Littérature scientifique sur le sujet « Applicazioni aeronautiche »

Il presente elaborato è stato approfondito e sviluppato presso lo stabilimento della Blackshape Aircraft S.p.A. sito in Monopoli (Bari). L’obiettivo è stato principalmente orientato sull’individuazione di un metodo di progettazione di giunzioni incollate fra laminati in CFRP basato su di un modello matematico in grado di prevederne la resistenza. Per realizzare tale studio sono stati necessari approfondimenti preliminari relativi al comportamento meccanico dei laminati in materiale composito e agli studi condotti da Hart-Smith sulla teoria degli incollaggi. E’ stato determinato un metodo analitico per il calcolo della lunghezza di sovrapposizione degli aderenti. Il criterio di resistenza del giunto individuato, basato sulla teoria del cedimento multiassiale di Von Mises, è stato approvato dalla Agenzia Europea per la Sicurezza Aerea, EASA. A livello numerico-pratico è stato preso in esempio il giunto fra i gusci di fusoliera relativi al nuovo velivolo Blackshape con certificazione VLA (Very Light Aircraft).

Il potenziale delle nuove tecnologie digitali applicate al settore industriale ha consentito di ridurre enormemente la durata dei cicli produttivi grazie alla rapida gestione di quantità di dati sempre più considerevoli attraverso l’introduzione delle Macchine a Controllo Numerico (Computer Numerical Control – CNC). Nel corso delle ultime tre decadi, l’industria manifatturiera ha subito notevoli e sostanziali cambiamenti grazie ad una sempre più forte connessione con il mondo dell’informatica. La più grande rivoluzione in tale ambito è stata segnata dall’avvento della Manifattura Additiva (Additive Manufacturing - AM), conosciuta sotto diversi nomi, tra i quali Prototipazione Rapida (Rapid Prototyping), Manifattura Rapida (Rapid Manufacturing) o Libera Fabbricazione di Forme (Free Form Fabrication). Materia di ricerca e sviluppo sin dalla fine degli anni ’80, la Manifattura Additiva consente la creazione di elementi fisici tridimensionali partendo da modelli CAD attraverso la sovrapposizione successiva di materiale strato per strato (layer by layer), offrendo i benefici di una elevata flessibilità geometrica degli elaborati, altrimenti irraggiungibile attraverso le tradizionali tecniche di Manifattura Sottrattiva operanti per asportazione di materiale. In seguito ad intensive ricerche, progressi significativi sono stati fatti nello sviluppo e nella commercializzazione di nuovi ed innovativi processi AM.

E' stato sviluppato un modello del ciclo produttivo del materiale composito utilizzato in aeronautica e sono state svolte valutazioni comparative con altri materiali tradizionali utilizzati nello stesso ambito.

Questo lavoro di ricerca parte dall’analisi della radiazione cosmica, degli effetti di tale radiazione sui dispositivi elettronici e di come stimare la loro sensibilità alla radiazione attraverso vari modelli di calcolo del tasso di upset (Single Event Rate, SER), capitoli 1 e 2. Se i raggi cosmici possono generare direttamente questi fenomeni in ambienti extraterrestri, in applicazioni avioniche o anche a livello del mare le particelle che possono provocare dei SEU sono principalmente i neutroni atmosferici, la cui densità cresce con la quota e derivanti dall'interazione dei raggi cosmici con gli strati esterni dell'atmosfera. Ovviamente avendo carica elettrica nulla i neutroni non agiscono direttamente nella generazione di SEU, ma attraverso reazioni nucleari con atomi del chip. I prodotti di tali reazioni possono essere ioni, derivanti per esempio da processi di spallazione, con energia sufficiente (dell'ordine del MeV) da attraversare qualche micrometro nel chip. Se la cascata di coppie elettrone-lacuna generata lungo la traccia da uno di questi ioni viene raccolta da un nodo sensibile, allora si può originare un SEU nella cella di memoria. Corruzioni di bit nella memoria di configurazione possono modificare la funzionalità implementata nella FPGA, con gravi conseguenze a livello di sistema e in particolare nelle applicazioni critiche (non solo per il settore aeronautico ma anche spaziale, automobilistico, biomedicale, per esempio). Non vi è modo di schermare con opportune barriere la memoria di configurazione nei confronti dei neutroni atmosferici, che sono altamente penetranti. Per questo motivo, molte aziende produttrici di componenti a semiconduttore perseguono una campagna di monitoraggio costante – anche se spesso non pubblicizzata - della sensibilità dei componenti da loro prodotti nei confronti dei fenomeni indotti dai neutroni atmosferici. Per mezzo dell’analisi delle tecniche di diagnostica e mitigazione di tali disturbi (capitolo 3) come il bit di parità, la codifica SEC-DED (Single Error Correction Double Error Detection), la tecnica CRC (Cyclic Redundancy Check) ed il TMR (Triple Modular Redundancy), questo progetto di ricerca si propone di sviluppare un metodo che permetta di utilizzare dispositivi FPGA in applicazioni critiche mediante soluzioni progettuali che le rendano meno sensibili ai fenomeni SEU, in modo da soppiantare altre FPGA (come le antifuse o quelle basate su Flash) oppure evitando l’uso eccessivo di ridondanze che comportano spesso uno spreco di risorse, permettendo un notevole abbattimento dei costi e un significativo aumento delle potenzialità offerte ai progettisti. Nel capitolo 4 viene descritto il sistema sviluppato e realizzato in questa ricerca, un pannello di controllo integrato (Integrated Control Panel – ICP) da installare nel cockpit di un aereo da trasporto militare, individuandone i componenti che ne fanno parte, sia per quanto riguarda la parte hardware che per la parte software, e approfondendo l’analisi degli effetti delle radiazioni sulle FPGA. Nel capitolo 5, attraverso una dettagliata analisi e valutazione del rischio e lo studio affidabilistico delle possibili soluzioni progettuali, viene descritto il progetto e lo sviluppo delle tecniche di diagnostica e mitigazione del disturbo implementate nel sistema ICP. È stata anche verificata l’effettiva efficienza dei sistemi di protezione da radiazione mediante l'iniezione di guasti attraverso software specifico, in accordo con il tipo di SEU che si intende iniettare. Infine, nel capitolo 6, vengono trattati gli aspetti dell’affidabilità del software. Per applicazione safety critical come quella studiata, diventa di fondamentale importanza verificare e validare la parte software del sistema, attraverso un’apposita metodologia e pianificazione di test automatici, al fine di garantire i requisiti di affidabilità e sicurezza in accordo con gli standard e linee guida specifici per il settore aeronautico.