14.2 Progettazione contro la fatica

Varie precauzioni possono essere prese per assicurare che un aereo abbia una vita a fatica adeguata. Abbiamo visto, nel capitolo 10, che le prime leghe alluminio-zinco possedevano alte sollecitazioni finali e di prova ma erano suscettibili di cedimenti precoci sotto carico di fatica; la scelta dei materiali è quindi importante. Le leghe alluminio-rame invecchiate naturalmente possiedono una buona resistenza alla fatica, ma con resistenze statiche inferiori. La ricerca moderna si sta concentrando su leghe che combinano un’alta resistenza con un’alta resistenza alla fatica.

L’attenzione alla progettazione dei dettagli è altrettanto importante. Le concentrazioni di stress possono sorgere in corrispondenza di angoli acuti e bruschi cambiamenti di sezione. I raccordi dovrebbero quindi essere forniti agli angoli rientranti, e i tagli, come le finestre e i pannelli di accesso, dovrebbero essere rinforzati. Nei pannelli lavorati, lo spessore del materiale dovrebbe essere aumentato intorno ai fori dei bulloni, mentre i fori nelle giunzioni bullonate primarie dovrebbero essere alesati per migliorare la finitura superficiale; i graffi superficiali e i segni della macchina sono fonti di innesco delle cricche da fatica. I salti nei membri altamente sollecitati dovrebbero essere evitati, mentre l’asimmetria può causare ulteriori sollecitazioni dovute alla flessione.

Oltre a una buona progettazione strutturale e di dettaglio, è necessaria una stima del numero, della frequenza e della grandezza dei carichi fluttuanti che un aereo incontra. Lo spettro dei carichi di fatica inizia quando l’aereo rulla nella sua posizione di decollo. Durante il rullaggio, l’aereo può manovrare su un terreno irregolare con un carico utile pieno, così che le sollecitazioni dell’ala, per esempio, sono maggiori che nel caso statico. Inoltre, durante il decollo e la salita e la discesa e l’atterraggio, l’aereo è soggetto alle maggiori fluttuazioni di carico. Il carrello viene retratto e abbassato; i flap vengono alzati e abbassati; c’è l’impatto all’atterraggio; l’aereo deve effettuare manovre; e, infine, l’aereo, come vedremo, sperimenta un numero maggiore di raffiche rispetto alla crociera.

I carichi corrispondenti a queste varie fasi devono essere calcolati prima di poter ottenere le sollecitazioni associate. Per esempio, durante il decollo, le sollecitazioni di flessione delle ali e le sollecitazioni di taglio dovute al taglio e alla torsione sono basate sul peso totale dell’aereo, compresi i serbatoi di carburante pieni, e il carico utile massimo, il tutto moltiplicato per 1,2 per consentire un urto durante ogni decollo su una pista dura o per 1,5 per un decollo dall’erba. I carichi prodotti durante il volo livellato e le manovre simmetriche sono calcolati usando i metodi descritti nella Sezione 13.2. Da questi valori, le distribuzioni di forza di taglio, momento flettente e coppia possono essere trovate, per esempio, nell’ala integrando la distribuzione della portanza. I carichi dovuti alle raffiche sono calcolati usando i metodi descritti nella Sezione 13.4. Così, a causa di una singola raffica equivalente a spigoli vivi, il fattore di carico è dato dalla Eq. (13.25) o (13.26).

Anche se è relativamente semplice determinare il numero di fluttuazioni di carico durante un ciclo terra-aria-terra causato da operazioni standard, come alzare e abbassare i flap o ritrarre e abbassare il carrello, è più difficile stimare il numero e la grandezza delle raffiche che un aereo incontrerà. Per esempio, c’è un numero maggiore di raffiche a bassa quota (durante il decollo, la salita e la discesa) che ad alta quota (durante la crociera). Anche il terreno (mare, terra piatta, montagne) influenza il numero e l’ampiezza delle raffiche, così come le condizioni meteorologiche. L’uso del radar permette agli aerei di evitare i cumuli, dove le raffiche sono prevalenti, ma ha poco effetto a bassa quota nella salita e nella discesa, dove le nuvole non possono essere facilmente evitate. L’ESDU (Engineering Sciences Data Unit) ha prodotto dati sulle raffiche basati su informazioni raccolte da registratori di raffiche trasportati dagli aerei. Questi mostrano, in forma grafica (curve l10 contro h, h è l’altitudine), la distanza media percorsa a varie altitudini per incontrare una raffica con una velocità maggiore di ±3,05 m/s. Inoltre, le curve di frequenza delle raffiche danno il numero di raffiche di una data velocità per 1000 raffiche di velocità 3,05 m/s. Combinando entrambe le serie di dati si può calcolare il superamento delle raffiche, cioè il numero di cicli di raffiche con una velocità maggiore o uguale a una data velocità incontrata per chilometro di volo.

Siccome un aereo è sottoposto al maggior numero di fluttuazioni di carico durante il rullaggio-decollo-salita e la discesa-salita-atterraggio mentre pochi danni sono causati durante la crociera, la vita a fatica di un aereo non dipende dal numero di ore di volo ma dal numero di voli. Tuttavia, i requisiti operativi degli aerei differiscono da classe a classe. All’Airbus è richiesta una vita senza cricche da fatica di 24.000 voli o 30.000 ore, mentre la sua vita economica di riparazione è di 48.000 voli o 60.000 ore; il suo carrello di atterraggio, invece, è progettato per una vita sicura di 32.000 voli, dopo i quali deve essere sostituito. D’altra parte, il BAe 146, con un numero maggiore di voli più brevi al giorno rispetto all’Airbus, ha una vita specificata senza crepe di 40.000 voli e una vita economica di riparazione di 80.000 voli. Anche se queste cifre sono requisiti operativi, la natura della fatica è tale che è improbabile che tutto un dato tipo di aereo li soddisfi. Del numero totale di aeromobili Airbus, almeno il 90% raggiunge questi valori e il 50% è migliore; chiaramente, sono necessarie ispezioni frequenti durante la vita di un aereo.

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