Ali a Geometria Variabile

Un contesto industriale che presenta grandi interessi nella manipolazione di una superficie è quello relativo all’aerodinamica: la possibilità di adattare un profilo alare o una pala di turbina alle diverse condizioni operative senza perdite di efficienza è qualcosa di estremamente attrattivo. In aggiunta una tecnologia come quella delle leghe a memoria di forma rende il tutto ancora più affascinante, in quanto il peso verrebbe ridotto al minimo. Si pensi banalmente ad un’ala: la riprogettazione del profilo azionato internamente da SMA permetterebbe la riduzione (e in futuro, magari, un’eliminazione) di tutte quelle superfici di controllo discrete e i relativi strumenti di attuazione.

Figura 1.18: Modellino di ala in polimero a memoria di forma manipolata per ottenere differenti geometrie [42].

E’ proprio in questa direzione che si spingono notevoli esempi reperiti in letteratura ([2][3][4][8][20][21]). Ogni gruppo di lavoro progetta e propone una soluzione più o meno implementabile per variare il profilo aerodinamico attraverso l’impiego della tecnologia a memoria di forma.

Nel seguito verranno esposti solo gli esempi più significativi. Tra questi merita di essere citata la soluzione ideata da Sofla e Meguid [41], che sfrutta le basi dei precedenti lavori degli autori sulle strutture reticolari [40] e sui pannelli sandwich [19] (già esposte al Paragrafo 1.5.1): replicando un siste- ma modulare nella lunghezza dell’ala è possibile flettere (Figura 1.19(b)) o torcere (Figura 1.19(a)) il profilo stesso.

Anche in questo caso, tuttavia, il fattore limitante della soluzione è l’ef- fetto antagonista della disposizione dei fili, che viene in parte attenuato dalla

(a)

(b)

Figura 1.19: Ala a geometria variabile, basata sull’attuazione di fili a memoria di forma in una struttura modulare. In (a) torsione del profilo alare, ottenuta alimentando fili SMA in posizioni differenti della struttura e in (b) vista in sezione.

ricorsività di un’unità base (chiamata Antagonistic Flexural Cell - AFC in [39]).

Un’altra struttura particolarmente suggestiva è stata proposta da Ame- duri in [1]. Essa prevede di utilizzare nastri SMA come tiranti, per generare una flessione del profilo alare. Il ritorno alla condizione originale è garantito da lamine in alluminio, disposte secondo una particolare conformazione a X. Pur trattandosi di una soluzione innovativa (che prevede l’utilizzo della stessa struttura per esercitare il richiamo), essa è fortemente limitata nei movimenti: è possibile manipolare il profilo in una sola direzione, rendendolo

Stato dell’Arte

Figura 1.20: Unità di base (AFC) della struttura alare proposta da Meguid e Sofla in [39].

Figura 1.21: Effetto antagonista su cui si basa l’unità fondamentale AFC evidenziata in 1.20.

Figura 1.22: Struttura di attuazione SMA per la modifica di profilo alare, che sfrutta lamine di alluminio per il ritorno alla posizione originale, proposta da Ameduri in [1].

particolarmente inefficiente.

Un sistema analogo ai precedenti è stato brevettato dalla marina statu- nitense (US Navy), che risulta assegnatario del brevetto [15].

Figura 1.23: Immagini tratte dal brevetto [15], in cui sono evidenziati i fili a memoria di forma e le molle di richiamo.

In esso si reclama un profilo alare attuato da fili SMA. L’obiettivo è quello di generare una superficie a curvatura continua, riducendo al minimo la ru- morosità, le turbolenze e la resistenza aerodinamica. Nel primo esempio rea- lizzativo, i fili sono connessi a costole interne: accorciandosi essi definiscono

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un moto relativo tra esse, che risulta in una modifica della geometria ester- na (Figura 1.23). Il richiamo è ottenuto tramite molle a compressione, che esercitano una forza di reazione sui perni, una volta rilassata l’alimentazione al filo a memoria di forma.

Sino ad ora si sono mostrate strutture che sfruttano fili o nastri SMA per la movimentazione di un profilo aerodinamico. Queste non sono le uniche soluzioni possibili per variare la geometria alare: se si pensa di integrare questi dispositivi direttamente nella superficie, quello che si ottiene è un composito attivo, capace di attuarsi e modificare la propria forma. Su tale concetto si fondano alcuni brevetti rintracciati.

Il primo, di proprietà della Lockheed Corp. [30], prevede l’impiego di fili SMA annegati all’interno di una superficie di controllo in composito rinfor- zato con fibra di vetro. Il cuore della struttura è a nido d’ape. Azionando elettricamente i fili residenti nella faccia superiore o in quella inferiore, è possibile variare la geometria dell’ala.

Ancora una volta il limite fondamentale risiede nel contrasto tra fili attivi e antagonisti passivi, che seppur faciliti il doppio azionamento della struttura, limita fortemente l’ampiezza di moto.

Figura 1.24: Immagini tratte dal brevetto [30], in cui si mostra la struttura di fili SMA annegati e il movimento del profilo azionato nelle due direzioni principali.

Il secondo [5], il cui applicante è ancora la marina statunitense, sfrutta la tecnologia a memoria di forma (integrata in una superficie deformabile) per controllare la curvatura di una pala eolica, al fine di adattarla alle diverse condizioni di vento: ad esempio, in caso di vento debole, è possibile riscal- dare elettricamente i fili, in maniera da attivare una loro contrazione che si rispecchi in un aumento di curvatura.

Questo approccio rende superabile la scelta odierna di ottimizzare la pala per una data velocità, definendo una geometria capace di adattarsi a diverse condizioni operative al massimo dell’efficienza. Tale aspetto, quindi, rende trascurabile il consumo di una quota parte di energia per l’alimentazione dei fili, e permette una drastica riduzione dei pesi, mediante l’eliminazione dei sistemi di movimentazione pala per il suo cut off a condizioni di vento estreme.

Figura 1.25: Immagini tratte dal brevetto [5], in cui si evidenziano la pala eolica azionata, la sua struttura interna e il sistema di alimentazione dei fili.