Sull’impiego di velivoli senza pilota per il controllo del territorio in ambito civile

Facolt` a di Ingegneria

Corso di Dottorato in Ingegneria Aerospaziale XXI Ciclo

Tesi di Dottorato

Sull’impiego di velivoli senza pilota per il controllo del territorio in ambito civile

Relatori Candidato

Prof. Carlo Casarosa Renzo D’Amato

Prof. Roberto Galatolo

Direttore del Corso di Dottorato Prof.ssa Maria Vittoria Salvetti

Dicembre 2010

Al mio professore e ai miei tesisti

A Evelyn

Dante Alighieri

Non so quando, non so come, ma vinceremo.

Otto Thaller

The use of UAVs in military field is now widely diffused and the market of these machines is rapidly increasing. Not the same can be said for their use in civil field since the market for these machines is still practically nonexistent, despite we recognise the potential economical and operational considerable benefits that would result from their use in many activities requiring a control of the territory.

The main obstacles that are currently preventing the use of these machines in civil field are related to issues of security and safety which actually make it impossible the use of military UAVs for civil matters.

Security problems are related to the possibility that machines of this type can be used in attacks for undermining the security of citizens.

Safety problems are related to the necessity to ensure the safety of third overflown. As for conventional aircraft, the desired levels of safety could be achieved when they were available the appropriate certification codes that should be mainly related to the airworthiness, flight operations, maintenance, and air traffic controll. Today, these codes are being developed, there are proposals and drafts, but none is officially approved.

It’s almost certain that the objective of these codes will be to ensure the probability of a catastrophic fall with a possibility of causing damage to persons or things overflown under 10

per hour of flight. This requirement makes it impossible to use military UAVs for civil matters as they are till now characterized by an attrition rate from 10 to 100 times higher than that of conventional civil aircrafts that respond to the aforesaid general safety requirement, even if it is referred to passengers.

The UAVs for civil use should therefore be a new car, designed since in project to respond to the stringent requirements of security and safety.

Based on these considerations, as application, it has been conducted a study

of reliability of a CUAV system, called SCAUT Project (AUtomatic Control

System of the Territory), focused on problems of safety and security, which

currently oppose use of civil UVS (Unmanned Vehicle System) systems based

on UAVs. This activity, started from an initial concept still available at the

DIA of the University of Pisa at the beginning of this doctorate, through

a continuous work of editing and updating both the mission specifications

and the equipment on board so to follow the evolution of legislation, has led

to the preliminary draft of a certificable UAV according with some drafts of

certification codes currently available of a weight of 450 kg (SCAUT 450 pro-

ject), the implementation of a flying model in scale 1:2 of maximum weight

60 kg ( project SCAUT 60), a ground station for control of both UAVs and

a test bench consisting of ground station + flight simulator for SCAUT 60 +

SCAUT 60 used as iron bird (simulation in hardware in the loop ) used for

the development of systems and studying the best techniques of interruption

of flight without causing damage to the ground in case of serious breakdown

on board. The conduct of such activities has shown that the main elements

critical to the safety of the flight are the autopilot system, the navigation sy-

stem and the mission management system and failure control. These systems

with their management software constitute the onboard artificial intelligence

replacing the human pilot. To them it is conventionally given the name of

Flight Management System (FMS). Due to its characteristics, the FMS for

use on certificable UAVs must be born together with the UAV project because

it is intimately connected with it. In fact the main functions to be performed

are closely related to the characteristics of the planned missions, the number

and characteristics of the onboard systems, the levels of redundancy. Curren-

tly, certified or certificable UAVs don’t exist for use in civil field and hence

also their FMS systems are still to be defined as to their architecture and

functionality. A simple FMS, implemented on PC/104, without redundancy

to ensure the desired reliability requirements and able to handle some funda-

mental breakdowns, was developed to control the experimental SCAUT 60

model and gave the expected results in simulation tests, waiting for the flight

tests.

L’impiego di UAV in campo militare ` e ormai ampiamente diffuso ed il mercato di queste macchine ` e in costante incremento. Non altrettanto pu` o dirsi per un impiego in campo civile degli UAV in quanto il mercato di queste macchine ` e praticamente ancora inesistente, nonostante che se ne riconoscano i potenziali sensibili benefici economici ed operativi che deriverebbero da un loro uso nelle molteplici attivit` a che richiedano un controllo del territorio.

I principali ostacoli che per ora impediscono l’impiego in campo civile di queste macchine sono relativi a problemi di Security e di Safety che di fat- to rendono impossibile l’uso in campo civile degli UAV utilizzati in campo militare.

I problemi di Security sono relativi alla possibilit` a che macchine di questo tipo possano essere utilizzate a scopo terroristico per attentare alla sicurezza dei cittadini.

I problemi di Safety sono invece relativi alla necessit` a di garantire la sicu- rezza dei terzi sorvolati. Come per i velivoli convenzionali, i voluti livelli di sicurezza potrebbero essere conseguiti quando fossero disponibili opportuni codici di certificazione che dovrebbero principalmente riguardare l’aeronavi- gabilit` a, le operazioni di volo, la manutenzione, la gestione del traffico aereo.

Attualmente questi codici sono in fase di sviluppo, ne esistono proposte e bozze, ma non ne esistono di ufficialmente approvati.

E’ quasi sicuro che l’obiettivo di questi codici sar` a quello di garantire la probabilit` a di caduta catastrofica con possibilit` a di causare danni a persone o cose sorvolate non inferiore a 10

per ora di volo. Questo requisito rende di fatto impossibile l’uso di UAV militari per impiego civile in quanto essi sono ad oggi caratterizzati da un attrition rate da 10 a 100 volte superiore a quello di velivoli civili convenzionali che rispondono al predetto requisito generale di sicurezza, anche se riferito alle persone trasportate.

L’UAV per uso civile dovr` a pertanto essere una macchina nuova, concepita fin dal momento del progetto per rispondere agli stringenti requisiti di Security e di Safety.

Sulla base di queste considerazioni, a titolo applicativo, si ` e effettuato uno stu-

dio di fattibilit` a di un sistema CUAV, denominato progetto SCAUT (Sistema

di Controllo AUtomatico del Territorio), incentrato sui problemi della sicu-

rezza, intesa sia come Safety che come Security, che attualmente si oppongono

ad un impiego in campo civile di sistemi UVS (Unmanned Vehicle System)

basati su UAV. Tale attivit` a, partita da un progetto iniziale gi` a disponibile

presso il DIA dell’Universit` a di Pisa all’inizio del lavoro di Dottorato, attra-

verso un continuo lavoro di modifica ed aggiornamento sia delle specifiche

di missione sia dell’impiantistica di bordo per seguire l’evolversi della nor-

mativa, ha portato al progetto preliminare di un CUAV certificabile secondo

le bozze dei codici di certificazione attualmente disponibili di peso massimo

di 450 kg (progetto SCAUT 450), alla realizzazione di un modello volante in

scala 1/2 di peso massimo 60 kg (progetto SCAUT 60), di una stazione a

terra per il controllo di entrambi gli UAV e di un banco prova costituito da

stazione a terra + simulatore di volo di SCAUT 60 + SCAUT 60 utilizzato

come iron bird (hardware nel loop di simulazione) utilizzabile per la messa

a punto dei sistemi e lo studio delle migliori tecniche di interruzione del volo

senza causare danni a terra in caso di grave avaria a bordo. Lo svolgimento

di queste attivit` a ha messo in evidenza come i principali elementi critici per

la sicurezza del volo sono il sistema autopiloti, il sistema di navigazione ed il

sistema di gestione della missione e controllo delle avarie. Questi sistemi con

il relativo software di gestione costituiscono l’intelligenza artificiale a bordo

che sostituisce il pilota umano. Ad essi si ` e dato convenzionalmente il nome di

Flight Management System (FMS). Per le sue caratteristiche, il FMS da usa-

re su CUAV certificabili deve nascere contestualmente al progetto dell’UAV

in quanto ` e con esso intimamente connesso. Infatti le principali funzioni che

dovr` a svolgere sono strettamente correlate alle caratteristiche delle missio-

ni previste, al numero ed alle caratteristiche dei sistemi di bordo, ai livelli

di ridondanza. Attualmente non esistono UAV certificati o certificabili per

impiego in campo civile e quindi anche i relativi sistemi FMS sono ancora

da definire per quanto riguarda la loro architettura e funzionalit` a. Un FMS

semplificato, implementato su PC/104, privo di ridondanze atte a garantire i

voluti requisiti di affidabilit` a ed in grado di gestire alcune fondamentali ava-

rie, ` e stato messo a punto per il controllo del modello sperimentale SCAUT

60 ed ha dato i previsti risultati in prove di simulazione, in attesa di poter

effettuare le prove di volo.

Non ho intenzione di scrivere un poema, ma non intendo mancare di ricono- scenza verso quanti, e sono molti, mi hanno aiutato in vario modo durante il lavoro ed accompagnato nel cammino della vita in questi ultimi cinque anni.

La scrittura di queste righe la considero della stessa importanza delle altre.

Ho deciso di dedicare questo mio lavoro a mio padre perch` e, per quanto si sia dimostrato il pi` u contrario a che io intraprendessi questa strada, non mi ha mai effettivamente ostacolato: ha lasciato che il figlio facesse le sue scelte, sbagliate secondo lui e secondo molti e di ci` o lo ringrazio. Questa avventura

`

e stata una gran pena anche per mia madre che, anno dopo anno, vedeva il figlio sempre meno, sempre pi` u grande e ancora squattrinato, senza una ragazza, un lavoro, una famiglia...

A voi e alla mia amata sorella va in primo luogo il mio pensiero. Consolatevi almeno all’idea che con oggi ho finalmente concluso la mia vita da studente.

Al di l` a di facili battute rimane il rammarico di non essere stato capace di farvi capire che le vostre perplessit` a e timori per il futuro erano e sono le mie preoccupazioni per il domani, che i vostri sogni su vostro figlio sono e rimarranno le mie aspettative di vita. Ma ancor di pi` u, spiace non essere stato capace di dimostrare, men che meno a parole, quanto cari, lieti e spensierati ed, al contempo, formativi siano stati per me questi anni di Dottorato.

Cari Pap` a, Mamma e Claudia, perdonatemi per il dolore che vi ho procurato.

Sappia chiunque legger` a queste righe che questo lavoro non ` e solo mio ma

`

e il frutto della passione, l’entusiasmo e la determinazione di un bel grup- po di ragazzi che ho avuto la fortuna di conoscere e l’onore di guidare e di farci amicizia e di un uomo straordinario, a cui ormai parlo dandogli del tu, considerandolo mio amico, ma di cui nutro una stima ed un rispetto infiniti, tali da farmi ancora ogni tanto esitare su quale sia il modo migliore con cui rivolgerglisi. Per me ` e “il mio Professore”, il Professor Carlo Casarosa.

Ho iniziato questa avventura come fosse un ripiego al fatto di non essere sta- to assunto in Azienda subito dopo la Laurea, ma da subito, grazie a te e a voi tutti, ragazzi, il mio ringraziamento a Dio, per avermi messo sulla vostra strada, ` e stato totale.

Carissimo Professore, caro Carlo, dubito di diventare mai un professore an-

ch’io, men che meno universitario e di ci` o, so che me ne far` o una ragione,

spiace pensare piuttosto che non diventer` o mai un Galantuomo, il vero Si-

gnore vecchio stampo quale tu sei. Alla ricerca di un miglioramento continuo di s´ e stessi a cui non rinuncio, ti avr` o come faro nella vita.

Grazie a voi tutti, senza di voi oggi non sarei qui.

Grazie, Francesco! Quanto ` e stato snervante riuscire a mettere a posto il simulatore, senza di te ero ancora l` a a correggere gli errori fatti nel passato.

Non avrei potuto iniziare con tesista migliore. Mi sono sempre compiaciuto della frase che dissi al Prof. quando mi chiese un giudizio su di te. Era evidente quanto fossi bravo, solerte e capace; sicch` e, prendendola quasi come una provocazione per mettermi alla prova, dissi:“Lui ` e un buon cavallo, ma io sono un buon fantino”. Spero veramente di esserlo stato con tutti.

Grazie, Marco! Non hai idea di quanto perfetto sia il modello di decollo che hai creato. Quanto t’ho fatto penare per averlo perfetto!

Grazie, Matteo! Quanta allegria e quanto lavoro in pi` u hai fatto! Se solo penso che doveva essere una Laurea triennale: hai dato un volto e un anima allo SCAUT.

Caro Antonio, con la piccola Elettra affascinata dal lavoro di babbo! Grazie!

Volevi sbrigarti in fretta per concludere i tuoi studi. Ti ho accontentato e mi hai ripagato svolgendo un lavoro cos`ı certosino: l’aerodinamica ` e opera tua.

Grazie, Luigi! Cercavo un elettricista e l’ho trovato. Hai fatto un buon lavoro. Non l’avremo fatto decollare, ma, con tutti quei cablaggi, almeno non si potr` a certo dire che non sia pronto per farlo.

Grazie, Guiseppe! Coinquilini, per due volte tuo relatore, roba da Guinness dei primati, semplicemente amici che sia in casa che in Laboratorio avevano sempre da discutere. La maggior parte delle volte si partiva con opinioni del tutto divergenti e si finiva con il trovare una soluzione che andasse bene a entrambi. Questo per me ` e lavorare in gruppo e di lavoro se ne ` e fatto tanto.

Troppo poco se ne ` e parlato scrivendo la Tesi.

Ed infine grazie Annamaria, mia prima e ultima e quasi gi` a insperata tesista donna. Ma quante te ne ho dette! Sei riuscita non solo a sopportarmi ma persino a riderci s` u e nel contempo a lavorare. Con te il progetto ` e vera- mente terminato, ora, soldi e voglia permettendo, non manca che prendere il coraggio in mano e dare finalmente una risposta alla domanda del Prof.

Buresti:“Ma vola? ”.

In ordine cronologico ho voluto citare quanti hanno partecipato al progetto SCAUT, ma durante questi anni di Dottorato ho seguito anche un altro filone, non meno importante e ricco di esaltanti episodi. Qui la memoria galoppa veloce.

Grazie, Pierpaolo! Il periodo passato insieme ` e stato forse il pi` u stimolante,

alla pari del primo periodo. L’immagine che ho di te ` e di un uomo instancabi-

le, di gran lavoratore dotato di grande umanit` a e capace di mettere profonda passione nelle opere che svolge. In realt` a il tuo nome ` e legato al gruppo, il quartetto Pierpaolo, Francesco, Carlo ed io. Che squadra, con il Del Dotto a fare la riserva! Il profondo desiderio di riaggregare il gruppo e fare Azienda insieme non ` e ancora svanito.

Altri tesisti ho avuto in entrambi i progetti. Mi ricordo di loro e li ringrazio:

poco ho saputo dare loro e poco, ma pi` u di ci` o che ho dato, ho ricevuto.

Questo Dipartimento ` e stato come una seconda casa per me. Tra il personale docente preme salutare in particolare il Prof. Barsotti. Provo sempre un certo effetto a pensare che dopo essere stato suo studente ne sono diventato assistente. Aver avuto la possibilit` a di conoscere anche l’uomo che si cela die- tro la cattedra ` e stata una gradita sorpresa. Ho scoperto una persona buona, mite, un gradevole conversatore. Grazie a lui e alla fortunata circostanza di vedermi da un giorno all’altro posto nel ruolo di assistente posso dire di aver imparato un mestiere, quello dell’insegnante di disegno, che, chiss` a, forse mi potr` a risultare utile in futuro.

Ringrazio inoltre il Prof. Galatolo, secondo relatore di questa Tesi. Non ho mai avuto una grande necessit` a di interagire con lui in merito al da farsi;

mi sono sempre bastati i suoi sorrisi e i cordiali saluti per sentirmi libero di chiedere. E quando ci` o ` e accaduto la mia fiducia non ` e stata disattesa. Non dimenticher` o mai la cura e la solerzia con cui ha personalmente realizzato il supporto per le verifiche al dispositivo dei dati aria.

Dove ho trovato i miei secondi genitori e un pozzo sempre pieno dove attingere di tutto, calore umano, aiuto tecnico e fattivo, convivialit` a, rilassatezza nei momenti di pausa ` e stato tra l’intero personale tecnico amministrativo.

Tra costoro voglio salutare Mauro, un uomo che non finir` a mai di stupirmi per la dedizione e la bravura con cui lavora. Mi ha permesso di intranciarlo, di chiedere e di richiedere, di guardarlo all’opera, per me s’` e sempre fermato dal suo fare dandomi ascolto e risposte. Se so qualcosa, poco, di officina, di disegno tecnico, quello vero, quello unto dalle mani di chi quei fogli li usa veramente, ` e merito suo. Anche questo porto a corredo della mia esperienza tra queste mura. Chiss` a se baster` a.

Grazie Paolo e Anna, Fernanda e Rossella, Gabriele e Andrea, Luca, Claudio e Fabio, Nuccia, Francesca e Consuelo. Grazie Martina che nel giorno dei saluti prima della pensione a me hai rivolto l’ultimo pensiero e con le lacrime sul tuo bel visone mi hai detto:“Fallo volare! ”.

Sconfinando in un altro Dipartimento, quello di Ingegneria Civile, sento la ne-

cessit` a di salutare Filippo e Walter. Se sono riuscito a mantenermi negli studi

dopo la fine della borsa di Dottorato lo devo a loro. Mi sono trovato stupenda- mente bene a “costruire aerei la mattina e ponti il pomeriggio”. Esperienza formativa che porter` o come bagaglio, resa produttiva e serena da persone splendide quali Francesco, Silvia e l’altro Francesco. Grazie moltissimo.

Non l’avrei mai creduto ma mi sono scoperto un ballerino. Gli ultimi quattro anni di Dottorato si sono incentrati su una vita anzich` e casa e chiesa (Per- donami, oh Dio!) tutta Universit` a e scuola di ballo e milonghe.

E stato tutto un susseguirsi di fortunate coincidenze. La prima essermi iscrit- ` to alla scuola di Luca e Selene, aver ballato la prima volta stretto stretto con Irene, aver conosciuto Norma e poi lui...Ernesto. Non si tratta della scoperta del mio lato omosessuale, n´ e voglio parlare di quest’uomo come di un guru del tango, il mio ballo.

Chi legge sappia che ho scoperto grazie a quest’uomo il fascino di questo ballo e non solo. In un periodo della mia vita lontano da casa da cos`ı tanto tempo le sue tirate d’orecchi e le sue docce fredde su aspetti anche apparentemen- te estranei al mondo del tango sono stati particolarmente apprezzati e utili.

Vorrei in qualche modo portare a corredo anche questa esperienza.

Da ultimo un saluto a quanti hanno riempito tutti gli altri momenti delle mie giornate, amici di lunga data molto spesso trascurati, colleghi del Dipar- timento, i compagni di corso alle lezioni di ballo, le ballerine che mi hanno sopportato, Massimo, Sergio ed Enrico, rispettivamente proprietari del bar, alimentari e pasticcieria dove puntualmente prendevo caff` e la mattina, panino a mezzod`ı e dolcetto fine pranzo e gli studenti d’Ingegneria che ho seguito.

Volendo fare un nome sopra tutti costoro dico: Anoha. La mia esperienza all’Universit` a mi porta a dire che ` e raro vedere citare le stesse persone estranee alla famiglia sia nei ringraziamenti per la Laurea triennale che per quella specialistica. Il tempo passa e cos`ı anche le persone e gli affetti cambiano.

Anche noi abbiamo vissuto i nostri alti e bassi, ci stiamo vedendo sempre meno, ma ora il nostro rapporto si ` e forse incanalato nel verso giusto: quello della vera amicizia, cosa strana fra un uomo e una donna. Ci tengo a dirti per` o che quella finestra sul Paradiso che eri, tale sei rimasta. Ogni ricordo che ho di noi e dei nostri sporadici incontri sono all’insegna della gioia pura.

Che questo rapporto idilliaco non abbia mai un termine.

Un pensiero pi` u che un saluto a chi mi ha lasciato forse un p` o pi` u solo, ma di cui sento piena la presenza: mio nonno, mia nonna e la mia zia Berta.

Continuate a vigilare su vostro nipote e rallegratevi con lui in questo giorno.

Giunto a cinque pagine di ringraziamenti, mi fermo. Anche per uno logorroico come me possono bastare. Chi c’` e, c’` e e chi non c’` e s’attacca a questo:

GRAZIE A TUTTI!

Renzo

Abstract . . . . ii

Sommario . . . . iv

Ringraziamenti . . . . ix

Indice . . . . xi

Elenco dei simboli xix 1 Introduzione 1 1.1 Generalit` a . . . . 1

1.2 Linee guida del progetto . . . . 2

1.3 Organizzazione della Tesi . . . . 4

I sistemi CUAV 8 2 Problemi di impiego dei sistemi CUAV 9 2.1 Generalit` a . . . . 9

2.2 Le esperienze militari . . . . 10

2.3 Tipologia di incidenti di UAV militari . . . . 13

2.3.1 Alcune considerazioni sulla sicurezza degli UAV militari . 16 2.4 Il controllo ambientale con CUAV . . . . 17

2.5 Problemi connessi con il controllo ambientale con CUAV . . . . 20

2.5.1 Problemi di Security . . . . 21

2.5.2 Problemi di Safety . . . . 24

2.6 Specifiche di missione . . . . 31

2.6.1 Vincoli imposti dalla Security . . . . 32

2.6.2 Vincoli imposti dalle operazioni di volo . . . . 34

2.6.3 Vincoli imposti dagli aspetti legali . . . . 34

2.6.4 Specifiche di missione . . . . 34

2.7 Il progetto SCAUT . . . . 35

2.8 Osservazioni conclusive sul Capitolo 2 . . . . 39

Il banco prova 42 3 Il banco prova 43 3.1 Generalit` a . . . . 43

3.2 Il velivolo di riferimento . . . . 44

3.3 Architettura del banco prova . . . . 49

4 Rete di calcolatori 55 4.1 Generalit` a . . . . 55

4.2 Il rack . . . . 55

4.3 La rete locale . . . . 58

4.4 Il protocollo di trasmissione dati UDP . . . . 59

4.5 La simulazione in tempo reale . . . . 61

4.5.1 Schema generale . . . . 61

4.5.2 Schema attuale . . . . 63

4.6 Ottimizzazione della simulazione . . . . 63

4.6.1 Ottimizzazione delle risorse . . . . 63

4.6.2 Ottimizzazione delle frequenze di trasmissione dei dati . 64 5 Il software di gestione del banco prova 65 5.1 Generalit` a . . . . 65

5.2 Descrizione dell’interfaccia . . . . 66

5.3 Il codice . . . . 72

5.4 Calcolo della condizione di trim . . . . 74

I modelli implementati 84 6 Il simulatore 85 6.1 Generalit` a . . . . 85

6.2 Logica di funzionamento del simulatore . . . . 87

6.3 Il modello matematico utilizzato . . . . 90

6.4 Impostazione generale del simulatore . . . . 92

6.5 Inizializzazione delle variabili . . . . 94

6.6 Analisi del modello . . . . 94

6.6.1 Blocco B . . . . 95

6.6.2 Blocco C . . . . 97

6.7 Scambio di dati via UDP/IP . . . . 109

7 Sintesi degli autopiloti 113

7.1 Generalit` a . . . . 113

7.2 Autopiloti del piano longitudinale . . . . 114

7.2.1 Pitch Damper . . . . 115

7.2.2 Autothrottle . . . . 116

7.2.3 Analisi dell’autopilota della velocit` a verticale V

. . . . . 118

7.2.4 Analisi dell’autopilota della quota . . . . 120

7.2.5 Analisi dell’autopilota della IAS . . . . 121

7.3 Autopiloti del piano latero-direzionale . . . . 124

7.3.1 Yaw Damper . . . . 124

7.3.2 Analisi dell’autopilota dell’angolo di prua . . . . 126

7.3.3 Analisi dell’autopilota dell’angolo di rotta . . . . 129

7.4 Autopiloti del sistema di navigazione . . . . 131

7.4.1 Analisi dell’autopilota WP . . . . 131

7.4.2 Analisi dell’autopilota VOR . . . . 138

7.4.3 Analisi dell’autopilota ILS . . . . 142

7.4.4 Analisi dell’autopilota del circling . . . . 143

8 Il Flight Management System 149 8.1 Introduzione . . . . 149

8.2 Descrizione generale del modello . . . . 152

8.3 Sottosistema autopilota . . . . 155

8.4 Sottosistema dati aria . . . . 158

8.5 Sottosistema per la navigazione . . . . 160

8.5.1 Sistema di navigazione GPS . . . . 160

8.5.2 Sistema di navigazione inerziale . . . . 160

8.6 Sottosistema per la gestione del volo . . . . 163

8.6.1 Calcolo del fattore di carico . . . . 163

8.7 Sottosistema di controllo del volo . . . . 164

8.8 Sottosistema di gestione delle avarie . . . . 166

9 Supervisor Flight Unit 171 9.1 Generalit` a . . . . 171

9.2 Avaria del sistema di alimentazione . . . . 172

9.3 Avaria della telemetria . . . . 173

9.4 Avaria dell’FMS . . . . 173

9.5 Avaria delle superfici mobili . . . . 173

9.5.1 Avaria degli alettoni . . . . 175

9.5.2 Avaria dei timoni . . . . 176

9.5.3 Avaria dei flap . . . . 176

9.5.4 Avaria dell’elevatore . . . . 177

9.6 Supervisor Flight Unit . . . . 177

9.6.1 Verifica di consistenza dell’FMS . . . . 181

9.6.2 Avarie sistemi di attuazione e sensori . . . . 181

9.6.3 Avarie impianto elettrico . . . . 183

I componenti del banco prova 186 10 Il pannello delle avarie 187 10.1 Generalit` a . . . . 187

10.2 Il codice . . . . 188

11 La mappa 193 11.1 Generalit` a . . . . 193

11.2 Descrizione del pannello . . . . 193

11.3 Sistemi di navigazione . . . . 196

11.4 Funzionamento . . . . 197

11.5 Il codice . . . . 198

11.6 Note a margine . . . . 205

12 Il pannello strumenti 207 12.1 Generalit` a . . . . 207

12.2 Descrizione del pannello . . . . 207

12.3 Gli autopiloti . . . . 210

12.4 Funzionamento . . . . 210

12.5 Il codice . . . . 211

12.6 Note a margine . . . . 213

13 Lo scenario 215 13.1 Generalit` a . . . . 215

13.2 Il velivolo . . . . 216

13.3 Il paesaggio . . . . 223

13.4 Il blocco di interfaccia . . . . 224

13.5 Il modello Terra in FlightGear . . . . 228

13.6 La quota del suolo nel simulatore . . . . 229

13.7 Note a margine . . . . 230

14 Il joystick 233 14.1 Generalit` a . . . . 233

14.2 Settaggio della periferica . . . . 235

14.3 L’interfaccia . . . . 237

14.3.1 Uso delle componenti del vettore Axes . . . . 239

14.3.2 Uso delle componenti del vettore Buttons . . . . 240

I risultati ottenuti 242 15 Risultati 243 15.1 Generalit` a . . . . 243

15.2 Missione tipo . . . . 244

15.2.1 Decollo . . . . 244

15.2.2 Salita . . . . 246

15.2.3 Virata . . . . 247

15.2.4 Navigazione WP . . . . 252

15.2.5 Navigazione VOR . . . . 256

15.2.6 Monitoraggio del territorio . . . . 260

15.2.7 Avvicinamento alla pista . . . . 266

15.2.8 Atterraggio . . . . 266

15.3 Simulazione dell’avaria di un alettone . . . . 273

15.4 Simulazione dell’avaria di un timone . . . . 277

15.5 Simulazione della terminazione del volo . . . . 280

Conclusioni e sviluppi futuri 283 Appendici 286 A Il modello SCAUT 60 287 A.1 Generalit` a . . . . 287

A.2 Impianti di bordo . . . . 287

A.2.1 Gruppo propulsivo . . . . 289

A.2.2 Sistema di alimentazione del carburante . . . . 291

A.2.3 Sistema di generazione della potenza elettrica . . . . 292

A.2.4 Sistema dati aria . . . . 295

A.2.5 L’FMS . . . . 295

A.2.6 Sistema di visione dello scenario esterno . . . . 296

A.2.7 Sistema telemetrico . . . . 296

A.2.8 Sistema di azionamento del paracadute . . . . 296

A.2.9 Sistema di controllo del volo . . . . 297

A.2.10 Ulteriori utenze . . . . 300

A.3 Impianto di accensione . . . . 302

A.4 Struttura del velivolo . . . . 303

A.4.1 Fusoliera . . . . 303

A.4.2 Gruppo ala coda . . . . 306 A.4.3 Gruppo carrello . . . . 310 A.5 Propriet` a geometriche dello SCAUT 60 . . . . 310 B Compilazione dei modelli Simulink in real-time 313 B.1 Procedura per la compilazione e l’esecuzione in real-time . . . . 313 B.2 Note a margine . . . . 318

C Preparazione del banco prova 319

D La rete locale LAN 323

E Lo scenario di MS Flight Simulator 2002 327

E.1 Il velivolo . . . . 327 E.2 Il blocco di interfaccia . . . . 330 E.2.1 La finestra di dialogo di FS Link . . . . 331 E.3 Note a margine . . . . 332 F Comandi di FlighGear utili durante la simulazione 333

G Taratura delle schede di acquisizione 337

G.1 Generalit` a . . . . 337 G.2 Taratura degli attuatori . . . . 337 G.2.1 Frequenza di campionamento . . . . 337 G.2.2 Trasformazione da gradi a segnale digitale . . . . 340 G.2.3 Integrazione del segnale dell’attuatore nel modello FMS . 341 G.3 Potenziometri . . . . 342 G.3.1 Trasformazione da segnale digitale a deflessione . . . . . 344 G.3.2 Lettura del segnale del potenziometro nel modello FMS . 344 G.4 Note a margine . . . . 345

H Avviamento del motore mediante batteria 347

I Modello matematico del simulatore 349

I.1 Equazioni delle forze . . . . 349

I.2 Equazioni dei momenti . . . . 351

I.3 Equazioni cinematiche . . . . 353

I.4 Equazioni di navigazione . . . . 354

I.5 Angoli aerodinamici e di traiettoria . . . . 355

Bibliografia 357

Sitografia 361

Elenco delle pubblicazioni 363

Elenco delle figure 367

Elenco delle tabelle 373

Elenco degli acronimi 375

1/T

, 1/T

Zeri della FdT q/δ

1/T

, 1/T

Zeri della rete di compensazione 1/T

Polo della rete di compensazione

1/T

Zero del controllore PD o PI 1/T

, 1/T

, 1/T

Zeri della FdT h/δ

1/T

Polo reale del modo di rollio 1/T

Polo reale del modo spirale 1/T

Polo di wash out

α Angolo di incidenza

α

Angolo di portanza nulla del profilo alare α

Angolo di incidenza aerodinamica iniziale α

Angolo di incidenza aerodinamica

α

Angolo di incidenza geometrica iniziale α

Angolo di incidenza geometrica

α

Angolo di rilevamento polare AB iniziale α

Angolo di rilevamento polare tratto AB

α

Angolo di incidenza del velivolo nelle condizioni di trim

α

Angolo di incidenza aerodinamica sistema ala-corpo

A Allungamento Alare β Angolo di derapata

δ Angolo di rilevamento polare della radiale δ

Angolo di deflessione del’equilibratore δ

Angolo di deflessione degli alettoni δ

Deflessione verticale del carrello

δ

Angolo di deflessione del generico comando δ

Angolo di deflessione del timone

δ

Posizione manetta

∆α

Variazione angolo di incidenza geometrica



Angolo di downwash a portanza nulla η Angolo di rotta

η

Rendimento dell’elica Γ Angolo diedro

γ Angolo di pendenza della traiettoria

γ

Angolo di rilevamento polare tratto AC iniziale γ

Angolo di rilevamento polare tratto AC

λ Taper ratio

Λ

Freccia ad un quarto della corda media aerodinamica Λ

Freccia sulla linea delle semicorde

Λ

Freccia al bordo d’attacco Ω Velocit` a di rotazione

ω

Pulsazione poli di dutch roll

ω

Pulsazione zeri complessi della rete di compensazione

ω

Pulsazione poli di lungo periodo

ω

Pulsazione poli di corto periodo φ Angolo di rollio

φ

Angolo di rollio di riferimento dell’autopilota ψ Angolo di imbardata

ρ Densit` a dell’aria alla quota considerata ρ Resistivit` a

ρ

Densit` a dell’aria a livello del mare θ Angolo di assetto

θ ˙ Variazione temporale angolo di assetto ξ

Smorzamento poli di dutch roll

ξ

Smorzamento poli di lungo periodo ξ

Smorzamento poli di corto periodo a

Pendenza curva di portanza coda

a

Pendenza della curva di portanza in ala-corpo in funzione di α

a

, a

, a

Componenti in assi corpo del vettore accelerazione del velivolo b Apertura alare

C Coppia del motore

C

Coefficiente di resistenza a portanza nulla

C

Coefficiente di resistenza nelle condizioni di trim C

Coefficienti aerodinamici di forza del velivolo C

Pendenza della curva C

− α - dato sperimentale C

Pendenza della curva C

− δ

C

Contributo al coefficiente di portanza dato dagli ipersostentatori in condizioni di trim

C

Coefficiente di portanza di trim iniziale

C

Coefficiente di portanza in condizioni di trim

C

Pendenza della curva di momento di rollio dovuta all’angolo di dera- pata

C

Pendenza della curva di momento di rollio dovuta alla deflessione degli alettoni

C

Pendenza della curva di momento di rollio dovuta alla deflessione del timone

C

Pendenza della curva di momento di rollio dovuta alla velocit` a ango- lare di rollio

C

Pendenza della curva di momento di rollio dovuta alla velocit` a ango- lare di imbardata

C

Coefficienti aerodinamici di momento del velivolo C

Coefficiente di momento ad incidenza nulla C

Pendenza della curva C

− α

C

Pendenza della curva di momento di beccheggio dovuta ad alfapunto C

Pendenza della curva C

− δ

C

Pendenza della curva di momento di beccheggio dovuta a q C

Pendenza della curva C

− δ

C

Pendenza della curva di momento di imbardata dovuta all’angolo di derapata

C

Pendenza della curva di momento di imbardata dovuta alla deflessione del timone

C

Pendenza della curva di momento di imbardata dovuta alla velocit` a angolare di rollio

C

Pendenza della curva di momento di imbardata dovuta alla velocit` a angolare di imbardata

C

Coefficiente di potenza a punto fisso C

Coefficiente di potenza

C

Coefficiente di coppia

C

Coefficiente di trazione a punto fisso

C

Coefficiente di trazione

C

Pendenza della curva di forza laterale dovuta all’angolo di derapata C

Pendenza della curva di forza laterale dovuta alla deflessione degli

alettoni

C

Pendenza della curva di forza laterale dovuta alla deflessione del ti- mone

C

Pendenza della curva di forza laterale dovuta alla velocit` a angolare di rollio

C

Pendenza della curva di forza laterale dovuta alla velocit` a angolare di imbardata

CE Termine correttivo per il calcolo dei parametri di Eulero CG Baricentro

CV Condizione di volo

¯

c Corda media aerodinamica

c

Coefficienti risultanti da una combinazione dei momenti d’inerzia, ven- gono determinati dall’inversione della matrice d’inerzia dell’equazione D Diametro dell’elica

DP Pressione dinamica E

Parametri di Eulero

E

Valori iniziali dei parametri di Eulero

F

, F

, F

Componenti delle forze agenti sul velivolo in assi corpo F

Componente i-esima lungo l’asse X

data dalla forza longitudinale sul

carrello F

– (i=1 ant.,i=2 dx,i=3 sx)

F

Componente i-esima lungo l’asse X

data dalla forza verticale sul carrello F

– (i=1 ant.,i=2 dx,i=3 sx)

F

Componente i-esima lungo l’asse Y

data dalla forza longitudinale sul carrello F

– (i=1 ant.,i=2 dx,i=3 sx)

F

Componente i-esima lungo l’asse Y

data dalla forza verticale sul car-

rello F

– (i=1 ant.,i=2 dx,i=3 sx)

F

Componente i-esima lungo l’asse Z

data dalla forza longitudinale sul carrello F

– (i=1 ant.,i=2 dx,i=3 sx)

F

Componente i-esima lungo l’asse Z

data dalla forza verticale sul carrello F

– (i=1 ant.,i=2 dx,i=3 sx)

GM Margine di guadagno H Quota di volo

h Posizione del baricentro in percentuale di ¯ c h

Quota del baricentro del velivolo

h

Posizione del punto neutro in percentuale di ¯ c h

Quota di riferimento dell’autopilota

HP

Potenza erogata dal motore alla quota considerata

HP

Potenza dell’albero motore erogata a livello del mare (densit` a ρ

) in corrispondenza di un determinato numero di giri

i

Angolo di calettamento coda orizzontale J Advance Ratio

K Coefficiente K della polare

K

Guadagno degli autopiloti della navigazione K

Guadagno dell’autopilota della η

K

Guadagno dell’autopilota del circling K

Guadagno dell’autopilota della ψ

K

Guadagno relativo alla retroazione della variabile ϑ del sistema auto- pilota della quota

K

Coefficiente di correzione

K

Guadagno di chiusura del sistema autopilota della quota K

Guadagno dell’autopilota della H

K

Guadagno dell’autopilota della IAS

K

Guadagno del pitch damper

K

Guadagno dello yaw damper K

Guadagno dell’autothrottle

K

Guadagno dell’autopilota della V

L Portanza complessiva del velivolo L

Momento di rollio in assi corpo L

Portanza del sistema ala corpo LAT Latitudine

LON Longitudine

M Momento di beccheggio in assi corpo

M

Momento di beccheggio del sistema ala-corpo

M

Momento i-esimo attorno all’asse X

dato dalle forze sul carrello F

e F

– (i=1 ant.,i=2 dx,i=3 sx)

M

Momento i-esimo attorno all’asse X

dato dalle forze sul carrello F

e F

– (i=1 ant.,i=2 dx,i=3 sx)

M

Momento i-esimo attorno all’asse Y

dato dalle forze sul carrello F

e F

– (i=1 ant.,i=2 dx,i=3 sx)

M

Momento i-esimo attorno all’asse Y

dato dalle forze sul carrello F

e F

– (i=1 ant.,i=2 dx,i=3 sx)

M

Momento i-esimo attorno all’asse Z

dato dalle forze sul carrello F

e F

– (i=1 ant.,i=2 dx,i=3 sx) N Momento di imbardata in assi corpo n Numero di giri al minuto del motore N

Rigidezza in imbardata con apice

N

Derivata aerodinamica con apice di momento di imbardata a seguito del disturbo r

n

Numero di giri al minuto dell’elica n

Fattore di carico

ngs Numero di giri al secondo dell’elica

P Potenza dell’elica

P

Potenza disponibile del motore P

Potenza massima del motore P

Potenza necessaria

P M Margine di fase P N Punto neutro

p, q, r Componenti della velocit` a angolare della terna solidale (assi corpo) p

Pressione statica

p

Pressione totale potquota Potenza in quota Q Coppia dell’elica q

Pressione dinamica R Resistenza

RP M

Numero di giri al minuto massimo RP M

Numero di giri al minuto minimo rid Rapporto di riduzione

S Superficie alare

S

Superficie piano di coda orizzontale T Spinta prodotta dal motore

T

Temperatura alla quota di volo (in gradi Kelvin) T

Temperatura a livello del mare (in gradi Kelvin) u Segnale di acquisizione

u Velocit` a lungo l’asse longitudinale

u

, v

, w

Componenti della velocit` a del velivolo in assi corpo

V Modulo della velocit` a

V Tensione

V

Velocit` a di efficienza massima V

Indicated Air Speed

V

Velocit` a massima

V

Velocit` a verticale di riferimento dell’autopilota V

Velocit` a verticale del velivolo

V ARM Variazione di massa W Peso del velivolo

W

Peso del velivolo nelle condizioni di trim

Y

Derivata aerodinamica di forza laterale a seguito del disturbo v

Capitolo 1

Introduzione

1.1 Generalit` a

L’incredibile progresso tecnologico relativo alla miniaturizzazione ed alla af- fidabilit` a di componenti in campo meccanico, elettronico, sensoristico e delle telecomunicazioni ha reso possibile la realizzazione di piattaforme volanti senza pilota a bordo di dimensioni e pesi contenuti, in grado di effettuare missioni di controllo del territorio pilotate da terra e/o in modo automatico.

In questo contesto sono particolarmente studiati i sistemi basati su piatta- forme volanti che sono generalmente indicate come Uninhabited Aerial Vehi- cle (UAV) che, a seconda delle loro caratteristiche dimensionali ed operative, sono suddivisi nelle classi Mini Aerial Vehicle (MAV), Medium Altitude Long Endurance (MALE) e High Altitude Long Endurance (HALE).

I problemi relativi all’impiego di UAV sono principalmente connessi con la mancanza del pilota a bordo che, nei velivoli convenzionali, ` e in grado di ge- stire la missione e le emergenze che possono verificarsi durante il suo espleta- mento, in modo da garantire la sicurezza dei trasportati (assenti negli UAV), dei terzi sorvolati e, per quanto riguarda il rischio di collisioni, degli altri aeromobili presenti nello spazio aereo.

I sistemi di controllo del territorio basati sull’impiego di UAV sono attual- mente operativi in campo militare dove sono stati e sono tuttora impiegati in zone coinvolte in eventi bellici, generalmente poco popolate e con carat- teristiche di sicurezza degradate per ben pi` u gravi motivi, costituendo una importante maglia del sistema di monitoraggio ai fini tattici delle zone stesse, potendo anche intervenire in modo attivo con gli armamenti di bordo.

Sulla base di queste esperienze, in campo internazionale esiste una intensa

attivit` a di ricerca e sviluppo volta ad esaminare la possibilit` a di impiego di

questi sistemi anche in campo civile per il controllo del territorio ai fini della

sicurezza dei cittadini e della tutela ambientale, poich´ e le esperienze derivanti dall’impiego in campo militare non sono ritenute immediatamente trasferibili in campo civile. Infatti l’impiego civile differisce in modo sostanziale dall’im- piego militare in quanto per essere utilmente impiegati, gli UAV, nell’ambito delle missioni richieste, dovrebbero sorvolare anche zone abitate e coesistere con il traffico aereo convenzionale. Per questo motivo gli UAV civili dovran- no rispondere a requisiti di sicurezza ed affidabilit` a ben pi` u severi di quelli che attualmente caratterizzano l’impiego militare, per non rappresentare un rischio per le persone e/o cose sorvolate e nei riguardi di collisioni con altri aeromobili.

Tenendo conto di queste problematiche ampiamente dibattute in campo inter- nazionale, in questa Tesi di Dottorato si sono affrontati i principali problemi connessi con l’impiego di UAV in campo civile, nel seguito indicati come Civil Unmanned Aerial Vehicle (CUAV), inserendosi nel filone di ricerca su questo argomento attivo presso il DIA.

1.2 Linee guida del progetto

L’ostacolo principale che si frappone all’impiego di CUAV ` e connesso con i problemi di sicurezza dei terzi sorvolati a loro volta connessi con le carat- teristiche di sicurezza e di affidabilit` a del sistema CUAV (stazione di terra, piattaforma di volo, data link ).

Come per il sistema aeronautico convenzionale, la sicurezza ` e garantita da opportune norme regolamentari che disciplinano la costruzione, l’impiego e la manutenzione di ogni componente del sistema stesso. Per i CUAV que- ste norme sono state oggetto di approfonditi studi da parte delle Autorit` a aeronautiche internazionali (FAA, EASA) ed attualmente sono disponibili a livello di bozze e linee guida.

L’impatto di queste norme sul progetto di un sistema CUAV ` e determinante e pertanto nel corso del Dottorato ` e stato necessario effettuare un esame del loro stato seguendone poi lo sviluppo nell’arco della durata del Dottorato stesso. L’evolversi di questa normativa ha richiesto un continuo aggiorna- mento e revisione del progetto iniziale.

Dopo aver individuato le tipiche missioni ritenute utili e convenienti per un sistema CUAV, sulla base di questi requisiti sono state individuate le specifi- che di missione volte a ridurre l’impatto di essi sul progetto, senza ovviamente degradare la sicurezza e l’affidabilit` a del sistema, e l’impiantistica di bordo necessaria per il loro soddisfacimento.

Le analisi effettuate hanno portato a redigere una proposta di linee guida per

il progetto di un sistema CUAV potenzialmente certificabile sulla base della

normativa come attualmente nota, dotato quindi dei requisiti di sicurezza ed

affidabilit` a da essa richiesti.

Sulla base di queste linee guida, a titolo applicativo, si ` e effettuato uno studio di fattibilit` a di un sistema CUAV, denominato progetto SCAUT (Sistema di Controllo AUtomatico del Territorio) che, partendo da un progetto inizia- le gi` a disponibile presso il DIA all’inizio del lavoro di Dottorato, attraverso un continuo lavoro di modifica ed aggiornamento sia delle specifiche di mis- sione sia dell’impiantistica di bordo per seguire l’evolversi della normativa, ha portato alla definizione di una tipica piattaforma di volo, dei sistemi di bordo necessari per l’espletamento delle missioni richieste con i voluti vincoli di Security e di Safety come attualmente noti e di una stazione di terra per la programmazione ed il controllo della missione con relativo sistema di data link e video link.

Successivamente per verificare l’adeguatezza delle linee guida proposte e del conseguente sistema CUAV da esse derivante, si ` e effettuata la realizzazione e la sperimentazione di un opportuno dispositivo sperimentale, nel seguito indicato come banco prova, completandone la parte hardware in parte gi` a disponibile all’inizio del lavoro di Dottorato, realizzandone completamente il software di gestione ed effettuandone le prove di funzionamento.

Il software e l’hardware realizzati riguardano sia la stazione a terra sia la piattaforma di volo. Attraverso la stazione a terra ` e possibile programmare la missione, seguirne lo sviluppo su apposite mappe, verificare gli effetti sul- la missione di avarie simulate sulla piattaforma di volo e, nel caso del loro verificarsi, controllare l’adeguatezza delle tecniche di riprogrammazione della missione stessa o della sua interruzione in condizioni di sicurezza.

Con il banco prova ` e possibile effettuare la simulazione del volo del CUAV ivi compresa la simulazione e la gestione delle pi` u gravi avarie che possono verificarsi in volo. Per la messa a punto del software si sono prese come rife- rimento le caratteristiche di funzionamento di un modello di UAV disponibile presso il DIA che pu` o considerarsi come modello in scala 1/2 del CUAV in precedenza definito. La costruzione del modello, che non ` e stata oggetto del lavoro di questa Tesi di Dottorato, ` e stata effettuata per poter sperimentare in volo i principali sistemi di controllo e gestione della missione previsti per il CUAV in vera grandezza che, invece, sono stati studiati e messi a punto nell’ambito di questa Tesi.

Attualmente il modello, dotato degli impianti e dei sistemi necessari per svol- gere la missione senza le necessarie ridondanze, sarebbe pronto per effettuare le prove di volo, sia pure in aree protette. Questa parte di attivit` a ha attual- mente subito una sospensione per esaurimento dei fondi ad essa destinati.

Attraverso il banco prova ` e stato possibile progettare e mettere a punto l’in-

telligenza artificiale necessaria a bordo del CUAV, complessivamente definita

come Flight Management System (FMS), che consente di programmare la missione, seguirne lo sviluppo, diagnosticare lo stato di funzionamento dei sistemi di bordo, individuarne le possibili avarie e riprogrammare di conse- guenza la missione interrompendola in caso di avaria non recuperabile. Il software relativo, messo a punto sul banco prova, ` e stato poi trasferito sul- l’unit` a di volo (PC/104) ed ` e pronto per le prove di volo.

Lo svolgimento dei predetti argomenti ha richiesto una notevole mole di la- voro che ` e stato reso pi` u complesso dalla necessit` a di procedere a continui aggiornamenti anche di soluzioni in precedenza consolidate per seguire l’e- volversi delle normative ed anche per l’adeguamento dei sistemi software ai sistemi hardware che via via erano resi disponibili attraverso attivit` a che si svolgevano in parallelo e non comprese in quella di Dottorato ma che, in ogni caso, dovevano essere con essa coordinate. Allo scopo di conseguire gli obiettivi prefissati consistenti essenzialmente nella realizzazione completa del banco prova e del sistema FMS con connesse prove di funzionalit` a, il lavoro di Tesi si ` e pertanto protratto anche oltre i termini previsti per il corso di Dottorato ed ha reso opportuna la richiesta di proroga per la presentazione e discussione della Tesi.

1.3 Organizzazione della Tesi

La Tesi pu` o ritenersi suddivisa in quattro Parti in ciascuna delle quali sono stati trattati separatamente i diversi argomenti anche se, nella realt` a, i vari argomenti sono stati svolti in modo parallelo essendo stati necessari conti- nui aggiornamenti e revisioni per seguire l’evolversi delle problematiche con particolare riferimento a quelle relative alla normativa di certificazione at- tualmente in fase di emanazione e per mantenere uno stretto coordinamento con ulteriori attivit` a di ricerca sull’argomento in corso di svolgimento presso il DIA.

La Parte I ` e costituita essenzialmente dal Capitolo 2nel quale, partendo dalle esperienze militari e dalla dimostrazione della loro inadeguatezza in termini di sicurezza ed affidabilit` a (recentemente convalidata dalle indiscrezioni sulla stampa USA relative all’impiego di UAV in Afghanistan) si ` e in dettaglio esaminato i vincoli posti al progetto di un sistema CUAV dai requisiti di Security e di Safety previsti dalla normativa come attualmente nota.

Le analisi svolte hanno portato alla definizione di opportune linee guida per il progetto di un sistema CUAV potenzialmente certificabile che hanno portato alla individuazione della tipologia di missione, delle sue specifiche e di un sistema piattaforma di volo-stazione a terra in grado di soddisfarle.

Questa parte ` e stata svolta con un opportuno grado di approfondimento cri-

tico perch´ e ha portato alla definizione di un sistema CUAV (tipologia di missione con relative prestazioni di volo richieste per la piattaforma di vo- lo, stazione di terra, data link, logistica) che si discosta in modo sensibile da quanto attualmente allo studio anche in campo nazionale (Finmeccani- ca, Legge 808) basato principalmente sulle esperienze militari che, come sar` a discusso, si sono mostrate del tutto inadeguate in termini di sicurezza ed af- fidabilit` a per un impiego in campo civile.

Nella impossibilit` a, per motivi economici, di realizzare un prototipo dimo- stratore di tecnologia, si ` e ritenuto opportuno realizzare un dispositivo spe- rimentale, nel seguito indicato come banco prova, con il quale fosse possibile verificare l’adeguatezza del sistema proposto a svolgere le missioni previste e potesse essere di aiuto per lo studio e la messa a punto dei fondamentali sistemi previsti per il CUAV, principalmente da un punto di vista della sicu- rezza e dell’affidabilit` a.

La Parte II della Tesi, costituita dai Capitoli 3 al 14, ` e dedicata a questo argomento. Si ` e in particolare studiato l’architettura del banco prova e si ` e affettuata la messa a punto dei sistemi software ed hardware che la costitui- scono e ne rendono possibile il pratico impiego.

La Parte III ` e quella conclusiva nella quale, oltre alle conclusioni generali, so- no presentati i risultati conseguibili con l’impiego del banco prova consistenti nell’esame completo di tipiche missioni costituite da:

• programmazione della missione su opportuna mappa del territorio;

• controllo dello svolgimento di essa sulla mappa e sulla strumentazione di bordo riprodotta nella stazione a terra;

• verifica dell’efficacia dei sistemi di autopilota, di navigazione, di atter- raggio parzialmente automatico;

• verifica delle procedure di interruzione del volo in caso di avaria irrecu- perabile.

La Parte IV infine ` e quella manualistica che in apposite Appendici raccoglie

tutte le informazioni pi` u aggiornate, necessarie per l’utilizzo del banco prova,

ma cosa pi` u importante, completa la ParteII per ci` o che attiene la summa

degli accorgimenti adottati per far funzionare il simulatore nel modo pi` u

veloce possibile, sfruttando al meglio le risorse a disposizione soprattutto per

quanto concerne la trasmissione dei dati.

Capitolo 2

Problemi di impiego dei sistemi CUAV

2.1 Generalit` a

Come noto, gli elevati standard di sicurezza che caratterizzano l’impiego dei velivoli convenzionali sono ottenuti attraverso opportuni codici di certifica- zione che riguardano il progetto, la costruzione e la gestione di ogni elemento che costituisce il sistema “trasporto aereo”, ivi comprese le licenze ed i requi- siti del personale navigante.

Il principale ostacolo per l’impiego di CUAV ` e attualmente rappresentato dal- la mancanza di analoghi codici di certificazione che possano garantire livelli di sicurezza nei riguardi dei terzi sorvolati certamente non inferiori, meglio se superiori, a quelli garantiti dal sistema di trasporto aereo nei riguardi dei terzi trasportati.

Tali codici sono attualmente allo studio presso le Autorit` a aeronautiche e sono noti alcuni in forma di progetti concettuali (JAR, EUROCONTROL) altri in forma definitiva ma non ancora operativa (UK CAA).

Nell’ambito di questa Tesi si ` e potuto osservare che gli UAV attualmente operativi in campo militare, a causa delle loro caratteristiche di sicurezza ed affidabilit` a notevolmente inferiori a quelle dei velivoli convenzionali di pari prestazioni, avrebbero seri problemi per poter essere utilizzati in campo ci- vile. Non ` e quindi pensabile di adattare UAV militari all’uso civile, in grado di sorvolare zone abitate. Il CUAV deve quindi essere una macchina com- pletamente nuova, concepita fin dall’inizio per rispondere alle esigenze delle missioni di controllo del territorio in campo civile con le caratteristiche di sicurezza ed affidabilit` a in linea con quanto richiesto dai predetti codici di certificazione, come desumibile dalle bozze fino ad ora pubblicate.

Pertanto, dopo aver discusso sinteticamente le esperienze effettuate in campo

militare (come note dalla pubblicistica), saranno esaminate le possibili appli-

cazione dei CUAV, evidenziando i problemi di sicurezza e legali connessi con il loro impiego.

Per effettuare questo esame si sono presi in considerazione i principali ri- sultati emersi dalle attivit` a JAA ed EUROCONTROL relative ai problemi connessi con l’impiego di CUAV riportati in [1].

Sulla base di questo esame critico saranno individuate le possibili tipologie delle missioni, dei carichi utili necessari alla loro espletazione, dei sistemi di bordo con relative ridondanze necessari per il controllo di essa con i voluti li- velli di sicurezza ed affidabilit` a, dei sistemi logistici di supporto, evidenziando in particolare i vincoli posti dalle predette esigenze.

2.2 Le esperienze militari

Nel periodo compreso fra la fine degli anni ’90 e l’inizio degli anni 2000 si

`

e avuto un proliferare di progetti di UAV per impiego militare che nel 2009 ha portato a censire in campo mondiale circa 660 progetti a vari livelli di sviluppo di macchine appartenenti alle diverse categorie in cui sono suddivisi gli UAV, con valori di pesi massimi al decollo variabili fra la decina ed il mi- gliaio di kg, con corrispondenti variazioni nelle dimensioni e nelle prestazioni.

Considerando anche le applicazioni civili, commerciali e per ricerca, il totale dei progetti ammonta a circa 970.

Gli eventi bellici che si sono succeduti negli ultimi tempi (guerra del Golfo, conflitti in Bosnia, Iraq, Afghanistan) hanno visto un massiccio impiego di UAV che, se da una parte ha portato alla predetta proliferazione di proget- ti, dall’altra ha determinato una razionalizzazione degli stessi, privilegiando quelli che hanno mostrato una indubbia utilit` a negli impieghi nei vari teatri di guerra. Infatti, gli UAV attualmente in uso alle diverse Forze Armate, con- cettualmente possono raggrupparsi in due principali categorie che differiscono sensibilmente nei pesi, nelle dimensioni e nelle caratteristiche operative.

Alla prima categoria appartengono UAV in grado di eseguire solo missioni di ricognizione sul territorio, trasmettendo in tempo reale informazioni uti- lizzabili in supporto ad operazioni militari terrestri e/o navali. Pertanto il carico utile ` e costituito essenzialmente da sensori elettro-ottici o ad infrarossi e, negli UAV pi` u sofisticati, da radar ad apertura sintetica.

In virt` u degli enormi progressi nel campo della miniaturizzazione di queste

componenti, il peso del carico utile non ` e troppo elevato, attestandosi su valo-

ri medi compresi fra 40 kg e 60 kg. Parimenti contenuto ` e il peso dell’avionica

di bordo necessaria al controllo del volo, della missione ed alla trasmissione

a terra delle informazioni che, nelle applicazioni pi` u sofisticate, non supera il

centinaio di kg.

Queste caratteristiche di peso dei sistemi di bordo, in aggiunta alle carat- teristiche di ridotto ingombro e non eccessive potenze propulsive richieste, hanno reso possibile la realizzazione di UAV di dimensioni e pesi massimi al decollo contenuti, dell’ordine di 100÷400 kg, che possono essere dislocati in prossimit` a delle zone operative e, per alcuni di essi, con possibilit` a di lancio con catapulta ed eventuale recupero con paracadute. I raggi di azione sono dell’ordine delle 50÷60 mn.

Esempi tipici di questa categoria, ben lontani da essere esaustivi ma riportati a solo titolo informativo, sono gli Sperwer (Francia), gli Sparrow (Israele), gli Shadow (USA), molti dei quali sono stati utilizzati dalle Forze Armate francesi, canadesi e USA nelle operazioni belliche nel Golfo, in Bosnia, in Iraq e, pi` u recentemente, in Afghanistan, Figura 2.1.

(a) Sperwer (Francia)

(b) Shadow (USA)

Figura 2.1: UAV militari da ricognizione a breve raggio.

Alla seconda categoria appartengono UAV di maggiori dimensioni e di mag-

gior peso massimo al decollo, che generalmente supera i 1000 kg raggiungendo anche i 2000 kg. Queste macchine sono ovviamente pi` u sofisticate di quelle in precedenza ricordate, possono portare carichi utili dell’ordine dei 200 kg e possono operare a grandi distanze dalla stazione di terra, utilizzando colle- gamenti satellitari.

Oltre alle convenzionali operazioni di ricognizione sul territorio, questa clas- se di UAV, sfruttando il maggior carico utile, pu` o trasportare anche sistemi d’arma e pu` o pertanto intervenire in modo attivo sui bersagli individuati.

Tipici rappresentanti di questa classe di UAV possono ritenersi il Preda- tor (General Atomics Inc., USA), l’Hunter (IAI/TRW Inc., Israele/USA), l’Heron (IAI, Israele) che, in dotazione alle diverse Forze Armate, hanno operato in tutti i pi` u recenti conflitti, Figura 2.2.

(a) Predator (USA).

(b) Hunter (Israele/USA).

Figura 2.2: UAV militari da ricognizione ad ampio raggio.

La possibilit` a di effettuare il controllo della missione mediante collegamento satellitare, consente di dislocare la stazione di controllo a notevole distanza dalle zone operative e quindi in sicurezza. Le operazioni dei Predator in Af- ghanistan sono controllate da basi a terra dislocate negli USA.

Tutti gli UAV considerati, appartenenti ad entrambe le categorie, sono in gra- do di svolgere missioni pilotate da terra o in modo automatico pre-programmato.

2.3 Tipologia di incidenti di UAV militari

Le esperienze militari sarebbero di indubbia utilit` a se da esse fosse possibi- le individuare in modo affidabile le caratteristiche di sicurezza degli UAV, per poterle paragonare alle analoghe caratteristiche dei velivoli convenziona- li, utilizzati in simili tipologie di missione.

Purtroppo questa indagine riveste non indifferenti difficolt` a in quanto le ore volate dagli UAV, che ormai assommano a valori cospicui, e gli incidenti verificatisi, operando in campo militare, sono dati sensibili e quindi non ac- cessibili con la necessaria precisione. Comunque, utilizzando al meglio i dati disponibili nella letteratura non classificata, possono trarsi le informazioni di seguito riportate.

Basandosi su dati reperibili in letteratura e su siti Internet specifici ` e stato possibile elaborare un elenco di circa 110 incidenti ai quali sono andati sog- getti i pi` u noti UAV militari nel periodo 23 luglio 1991 - 30 dicembre 2001, escludendo le perdite per eventi bellici.

In Figura 2.3 ` e riportato il numero di incidenti che ` e stato possibile raggrup-

pare per fase di volo e tipologia di danneggiamento (95 su 110). E’ evidente

che non conoscendo con precisione le ore volate dalle flotte costituite dagli

UAV considerati, dai predetti numeri non ` e certamente possibile trarre esau-

rienti informazioni sui livelli di sicurezza di tali macchine ma solo indicazioni

di massima da prendere come riferimento.

Figura 2.3: Classificazione degli incidenti per fase di volo e tipologia di danneggiamento.

La somma degli incidenti A+B pu` o ritenersi come indicativa di eventi che hanno portato alla caduta incontrollata dell’UAV che avrebbe potuto deter- minare danni a persone o cose sorvolate (non si conosce se questo sia realmen- te accaduto). Dalla Figura 2.3 si pu` o osservare che, nel periodo considerato, tali incidenti sono stati 63. Per alcuni tipi di UAV riportati nel predetto elen- co possono essere reperite in [2] le ore di volo effettuate in definiti intervalli di tempo. Valutando il numero di incidenti gravi (A+B) nello stesso periodo di tempo, per questi tipi di UAV si pu` o valutare un “attrition rate” (incidenti ogni 1000 ore di volo) variabile tra 0.49 e 3.6.

Nella Tabella 2.1 sono inoltre riportati i seguenti principali tipi di avarie ri- scontrate per la somma degli incidenti A+B+C di Figura 2.3, secondo quanto

`

e stato possibile dedurre dal predetto elenco.