Nixus

 

L.P.

Dopo aver progettato e costruito, con l’aiuto dei suoi studenti (Iscold è un anche un professore universitario) due aerei da record, un’ala per un velivolo da Formula 1 per conto di Cassutt e un aereo acrobatico categoria Unlimited, Iscold decise così di andare in Germania, fra una corsa di Red Bull e l’altra...

Veleggiando su un filo

di Eric Stewart (traduzione di L. Pavese)

Il miglior modo per spronare Paulo Iscold a far qualcosa è dirgli, o scommettere con lui, che non lo possa fare.

Correva l’inverno del 2015, e Paulo stava cercando un nuovo progetto nel quale impegnarsi, dopo che il suo Anequim aveva stabilito cinque record mondiali durante l’estate precedente.

Anequim

Un extempore di un aereo da corsa da portare a Reno, inviatomi da Paulo, era apparso ad un certo punto nella mia casella di posta elettronica; ma sembrava un’idea molto costosa, e Iscold non aveva trovato ancora un mecenate che la finanziasse. E nemmeno qualcuno che gli prestasse un motore Rolls Royce Merlin, per tentare di battere il record di velocità assoluta di Rare Bear sui tre chilometri.

Ciò che finalmente ha trovato però, è stato un potenziale cliente, con un vivo interesse nel volo a vela.

Dopo aver progettato e costruito, con l’aiuto dei suoi studenti (Iscold è un anche un professore universitario) due aerei da record, un’ala per un velivolo da Formula 1 per conto di Cassutt e un aereo acrobatico categoria Unlimited, Iscold decise così di andare in Germania, fra una corsa di Red Bull e l’altra (durante le quali svolge il lavoro di ingegnere per Kirby Chambliss) per conferire con gli indiscussi maestri della progettazione di alianti veleggiatori riguardo alla costruzione di un’ala per veleggiatore, fatta su commissione. 

 

Fortunatamente, i tedeschi gli dissero che non si poteva fare.

“Pensa forse di poterla fare meglio di noi?” gli chiese persino un rinomato progettista di veleggiatori. 

Riferendo l’incontro, Amy Iscold, la moglie di Paulo mi disse: “Paulo mi ha chiamato, e mi ha detto che i tedeschi gli avevano detto che ciò che proponeva era impossibile: e che quindi aveva deciso che quello sarebbe stato il suo nuovo progetto”.

Paulo Iscold

Il cliente di Iscold, in Brasile, Sergio Andrade, era il proprietario di uno (Schleicher) ASH-30: un veleggiatore classe Open tedesco, con un’apertura alare di m 26,5. Dopo un volo nell’abitacolo posteriore dello ASH-30, Iscold propose ad Andrade l’idea di fabbricare una nuova ala fatta su misura per quel velivolo.

Uno Schleicher ASH-30 in volo 

In confronto ai velivoli a motore, su alcuni veleggiatori i flap non sono solo usati per il decollo e l’atterraggio, ma sono anche impiegati per ottimizzare la curvatura dell’ala a seconda delle varie condizioni di ascendenza (compreso l’uso di flap negativi, o “reflex”, allo scopo di ridurre il coefficiente di portanza, e quindi la resistenza). Di conseguenza però, con ogni movimento della barra di controllo, in presenza di raffiche verticali di turbolenza o in una termica ascendente, i flap devono essere riposizionati.

L’idea di Iscold era di sviluppare una nuova ala per lo ASH-30, che offrisse una serie di vantaggi: un allungamento alare maggiore e un maggior carico alare, per migliorare le prestazioni nel volo sulla distanza e, cosa più significativa, un sistema di controllo elettronico che avrebbe consentito di ottimizzare costantemente in volo la curvatura alare, lungo tutta l’apertura, senza affaticare il pilota.

Era l’inizio del Progetto Nixus (in latino Nixus si può tradurre: impeto, vigoroso slancio verso l’avanti).

 

 

Il committente del progetto Nixus, il Signor Sergio Andrade. Come Paulo Iscold, anche Andrade è un laureato in ingegneria, ed è sempre stato affascinato dall'aviazione e dalla tecnologia. Negli anni 1980, insieme ad un gruppo di amici, ha fondato un azienda per costruire velivoli microlight la quale ha prodotto piu' di 500 esemplari. Andrade vola dal 1968, ma la sua passione per il volo a vela ha solo vent'anni. Ci dice: "Il progetto Nixus ha enormi possibilita', non solo come aliante per stabilire nuovi record (lo speriamo), ma anche come laboratorio volante per coadiuvare nella ricerca sull'intelligenza artificiale applicata all'aviazione, che potrebbe portare grandi vantaggi in termini di semplificazione delle strutture, miglior efficienza e piu' sicurezza."

 

 

 

Il profilo alare

I progettisti di alianti veleggiatori si concentrano molto sul profilo alare dei loro velivoli. I profili aerodinamici degli alianti devono avere una resistenza molto bassa e, allo stesso tempo, devono essere adatti ad operare in una vasta gamma di coefficienti di portanza (alto Cp quando ascendono in una termica, e basso Cp quando volano da un'ascendenza all’altra, e devono farlo velocemente).

Ma soprattutto, a causa dei fortissimi momenti di torsione indotti da ali così lunghe, i profili alari sono generalmente anche relativamente abbastanza spessi, perché devono alloggiare longheroni necessariamente robusti. Raggiungere tutti questi obbiettivi è molto delicato; e aggiungere ai requisiti anche la curvatura alare variabile, mediante la deflessione positiva o negativa dei flap non fa che rendere le cose più difficili.

Dopo aver letto vari testi sulla progettazione degli alianti, Iscold decise di consultare L.L.M. Boermans, un esperto di aerodinamica e progettista di profili alari della Università di Delft nei Paesi Bassi.

“Veramente, avevo già disegnato i miei profili (l’ala usa cinque profili leggermente diversi fra loro, essendo più sottile e meno curva dalla radice alle estremità) - mi disse Iscold - ma Sergio Andrade aveva richiesto che un consulente controllasse il mio lavoro”.

“Lì è stato quando è subentrato Boermans,” disse Iscold. “ Gli ho mandato il mio lavoro, e lui mi ha inviato una proposta di rimando. A me non è piaciuta, e gli ho rinviato la mia prima proposta...Dopo tre o quattro “botta e risposta” abbiamo deciso di unire le nostre forze: quindi abbiamo usato la sua curva del profilo per l’estradosso alare e la mia per l’infradosso.

"Il nuovo profilo alare è stato designato DUPI (Delft University Paulo Iscold); e questa è stata la prima volta che Boermans abbia condiviso un progetto con qualcun altro.

“Inoltre, Boermans ha cambiato la pianta alare. Io avrei voluto implementare una corda alare continuamente variabile (e cioè, avere un bordo d’attacco ellittico, curvo); ma vi ho rinunciato a metà percorso, e ho accettato il suo disegno. Boermans ha anche adottato certe tecniche “fighissime” per ottimizzare il profilo nei vari punti dell’apertura l’alare. Io non avrei saputo come fare, ma ora lo so! Poi ha anche progettato le winglets”.

Adesso bastava solo costruirlo

Una volta che Iscold ebbe definito il profilo alare, era giunto il momento di disegnare la pianta e il progetto strutturale dell’ala. Per poter mantenere una buona penetrazione durante il veleggiamento Iscold desiderava mantenere un carico alare più alto di quello di un ASH-30 di produzione.

Ciò significava che la corda dell’ala doveva essere accorciata notevolmente, per ottenere il più alto allungamento alare richiesto. Di conseguenza, lo spessore relativo dell’ala sarebbe stato ridotto. Quindi, il longherone più sottile avrebbe dovuto essere eccezionalmente robusto, per sopportare il momento torsionale alla radice; e anche il rivestimento doveva essere relativamente rigido, per evitare indesiderati effetti aeroelastici (cioè il flutter).

Iscold risolvette questi problemi con la solita eleganza che mostra nell’accettare nuove sfide, che sbaraglierebbero altri esseri mortali più deboli (e anche tanti budget; ma il Nixus era un progetto ben finanziato).

Il rivestimento sarebbe stato fabbricato in materiale composito con fibra di carbonio ad altissimo modulo di elasticità UHM (Ultra-High Modulus: più alto è il modulo, più rigido è il materiale).

Gli stampi per il rivestimento dell'ala sono stati intagliati meccatronicamente con CNC nello HDF (High Density Fiberboard, un materiale fatto con fibre estratte da legno di scarto). Questi stampi pesavano una tonnellata (verificata), e sono stati scartati dopo il completamento dell'ala. Nixus sarebbe stato unico. 

Mentre il materiale composito di modulo standard è più robusto, il materiale ad “altissimo modulo” UHM è molto più rigido: proprietà che è di importanza cruciale per un ala nella quale il rivestimento sopporta i carichi aeroelastici, e i carichi di flessione sono sopportati separatamente dal longherone. Benché, ovviamente la fibra di carbonio UHM esistesse già, non esisteva ancora come prodotto industriale; sicché Iscold dovette convincere la Hexcel a produrre una tiratura speciale di fibra, su misura per lui, nello stabilimento dell'azienda nel Regno Unito.

La costruzione dei longheroni alari si rivelò una sfida ancor più impegnativa. Iscold si era reso conto che ci sarebbero volute delle flange enormi. La flangia superiore, alla radice della semiala, per esempio, risultò larga cm 17,8 e spessa quasi cm 4, composta da 137 strati di fibra di carbonio unidirezionale e prepreg (prepreg significa che la fibra è pre-impregnata di resina con l’agente chimico di indurimento già presente. Non è necessario aggiungere altra resina. La fibra può essere stesa negli stampi, che poi sono immessi direttamente nell’autoclave).

Le autoclavi sono fondamentalmente dei forni a pressione, che consentono di fabbricare le componenti ad una pressione e ad una temperatura più alte della pressione e temperatura ambiente, alla quale si fabbricano i pezzi con le sacche a sottovuoto (in inglese, vacuum bagging lamination: un procedimento che fa uso della pressione atmosferica ambiente per mantenere la forma dei laminati in fibra in fabbricazione, finché la resina non si è indurita).

Sfortunatamente, le autoclavi sono costosissime; e autoclavi abbastanza grandi per cuocervi i longheroni principali del Nixus, lunghi circa m 7,60, si trovano probabilmente solo presso le grandi aziende aerospaziali.

E quindi Paulo Iscold decise di fabbricarsene una.

Anche se il progetto Nixus non avesse prodotto nessun altro risultato, la costruzione dell’autoclave fu, di per sé, una realizzazione degna di nota.

 

Autoclave autocostruita da Paulo Iscold con l’aiuto di studenti stagisti. Raggiunge 250⁰ F di temperatura (C 121⁰) e 70 psi (libbre per pollice quadrato) di pressione (kg/m² 49,200 circa).





Dopo mesi di lavoro, era finalmente pronta; ed Iscold fu in grado di fabbricare le sue otto flange per i longheroni alari. Ed io, avendo aiutato Iscold varie volte nel corso di questo progetto, posso solo augurarmi che, la prossima volta, scelga qualcosa di meno ambizioso.

 

Paulo Iscold sovrastato dal longherone
sagomato nell'autoclave

 

I longheroni interni pesavano quasi 45 chilogrammi l'uno, e fu un lavoro da bestie sollevarli.

 

 

Collaudo strutturale dell'ala sinistra dello Iscold Andrade Nixus, per mezzo di un sistema "whiffletree", e barili d'acqua da l 208. (Lo "whiffletree" è un sistema per distribuire uniformemente una forza su una struttura)

 


FBW: il cuore dell’ala

Ma il cuore tecnologico del progetto Nixus è il sistema FBW, o fly-by-wire (letteralmente: volare per mezzo di filo). Tutto il bordo d’uscita di ogni semiala del Nixus, dalla radice all'estremità, è suddiviso in cinque superfici di controllo separate le quali possono essere deflesse o elevate individualmente. Le superfici più esterne sono gli alettoni, i quali però rimangono sempre sotto controllo manuale. Le altre superfici alari più interne sono tutte servo-comandate.

“Il fly-by-wire è semplicemente un modo diverso di collegare la barra di comando alle superfici di controllo,” mi spiegò Iscold. “I problemi che dobbiamo evitare, e contro i quali dobbiamo cautelarci con un sistema meccanico tradizionale sono gli stessi contro i quali dobbiamo tutelarci con un sistema di controllo FBW: principalmente, gli attuatori non devono mai guastarsi; e se si rompono, non devono rompersi in modo asimmetrico. E molto semplice!”

Bisogna precisare però che, mentre un attuatore tradizionale è un meccanismo di controllo, un FBW è più propriamente definito sistema di controllo.

“Siccome il volume interno delle ali è piccolo, di conseguenza anche i servocomandi dovranno essere piccoli,” aggiunse Iscold. “Ho tentato di usare dei servocomandi per UAV (cioè: i droni), ma il mercato è tremendo: vogliono sapere quanti soldi hai, prima di farti un preventivo.

“Poi ho deciso di rivolgermi alla robotica. Un amico ha diretto la mia attenzione verso i servo-comandi della Dynamixel.

“Sono fabbricati in Corea del Sud, in collaborazione con la Maxon Motors (Svizzera); e hanno una quantità notevole di “intelligenza” già installata. Così ho deciso di provarli”.

 

Iscold acquistò alcuni servocomandi e redasse un programma per farli operare continuativamente al 50% del carico massimo per tre mesi, ventiquattro ore al giorno, per sette giorni a settimana.

Durante qualche visita allo stabilimento della Catto Propellers, per aiutare Iscold nel suo progetto, vidi il piccolo servocomando che faceva le sue flessioni tutte le volte che passavo dall’ufficio.

“Dopo 2,000 ore di funzionamento continuo, mostrava solo un po’ di gioco, e niente di più. E 2,000 ore non è male, come intervallo fra le revisioni!” mi diceva Iscold.

“Ho deciso poi di usare due servocomandi, per ridurre la corrente, e perciò la temperatura; e probabilmente aumentarne la vita utile anche di più.

“Il problema con due servo è la sincronizzazione.

“Per fortuna, il Dynamixel ha una modalità che permette di sincronizzare i servocomandi mediante l’uso del momento, per evitare che si contrastino a vicenda.

"Ho costruito un altro piccolo aggeggio, lo ho provato e sono rimasto molto contento.”

L'architettura del sistema FBW del Nixus è iniziata
con questo schizzo preliminare

La configurazione a doppio servocomando inoltre aggiunge un certo livello di molteplicità al rilevamento della posizione (del servo); perché adesso Iscold aveva a disposizione due sensori di posizione indipendenti. Detta capacità di misurazione è d’importanza cruciale, perché indica l’angolazione dei flap.

Il servocomando Dynamixel usa un bus RS-485, ed è in grado di fornire una vasta gamma di dati al computer del sistema FBW compresi la posizione, la temperatura, il momento, il voltaggio e altre cose.

Dopo aver messo giù alcune configurazioni preliminari di sistema, Iscold le inviò ad un altro consulente del progetto, Dagfinn Gangsaas; il quale ha lavorato per la Boeing, la Lockheed ed è ora alla Embraer brasiliana; ed è, secondo Iscold, “un maestro del FBW”.

Sulla base delle loro conversazioni, Iscold decise di optare per un sistema a triplo bus (per la sicurezza di avere molteplici collegamenti fisici), coadiuvato da un computer a triplo-controllo, sempre per cautela.

Configurazione finale del sistema FBW, 
dopo la consulenza dell'esperto Dagfinn Gangsaas

Per poter far uso del sistema a triplo bus, Iscold dovette sviluppare un’altra componente, che lui definisce il “nodo”.

Iscold ce lo spiega: “Il nodo è un piccolo computer posizionato in cima al servocomando, che comunica con il servo ad una rata di baud molto alta (maggiore di Hz 200).

 

Interno dell'alloggiamento aperto dei servo-comandi,
che mostra la coppia di servo-comandi 

 

Coperchio dell'alloggiamento dei servo-comandi.
La superficie sembra piatta, ma invece segue il profilo alare.
Splendida lavorazione a macchina di Nick Jenkins della Jenkins Aero.
 

Il nodo riceve le triplici informazioni dai bus, “vota” per assicurarsi che le informazioni siano sicure e coerenti e poi comunica con il servocomando”.

Ciò significa che, se il nodo riceve tre misurazioni distinte della posizione del servo, per esempio, ed esse concordano l’una con l’altra (un certa discrepanza è consentita), allora il sistema presume che tutto stia funzionando a dovere e continua a passare gli impulsi del pilota (mediante computer di volo) al servocomando.

D’altra parte, se il nodo riceve due misurazioni concordanti, e una terza lettura discordante rispetto alle prime due, esso presume che la terza misurazione sia errata; e in virtù del “potere di maggioranza” continua a comunicare gli impulsi del pilota — allertando comunque il pilota riguardo a un possibile malfunzionamento di un bus.

Da ciò si comprende l’importanza e la necessità di avere un sistema triplo e ridondante: se il sistema fosse solo doppio non potrebbe determinare quale dei due bus fosse corretto, e quale invece stesse inviando informazioni sbagliate. Triplicando il sistema, il bus guasto è facilmente individuato.

Qualcuno potrebbe obiettare che due bus potrebbero guastarsi in modo identico, e guadagnarsi così una maggioranza di voti infondata; ma le probabilità che ciò succeda sono estremamente basse.

Un ulteriore risultato delle “votazioni” potrebbe essere che ogni bus invii una misurazione diversa. In quel caso, il computer di volo determinerebbe che vi sia ovviamente qualcosa che non va.

Dato che un malfunzionamento in una semiala potrebbe risultare in un’asimmetria di portanza, nel caso di un voto indeterminabile il programma fail-safe del sistema (che minimizza le conseguenze di un’avaria) taglierebbe l’alimentazione a entrambe le paia di servocomandi (cioè, nelle semiali destra e sinistra), facendo in modo che i corrispondenti flap, destro e sinistro, volino allineati. Ciò eliminerebbe ogni possibilità di rollio indesiderato.

“ E quindi il sistema a triplice-computer, triplo bus e doppio servo-comando è la soluzione che evita un’interruzione del collegamento fra la cloche e la superficie aerodinamica di controllo”, dice Iscold.

“Per evitare ogni possibile asimmetria, abbiamo creato un software complesso (ma in realtà molto semplice!) per gestire tutti i problemi generati dai servocomandi, dai nodi o dai computer. Perdipiù, ciascun paio di servocomandi, (sinistro o destro) è collegato allo stesso interruttore, e si possono attivare o spegnere le paia di servocomandi indipendentemente. Ma questo aspetto del FBW è ancora in fase di collaudo.”






Le nuove ali del Nixus vengono congiunte alla fusoliera dello ASH-30





Iscold ci tiene a far notare che il “nodo” è stato sviluppato in Brasile da due suoi ex-studenti (Adriano Martins e Elias Jose), e poi costruito negli Stati Uniti negli Ansync Labs di Sacramento, California.

Quando questo articolo stava andando alle stampe, nel 2019, il Nixus aveva già compiuto quattro voli con successo. Il progetto è diventato ora parte delle attività di Paulo Iscold e dei suoi studenti presso l’università Cal Poly, nella quale Iscold è un professore aggiunto di ingegneria aerospaziale.

Oggi, nel 2022, quando questa traduzione viene pubblicata, il Nixus si è confermato un successo. Incredibilmente, in Italia se ne parla poco. 

I progressi di quest’altra notevole realizzazione di Paulo Iscold si possono seguire sulla pagina di facebook dedicata a Nixus: Nixus Project.

Congratulazioni a Paulo Iscold, per aver raggiunto un altro ammirevole traguardo ingegneristico; e non vediamo l’ora di vedere cosa sarà in grado fare Nixus, quando finalmente sarà libero di cavalcare un’onda montana sulla Sierra Nevada.

Nixus vola

Questo articolo, scritto nel 2019, è stato tratto dalla rivista statunitense Kitplanes. L’autore, Eric Stewart, sta progettando e costruendo lo SR-1, un aereo a pistoni veloce, progettato per stabilire nuovi record nella categoria FAI c-1a/O (peso al decollo minore di 661 libbre, kg 300, compresi pilota e combustibile).

Se siete interessati al suo progetto, ne potete seguire gli sviluppi anche sulla pagina facebook del Progetto SR_1; pagina sulla quale potrete vedere anche altre foto e video sugli argomenti trattati dai suoi articoli.

Ogni vostro commento, come sempre, sarà molto gradito.

Grazie,

 Leonardo Pavese