Gruppo di Lavoro Velivoli Ipersonici

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1 Gruppo di Lavoro Velivoli Ipersonici Chairman: Gen. B.A. (r) Giuseppe Cornacchia, CESMA SISTEMI E TECNOLOGIE (WP3) Analisi di Missione e di Sistema (WP 3.1) Coordinatore: Ing. Antonio Gammarota, TAS-I Politecnico di Torino Thales Alenia Space Italia Con la collaborazione di: ASI, Agenzia Spaziale Italiana Leaf Space Prof. Nicole Viola PhD Roberta Fusaro Ing. Antonio Gammarota Ing. Samantha Jannelli Ing. Giovanni Pandolfi 1

2 Indice WORK BREAKDOWN STRUCTURE Introduzione e scopo del lavoro Volare in ipersonico: il desiderio che accomuna ingegneria aeronautica e spaziale Proposta di metodologia per l identificazione di tecnologie abilitanti Metodologia Individuazione degli stakeholder e delle loro necessità Mission Statement e obiettivi della missione Analisi Funzionale, concetto di missione e dimensionamento preliminare Identificazione dei principali segmenti di missione e proposta dei principali scenari di missione Descrizione dei possibili scenari di missione Trasporto Transatmosferico Punto-Punto Volo suborbitale Volo orbitale Rientro atmosferico Il volo suborbitale Lista armonizzata delle tecnologie abilitanti Conclusioni References

3 WORK BREAKDOWN STRUCTURE GdL Velivoli Ipersonici Informazione e public perception WP 1.0 Framework WP 2.0 Opzioni di impiego WP 3.0 Sistemi e Tecnologie WP 4.0 Regolamentazione WP 5.0 Infrastrutture WP 6.0 Roadmap WP 1.1 Tassonomia WP 2.1 Difesa e sicurezza WP 3.1 Analisi di missione e di sistema WP 4.1 Regolamentazione WP 5.1 Spazioporti WP 6.1 Valutazione TRL WP 1.2 Iniziative europee WP 2.2 Commerciale WP 3.2 Tecnologie abilitanti WP 4.2 ATM/ATC WP 5.2 Segmento di terra WP 6.2 Analisi tecnologie e lineam. roadmap WP 1.3 Iniziative internazionali WP 2.3 Scientifico WP 3.3 Technolgy mapping WP 5.3 Operations & Safety 3

4 GRUPPO DI LAVORO VELIVOLI IPERSONICI 1 Introduzione e scopo del lavoro 1.1 Volare in ipersonico: il desiderio che accomuna ingegneria aeronautica e spaziale La volontà e la necessità di costruire un mezzo di trasporto in grado di raggiungere velocità ipersoniche sono sempre più marcate sia in campo aeronautico sia in campo spaziale. Dal lato aeronautico, infatti, è sempre più pressante il desiderio, soprattutto da parte degli uomini d affari, di poter raggiungere due punti qualsiasi della sfera terrestre in poche ore (4 o 5 al massimo). Tale obiettivo potrebbe essere raggiunto attraverso un sistema di trasporto in grado di seguire un profilo di volo stratosferico, caratterizzato da una crociera ad una quota intorno ai 30 km, ad una velocità compresa nel range Mach 4-8. Parallelamente però, si sta affermando sempre più il campo dei voli suborbitali, sia con fini turistici (possibilità di sperimentare brevi periodi di microgravità, vista della curvatura terrestre, ecc.) sia con fini sperimentali, su payload scientifici di varia natura. Dal punto di vista dell ingegneria spaziale, lo studio di sistemi capaci di raggiungere velocità ipersoniche è di grande interesse sia per i collegamenti Earth-to-Orbit sia per eventuali velivoli da rientro orbitale. La capacità di un sistema di trasporto di resistere alle condizioni di carico strutturale e termico imposte da profili di missione così gravosi sono attualmente al centro di numerose indagini teorico-sperimentali ed è ritenuta centrale per la realizzazione di un accesso commerciale allo Spazio. L attenzione verso questo argomento cresce ancor più quando si estende il possibile campo di applicazioni dal trasporto passeggeri (turisti o astronauti) al trasporto di payload inanimati. Da questa breve disamina, si può notare la necessità di comprendere le caratteristiche principali del fenomeno ipersonico nonché di identificare le tecnologie abilitanti e comprenderne il loro attuale livello di sviluppo (TRL, Technology Readiness Level) al fine di proporre una roadmap tecnologica finalizzata alla costruzione di un programma di R&D nazionale. Il gruppo del dipartimento di Ingegneria Aerospaziale del Politecnico di Torino ha affrontato questo problema con un approccio cosiddetto top-down. E stata sviluppata una metodologia che, a partire dall individuazione delle necessità espresse da enti (privati o pubblici) od organizzazioni interessate (Stakeholder), permette di individuare alcune categorie di missione in grado di soddisfarle. Analizzandole, prima dal punto di vista funzionale e poi da quello fisico-operativo, è stato possibile ricavare i principali elementi costitutivi di ogni missione e i suoi principali sottosistemi fino a giungere all individuazione delle tecnologie necessarie. La lista delle cosiddette tecnologie abilitanti sarà poi input fondamentale per la costruzione della roadmap (attività nell ambito del WP-6). 1.2 Proposta di metodologia per l identificazione di tecnologie abilitanti Come già accennato nei paragrafi precedenti, lo scopo principale di questo lavoro è quello di ottenere una lista completa di tecnologie abilitanti per permettere il volo ipersonico, proponendo una metodologia obiettiva che abbia come soli dati di input i principali stakeholder con i loro 4

5 interessi e le loro necessità. Inoltre, per evitare di giungere alla progettazione e produzione di prodotti che, nonostante rispondano in modo ottimale alle necessità dei committenti, abbiano però scarse probabilità si successo sul mercato, è necessario valutare fin da subito sia la situazione attuale del mercato e le prospettive future a breve, medio e lungo termine. Inoltre è prudente individuare lo scenario sociale, politico ed economico nel quale tale progetto dovrà essere sviluppato, ma anche quello in cui il prodotto dovrà poi essere utilizzato. Figura 1 - Panoramica delle tecnologie abilitanti Come mostrato nello schema della Figura 1, la creazione della lista delle tecnologie risulta caratterizzato da un livello adeguato di oggettività mentre fornisce una valida base di partenza per la mappatura delle competenze tecnologiche territoriali, attività che invece è strettamente connessa alle caratteristiche delle industrie o dei centri di ricerca considerati. 5

6 2 Metodologia GRUPPO DI LAVORO VELIVOLI IPERSONICI Partendo dalle analisi preliminari di alto livello, già menzionate, si propone di applicare la sequenza di attività tipica del System Engineering [3] [4] [5]. Leggendo la sequenza di attività proposte, non si deve aver l idea che il flusso di attività sia lineare come rappresentato in Fig. 2, ma la sequenza di attività proposte deve essere ripetuta per ogni livello di dettaglio, pur tenendo in giusta considerazione le peculiarità di ogni fase progettuale. Ecco quindi che all interno delle metodologie basate sull ingegneria di sistema, è molto comune trovare rappresentazioni grafiche del ciclo di progetto come una spirale Fig. 3. Figura 2 Flow chart della metodologia 6

7 GRUPPO DI LAVORO VELIVOLI IPERSONICI Figura 3 Spirale di progetto 2.1 Individuazione degli stakeholder e delle loro necessità Considerando che l obiettivo di tutta questa analisi è l individuazione di una lista di tecnologie abilitanti per lo sviluppo di un sistema da trasporto ipersonico, la metodologia delineata in questa sezione propone linee guida per la ricerca e l individuazione di tutti quegli enti, associazioni o singoli individui che, a vario titolo potrebbero essere interessati alla progettazione, alla costruzione o all utilizzo del sistema che si vuole progettare. Questa categoria di persone/organizzazioni, viene solitamente identificata con il termine anglosassone Stakeholder. Ovviamente, come suggerito dalla Fig. 1, tale analisi non può essere condotta prescindendo dal mercato nel quale si suppone di competere né dagli ambienti nei quali si ipotizza di operare. Infatti, a seconda della nazione nella quale il prodotto dovrà essere sviluppato e utilizzato, potrebbero esserci dei vincoli normativi che delimitano alcuni ambiti di progetto fin dalle fasi più alte. Per identificare tutti coloro che possono essere coinvolti in una missione o più semplicemente in un iniziativa, seguendo il procedimento proposto dalla NASA [5], è possibile suddividere gli stakeholder in questi differenti gruppi: Sponsors: associazioni o privati che fissano gli obiettivi della missione, imponendo i principali vincoli sul tempo e sul budget a disposizione. 7

8 Operatori: associazioni o privati che sono deputati al controllo e al mantenimento del segmento di terra o di volo. Tipicamente si tratta di aziende volte a garantire i principali sistemi ingegneristici. Consumatori (End Users): persone che ricevono ed utilizzano i prodotti di una missione. Si tratta solitamente di scienziati o ingegneri. Clienti (Customers): differiscono dalle categorie precedenti perché pagano per avere un servizio, o per utilizzare un sistema. In questo caso, l attenzione è stata rivolta a tutti coloro che, per svariate ragioni, potrebbero essere interessati a progettare, costruire od utilizzare un sistema da trasporto ipersonico o ad un servizio da esso derivante. Nell esaminare i possibili interessi, non vanno dimenticati attori fondamentali soprattutto quando si parla di nuove tecnologie, come la comunità scientifica internazionale e tutti i centri di ricerca o le università, interessati soprattutto al ritorno scientifico e alla raccolta e all analisi di dati sperimentali indispensabili per validazioni e per sviluppi futuri. Categoria di Stakeholder Sponsor Identificazione degli Stakeholder Aeronautica Militare (AM) Agenzia Spaziale Italiana (ASI) Necessità degli Stakeholder Progettare un mezzo di trasporto in grado di compiere missioni intercontinentali (se non antipodali in pochissime ore) per scopi tattici o di trasporto. Dimostrare la capacità italiana a livello aerospaziale. Estendere l ambiente operativo al di là del campo considerato da sempre puramente aeronautico. Proporsi come ente di collegamento tra il Governo Italiano e le Industrie italiane. Dimostrare la capacità dell industria italiana, delle università e dei centri di ricerca italiani di progettare, costruire ed operare un velivolo da trasporto ipersonico. Accrescere il livello di maturità delle tecnologie abilitanti per il volo ipersonico. Proporre nuovi concetti di velivoli riutilizzabili per l accesso allo spazio. Proporre nuovi concetti di velivoli riutilizzabili per il rientro atmosferico, sfruttabili non solo 8

9 sul nostro pianeta. Operatori Centri di controllo ENAC ASI Progettare, sviluppare e gestire spazioporti, capaci di supportare le operazioni di questi nuovi velivoli. Dimostrare la capacità di comunicare con il velivolo durante tutte le fasi di missione. Sviluppare normativa adeguata per il volo in zona di confine tra il mondo aeronautico e spaziale. Sviluppare normative per lo sviluppo e l operatività di spazioporti. Creare dei piani di volo che minimizzino l impatto sul bioritmo dei passeggeri. Gestire missioni con velivoli ipersonici Aziende per il recovery. Compagnie aeree Creare procedure per le operazioni di recupero dei velivoli in casi di ammaraggio. Dimostrare la capacità di svolgere operazioni di recupero in missioni così complesse. Operare un sistema di trasporto con modalità che non si discostino in modo eccessivo da quelle tipiche aeronautiche. Consumatori Clienti Comunità Scientifica, Università e Centri di Ricerca Passeggeri ASI, AM, Comunità Scientifica, Università Raccogliere, analizzare ed utilizzare dati di varia natura caratterizzanti il volo a velocità ipersonica. Raggiungere località molto distanti tra loro, in pochissimo tempo. Godere di un ottima vista della Terra Sperimentare la microgravità. Utilizzare il velivolo come mezzo a supporto della preparazione 9

10 e Centri di Ricerca, Aziende italiane Tabella 1 Analisi degli Stakeholders degli astronauti. Trasporto payload scientifico o militare Trasporto e conduzione di esperimenti scientifici in ambiente di microgravità. Tab. 1 riassume i principali risultati dell analisi degli Stakeholder, restringendo l analisi ad uno scenario nazionale. Si noti come all interno della categoria degli Stakeholder sarebbe possibile scendere maggiormente nel dettaglio, giungendo all identificazione di gruppi aziendali o privati interessati. Tale attività esula però dagli scopi di questo documento e dovrebbe costituire il fondamentale preliminare alle attività di mappatura delle competenze italiane. 2.2 Mission Statement e obiettivi della missione Dopo aver identificato i principali stakeholder e le loro necessità, è possibile scrivere il cosiddetto Mission Statement. Si tratta di una frase che sinteticamente descrive la missione. Vista la complessità di tale operazione di scrittura, si propone di seguire l approccio proposto da [1], che, basandosi su alcune semplici ma dettagliate domande, permette di riflettere accuratamente sulle motivazioni del programma. Il risultato rappresenta il fondamento di tutto lo studio che non potrà essere cambiato durante il progetto. Per tale motivo, vista l importanza di questo semplice ma fondamentale statement, gli Stakeholders, in modo particolare gli sponsor, devono essere coinvolti. Il Mission Statement diventa quindi il fondamento del progetto racchiudendo al proprio interno i principali obiettivi della missione e i principali vincoli progettuali solitamente da coloro che investiranno nel progetto; in questo caso, si noti ad esempio l accento assolutamente nazionalistico, imposto da alto livello proprio dai principali sponsor della missione. Domanda Qual è il problema fondamentale da risolvere? Chi potrebbero essere i potenziali consumatori, interessati al prodotto e/o ai servizi ad esso correlati. Come si propone di risolvere il problema? Risposta Dimostrare la capacità italiana di progettare, costruire ed operare un sistema da trasporto in grado di raggiungere velocità ipersoniche. Vista la portata di tale impresa, si prevede un grande interesse sia in campo privato, pubblico ed istituzionale. Si propone di risolvere questo problema attraverso il progetto e la realizzazione di un sistema di trasporto in grado di raggiungere velocità ipersoniche e di un adeguato sistema di supporto a terra. 10

11 Oltre ai principali obiettivi della missione, ve ne sono altri, meno evidenti ma sempre importanti? Tale missione rappresenta una grande sfida tecnologica i cui risultati potranno avere ricadute su molti altri settori anche molto distanti dall aerospazio. Al fine di dimostrare la capacità del settore aerospaziale italiano, si propone di progettare, produrre ed utilizzare un sistema di trasporto ipersonico, le relative infrastrutture di Terra e proporre aggiornamenti legislativi in merito, Mission Statement necessari al supporto delle attività. Grande attenzione dovrà essere rivolta all identificazione e allo sviluppo e crescita delle principali tecnologie abilitanti, sfruttando al meglio le capacità e le competenze italiane, senza dimenticare la possibilità di cooperazioni internazionali. Tabella 2 Guida alla scrittura del Mission Statement Seguendo l approccio del System Engineering, una volta stabilito il Mission Statement, prima di iniziare una descrizione e un analisi della missione e dei sistemi coinvolti da un punto di vista funzionale, è necessario individuare in modo puntuale gli Obiettivi della Missione. Nello svolgere questa attività, riferendosi a [1] è possibile categorizzare tali obiettivi tra Primari e Secondari. Obiettivi Primari: si tratta degli scopi principali per i quali la missione è stata creata. Essi sono facilmente derivabili direttamente dal Mission Statement. Obiettivi Secondari: si tratta degli obiettivi meno evidenti dalla lettura del Mission Statement, ma comunque fondamentali per la buona riuscita della missione. Tale categoria di obiettivi può essere ricavata riferendosi ai risultati ottenuti dall analisi delle necessità degli Stakeholders. Obiettivi Primari Obiettivi Secondari Tabella 3 Obiettivi di Missione Dimostrare la capacità del settore aerospaziale italiano. Sviluppare, costruire ed operare un sistema di trasporto ipersonico. Sviluppare, costruire ed operare adeguate infrastrutture di terra a supporto delle attività di un velivolo ipersonico. Accrescere il livello tecnologico delle tecnologie abilitanti al volo ipersonico. Permettere il trasporto di persone e di payload scientifico. Garantire un ampio ritorno scientifico della missione. 11

12 2.3 Analisi Funzionale, concetto di missione e dimensionamento preliminare Stabiliti i principali obiettivi da raggiungere, è possibile procedere con le prime analisi di alto livello. In particolare, in questo specifico caso, poiché l attenzione non è rivolta esclusivamente al sistema di trasporto, ma anche alle infrastrutture di terra che permetteranno a tale sistema di essere utilizzato, è necessario partire da un livello Sistema di Sistemi, System of Systems, (SoS). Tale analisi permetterà di individuare i principali elementi della missione, le loro funzioni e le varie relazioni che intercorrono tra essi. Tale processo dove essere affiancato dalla definizione della descrizione dello scenario operativo con la definizione delle principali fasi di missione. Fig. 4 riassume i principali tool utilizzabili per l analisi funzionale, mentre nella Tab. 4 si riportano le principali definizioni delle attività di Analisi Funzionale, Concetto di Operazioni e di Dimensionamento di Sistemi e Sottosistemi. In particolare, nel nostro caso di applicazione non vi è una richiesta specifica sulla missione o sul profilo di volo da seguire. Anzi, analizzando le differenti categorie di stakeholder identificate, si nota come molti dei loro desideri non sono realizzabili all interno di un solo concetto di missione ma il sistema di trasporto progettato dovrà essere così flessibile da poter essere utilizzato, seppur con opportune modifiche, per soddisfare così le differenti necessità. Ricollegandoci però allo scopo del documento, e cioè quello di ricavare in modo razionale, una lista di tecnologie abilitanti per il volo ipersonico, al fine di non dimenticarne nessuna, è necessario valutare tutti i possibili scenari in cui un velivolo ipersonico possa essere utilizzato, valutandone principali peculiarità ed impatto sulle tecnologie abilitanti. Attività Progettuali Functional Analysis Definizioni Functional Analysis allows defining the functions, the systems able to perform these functions and a possible architectural scheme. Eventually it allows deriving all the possible alternatives for the elements of the mission concept. Concept of Operations Concept of Operations defines possible set up for the several Mission Concept alternatives. It defines also a preliminary trajectory, a timeline and communication architecture. Eventually it sets up mission concept alternatives combining in different feasible ways the elements obtained through the functional analysis. 12

13 System Sizing System sizing allows defining preliminary mass, volume and power budgets of the main systems involved. It helps to numerically characterize the mission concept alternatives and to derive a first draft list of systems requirements. Tabella 4 Definizione delle principali attività progettuali Figura 4 Strumenti di analisi funzionale 13

14 GRUPPO DI LAVORO VELIVOLI IPERSONICI Figura 5 Tool chain 2.4 Identificazione dei principali segmenti di missione e proposta dei principali scenari di missione. Partendo dagli obiettivi di missione precedentemente identificati, è possibile ricavare le principali funzioni che i differenti elementi della missione dovranno garantire affinché la missione possa essere portata a termine. La tabella seguente mostra le principali funzioni da garantire per rispondere al Mission Statement di Tab. 5. Si noti come, per questioni di tracciabilità, le funzioni sono univocamente definite ed identificate da un proprio ID. Il codice numerico ad esso associato indica il livello della funzione e permette di ricostruire il legame con i livelli superiori. Livello Sistema di Sistemi Segmento ID Funzioni F.0 (Top Level Permettere il volo a velocità ipersonica Function) F.1.1 Compiere missioni a velocità ipersonica F.1.2 Supportare la missione F.1.3 Permettere comunicazioni tra i diversi elementi della missione Tabella 5 Funzioni a livello Segmento 14

15 Funzioni F.1.1 F.1.2 F.1.3 GRUPPO DI LAVORO VELIVOLI IPERSONICI Segmento di Terra Segmenti Segmento di Volo Permettere il volo a velocità ipersonica Compiere missioni a velocità ipersonica Permettere comunicazioni tra i diversi elementi della missione Tabella 6 Matrice funzioni-apparati (Livello Segmenti) Segmento di Comunicazione Prima di proseguire nell analisi e nel dimensionamento ai livelli successivi, noti i principali segmenti coinvolti nella missione, è possibile cercare di ipotizzare differenti famiglie di concetti di missione che possano realizzare i desideri degli stakeholder, precedentemente identificati. Figura 6 Albero delle Funzioni (Livello Segmenti) 2.5 Descrizione dei possibili scenari di missione In questa sezione, vi è una breve descrizione dei principali scenari di missione identificati attraverso la metodologia presentata nella sezione precedente e che hanno in comune la volontà di utilizzare un generico sistema di trasporto in grado di raggiungere velocità ipersoniche Trasporto Transatmosferico Punto-Punto Con il termine trasporto punto-punto trans-atmosferico, si intende una famiglia di missioni caratterizzate da una traiettoria in grado di collegare due punti opposti sulla superficie terrestre (i cosiddetti antipodi ) in tempi che non superino le 5-6 ore di volo. Al fine di raggiungere tale obiettivo, il sistema da trasporto, dopo una fase di salita iniziale, si assesterà ad una quota di circa 30 km, alla quale compirà tutta la crociera a velocità ipersonica. Viste le peculiarità di questa possibile classe di missioni, si possono individuare una serie di problematiche che dovranno essere approfondite nelle fasi seguenti del lavoro: 1. Aspetti aero-termodinamici legati principalmente alla velocità di volo e alla necessità del velivolo di permanere in crociera per un lungo periodo. 15

16 2. Aspetti propulsivi dovuti alla necessità di garantire una spinta sufficiente durante tutto il profilo di volo. Figura 7 Missione da trasporto suborbitale punto-punto Figura 8 Rappresentazione grafica di una missione punto-punto 16

17 2.5.2 Volo suborbitale Il volo suborbitale è attualmente di grande interesse sia per le differenti missioni che possono essere condotte, sia per il grande interesse che l ingegneria aerospaziale sta riservando a tale settore. Infatti, viste le peculiarità di tali missioni, il volo parabolico potrebbe essere visto come una perfetta piattaforma di test per tecnologie abilitanti in campo ipersonico, ma anche come il luogo ideale in cui condurre test di microgravità senza dover raggiungere quote orbitali. Inoltre, i voli suborbitali stanno riscuotendo grande successo tra i non addetti ai lavori permettendo loro di sperimentare l assenza di gravità, fluttuando per qualche minuto, come un astronauta, o di poter apprezzare la curvatura terrestre. Dopo una prima fase di salita e per raggiungere la massima quota operativa per i motori airbreathing, per mezzo di un sistema propulsivo differente, il velivolo dovrà essere in grado di raggiungere la quota target, solitamente posta nell intorno dei 100 km. Giunto al culmine della traiettoria il velivolo tornerà verso Terra, prima sfruttando l effetto inerziale e successivamente con l utilizzo del sistema propulsivo. Svariate alternative possono essere pensate per l atterraggio, da quello di precisione su pista, al più semplice ammaraggio. Nel caso del volo suborbitale, quindi, le peculiarità svelano come cruciali e degni di essere analizzati con attenzione nelle successive fasi di lavoro: 1. Aspetti di propulsione legati alla necessità di valutare attentamente la tipologia e la sequenza di propulsori da utilizzare, considerando l ampio profilo di missione. 2. Aspetti aero-termodinamici legati principalmente alla fase di rientro, che, seppur non da quota orbitale, è comunque da considerarsi. 3. Aspetti di sicurezza nei confronti dei passeggeri e di tutti i Paesi sorvolati dal profilo di missione. 17

18 Figura 9 Missione Volo Parabolico Volo orbitale Il volo orbitale ha un profilo di missione molto simile a quello suborbitale, descritto nella sezione precedente, con l unica differenza che la quota target è fissata ad una quota orbitale. Le peculiarità di tale missione quindi consistono principalmente nella necessità di valutare attentamente gli aspetti propulsivi ed aero-termodinamici. Tale missione però aprirebbe la strada ad una nuova generazione di lanciatori riutilizzabili, almeno nell ultimo stadio. Figura 10 Missione Earth to - Orbit Rientro atmosferico La missione di rientro dall orbita è sicuramente una delle più grandi sfide dell ingegneria spaziale a causa soprattutto degli elevati carichi termici e strutturali che il sistema di rientro deve sopportare. Il profilo proposto in Figura 11, si propone, pur nella sua generalità, di sottolineare alcune delle fasi principali di una missione di rientro, a partire dal periodo in cui a causa dell alta velocità e dei carichi termici e strutturali, il velivolo non è controllabile. Seguono poi delle fasi in cui le caratteristiche di manovrabilità del velivolo e il sistema propulsivo possono essere sfruttati per completare la missione e perseguire gli obiettivi esposti. 18

19 Figura 11 Rientro Orbitale Nell analizzare queste quattro differenti categorie di possibili missioni caratterizzate dal raggiungimento di velocità ipersoniche in alcune loro fasi, risulta evidente come il volo suborbitale, pur non raggiungendo una quota di volo orbitale, può essere considerato come paradigma per una fase di studio più approfondita con il fine ultimo di individuare una lista di tecnologie abilitanti per il volo ipersonico. 19

20 3 Il volo suborbitale GRUPPO DI LAVORO VELIVOLI IPERSONICI In questa sezione si analizza con maggior dettaglio la categoria del volo suborbitale, prima da un punto di vista funzionale e successivamente da un punto di vista fisico, cercando di individuare quali sistemi e sottosistemi possano essere scelti per svolgere le funzioni ricavate. Figura 12 Albero Funzionale 20

21 Data Management subsystem ECLSS Crew accomodation subsystem Electrical Power Supply subsystem Communication subsystem Propulsion subsystem AOCS Thermal Control Subsystem Thermal Protection subsystem Structure and Mechanisms GRUPPO DI LAVORO VELIVOLI IPERSONICI To generate thrust in atmosphere To generate thrust out of atmosphere To manage thrust in atmosphere To manage thrust out of atmosphere To support thermal loads To support inertial loads To guarantee maneuvrability in atmosphere To guarantee maneuvrability out of atmosphere To gather data from sensors To store data To send/receive data To elaborate data To support take-off To protect passengers from external environment To guarantee passengers visibility To allow passengers experiencing micro-g To control the environment To mantain the environnment To support the landing Tabella 7 Matrice funzioni-apparati Tra i sistemi individuati, l attenzione sarà rivolta esclusivamente al segmento di volo e dall analisi dei sottosistemi che lo costituiscono potrà essere tratta la lista di tecnologie necessarie al volo ipersonico. Successivamente, l uso della matrice funzioni-apparati può permettere di individuare i principali sottosistemi che permettono al velivolo di svolgere le funzioni ricavate e di svolgere 21

22 quindi la missione prefissata. Si noti come le funzione ricavate sono strettamente collegate agli obiettivi che il Gruppo di Lavoro si è posto. L introduzione di nuovi obiettivi quali per esempio il trasporto militare o la possibilità di utilizzare il velivolo con altre finalità militari (trasporto, difesa, attacco) o scientifiche (Earth Observation, Monitoraggio sia in condizioni nominali sia in caso di calamità naturali) comporterà l estensione di tale albero delle funzioni con la comparsa di nuovi rami e quindi una ricaduta anche a livello di sottosistemi. Proseguendo con l analisi funzionale a livello di sottosistemi ed equipaggiamenti, sarà possibile identificare non solo le aree tecnologiche di interesse, ma le singole tecnologie. Partendo dall identificazione delle principali funzionalità che un velivolo da trasporto capace di raggiungere velocità ipersoniche deve garantire, è possibile identificare sistemi, sottosistemi e componenti in grado di svolgerle. Ed è proprio procedendo iterativamente in questo processo che si può giungere all identificazione di una prima lista di tecnologie per il volo ipersonico. Poiché la suddivisione in sistemi, sottosistemi e componenti è strettamente collegata alla loro definizione, ogni albero sarà correlato da una spiegazione dei principali termini utilizzati o da adeguati riferimenti. Considerando un generico sistema da trasporto, in grado di compiere missioni che prevedono velocità ipersoniche, partendo dalle principali funzionalità ad esso richieste, è possibile individuare i seguenti sottosistemi, presentati in forma grafica, nell albero seguente. Figura 13 Albero dei prodotti (livello sottosistema) Si sono quindi analizzati singolarmente tali sottosistemi al fine di comprendere quali tecnologie possano essere considerate abilitanti per la realizzazione di un velivolo ipersonico. Partendo dal 22

23 sottosistema Strutture e Meccanismi, si è provveduto a suddividere i suoi principali componenti nelle categorie: Struttura primaria (se si tratta di componenti che sopportano carichi critici e la cui presenza è necessaria per la sopravvivenza della struttura), Struttura secondaria (quando i carichi sopportati sono di modesta entità e la cui presenza non è necessaria per la sopravvivenza della cellula) Struttura terziaria che racchiude invece tutti i dispositivi di piccola dimensione il cui compito non è quello di sopportare carichi. Figura 14 Albero dei prodotti (sottosistema Strutture e Meccanismi) Considerando il sottosistema struttura si è provveduto a suddividere i suoi principali componenti secondo la loro importanza, in primaria (se si tratta di componenti che sopportano carichi critici e la 23

24 cui presenza è necessaria per la sopravvivenza della struttura), secondaria (quando i carichi sopportati sono di modesta entità e la cui presenza non è necessaria per la sopravvivenza della cellula) e terziaria che racchiude invece tutti i dispositivi di piccola dimensione il cui compito non è quello di sopportare carichi. I meccanismi di attuazione che gravano direttamente su parti strutturali o sono in essa annegati (dumper, molle, ecc.) vengono considerati direttamente all interno di questa categoria. Indagando ciascuno dei componenti strutturali identificati nell albero, non si identificano particolari complessità legate al volo ipersonico (se non forse nella necessità di valutare accuratamente i livelli di vibrazione e rumore, e quindi di opportune strutture di supporto). Le tecnologie abilitanti nel campo delle strutture, sono invece da ricercarsi analizzando le proprietà di tali elementi, ed in particolare i materiali costitutivi e i processi produttivi che permettono di donare caratteristiche uniche a tali materiali. Una lista organica di materiali, e in particolar modo degli speciali processi produttivi, potrebbe derivare da una dettagliata analisi di tutte le fasi di vita del prodotto, non solo dell ideazione e della progettazione, ma anche di quelle successive di produzione, test e verifica, operatività e disposal. In particolare, considerando i principali materiali utilizzati in campo aerospaziale, risulta conveniente analizzare i differenti regimi di temperatura che il velivolo dovrà attraversare. Figura 15 Albero dei prodotti (sottosistema ECLSS) La generazione di potenza elettrica su velivoli da trasporto ipersonico diventa di fondamentale importanza nelle eventuali fasi di volo non propulse da motore tradizionale, durante le quali sarà necessario attingere dall energia immagazzinata negli opportuni sistemi di stoccaggio. Nuove 24

25 tecnologie con un sempre più alto rapporto kwh/kg sono auspicabili fino a diventare assolutamente abilitanti per la realizzazione di un velivolo per volo ipersonico. Figura 16 Albero dei prodotti (sottosistema EPS) Altro sottosistema di fondamentale importanza per il volo ad altissima velocità è quello del controllo della temperatura. In particolare, in questo contesto è stato ritenuto conveniente separare i dispositivi deputati alla semplice protezione del velivolo, da quelli votati a controllare il regime termico dei differenti sottosistemi e del sistema di trasporto. Nell albero seguente sono rappresentate le principali tecnologie aerospaziali normalmente impiegate a tal fine ma, come nel caso delle strutture, anche in questo settore, un ruolo fondamentale è giocato dai materiali utilizzati. 25

26 Figura 17 Albero dei prodotti (sottosistema TCS e TPS) Considerando l impegnativa missione di un velivolo ipersonico, il sottosistema propulsivo rappresenta sicuramente uno dei punti critici del velivolo, sai per i moduli deputati alla generazione della spinta, sia per quanto riguarda la scelta, lo stoccaggio e la distribuzione del propellente. Il basso livello di maturità di molte tecnologie collegate alla propulsione è da decenni uno dei principali deterrenti allo sviluppo di un velivolo ipersonico. Figura 18 Albero dei prodotti (sottosistema propulsivo) 26

27 Figura 19 Albero dei prodotti (sottosistema AOCS) Si considera ora la capacità del velivolo di controllare la propria posizione rispetto alla traiettoria pianificata e il proprio assetto rispetto a quello di riferimento. Trattandosi di velivoli che rappresentano il confine tra aerei e sistemi di trasporto spaziali, non si può parlare esclusivamente di FCS (Flight Control System) né risulterebbe completo occuparsi semplicemente del GNC (Guidance Navigation and Control subsystem). In questo contesto ci si riferisce quindi all AOCS (Attitude and Orbit Determination and Control Subsystem) come al sottosistema che racchiude in sé i componenti che permettono di misurare la propria posizione e il proprio assetto e gli elementi di attuazione che permettono di correggerli. Per quanto riguarda gli altri sottosistemi, non ci sono peculiarità particolari per un velivolo ipersonico. 27

28 GRUPPO DI LAVORO VELIVOLI IPERSONICI 4 Lista armonizzata delle tecnologie abilitanti Dalle analisi compiute, partendo da un punto di vista funzionale, per giungere all individuazione di una product breakdown structure fino a livello sottosistema e componenti è possibile ricavare una lista di tecnologie che saranno abilitanti per il volo ipersonico. Come già descritto in precedenza, parallelamente alle analisi compiute dal gruppo di ricerca del Politecnico di Torino, un insieme eterogeneo di rappresentanti delle principali industrie e dei più importanti centri di ricerca italiani, si sono impegnati per individuare le principali tecnologie partendo dalle proprie competenze e dall heritage. Il risultato consiste nella compresenza di due differenti liste di tecnologie, tra loro complementari. Ecco quindi la necessità di una nuova iterazione al fine di omogeneizzare i singoli risultati e ottenere quindi un unica lista di tecnologie maggiormente adatta anche al proseguimento degli studi. VELIVOLO IPERSONICO Strutture & Materiali Strutture primarie o Strutture calde Materiali per alte temperature Materiali per T < 900 C Materiali per 900 C < T < 1600 C Materiali per T > 1600 C Strutture secondarie Strutture terziarie Sistema di Controllo e Protezione Termica Attivo Passivo Sistema Propulsivo Sistema Propulsivo primario o Tecnologia Ramjet Materiali costruttivi Architettura del sistema Presa d aria Ugelli di scarico Sottosistema combustibile Tipologia di Combustibile Stoccaggio Combustibile Gestione del Combustibile o Tecnologia Scramjet 28

29 GRUPPO DI LAVORO VELIVOLI IPERSONICI Materiali costruttivi Architettura del sistema Presa d aria Ugelli di scarico Sottosistema combustibile Tipologia di Combustibile Stoccaggio Combustibile Gestione del Combustibile o Motori a Razzo Sottosistema combustibile Tipologia di Combustibile Propellenti Liquidi Propellenti Solidi Propellenti Ibridi Stoccaggio Combustibile Gestione del Combustibile Materiali costruttivi Architettura del sistema o Motori a Ciclo Combinato Rocket Based Combined Cycle (RBCC) Turbine Based Combined Cycle (TBCC) Sistema Propulsivo secondario o Propellenti Green o Propulsione Elettrica Sistema di Potenza Elettrica Generazione o Celle Solari o Celle Fotovoltaiche Sistemi di accumulo Gestione Distribuzione Guida Navigazione e Controllo Attuatori Sensori o Dispositivi elettronici flessibili su substrati plastici o IMU o Sensori inerziali o Star tracker o Sun Sensors Sistemi di Telecomunicazione Comunicazione indipendente da blackout 29

30 Antenne resistenti in condizioni estreme Controllo Ambientale e Sistemi di Supporto Vitale Armi e Sistemi di Difesa Tecnologie laser ad energia diretta Materiali reattivi Tabella 8 Tecnologie abilitanti per velivolo ipersonico INFRASTRUTTURE DI TERRA Integrazione nel Traffico Aereo Civile Attività normativa Procedure di volo Infrastruttura di terra a supporto Equipaggiamenti di bordo Supporto Logistico e Manutentivo Spazioporti Tabella 9 Tecnologie abilitanti per infrastrutture di terra METODOLOGIE E STRUMENTI DI PROGETTAZIONE, PRODUZIONE, INTEGRAZIONE E VERIFICA Metodologie di Progettazione Metodologia con approccio sistemistico o Analisi Funzionale o Concetto di Missione o Simulazione o Architettura del velivolo o Progettazione di strutture e materiali o Progettazione di sistemi propulsivi Combustione ad alta velocità Iniezione del carburante e accensione Modello di cinetica chimica Interazioni gas-superficie 30

31 GRUPPO DI LAVORO VELIVOLI IPERSONICI CFD camera di combustione o Progettazione integrata aero-termo-strutturale Studio di Integrazione TPS Analisi dell architettura delle Strutture Calde Analisi di materiali e strutture critiche Installazione sensori in zone critiche del velivolo Analisi della mitigazione del fenomeno del sonic boom Controllo dello strato limite Separazioni ipersoniche Analisi dell interazione tra urti Processi di transizione Dinamica di miscelamento Flussi turbolenti Analisi CFD per flussi ipersonici al rientro Integrazione, verifica e qualifica o Elettronica tollerante a radiazione e ionizzazione o Architettura modulare aperta per avionica e software o Test in galleria del vento ipersonica e al plasma o Banco Test per integrazione di sistema Misurazioni o Strumentazione per il rilevamento di posizione dell urto o Misura puntuale di temperatura e/o di velocità nell apparato ipersonico sperimentale o Pittura Temperature-Sensitive o Tecniche sperimentali per grandi strutture o Caratterizzazione del flusso libero Nitric Oxide Planar lasar-induced fluorescence Tabella 10 Tecnologie abilitanti per metodologie e strumenti di progettazione, produzione, integrazione e verifica 31

32 5 Conclusioni GRUPPO DI LAVORO VELIVOLI IPERSONICI Il presente documento riassume i principali obiettivi raggiunti dal gruppo di Ingegneria Aerospaziale del Politecnico di Torino nel contesto delle attività del W.P.3, T.3.1. Partendo dell identificazione delle principali necessità degli stakeholder e degli attuali trend di mercato, il documento delinea una metodo di indagine che si conclude con l identificazione dei più promettenti scenari d applicazione per il volo a velocità ipersonica. Successivamente, attraverso accurate analisi di trade-off, è stato identificato uno scenario di riferimento, utilizzato come baseline per lo sviluppo di un sistema di trasporto e delle infrastrutture di supporto ad esso relative. Attraverso metodologie tipiche dell ingegneria di sistema (System Engineering approach) è possibile identificare i principali sistemi, sottosistemi, componenti, attraverso una spirale di progetto, tipicamente iterativa e ricorsiva, fino a giungere ad un livello di dettaglio tale da permettere l identificazione delle principali tecnologie abilitanti per il volo ipersonico. 32

33 6 References GRUPPO DI LAVORO VELIVOLI IPERSONICI [1] Larson, Wiley J., and Linda K. Pranke, eds. Human spaceflight: mission analysis and design. McGraw-Hill Companies, [2] Ley, Wilfried, Klaus Wittmann, and Willi Hallmann, eds. Handbook of space technology. Vol. 22. John Wiley & Sons, [3] Viola N., Corpino S., Fioriti M., Stesina F. (2012) Functional Analysis in Systems Engineering: methodology and applications. In: Systems Engineering - Practice and Theory / Prof. Dr. Boris Cogan. InTech, Rijeka, pp ISBN [4] Viola, Nicole; Fusaro, Roberta; Vita, Francesco De; Bianco, Alberto Del; Fenoglio, Franco; Forleo, Vincenzo; Massobrio, Federico; Santoro, Francesco. (2015) Conceptual design and operations of a crewed reusable space transportation system. In: 65th International Astronautical Congress (IAC), Jerusalem, October [5] NASA, Nasa Handbook 33