A320 Silenzioso? Vi Svelo i Segreti del Suo Rumore (e Come lo Riduciamo!)

Avete presente quel rombo caratteristico quando un aereo si prepara all’atterraggio? Quel misto di sibili e fruscii che, ammettiamolo, a volte può essere un po’ invadente, specialmente se si vive vicino a un aeroporto. Beh, da un po’ di tempo a questa parte, nel mio campo, ci stiamo scervellando per capire esattamente da dove viene quel rumore e, soprattutto, come farlo diminuire. E oggi voglio raccontarvi un po’ della nostra ultima avventura: simulare il rumore generato dalla struttura, o “cellula” come la chiamiamo noi tecnici, di un Airbus A320 durante la delicata fase di atterraggio.

Perché proprio l’A320? È uno degli aerei commerciali più diffusi al mondo, quindi capire lui significa fare un grande passo avanti. E perché in atterraggio? Semplice: è uno dei momenti in cui l’aereo è più rumoroso, con flap, slat (quelle specie di “alette” anteriori e posteriori sull’ala) e carrello completamente estesi. Pensate che in Europa c’è un obiettivo ambiziosissimo: ridurre il rumore percepito del 65% entro il 2050 rispetto ai livelli del 2000! Una sfida enorme, che richiede tecnologie di simulazione sempre più sofisticate.

La Nostra Missione: Ascoltare un A320 Virtuale

Nel progetto SIAM del DLR (il centro aerospaziale tedesco, un po’ la nostra NASA europea), abbiamo preso di mira proprio questo. Abbiamo utilizzato un A320-232 reale, battezzato “D-ATRA”, per dei test di sorvolo nel maggio 2016. Immaginatevelo: l’aereo che passa a circa 180 metri di altezza (600 piedi) sopra un’area piena di microfoni, a una velocità di circa 250 km/h (135 nodi). L’obiettivo? Registrare ogni singolo decibel.

Ma la parte più affascinante, per me, è stata la simulazione. Non è che possiamo mettere un A320 in una galleria del vento acustica gigante ogni volta che vogliamo testare una modifica! Quindi, ci siamo affidati alla potenza dei computer. Abbiamo creato un gemello digitale dell’aereo, concentrandoci su tutte quelle parti che generano rumore quando l’aria ci scorre sopra: gli ipersostentatori (slat e flap, appunto), i loro bordi, le fessure, persino i supporti degli slat. Non abbiamo tralasciato nulla!

Come Nasce il Rumore (e Come lo Simuliamo)

Il rumore generato dalla cellula, detto anche “aerodinamico”, nasce principalmente dalla turbolenza dell’aria che interagisce con le superfici dell’aereo. Immaginate l’acqua di un fiume che sbatte contro i sassi: crea spruzzi e gorghi. L’aria fa qualcosa di simile, ma su scala molto più complessa e, ovviamente, generando onde sonore.

Per simulare tutto questo, abbiamo usato un approccio “ibrido”:

• Prima, una simulazione fluidodinamica computazionale (CFD), nello specifico con un metodo chiamato RANS (Reynolds-Averaged Navier–Stokes). Questa ci dà un’idea precisa di come l’aria “media” si muove attorno all’aereo. Pensatela come una mappa dettagliata delle correnti principali.
• Poi, da questi dati “medi”, dobbiamo “inventarci” la turbolenza. Usiamo dei metodi stocastici, un po’ come se, guardando la mappa del fiume, riuscissimo a prevedere dove si formeranno le onde e gli spruzzi più intensi. Questi metodi, come il FRPM (Fast Random Particle Mesh) o il più sofisticato FLAD, ci permettono di ricostruire le sorgenti di rumore.
• Una volta identificate le sorgenti, entra in gioco l’acustica computazionale (CAA). Usiamo le equazioni di perturbazione acustica (APE) per vedere come queste onde sonore si propagano vicino all’aereo.
• Infine, con un metodo chiamato Ffowcs Williams and Hawkings (FWH), “raccogliamo” questo suono su una superficie immaginaria attorno all’aereo e lo proiettiamo lontano, fino ai microfoni virtuali a terra, per ottenere l’impronta acustica complessiva.

Una cosa furba che abbiamo fatto è stata quella di dividere il problema: abbiamo analizzato separatamente le varie fonti di rumore. Ad esempio, il rumore degli slat interni, quelli esterni, dei flap, del carrello d’atterraggio, e persino della “wingtip fence” (quell компонента verticale alla fine dell’ala). Questo ci permette non solo di capire il contributo di ciascuno, ma anche di testare modifiche mirate per ridurre il rumore di un componente specifico.

Per farvi un esempio, gli slat sono particolarmente “chiacchieroni”. Abbiamo dovuto modellare ogni singolo supporto degli slat (chiamati “track”) perché il flusso d’aria, e quindi il rumore, cambia leggermente da uno all’altro a causa della vicinanza della fusoliera, del motore, delle fessure e dei bordi del sistema di ipersostentazione. Non potevamo semplicemente simularne uno e moltiplicare!

Slat, Flap, Carrello: I Protagonisti del Concerto Aereo

Gli Slat: Queste superfici mobili sul bordo d’attacco dell’ala sono cruciali per generare portanza a basse velocità, ma la fessura che si crea tra lo slat e l’ala (la “slat cove” e lo “slat gap”) è una fonte notevole di rumore. Abbiamo visto che il rumore degli slat si irradia principalmente all’indietro, con un angolo di circa 110-115 gradi rispetto alla direzione di volo.

I Flap: Simili agli slat, ma sul bordo d’uscita dell’ala, anche i flap contribuiscono significativamente al rumore. A differenza degli slat, però, il loro rumore tende a irradiarsi più direttamente verso il basso, o addirittura leggermente in avanti quando sono completamente estesi. Anche qui, abbiamo dovuto considerare sezioni “pulite” del flap e poi i bordi laterali, le giunzioni e le cavità, che possono essere particolarmente rumorose.

Il Carrello d’Atterraggio: Ah, il carrello! Con tutte le sue geometrie complesse, aste, ruote e meccanismi, è un’altra superstar del rumore. Per simularlo, abbiamo usato un approccio leggermente diverso, sempre basato su modelli stocastici (FLAD) ma con un solutore specifico chiamato PIANO-IBM. È interessante notare che, nelle nostre simulazioni e nei test reali, il carrello d’atterraggio dell’A320, sebbene rumoroso, contribuiva meno al rumore complessivo rispetto alla cellula stessa (ali, slat, flap) in configurazione d’atterraggio. Questo è un dato importante!

Le Wingtip Fence: Quelle alette verticali all’estremità dell’ala. Anche loro hanno una fisica del flusso complessa, con vortici che si staccano e interagiscono. Per queste, il modello stocastico FRPM più semplice non bastava, e siamo passati al modello FLAD, più adatto a catturare le alte frequenze tipiche di queste interazioni vorticose.

Il Momento della Verità: Simulazione vs. Realtà

Dopo tutto questo lavoro di simulazione, è arrivato il momento clou: confrontare i nostri dati virtuali con quelli reali raccolti durante i sorvoli del D-ATRA. E qui, devo dire, c’è stata una bella soddisfazione! Prima, però, abbiamo dovuto “pulire” i dati reali: eliminare l’effetto Doppler (il cambio di frequenza dovuto al movimento dell’aereo), correggere per l’attenuazione atmosferica e per l’effetto del suolo sui microfoni, e persino “aggiungere” l’effetto del flusso d’aria che i microfoni virtuali “sentivano” nella simulazione (che è come se l’aereo fosse fermo in una galleria del vento).

Ebbene, i risultati sono stati eccellenti. L’impronta acustica a terra, cioè la mappa del livello di pressione sonora complessivo (OASPL), ottenuta dalla simulazione era incredibilmente simile a quella misurata. Parliamo di differenze minime, ben all’interno della tolleranza di misurazione. Anche analizzando le singole bande di frequenza (i terzi d’ottava), l’accordo era ottimo. Questo ci ha dato grande fiducia nella nostra metodologia.

Abbiamo confermato che, senza considerare il rumore dei motori (che erano al minimo e non li abbiamo simulati), la fonte principale di rumore era proprio il sistema di slat estesi. Con il carrello abbassato, il picco di rumore si spostava leggermente più vicino alla verticale dell’aereo e un po’ in avanti, ma come detto, l’incremento dovuto al carrello era inferiore a quello che ci si potrebbe aspettare, segno che la cellula “pulita” (ma con ipersostentatori fuori) è già di per sé molto rumorosa.

Cosa Abbiamo Imparato e Dove Andiamo?

Questa maratona di simulazioni ci ha insegnato tantissimo. Innanzitutto, che il nostro approccio “zonale” e l’uso di sorgenti stocastiche derivate da simulazioni RANS funzionano alla grande per predire il rumore di un aereo complesso come l’A320. È un metodo molto promettente per la progettazione, perché ci permette di isolare le fonti e testare modifiche specifiche con tempi di calcolo relativamente contenuti rispetto, ad esempio, a simulazioni LES (Large Eddy Simulation) dell’intero velivolo, che sono ancora proibitive per la scala reale.

Certo, ci sono ancora domande aperte, specialmente sul rumore dei bordi laterali ad alte frequenze. Il nostro piano è di passare gradualmente al modello stocastico canonico (FLAD) per tutte le regioni, dopo averlo validato ulteriormente con simulazioni più dettagliate e test in galleria del vento su modelli in scala.

La strada verso aerei davvero silenziosi è ancora lunga, ma ogni simulazione come questa, ogni confronto riuscito con la realtà, è un passo fondamentale. È un po’ come accordare uno strumento musicale incredibilmente complesso: bisogna capire ogni singola corda, ogni singola vibrazione, per ottenere finalmente l’armonia desiderata. E noi, con i nostri supercomputer e la nostra passione, siamo qui per questo: per rendere il cielo un posto un po’ più silenzioso per tutti.

Fonte: Springer