Environmental Control System: rendere il volo un’esperienza possibile e confortevole

Volare è un’esperienza unica: gli aeromobili permettono di muoversi nel cielo e allargare gli orizzonti, letteralmente. Tuttavia, durante un volo, in particolare a quote elevate, l’ambiente che circonda l’aereo è decisamente lontano dal concetto di comfort umano. Ma cosa rende possibile sorseggiare un tè a 10.000 metri di altitudine? Come è realizzabile se la temperatura esterna è prossima ai -50°C e la pressione è pari ad un quarto di quella al livello del mare? Viene in nostro soccorso l’Environmental Control System (ECS).

L’ECS garantisce in cabina un’aria con livelli accettabili di:

• Temperatura
• Pressione
• Umidità
• Composizione chimica

Cabine pressurizzate: architettura bleed

Da dove proviene l’aria immessa in cabina per pressurizzare e refrigerare/riscaldare? Un’architettura di tipo bleed è quella scelta sulla maggiora parte degli aeromobili ovvero è il sistema propulsivo che fornisce l’aria per la climatizzazione.

Il ciclo dell’aria inizia dai compressori dei propulsori, dove viene prelevata ad alte temperature e pressioni, generalmente al 5° o 9° stadio. In realtà, per evitare di spendere tanta energia nel raffreddamento di aria troppo calda, potremmo pensare sia più conveniente “spillare” aria dal compressore di bassa, dove i valori di temperatura e pressione sono più moderati. Tuttavia, questa scelta non è possibile, poiché comporterebbe un’eccessiva riduzione delle prestazioni del propulsore.

Prima di entrare in cabina, l’aria attraversa un sistema di valvole che ne abbassano la pressione. In seguito, scorre attraverso l’unità di condizionamento, composta dalla CAU (Cold Air Unit), alla quale compete la riduzione di temperatura.

Prima di entrare in cabina l’aria viene miscelata nel Air Mixing Unit, con dell’aria riciclata e purificata tramite filtri appositi. Infine, parte dell’aria in cabina abbandona il ciclo e viene rilasciata in ambiente esterno, tramite valvole di outflow. Le valvole rilasciano nell’ambiente esterno la quantità di aria necessaria a mantenere dei corretti valori di pressurizzazione all’interno della fusoliera.

Sistemi di raffreddamento: il cuore dell’Enviromental Control System

Requisito fondamentale per il comfort a bordo è una temperatura in cabina generalmente compresa nel range 18-25° C.
Esistono due tipologie di sistemi di raffreddamento:

• Vapor cycle machine: sfruttano un processo molto simile a quello che avviene nei frigoriferi delle nostre cucine. I compressori forniscono aria calda, il cui calore viene assorbito dal processo di evaporazione di un liquido refrigerante (Freon). Successivamente un compressore provvede ad estrarre il calore e rilasciarlo all’interno di un condensatore. Adesso è pronto a ritornare nell’evaporatore. Qui assorbirà nuovamente il calore del flusso d’aria, chiudendo il ciclo. Le vapor cycle sono tipiche degli ECS con Closed Loop, in cui quasi tutta l’aria presente in cabina è riciclata e riutilizzata, dopo che filtri appositi la hanno purificata.

• Air cycle machine: l’aria eccessivamente calda proveniente dall’impianto pneumatico viene raffreddata in uno scambiatore di calore, successivamente viene fatta espandere in una turbina, per abbassarne i valori di pressione e temperatura. Infine, un deumidificatore tratta l’aria prima di immetterla in cabina.

Negli aeromobili moderni si utilizzano principalmente 2 tipi: Bootstrap o sub-freezing bootstrap. Un’architettura di tipo bootstrap raffredda l’aria fino ad una temperatura di qualche grado sopra lo zero (2-3° C).

Invece, nelle architetture di tipo sub-freezing, l’aria in uscita dalla cold air unit raggiunge temperature di 10 o 20° C sotto lo zero. Quindi, prima di entrare in cabina, l’aria troppo fredda necessita di essere miscelata nel mixer, con l’aria tiepida proveniente dalla cabina. Inoltre, in questo tipo di architettura, è necessario introdurre un separatore d’acqua prima di far espandere l’aria in turbina, per evitare la formazione di ghiaccio e il conseguente danneggiamento della turbina.

In termini energetici, per raffreddare la cabina, è più conveniente utilizzare una portata piccola di aria molto fredda, piuttosto che una grossa portata di aria meno fredda. Ridurre la portata refrigerante, tramite l’architettura sub-freezing, permette di ridurre le dimensioni di alcuni condotti del sistema di condizionamento, con un conseguente risparmio in termini di peso.

Future trends: architettura bleedless

La tendenza generale in ambito aeronautico è quella di puntare a realizzare aeromobili more-electric o addirittura all-electric. L’obiettivo è far sì che la generazione di potenza competa esclusivamente al sistema elettrico, più efficiente in termini energetici rispetto, per esempio, a quello pneumatico.

Figlia di questa filosofia di progettazione è l’architettura bleedless che svincola l’ECS dai propulsori. Questa architettura è già utilizzata nel Boeing 787 Dreamliner, velivolo che ha fatto della filosofia more electric il suo marchio di fabbrica. In questa architettura, dallo stampo moderno, l’aria necessaria ad alimentare l’Environmental Control System proviene, piuttosto che dai propulsori, da dei compressori dedicati, alimentati da motori elettrici.

Questo approccio permette di aumentare l’efficienza, riducendo notevolmente consumi e costi. Prelevare energia pneumatica dai propulsori (Architettura bleed) comporta una consistente riduzione delle prestazioni legate alla spinta e un aumento dei consumi di carburante. Inoltre, spesso e volentieri, le architetture bleed producono un eccesso di potenza pneumatica, con conseguenti sprechi energetici.

Le architetture bleedless, in confronto a quelle tradizionali, offrono vantaggi in termini di risparmio nei pesi e nei costi di manutenzione.

A conti fatti, il 787 sembra aver aperto la strada ad un’architettura dell’ECS più moderna ed efficiente. Potremmo dire che il Boeing 787 abbia portato “una ventata di aria fresca” nelle architetture dell’Environmental Control System.

A cura di Francesco Gerbino