Esame di Stato 2023

La prova della sessione ordinaria 2023 propone quattro quesiti teorici che attraversano altrettante aree disciplinari: la sicurezza attiva in volo (impianto antincendio), la progettazione propulsiva con stima del serbatoio combustibile, le prove a terra come momento fondamentale del processo di certificazione, e la problematica della corrosione in ambito aeronautico con le relative metodiche di prevenzione e controllo. Le risposte dei quesiti 2 e 3 fanno riferimento a un velivolo da turismo monomotore a quattro posti, MTOW $\approx 1100\,\mathrm{kg}$, coerentemente con il velivolo dimensionato nella Prima Parte.

Impianto antincendio di un velivolo commerciale

Il triangolo del fuoco e i principi di estinzione

Perché un incendio si produca è necessaria la concomitanza di tre fattori: combustibile, ossigeno e calore ("triangolo del fuoco"). I sistemi estinguenti intervengono su uno o più di questi fattori:

• Sottrazione del calore: i gas freddi inerti (CO$_2$, azoto) vengono iniettati nella zona di incendio allo stato liquido e compresso; per evaporazione sottraggono calore, abbassando la temperatura al di sotto del punto di ignizione.
• Sottrazione dell'ossigeno: l'espansione rapida del gas inerte diluisce l'ossigeno localmente, spegnendo per soffocamento. Gli schiumogeni formano una barriera fisica tra combustibile e ossigeno: questa tecnica è usata principalmente a terra (aeroporti) poiché l'acqua contenuta nella schiuma è incompatibile con gli impianti elettrici di bordo.
• Inibizione chimica della combustione: gli idrocarburi alogenati (halon, sostituiti dagli HFC/HFO nelle applicazioni più recenti) interrompono la reazione a catena della combustione interferendo tra la fiamma e l'ossidante; sono i più efficaci perché agiscono a basse concentrazioni e non danneggiano le strutture irrorated.

Sistema di rilevazione incendio

La rilevazione precoce dell'incendio o del surriscaldamento è critica: ogni ritardo nell'allarme riduce le probabilità di un'estinzione efficace e aggrava i danni strutturali.

Zone di monitoraggio.

Le zone prioritarie sono le nacelle motore (dove coesistono combustibile, olio e superfici ad alta temperatura), il vano ausiliare APU, i vani avionica e cargo, e i bagni (toilette), che sono fuori dalla visuale diretta dell'equipaggio. La cabina passeggeri, sebbene monitorata visivamente dall'equipaggio di cabina, è dotata di rilevatori di fumo nei soffitti.

Tipi di sensori.

Rilevatori puntuali (bimetalliche):

una lamina bimetallica apre o chiude un contatto elettrico al raggiungimento di una temperatura soglia. Economici e robusti ma a risposta locale; impiegati come ridondanza secondaria.

Rilevatori continui (a resistenza variabile):

un conduttore è inserito in un materiale semiconduttore dentro un tubo metallico. All'aumentare della temperatura, la resistenza varia bruscamente, generando il segnale di allarme. Coprono l'intera lunghezza del loop attorno alla nacelle e sono più affidabili dei puntuali perché integrano l'informazione su tutta la zona sorvegliata.

Rilevatori di fumo (opacimetri):

misurano l'opacità di un fascio luminoso o la presenza di particelle in sospensione; sono tipici nei vani bagagli, nelle toilette e negli spazi cargo pressurizzati.

Logica di controllo e filtraggio dei falsi allarmi.

In ogni zona sorvegliata sono installate almeno due sonde in parallelo. L'unità di controllo (Fire Warning Computer) comanda l'allarme acustico e visivo in cabina di pilotaggio solo se entrambi i segnali sono ricevuti; un segnale isolato genera invece solo un avviso (caution) che richiede verifica. Questa ridondanza logica riduce il tasso di falsi allarmi, che sono altrettanto pericolosi di quelli reali perché possono indurre lo spegnimento intempestivo di un motore operativo.

Sistema di estinzione

Estintori fissi nelle nacelle e APU.

Ogni nacelle è dotata di almeno due bottiglie di estinguente (tipicamente Halon 1301, in fase di sostituzione con HFC-125 o agenti "green") pressurizzate con azoto. L'apertura è comandata pirotecnicamente (squib) dal pilota tramite una maniglia rossa dedicata ("fire handle") sul pannello superiore. La procedura standard prevede:

1. Chiusura della valvola fuel shut-off (interruzione del combustibile al motore).
2. Separazione elettrica del motore (taglio dell'alimentazione agli alternatori e starters).
3. Apertura della prima bottiglia (first shot); attesa 30 s.
4. Se l'allarme persiste, apertura della seconda bottiglia (second shot).

Estintori portatili a bordo.

Per incendi in cabina, vano bagagli o cucine, sono obbligatori estintori portatili a CO$_2$ o Halon accessibili all'equipaggio di cabina. La CS-25 prescrive il numero minimo in funzione della capacità di passeggeri. Lo spegnimento in cabina è effettuato a mano dall'assistente di volo; è fondamentale che non vengano usati agenti aquosi vicino a impianti elettrici.

Sistema di pressurizzazione di terra (rampa aeroportuale).

All'atterraggio di emergenza o in caso di incendio a terra, i mezzi aeroportuali antincendio (ARFF — Aircraft Rescue and Fire Fighting) utilizzano schiuma ad alta espansione e polvere chimica. La norma ICAO Annex 14 prescrive la categoria ARFF dell'aeroporto in funzione della lunghezza e larghezza della fusoliera del velivolo più grande in servizio regolare.

Motorizzazione e dimensionamento del serbatoio combustibile

Scelta della motorizzazione

Per il velivolo di riferimento (monomotore a quattro posti, MTOW $\approx1100\,\mathrm{kg}$), la motorizzazione canonica è il motore alternativo a quattro tempi a cilindri contrapposti (flat engine, configurazione boxer), raffreddato ad aria, alimentato ad Avgas 100LL. I motivi di questa scelta sono:

• ottimo rapporto potenza/peso ($0{,}5$–$0{,}6\,\mathrm{kW/kg}$) e affidabilità consolidata su decenni di servizio;
• architettura orizzontale che minimizza la sezione frontale della gondola motore, riducendo la resistenza aerodinamica;
• costo di acquisizione e manutenzione notevolmente inferiore rispetto alle turbomacchine;
• efficienza termica superiore ai turbomotori nelle classi di potenza $\le 300\,\mathrm{hp}$;
• capillare diffusione dell'Avgas 100LL nella rete aeroportuale dell'aviazione generale.

Motore di riferimento: Lycoming O-360-A.

Il Lycoming O-360 è un quattro cilindri boxer raffreddato ad aria, $360\,\mathrm{in}^3$ di cilindrata ($5{,}9\,\mathrm{L}$), che eroga $180\,\mathrm{hp}$ ($134\,\mathrm{kW}$) a $2700\,\mathrm{RPM}$. Questo motore equipaggia il Cessna 172S, il Piper PA-28-181 e numerosi altri velivoli della stessa categoria; costituisce pertanto un riferimento consolidato e ben documentato.

Dimensionamento del serbatoio

L'autonomia richiesta dalla traccia è $t_{\mathrm{req}} = 2{,}5\,\mathrm{h}$. Le normative FAR/CS-23 prescrivono una riserva di carburante pari almeno a 30 min di volo a potenza di crociera in VFR (riserva finale) più l'eventuale alternata: aggiungendo un margine del 5% per deterioramento del consumo e la fase di rullaggio, si dimensiona con: $$t_{\mathrm{totale}} = t_{\mathrm{req}} + t_{\mathrm{riserva}} = 2{,}5 + 0{,}5 + 0{,}10 = \mathbf{3{,}1\,\mathrm{h}}$$

Il consumo orario in crociera (potenza 75%) è $\dot{m} \approx 33\,\mathrm{L/h}$. Il volume di Avgas 100LL necessario vale: $$V_{\mathrm{fuel}} = \dot{m} \times t_{\mathrm{totale}} = 33 \times 3{,}1 \approx \mathbf{102\,\mathrm{L}}$$

La massa di combustibile corrispondente (densità Avgas: $\rho \approx 0{,}72\,\mathrm{kg/L}$) è: $$m_{\mathrm{fuel}} = 102 \times 0{,}72 \approx \mathbf{74\,\mathrm{kg}}$$

Posizionamento del serbatoio.

Il serbatoio è alloggiato nelle ali, nelle cavità tra longherone anteriore e posteriore (wet wing): questa soluzione è strutturalmente ottimale poiché il peso del carburante bilancia parzialmente il momento flettente aerodinamico in radice, riducendo i carichi sull'incastro. Sul Cessna 172 i due serbatoi da $114\,\mathrm{L}$ ciascuno (200 L totali sfruttabili) sono posizionati proprio nelle semiali.

Prove a terra: procedure e valutazione dei risultati

Tipologie di prove a terra

Le prove a terra si suddividono nelle seguenti categorie principali.

Prove strutturali statiche.

Verificano che la struttura resista ai carichi limite ($P_{\mathrm{lim}}$) senza deformazioni permanenti e ai carichi ultimi ($P_{\mathrm{ult}} = 1{,}5\,P_{\mathrm{lim}}$) senza cedimento per almeno 3 secondi (CS-25.305). I carichi vengono applicati tramite martinetti idraulici o sacchi di sabbia, con incrementi graduali monitorati da estensimetri (strain gauges) e sistemi di acquisizione dati. Sul banco di prova sono verificati: cassone alare (flessione, taglio, torsione), giunzione ala–fusoliera, carrello d'atterraggio (prova di caduta), impennaggi, porte e portelli.

Prove strutturali di fatica.

Simulano la storia di carico dell'intera vita operativa del velivolo in tempi accelerati. Un programma di carico (load spectrum) derivato dalle statistiche di volo (FALSTAFF per i velivoli militari, mini-TWIST per quelli civili) viene applicato ciclicamente fino al raggiungimento di $4\times$ la vita operativa prevista (CS-23.571, damage tolerance / fail safe). Le prove di fatica sono normalmente completate prima dell'entrata in servizio del prototipo.

Prove funzionali degli impianti.

Verificano il corretto funzionamento di ogni sottosistema nelle condizioni operative estreme previste. Le principali sono:

• Impianto idraulico: ciclo completo del carrello (apertura/chiusura), flap, freni, sterzo del ruotino di coda — verifica di pressione, portata e assenza di perdite.
• Impianto combustibile: rifornimento al limite di capacità, verifica dell'autonomia media a banco, test della pompa di emergenza, prova di vent (sfiato) nei serbatoi.
• Impianto elettrico: verifica della corretta sequenza di carico degli bus bar, funzionamento dell'APU o della batteria in regime di emergenza, test degli UPS avionica.
• Impianto antincendio: prova di continuità dei loop di rilevazione, verifica della pressione degli estintori, test dei circuiti di innesco pirotecnico (squib continuity check). Nota: la prova di scarica reale degli estintori non si esegue a terra in condizioni normali.
• Pressurizzazione: inflazione della fusoliera alla pressione differenziale massima di progetto ($\Delta p_{\mathrm{max}}$), verifica delle valvole di sovrapressione e anti-vuoto.

Prove al banco motore (engine run-up).

Prima dell'installazione, il motore è qualificato sul banco di prova del costruttore: test di accettazione (verifica delle prestazioni rispetto alle specifiche), test di resistenza (ore di funzionamento continuo ai massimi regimi). Sull'aeromobile assemblato si eseguono invece gli engine run-up a terra: verifica dell'accelerazione al massimo regime, controllo dell'impianto di accensione (magneti), test degli strumenti motore, run-up delle elettropompe carburante.

Prove di vibrazione e compatibilità elettromagnetica (EMC).

Verificano che le vibrazioni indotte dal motore e dall'elica non generino risonanze strutturali o strumentali critiche (ground vibration test, GVT). La prova EMC garantisce che i sistemi avionici non si disturbino reciprocamente (avionics HIRF/EMC compliance).

Procedura generale e valutazione dei risultati

Una prova a terra tipica si articola nelle fasi seguenti:

1. Pianificazione: redazione del piano di prova (test plan), identificazione dei parametri da misurare, setup della strumentazione, definizione dei criteri di accettazione (pass/fail criteria).
2. Configurazione zero: azzeramento di tutti i sensori e verifica della conformità dell'installazione ai disegni di progetto.
3. Applicazione dei carichi/stimoli in modo incrementale e controllato; monitoraggio continuo in tempo reale.
4. Acquisizione dati: registrazione di tutte le misure su sistemi di acquisizione dati (DAQ) ad alta frequenza di campionamento.
5. Valutazione: confronto tra i valori misurati e i valori attesi (analisi FEM, specifiche di progetto). I criteri tipici sono:
   • Assenza di deformazioni permanenti al carico limite;
   • Assenza di cedimento al carico ultimo (3 s);
   • Parametri funzionali (pressioni, portate, tensioni) rientranti nelle tolleranze di specifica ($\pm5\%$ tipico).
6. Redazione del report: il rapporto di prova documenta le condizioni di test, i risultati e le eventuali non conformità; costituisce la base documentale per il rilascio della certificazione.

Corrosione in ambito aeronautico: problematiche, prevenzione e controllo

Cause e meccanismi della corrosione

Attacco chimico diretto.

L'attacco avviene per contatto diretto della superficie metallica con agenti chimici aggressivi: acidi (sversamenti di acido batteria), basi concentrate (detergenti alcalini intrappolati), gas di scarico (ossidi di zolfo e azoto). Le reazioni si verificano simultaneamente nel sito di attacco, senza richiedere la presenza di un circuito elettrico. Cause frequenti in campo aeronautico: residui di flusso di saldatura/brasatura, gas di scarico nelle zone posteriori della fusoliera, soluzioni detergenti non risciacquate.

Attacco elettrochimico (corrosione galvanica).

È la forma più pericolosa e diffusa nelle strutture aeronautiche. Richiede tre condizioni:

1. Due metalli (o due zone della stessa lega) con diverso potenziale elettrochimico;
2. Un elettrolita (acqua con sali disciolti) che faccia da ponte ionico;
3. Un collegamento elettrico (contatto fisico o conduttore) tra le due zone.

Il metallo con potenziale più basso (anodico, meno nobile) si ossida cedendo elettroni; il metallo più nobile (catodico) si riduce. L'alluminio (Gruppi 3–6 nella serie galvanica aeronautica, FAA-8083-30) è anodico rispetto ad acciai inox, titanio, rame e compositi CFRP. In particolare, il CFRP conduce corrente elettrica e può agire da polo catodico, accelerando la corrosione dell'alluminio a contatto.

Regola dei potenziali.

Il manuale FAA-8083-30 classifica i materiali in 11 gruppi galvanici in ordine crescente di nobiltà (dal magnesio all'oro). L'accostamento di materiali separati da più di 4 gruppi ha elevata probabilità di sviluppare corrosione galvanica.

Tipologie di corrosione in campo aeronautico

Corrosione per vaiolatura (pitting):

attacco localizzato che forma cavità puntiformi sulla superficie. Pericolosa perché si insinua sotto il rivestimento protettivo senza essere visibile dall'esterno fino a stadio avanzato.

Corrosione interstiziale:

si sviluppa nelle zone ristrette (giunti rivettati, sovrapposizioni di lamiera) dove l'elettrolita è intrappolato e il ricambio di ossigeno è ridotto (ambiente anaerobico favorevole).

Corrosione intercristallina (intergranular):

attacca i confini dei grani cristallini, propagandosi in profondità senza evidente deterioramento superficiale; caratteristica delle leghe Al-Cu-Mg (serie 2000) sensibilizzate da trattamenti termici impropri.

Corrosione per sfogliamento (exfoliation):

forma laminare della corrosione intercristallina; i prodotti di ossidazione (a volume maggiore del metallo di partenza) sollevamo strati paralleli alla superficie, conferendo un tipico aspetto "a cipolla".

Corrosione sotto tensione (SCC, Stress Corrosion Cracking):

frattura fragile prodotta dall'azione combinata di tensioni di trazione e ambiente corrosivo. Particolarmente insidiosa perché instaura cricche ad alta velocità in materiali che risulterebbero altrimenti duttili.

Metodiche di prevenzione

Protezione passiva: isolamento dall'ambiente.

• Verniciatura: primer a base di cromato di zinco (o suoi sostituti a basso contenuto di cromo esavalente) come strato aderente + smalto di finitura come barriera impermeabile. Il primer ha anche funzione inibente chimica.
• Alclad: laminazione di un sottile strato di alluminio puro (o lega meno nobile) sulle superfici esterne della lamiera strutturale (es.\ 2024-T3 Alclad). Lo strato esterno, anodico rispetto al nucleo, si corrode sacrificalmente, proteggendo la struttura portante.
• Anodizzazione: trattamento elettrochimico che ispessisce e indurisce lo strato di ossido di alluminio naturale (Al$_2$O$_3$), rendendolo impermeabile e resistente all'abrasione.
• Placcatura / cromatura: deposizione elettrochimica di cromo, nichel o cadmio su parti in acciaio per creare uno strato catodico protettivo.

Protezione attiva: anodi sacrificali.

Nelle zone critiche (struttura carrello, galleggianti, fusoliere di idrovolanti) si fissano anodi in zinco o magnesio: essendo più anodici della lega protetta, si corrodono preferenzialmente, costituendo un "sacrificio elettrochimico programmato".

Progettazione resistente alla corrosione.

• Evitare accoppiamenti galvanici sfavorevoli ($>$4 gruppi di distanza); frapporre guarnizioni isolanti o sigillanti tra parti in contatto di natura diversa.
• Drenaggi adeguati per evitare ristagni di umidità nei vani strutturali.
• Fori di drenaggio (drain holes) in tutte le cavità strutturali chiuse.
• Uso di sigillanti poliuretanici o polisolfurici nei giunti rivettati delle zone esposte a immersione o spray salino.

Metodiche di controllo (ispezione)

Il controllo della corrosione si basa su ispezioni periodiche pianificate nel programma di manutenzione del velivolo (MMP — Maintenance Planning Document):

Ispezione visiva (VT):

primo livello d'ispezione; individua corrosione superficiale, rigonfiamenti, sfogliamento del rivestimento. Si effettua con luce bianca, lente d'ingrandimento (10$\times$) e specchietto per le aree di difficile accesso. Semplice ed economica, ma limitata a difetti visibili dall'esterno.

Liquidi penetranti (PT):

applica un liquido colorato o fluorescente sulla superficie pulita; dopo un tempo di penetrazione, il liquido in eccesso viene rimosso e si applica uno sviluppatore che fa emergere i difetti aperti in superficie (cricche, porosità). Adatto a materiali non porosi; non rileva difetti sub-superficiali.

Correnti indotte (Eddy Current, ET):

una bobina percorsa da corrente alternata induce correnti parassite nel metallo; le variazioni di impedenza della bobina rivelano la presenza di cricche, variazioni di spessore o corrosione sub-superficiale. Particolarmente indicata per le leghe di alluminio; non richiede rimozione del rivestimento in molte applicazioni.

Ultrasuoni (UT):

impulsi ultrasonici riflessi dalle discontinuità interne (delaminazioni, corrosione intercristallina, cricche profonde) ne consentono la localizzazione e la valutazione dimensionale. Ottima profondità di ispezione; richiede accoppiamento acustico (gel) e personale qualificato.

Radiografia (RT):

fasci di raggi X o $\gamma$ attraversano la struttura e impressionano una lastra fotografica o un sensore digitale; le zone corrose (di densità diversa) appaiono come variazioni di grigio. Permette un'ispezione bidimensionale proiettiva dell'intero componente, ma espone il personale a radiazioni ionizzanti.