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1. INTRODUZIONE
Negli ultimi decenni il trasporto aereo ha registrato una crescita esponenziale, grazie anche allo sviluppo delle compagnie commerciali, soprattutto quelle low-costs.
In generale, la crescita del traffico aereo ha comportato un aumento dei problemi connessi con la sicurezza delle operazioni all'interno degli Aeroporti; in quest'ottica, le escursioni di pista longitudinali (overrun) o trasversali (veer-off) sono alcuni degli eventi più dannosi che si possono verificare.
Il fenomeno di veer-off, ossia di svio accidentale dalla pista di volo, si verifica quando il pilota perde il controllo direzionale del velivolo in fase di decollo o di atterraggio, con conseguente escursione dell'aeromobile dalla pista di volo ed invasione dell'area laterale, denominata strip ed appartenente alla Cleared and Graded Area (CGA); possibili cause di veer-off sono:
- wind shear, ossia "una variazione nella velocità e/o nella direzione del vento, includendo correnti ascendenti o discendenti" [1].
- condizioni meteorologiche avverse;
- aquaplaning, ossia galleggiamento delle ruote che attraversano ristagni di acqua formatisi in depressioni della pavimentazione;
- malfunzionamento o rottura del carrello o di altri apparati preposti al controllo della marcia dell'aeromobile ed al suo arresto;
- manovra errata da parte del pilota durante l'atterraggio.
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Secondo ICAO (International Civil Aviation Organization), nonostante il massiccio ricorso a protocolli di sicurezza nelle operazioni di volo, il tasso di escursioni (overrun e
veer-off) dalla pista non è affatto diminuito. Alla luce di questo, è stata promossa
un'iniziativa mondiale atta ad individuare tutti gli aspetti che contribuiscono a tali fenomeni. Nel 2006 è nato un progetto intitolato Runway Safety Initiative promosso da Flight Safety Foundation, con lo scopo di raccogliere informazioni in tutto il mondo relativamente agli incidenti a seguito di escursioni di pista in fase di decollo ed atterraggio. Un totale di 1429 incidenti occorsi dal 1995 al 2008 furono individuati dal World Aircraft Accident Summary ed analizzati.
Da questi dati è emerso che il 21% delle escursioni occorse sono avvenute in fase di decollo; relativamente a queste, nel 37% dei casi si è trattato di veer-off. I fattori principali alla base di questi incidenti sono stati decollo abortito, errato controllo direzionale dell'aeromobile, improvvise folate di vento trasversale associate al mal funzionamento di un motore e/o alle cattive condizioni della pista.
Il restante 79% delle escursioni registrate nel periodo di studio è avvenuto in fase di atterraggio; relativamente a queste, nel 59% si è trattato di veer-off. Le responsabilità maggiori per questo tipo di incidenti sono ascrivibili ad atterraggi lunghi, frenate non efficaci, errato controllo direzionale dell'aeromobile, atterraggi duri/con grandi sobbalzi combinati ad improvvise folate di vento trasversale [2].
Lo scopo del presente studio è anzitutto analizzare il comportamento meccanico del terreno che costituisce le strip nell'interazione con le ruote dei carrelli di un aeromobile in caso di veer-off.
A tal proposito occorre precisare la funzione che la strip deve assolvere al fine di migliorare la sicurezza delle operazioni di volo:
- "ridurre il rischio di danni ad un aeromobile che esce di pista mediante la rispondenza a specifici requisiti relativi alle pendenze longitudinali e trasversali e alla portanza; - proteggere gli aeromobili in volo sopra essa durante atterraggi, decolli, atterraggi e decolli abortiti, fornendo loro un’area priva di ostacoli, ad eccezione di alcuni aiuti necessari alla navigazione aerea e debitamente autorizzati; ...
- ... la strip deve avere caratteristiche tali da consentire l'intervento dei veicoli dei servizi di emergenza" [3].
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Al fine di ottenere i risultati sopra elencati, la costruzione delle strip prevede la realizzazione di uno strato superficiale, a raso della pista di volo e delle shoulders, che rallenti la corsa dell'aeromobile facendo affondare le ruote dello stesso in maniera controllata, affinché il rischio di rotture e danneggiamenti delle parti meccaniche del velivolo sia scongiurato. Tale strato deve essere adagiato su di un sottofondo che abbia una capacità portante tale da consentire l'eventuale transito di velivoli e veicoli di emergenza senza subire eccessive deformazioni.
Per ottemperare alle Normative vigenti, grande attenzione ovviamente è stata rivolta al fenomeno dell'affondamento delle ruote nello strato superficiale, la cui entità rappresenta un'importante discriminante nei confronti della necessità di porre in atto misure volte al miglioramento della capacità portante delle strip.
Il problema dell'affondamento riguarda i seguenti due aspetti:
- valutazione dell'affondamento della ruota nello strato di terreno soffice superficiale (primi 15 cm) ed eventualmente nello strato sottostante, laddove l'entità dell'affondamento sia tale da eccedere lo spessore dello strato vegetale;
- valutazione del cedimento elastico e verifica della capacità portante del sottostrato, per evitare che le pressioni dovute al transito inneschino cinematismi di rottura.
Nei decenni numerosi lavori sono stati orientati allo sviluppo di un modello di previsione dell'affondamento basato sull'interazione ruota-terreno, allo scopo di valutare l'idoneità del terreno che costituisce le strip ai fini del transito dei mezzi di soccorso che debbano raggiungere un velivolo in difficoltà e l'efficacia delle capacità di rallentamento del velivolo nel corso di un'escursione accidentale.
L'esigenza di modellare in maniera il più aderente possibile alla realtà i fenomeni di interazione ruota-terreno che si manifestano durante il passaggio dell'aereo sulle strip ci ha portato a considerare due differenti approcci allo studio del problema:
- valutazione dell'affondamento della ruota nel terreno;
- valutazione dell'azione resistente che il terreno attraversato esercita sulla ruota
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Sebbene, infatti, affondamento e drag-force siano due aspetti dell'interazione ruota-terreno mutuamente legati, è stato notato, seppur disponendo di soli dati di letteratura, che all'affondamento massimo consentito dalle Normative corrisponde una drag-force di entità inferiore al carico limite che un carrello può sopportare; peraltro nessuna delle Normative che abbiamo consultato nel corso di questo lavoro fornisce prescrizioni relativamente a quest'aspetto, a differenza di quanto avviene invece per l'affondamento. Pertanto, alla luce di ciò, abbiamo ritenuto opportuno approfondire il problema dell'interazione ruota-terreno anche dal punto di vista della valutazione esplicita della
drag-force.
Occorre precisare che le ruote oggetto di indagine, sia in termini di affondamento che di
drag-force, saranno principalmente quelle del carrello anteriore (nose gear), la cui
struttura è meno robusta di quella del carrello principale (main gear) e quindi esposta al rischio di rottura sotto carichi orizzontali anche di modesta entità esercitati dal terreno. In assenza di dati relativi a casi reali e non avendo la possibilità di condurre alcun tipo di test, tale lavoro si è dedicato alla ricerca dei metodi più utilizzati per lo studio del problema che stiamo trattando; tra questi, la nostra attenzione si è soffermata su quelli maggiormente rappresentativi del fenomeno, sottoponendo ognuno di essi ad un’accurata analisi critica relativa ai fondamenti scientifici su cui si basa ed alla sua applicabilità tecnica ed economica.
L'approccio al problema attuato dalle varie Normative è esclusivamente di tipo prescrittivo mediante l'indicazione di valori limite di portanza che i terreni devono possedere e valori massimi di affondamento che le ruote del velivolo possono subire. Alla luce di ciò, ci è sembrato importante individuare una procedura che legasse la capacità portante del terreno (espressa in termini di Indice CBR) alla manovrabilità di velivoli e mezzi di soccorso (espressa in termini di affondamento previsto). Sull'analisi di tali metodi verrà riferito negli appositi Capitoli.
Calcolato il valore dell'affondamento relativo, ossia quello che riguarda lo strato superficiale, si può fare una prima valutazione sommaria della capacità portante delle
strip sulla base dei limiti imposti dalle Normative nei confronti di questo parametro. A
questo affondamento occorre sommare il cedimento che riguarda il sottofondo; ai fini di questo calcolo, può essere applicato il modello del multistrato elastico, in accordo con quanto previsto da ENAC.
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La somma dei due contributi fornisce l'affondamento assoluto della ruota, da confrontare con le limitazioni vigenti.
Da un'analisi critica delle prescrizioni Normative relative alle funzioni demandate alle
strip si evincono delle esigenze contrastanti:
- da un lato le strip devono assicurare il rallentamento del velivolo fino all'arresto all'interno dell'area di competenza, fatto salvo un tollerabile valore della decelerazione cui gli occupanti del velivolo sono sottoposti. Tale aspetto risulta non completamente trattato dalla Normativa italiana, mentre particolare risalto viene dato a questo parametro nella progettazione dei letti di arresto di tipo EMAS, regolamentati da FAA. La distanza di arresto è direttamente proporzionale all'entità dell'affondamento; tuttavia, come vedremo approfonditamente nel corso di questo studio, all'aumentare dell'affondamento aumenta anche l'entità della drag-force cui sono soggetti i carrelli di atterraggio. Pertanto, lo scopo di arrestare il velivolo nel minor spazio possibile è da perseguire a patto che le gambe di forza dell'aereo, che fungono da "uncini" nel terreno, non siano sottoposte ad azioni che ne determinino la rottura; in tal caso verrebbero meno le leggi che regolano l'interazione ruota-terreno, l'aereo "scivolerebbe" sulla parte inferiore della fusoliera lungo la superficie e la distanza di arresto necessaria risulterebbe pericolosamente incrementata.
Alla luce di questo è evidente che, al fine di arrestare l'aereo in poco spazio, non si possa tollerare un affondamento eccessivo come sarebbe logico pensare ma è necessario stabilire una soglia di compromesso entro cui la resistenza del terreno agente sulle ruote e la decelerazione imposta ai passeggeri siano accettabili.
- Allo stesso tempo lo strato superficiale deve avere una rigidezza tale da consentire ai mezzi di soccorso di transitarvi velocemente per raggiungere il teatro di eventuali incidenti, il che produce effetti contrastanti sull'interazione: al minore affondamento che si può verificare corrisponde un aumento della distanza di arresto a causa della minore entità della drag-force esercitata dal terreno.
Come verrà chiarito nei Capitoli successivi, drag-force ed affondamento sono correlati da una proporzionalità di tipo diretto, per cui combinare le diverse esigenze sopra descritte può risultare un problema tecnicamente molto complesso.
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Alla luce di questa analisi, appare evidente che il limite di 15 cm imposto all'affondamento dalla Normativa ENAC sia il frutto di un compromesso tra le esigenze contrastanti illustrate sopra. Esiste la possibilità di dimostrare che ad un affondamento di 15 cm non fa sempre seguito il collasso del carrello di atterraggio: ciò è implicitamente ammesso dai Costruttori all'interno di alcune indicazioni divenute cogenti in alcuni Paesi e verrà dimostrato con un esempio di calcolo proposto in seguito. L'analisi del comportamento meccanico del terreno e della sensitività dell'affondamento alle tante variabili che lo influenzano ci dimostreranno come sia estremamente difficile racchiudere l'interazione che stiamo studiando all'interno di un semplice modello matematico. Pertanto, in assenza di dati relativi a casi reali, lo scopo di questo studio è stato quello di analizzare approfonditamente il fenomeno oggetto di indagine dal punto di vista teorico e fornire delle linee di indirizzo per quanto riguarda la sua trattazione, allo scopo di ottenere successivamente una procedura di previsione estremamente aderente alla realtà che consenta di ottenere una stima attendibile dell'affondamento di un determinato aeromobile che attraversi un terreno avente determinate caratteristiche di portanza.
