Come funziona il sistema avionico di un dimostratore tecnologico: interfacce, attuatori e gestione energetica

Il sistema avionico di un dimostratore tecnologico è articolato in diversi sottosistemi interconnessi, progettati per garantire il controllo e la sicurezza del velivolo sia in modalità manuale che automatica. Al centro della gestione del volo si trova il Core Interface Computer (CIC), che riceve e valida i comandi provenienti da due fonti principali: l’input remoto per il controllo manuale e i segnali generati dal Flight Control Computer (FCC), il quale governa il volo automatico. Il CIC svolge una funzione cruciale di elaborazione, trasformando i comandi prima di inviarli agli attuatori tramite bus CAN, garantendo così un flusso di dati affidabile e coordinato verso i dispositivi che agiscono direttamente sui controlli di volo.

Tra i componenti essenziali connessi al CIC vi sono il Vehicle Interface System (VIS) e la Power Utility Unit (PUU). Il VIS funge da interfaccia tra il sistema avionico digitale e le componenti tradizionali dell’aeromobile, gestendo segnali elettrici e pneumatici e traducendo dati analogici e digitali in protocolli standardizzati come CANopen. In particolare, il VIS è responsabile del controllo di elementi fondamentali come l’avviamento del motore, la pompa pneumatica e l’accensione. Inoltre, esso integra un sistema di terminazione del volo indipendente, attivabile sia da componenti software a bordo sia tramite comandi esterni, garantendo un livello di sicurezza conforme alle procedure di emergenza.

L’implementazione di attuatori elettromeccanici è un’altra componente chiave per l’automazione dei controlli principali, inclusi comandi del motore e freni pneumatici. Questi attuatori, spesso prodotti commerciali integrati con unità di controllo sviluppate internamente, comunicano tramite interfacce CAN e protocolli come ARINC 825 o CANopen. Sono in grado non solo di eseguire ordini di posizione, ma anche di fornire feedback sullo stato interno e sulle condizioni operative, un elemento indispensabile per il monitoraggio in tempo reale e la sicurezza del sistema di controllo del volo.

L’alimentazione elettrica è strutturata su due reti indipendenti, a 12 V e 28 V, che alimentano rispettivamente il sistema VIS e gli attuatori con le componenti elettroniche di bordo. La rete a 12 V si avvale di una batteria ricaricabile alimentata dal generatore del motore ROTAX, mentre la rete a 28 V è supportata da un sistema di batterie agli ioni di litio, suddivise in blocchi sostituibili, e controllata tramite unità di distribuzione e protezione elettrica. Tale configurazione assicura una continuità di alimentazione critica per il funzionamento simultaneo di sensori, computer di volo e sistemi di telemetria.

Il dimostratore è equipaggiato con una serie di sensori integrati per la stima dello stato di volo e la sorveglianza dello spazio aereo circostante. Tra questi, il sistema di navigazione inerziale (INS) con GPS differenziale integrato, il sensore di dati aria con naso boom e l’altimetro radar, forniscono informazioni elaborate e filtrate per garantire dati coerenti e utilizzabili dai sistemi automatizzati. Il sistema di sorveglianza aerea include inoltre ricevitori FLARM/ADS-B, strumenti fondamentali per il monitoraggio del traffico aereo circostante e per la sicurezza, sebbene non ancora completamente integrati nel sistema di automazione di volo, ma utilizzati per il controllo a terra e come risorsa indipendente.

I computer di volo, progettati con componenti embedded industriali robusti e specifici per il dimostratore, sono il cuore dell’avionica. Il CIC, dedicato al sistema fly-by-wire, e il FCC, incaricato dell’automazione del volo, coordinano i dati provenienti dai sensori e i comandi degli attuatori. La loro architettura permette di gestire in modo efficiente e sicuro l’intero sistema di controllo, integrando funzioni di monitoraggio, sicurezza e gestione energetica.

Oltre ai sistemi hardware, un aspetto fondamentale è la definizione e applicazione di livelli di sicurezza operativa, rappresentati da “safety plugs” unici con codifica cromatica che regolano la libertà operativa degli attuatori e dei sistemi motore. Questi livelli permettono di modulare le funzionalità attive a seconda della fase di volo o delle condizioni di test, dal completo blocco in condizioni di sicurezza fino al pieno funzionamento in volo, garantendo flessibilità e sicurezza.

È importante comprendere che l’efficacia del sistema avionico non risiede soltanto nella qualità dei singoli componenti, ma nell’integrazione e nell’interazione dinamica tra i diversi sottosistemi. La gestione della comunicazione tra dispositivi, la sicurezza intrinseca garantita da sistemi di terminazione indipendenti, la capacità di filtrare e validare dati sensoriali, e l’organizzazione dell’alimentazione elettrica sono elementi che si fondono per realizzare un sistema resiliente e affidabile, adatto a dimostrare nuove tecnologie in condizioni operative realistiche. La continua raccolta e trasmissione di dati verso la stazione di controllo a terra completano il quadro, fornendo un supporto essenziale per il monitoraggio e l’analisi del volo.

Quali configurazioni aeronautiche soddisfano i requisiti di ALAADy per il trasporto automatizzato?

Nel contesto della progettazione di veicoli aerei automatizzati, le limitazioni operative imposte dal sistema ALAADy restringono fortemente la scelta delle configurazioni aeronautiche. Ad esempio, l’uso di sistemi ad alta portanza risulta problematico per il BWB (Blended Wing Body), rendendo improbabile il soddisfacimento dei requisiti di pista, motivo per cui questa configurazione è esclusa dalle indagini successive.

I velivoli ad ala rotante, come gli elicotteri, presentano una peculiarità significativa in relazione alle esigenze di decollo e atterraggio verticale. Gli elicotteri con rotori motorizzati sono infatti capaci di operazioni verticali, mentre quelli con rotori non motorizzati necessitano di una pista, sebbene molto più corta rispetto agli aeromobili ad ala fissa. L’autoritazione, cioè la capacità del rotore di continuare a girare anche in assenza di potenza, rappresenta un vantaggio di sicurezza non trascurabile. Tuttavia, le prestazioni in crociera degli elicotteri risultano inferiori rispetto a quelle degli aeromobili ad ala fissa, principalmente a causa dell’elevato drag indotto dai rotori e della limitazione della velocità massima, determinata da fenomeni subsonici alle punte delle pale. Nonostante ciò, i vantaggi di decollo verticale e di sicurezza rendono i rotorcraft interessanti per il trasporto automatizzato, giustificando la loro inclusione nello studio.

I tiltrotor combinano le caratteristiche del volo verticale degli elicotteri con l’efficienza aerodinamica delle ali fisse. Durante il decollo e l’atterraggio, i rotori orientati verso l’alto generano la portanza verticale, mentre in crociera sono orientati orizzontalmente, producendo spinta e lasciando alle ali il compito di generare portanza. Tuttavia, la complessità meccanica del meccanismo di inclinazione dei rotori implica costi di manutenzione elevati e un aumento della massa strutturale. L’integrazione di pesanti rotori alle estremità alari genera inoltre forti momenti flettenti alla radice dell’ala e peggiora le caratteristiche di flutter, costringendo a una struttura alare più robusta e pesante. Queste problematiche, insieme all’incompatibilità con il concetto ALAADy, portano all’esclusione del tiltrotor dallo studio.

Gli aerostati, come i dirigibili, sfruttano il principio del galleggiamento aerostatico grazie al gas di sollevamento che riempie il loro volume. Essi presentano vantaggi quali un’ampia capacità di carico e una buona accessibilità per le operazioni di carico e scarico. Tuttavia, soffrono di un elevato drag parassita dovuto all’ampia superficie bagnata, con conseguente inefficienza a velocità di crociera moderate. Pur avendo capacità di volo verticale, l’operatività dei dirigibili richiede infrastrutture aggiuntive per la loro ormeggiatura, aspetto che limita la praticità d’uso. Inoltre, la velocità di crociera richiesta da ALAADy non è raggiungibile dai dirigibili mantenendo un’efficienza e una sostenibilità economica adeguate, motivo per cui questa soluzione viene scartata.

Altre tipologie di velivoli, come quelli tessili (ad esempio i parapendii), i velivoli gonfiabili o i corpi portanti, sono stati valutati ma non risultano idonei alle necessità specifiche di ALAADy.

Lo studio preliminare di progettazione basata sulle prestazioni si concentra quindi su due principali famiglie: gli aeromobili ad ala fissa di tipo tubo-ala e i rotorcraft, ognuno con i propri vincoli e caratteristiche distintive. La modellazione, il calcolo delle prestazioni e i metodi di progettazione si differenziano chiaramente tra queste due categorie, richiedendo approcci separati.

Per quanto riguarda gli aeromobili ad ala fissa, si considerano cinque configurazioni diverse: convenzionale, canard, twin boom, biplano e box wing. La configurazione convenzionale, con ala anteriore e coda convenzionale posteriore, è la più diffusa nell’aviazione generale e dispone di un ampio background sperimentale e operativo. La configurazione canard, caratterizzata da un stabilizzatore orizzontale anteriore che genera portanza invece di una forza verso il basso come nella coda tradizionale, può teoricamente offrire una maggiore efficienza aerodinamica. La portanza aggiuntiva del canard riduce il carico sull’ala principale, diminuendo così la resistenza di trim. Tuttavia, l’interazione tra ala e canard introduce un drag indotto reciproco che limita l’efficienza complessiva. Inoltre, per garantire caratteristiche di stallo sicure, il canard deve stallare prima dell’ala principale, il che limita il coefficiente massimo di portanza totale dell’aeromobile.

In aggiunta, per migliorare le prestazioni di decollo e atterraggio, viene esaminata la possibilità di integrare piccoli propulsori elettrici supplementari, capaci di sfruttare l’effetto del flusso generato dalle eliche (slipstream effect) per aumentare la portanza e migliorare la capacità operativa in spazi ristretti.

La comprensione approfondita delle dinamiche aerodinamiche, strutturali e operative di ciascuna configurazione è fondamentale per una progettazione efficace. È inoltre importante considerare che la scelta del tipo di velivolo è sempre il risultato di un compromesso tra diversi fattori: efficienza di crociera, capacità di decollo/atterraggio, complessità meccanica, costi di manutenzione, sicurezza e compatibilità con l’infrastruttura esistente.

Per il lettore, è essenziale percepire che la selezione della configurazione più adatta non dipende solo dalle singole prestazioni tecniche, ma anche dalla coerenza tra le caratteristiche del veicolo e le specifiche esigenze operative e infrastrutturali. La versatilità dei rotorcraft e la loro capacità di operare in spazi ristretti sono vantaggi non replicabili dagli aeromobili ad ala fissa, ma il compromesso con la velocità e l’efficienza di crociera può essere significativo. Al contrario, le soluzioni ad ala fissa offrono generalmente prestazioni migliori in termini di velocità e autonomia, a scapito di esigenze di pista più stringenti.

Comprendere questi equilibri e le motivazioni dietro l’esclusione o l’inclusione di determinate configurazioni è cruciale per chi progetta o studia sistemi di trasporto aereo automatizzato e sostenibile.

Quali sono i fattori che influenzano la copertura delle reti LTE per i veicoli aerei senza pilota (UA) in ambienti a bassa quota?

La copertura delle reti LTE per i veicoli aerei senza pilota (UA) a bassa quota dipende fortemente da variabili geografiche, architettura della rete, e caratteristiche specifiche delle antenne. Un'analisi della copertura LTE in Germania, basata sulla distribuzione delle stazioni base LTE nel database OpenCellid, ci permette di esplorare questi aspetti. In particolare, quando si considerano aree collinari come nel sud della Germania, la portata del segnale line-of-sight (LOS) è limitata a causa della presenza di ostacoli naturali. Queste limitazioni sono contrastate dalla maggiore distribuzione delle stazioni base nelle regioni pianeggianti, dove il segnale può coprire distanze più ampie.

Nella valutazione della copertura LTE, è stato ipotizzato che gli UA volano a un'altitudine di 150 m, con una portata massima di 5 km per ciascuna stazione base LTE, senza interferenze dovute al terreno. I dati mostrano che le grandi città, come Berlino, Amburgo e Monaco, sono ampiamente coperte dalla rete LTE, dove più di tre stazioni base sono solitamente accessibili contemporaneamente. Al contrario, le aree rurali o lontane da infrastrutture stradali mostrano significativi "buchi" nella copertura.

La presenza di più fornitori di rete LTE, come Deutsche Telekom, Vodafone e O2, contribuisce a migliorare la copertura complessiva, poiché le stazioni base di questi operatori spesso si sovrappongono, riducendo così le zone senza copertura. Questo non solo amplia la disponibilità del segnale, ma aumenta anche la robustezza della connessione, in particolare per gli UA che si spostano tra diverse zone.

Tuttavia, è fondamentale sottolineare che l'affidabilità dei dati provenienti dal database OpenCellid ha delle limitazioni. Poiché questo database è di natura open-source e le informazioni sulle specifiche tecniche delle stazioni base non sono complete (frequenze, direzione dell'antenna, altezza), la precisione delle stime di copertura potrebbe non essere sufficiente per valutazioni ad alta precisione. Le misurazioni, infatti, sono più accurate in prossimità di aree urbane, dove i segnali radio vengono raccolti tramite apparecchiature montate su veicoli che percorrono le autostrade, mentre nelle zone rurali la raccolta dei dati è meno frequente e quindi la copertura stimata potrebbe non riflettere accuratamente la realtà.

L'uso di un modello di radiazione dell'antenna più realistico, che consideri i pattern di irradiazione effettivi delle antenne LTE, è un passo cruciale per una simulazione accurata. Le antenne delle stazioni base LTE, infatti, non irradiano in modo omnidirezionale, ma sono ottimizzate per coprire principalmente utenti a terra. Gli UA, essendo a una quota elevata, possono connettersi solo ai lobi laterali delle antenne o, in alcune angolazioni specifiche, potrebbero incontrare nulli di antenna, perdendo così la connessione. Questa considerazione è fondamentale quando si sviluppano simulazioni per prevedere la qualità del link di comunicazione tra gli UA e le stazioni base.

L'emulatore di link dati LTE, utilizzato per valutare la connettività LTE per gli UA, include un modello ambientale che determina quali stazioni base sono visibili dall'aereo o sono ostacolate dal terreno. Sebbene non vengano considerati effetti come la diffrazione o la riflessione, la qualità del segnale ricevuto, e di conseguenza la disponibilità di una connessione, dipende fortemente dalla configurazione del terreno circostante e dalle capacità delle antenne.

Oltre a ciò, il miglioramento della qualità delle simulazioni potrebbe derivare da una collaborazione diretta con i fornitori di rete, che potrebbero offrire database più completi e dettagliati, permettendo di calcolare stime più precise. L'accuratezza delle simulazioni dipende quindi da una migliore comprensione della distribuzione delle stazioni base, delle frequenze utilizzate e della direzione delle antenne, parametri che sono essenziali per valutare le prestazioni reali di un sistema di comunicazione cellulare per veicoli aerei.

L'analisi della latenza e della capacità di handover tra stazioni base è un altro aspetto cruciale. Mentre un singolo UA potrebbe essere in grado di mantenere una connessione stabile durante il volo, la capacità di trasferire rapidamente il controllo da una stazione base all'altra in caso di spostamento o perdita di segnale è fondamentale per garantire una comunicazione continua e senza interruzioni.