venerdì, 25 Settembre, 2020

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Il rumore prodotto dagli aerei: un’ardua sfida

Intorno agli anni 2000, il traffico aereo ha subito un forte incremento in termini di RPKs (Revenue Passengers Kilometers, kilometri percorsi da passeggeri paganti) grazie anche all’avvento delle compagnie aeree low-cost, per mezzo delle quali un maggior numero di persone hanno iniziato a utilizzare l’aereo come mezzo per spostarsi in tutto il globo. Un vantaggio che ha portato, di contro, una conseguenza immediata: un aumento del rumore prodotto dagli aerei.

Credits: osmaviationacademy.com

Questo trend ha portato alla luce nuove problematiche che prima venivano trascurate e gli stakeholders, enti regolatori sovranazionali, case costruttrici, compagnie aeree, nonché enti nazionali e ministeri, hanno cercato di adottare misure atte a mitigare gli impatti dell’ormai dirompente traffico aereo. 

Nel tempo sono state emanate norme sempre più stringenti per diminuire gli impatti ambientali dei velivoli e dei loro sistemi propulsivi, focalizzandosi soprattutto sull’impatto acustico dei motori aeronautici; infatti, al problema delle emissioni, si è aggiunta una crescente intolleranza degli abitanti delle zone limitrofe alle stazioni aeroportuali nei confronti del rumore prodotto dagli aerei e, in particolare, dai loro sistemi propulsivi.

Al fine di ridimensionare questa problematica sono state emanate, in passato, le norme FAR-36; queste normative prevedono diverse postazioni riservate ai cosiddetti REFERENCE NOISE MEASUREMENT POINTS, a seconda che l’aeromobile sia in fase di decollo (take-off), di sorvolo (fly-over) o di atterraggio (landing):

Credits: researcegate.net

Il rilevamento del rumore prodotto dagli aerei

Il rilevamento della rumorosità viene effettuata in condizioni atmosferiche standard:

  • Patm = 1013,25 mbar
  • Umidità relativa pari al 70%;
  • Tatm = 15 °C = 288.15 K
  • Assenza di vento.

La scala più utilizzata per le rilevazioni acustiche è quella del livello di rumore percepito (Perceived Noise Level, PNL); un’altra metrica spesso usata è quella che si riferisce al rumore effettivamente percepito (Effective Perceived Noise Level, EPNL), rilevato in decibel (dB) e che risulta più accurata rispetto a quella del PNL in quanto tiene conto anche della presenza di toni discreti nel fenomeno che si sta analizzando.

Esiste, inoltre, una correlazione tra la percezione umana del rumore e l’intensità del fenomeno indicata con il simbolo I:

I = p 2 2 ρ a

in cui p è la pressione sonora e a è la velocità del suono.

Se immaginassimo di ridurre l’intensità del fenomeno del 50%, traducendo tale riduzione in scala dB si otterrebbe:

10   L o g   0.5 =   3 d B

Da tale osservazione si comprende che la diminuzione della rumorosità di un velivolo rappresenti una sfida veramente ardua. Gli enti normativi, in passato, erano la FAA (Federal Aviation Administration) negli USA e le JAA (Joint Aviation Authorities) che agivano parallelamente in Europa.

Attuali norme e disposizioni

Le disposizioni di questi enti (rispettivamente le FAR – Federal Aviation Regulations e le JAR – Joint Airworthiness Requirements) vennero poi unificate a livello mondiale dall’ICAO (International Civil Aviation Organisation), assistito a sua volta da un comitato tecnico, il Committee on Aviation Environmental Protection (CAEP), il quale formula nuove policies e adotta nuove Standards and Recommended Practices (SARPs) concernenti, peraltro, il rumore prodotto dagli aerei e, più in generale, l’impatto ambientale dell’aviazione.

Nel 1969 entrarono in vigore le FAR-36 (Federal Aviation Rule Part 36) che definirono precisamente:

  1. Le scale di misura da adottare per la valutazione del fenomeno;
  2. I punti di riferimento da posizionare lungo la pista;
  3. Le condizioni atmosferiche in cui le procedure devono avvenire.

Nel 2001, l’ICAO decise di abbracciare il concept di Balanced Approach per cercare una risoluzione del problema agendo su quattro fronti distinti:

  • PROGETTAZIONE DELL’AEROMOBILE (aereo “silenzioso”);
  • PROGRAMMA DI GESTIONE DELL’AEREO A TERRA (minimizzare il numero di persone soggette ad un pericoloso e forte inquinamento acustico);
  • PROCEDURE PER RIDURRE IL RUMORE DURANTE LE VARIE OPERAZIONI (prove motori, rullaggio, ecc);
  • NUOVE RESTRIZIONI SULL’OPERATIVITA’.

Le nuove limitazioni imposte furono pubblicate nel rinomato ANNESSO 16 (Environmental Protection. Volume 1), nel quale vengono esplicitati i nuovi livelli di rumorosità ritenuti accettabili sia per gli aerei di vecchia generazione che per quelli di nuova.

In seguito, la Commissione Europea elaborò la “VISION FOR 2020” e tra i principali obiettivi di quest’ultima compariva proprio la riduzione del rumore prodotto. I risultati ottenuti sono stati tali da comportare un decremento dell’inquinamento acustico prodotto dagli aeromobili di circa 30 dB (basti pensare che quello causato dalle automobili è stato ridotto di 15 dB, quello dei treni di appena 10 dB). 

Il rumore viene prodotto in concomitanza dai vari componenti di un motore degli aerei: fan, combustore, ugello, turbina. Dal momento che il decibel è una grandezza misurata su scala logaritmica, è facilmente intuibile che la riduzione anche del 50% del rumore prodotto da uno solo di questi componenti non comporta alcun sostanziale beneficio sul rumore totale. 

Una percentuale consistente del rumore viene prodotta dal getto; successivamente, si è passato dal turbogetto al turbofan e questa percentuale, deputata maggiormente al nozzle, è stata “trasferita” al fan, per via delle sue rilevanti dimensioni e delle sue parti rotoriche.

Tuttavia, cambiando l’architettura del motore, si è potuta apprezzare una riduzione di ben 20 dB nella rumorosità.

Rumore degli aerei
Credits: aerodesign.standford.edu

Cosa si sta facendo a riguardo?

Sono stati condotti studi molto avveniristici in cui si è arrivati a concepire velivoli “silenziosi”: l’University of Cambridge e l’MIT (Massachusetts Institute of Technology) congiuntamente hanno portato avanti l’avamprogetto del Silent Aircraft. Questa iniziativa, denominata SAI (Silent Aircraft Initiative), si era prefissata l’ambizioso scopo di progettare un aereo le cui emissioni acustiche, all’in fuori dell’area aeroportuale, non dovessero essere distinguibili dalla rumorosità tipica delle aree urbane.

È stato così concepito il SAX (Silent Aircraft eXperimental), velivolo sperimentale la cui innovativa configurazione si basa sull’integrazione della superficie alare con la cabina passeggeri, le prese d’aria dei motori e le superfici di controllo (Blended-Wing Body aircraft, BWB) con il risultato di ottenere una notevole riduzione delle discontinuità superficiali, grandi sorgenti di rumore in volo.

Sebbene questo progetto rappresentasse soltanto uno studio di tipo teorico senza alcuna fattibilità pratica, mise in evidenza che per minimizzare il target della rumorosità doveva essere completamente stravolta la convenzionale struttura del velivolo, con un sistema propulsivo annidato nell’airframe, come si può notare dall’immagine di questo ambizioso progetto.

Se l’argomento è di vostro interesse vi suggeriamo anche di informarvi su QueSST (leggete il nostro articolo a riguardo).

A cura di Davide Altimare

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