Misura dell'impatto in acqua ad alte velocità

Sistema di acquisizione dati per test di impatto con l'acqua

Alessandro Iafrati, PhD, oggi direttore dell'istituto, mi chiamò chiedendomi aiuto per un sistema di acquisizione per il crash test sull'acqua e, più parlava, più mi rendevo conto che non stava scherzando - mi sentii elettrizzato. Alessandro lavora per il Consiglio Nazionale delle Ricerche d'Italia (CNR), presso un istituto di ricerca in contesti marini utilizzando approcci sia computazionali che sperimentali. La ricerca dell'istituto è tipicamente orientata ad analisi di imbarcazioni, eliche, dispositivi di energia rinnovabile ed altro.

Aereo ed acqua ... Si riferiva a un progetto finanziato dall'UE, FP7-SMAES (Smart Aircraft in Emergency Situations) nato in seguito all'ammaraggio di emergenza del volo US Airways 1549, un incidente noto anche come "Miracle on the Hudson". Il progetto mirava a comprendere meglio le dinamiche dell'aeromobile e l'interazione fluido-struttura durante l'impatto con l'acqua. All'epoca in cui mi chiamò, gli approcci computazionali alla progettazione e alla certificazione degli aeromobili non erano completamente affidabili. Sono stati necessari molti test per fornire un ampio set di dati a supporto dello sviluppo e della convalida di una nuova generazione di metodi computazionali.

In questo contesto, è stato progettato e costruito un nuovo impianto di ammaraggio ad alte velocità presso la sede del CNR-INM, precedentemente noto come Istituto di ricerca sulla tecnologia marina INSEAN, Istituto Nazionale per Studi ed Esperienze di Architettura Navale. Istituito nel 1927, si trova in periferia sud-occidentale di Roma e conta oltre 120 ricercatori, ingegneri e tecnici.

Il nuovo impianto ha consentito al CNR-INM di eseguire test di ammaraggio controllato, su piastre e componenti strutturali realizzati in alluminio e materiali compositi. Le condizioni sperimentali sono state suggerite dal partner di un progetto (Airbus Defence and Space, Madrid) al fine di superare l'importante limitazione dei test su modelli in scala che non consentivano di comprendere ed analizzare tutta la fisica coinvolta. Più recentemente, la struttura è stata riutilizzata nell'ambito del progetto finanziato dall'UE H2020-SARAH (Certificazione SAfety & Robust per incrementare la sicurezza dell'impatto di aeromobili ed elicotteri).

L'impianto di test, ora chiamato "High speed ditching facility", sembra un carrello capovolto su binari delle montagne russe. Binari che conducono direttamente in acqua.

Impianto per impatto ad alte velocità

La struttura HSDF è in grado di eseguire prove ad una velocità orizzontale in un range che va da 30 a 50 m/s. L' HSDF è composta da una guida sospesa di lunghezza di 64 metri, da cinque supporti. La guida può essere inclinata per ottenere sempre la stessa componente di velocità verticale, 1,5 m/s, indipendentemente dalla componente orizzontale.

I campioni da testare sono solidali ad un contenitore stagno contenente tutta la strumentazione che viene trainata dal carrello verso l'impatto. La massa totale del box con il campione e tutta la strumentazione è di circa 200 kg, mentre la massa totale del carrello e del box è di circa 900 kg. 

Il carrello viene accelerato da una catapulta composta da 8 pesanti corde elastiche. I cavi sono collegati a una barra a forma di U che abbraccia il carrello e lo accelera fino alla velocità finale. Questo è un componente piuttosto massiccio poiché la barra a forma di U è di circa 300 kg e ogni cavo elastico è di circa 130 kg. Al fine di prevenire qualsiasi interferenza del sistema di accelerazione sul test, poco prima del punto di impatto, entra in gioco il sistema di frenatura sulla barra a forma di U e il carrello viene lasciato, così che possa colpire liberamente l'acqua. Quando la piastra tocca l'acqua, si sviluppa un getto d'acqua che si propaga lungo la superficie del campione in test.

Ai fini delle attività del progetto SMAES e SARAH, l'esperimento termina quando le radici del getto - e i picchi di pressione corrispondenti - arrivano sul bordo anteriore della piastra in test. In quel momento, il flusso è libero di spostarsi verso l'alto e si sviluppa uno getto intenso che colpisce il modello che avanza - uno spruzzo che farebbe venir fuori il bambino che è in ogniuno di noi! Questo effetto, insieme al flusso associato allo spostamento dell'acqua di fronte al modello, fornisce l'alto carico orizzontale necessario per ridurre la velocità del modello prima della fine del binario. Nell'ultima parte del binario, viene utilizzato un set di pneumatici per assorbire l'energia rimanente.

La catapulta è caricata da un argano che rimorchia un carrello ausiliario che tiene il carrello principale attraverso una pinza tenuta chiusa da un pistone idraulico. Il carrello ausiliario è dotato di due cricchetti che vengono utilizzati al momento del lancio per mantenere il sistema bloccato su denti situati a una distanza regolare insieme alla guida. Il punto di rilascio è selezionato per raggiungere la velocità di impatto desiderata e per compensare, in questo modo, la perdita di resistenza delle corde elastiche. Per motivi di sicurezza, la struttura è gestita in remoto dall'esterno dell'edificio e due telecamere sono utilizzate per monitorare sia i cricchetti che il punto di rilascio.

Sistema di misura e acquisizione dati a bordo

Il box è dotato di un sistema di acquisizione dati che viene gestito tramite un computer desktop remoto. Il sistema di misura è composto da un data logger SBOX rugged a specifiche industriali con 100 GB SSD, 4 sistemi DAQ SIRIUS (8 canali analogici, 8 canali digitali e 1 CAN) e un sistema DAQ DEWE-43A (8 canali analogici, 8 canali digitali e 2 porte CAN).

Le misure effettuate sono:

• sensori di pressione (fino a 30 sonde, Kulite XTL 123B, campo di fondo scala 300 psi, campionato a 200 kS/s),

• sensori accelerometrici (Kistler M101 e Kistler M301A, portata 1000 g, campionati a 20kS/s) e

• estensimetri (rosette monoasse o biassiali a seconda del campione specifico, campionate a  20kS/s)..

Le forze totali che agiscono sulla piastra sono misurate da 4 celle di carico per i componenti verticali (Kistler 9343A) e 2 celle per la direzione orizzontale (Kistler 9363A).

Abbiamo intuito subito che la tecnologia SIRIUS DualCoreADC© sarebbe stata indispensabile in questo progetto per ottenere il meglio del segnale sia dagli estensimetri che dai trasduttori di pressione miniaturizzati grazie al migliore range dinamico possibile (160dB). I 40 canali analogici devono essere in perfetta sincronizzazione a una frequenza di campionamento di 200 kS/s per ottenere un segnale uniforme durante l'impatto e per analizzare l'evoluzione delle onde di pressione sulla superficie di impatto insieme alle sollecitazioni del materiale e al carico verticale totale.

All'inizio di questo progetto, non sapevo con certezza se i nostri sistemi DAQ sarebbero sopravvissuti a tali shock meccanici, sia durante l'accelerazione iniziale sia nell'impatto finale sull'acqua e sui pneumatici di fine corsa. Inoltre, in caso di danneggiamento del contenitore impermeabile durante l'impatto, l'acqua, entrando nel vano strumenti, avrebbe potuto provacare gravi danni.

Tutti i dati sono stati memorizzati nel potente data logger SBOX e trasmessi alla fine del test a un computer remoto tramite LAN wireless standard.

Al primo test eravamo nervosi.

Sono stati controllate le funzionalità di tutti i canali, il caricabatterie e lo spazio disponibile e avviato l'acquisizione prima dell'inizio del caricamento della catapulta. A seguito all'impatto l'acquisizione è stata interrotta e i dati scaricati da remoto via rete.

Il modello strumentato è stato lanciato a 47 m/s di velocità orizzontale. L'impatto fu violento: dall'esterno, il rumore spaventoso e anche i filmati registrati confermarono quanto lo spostamento dell'acqua durante la fase finale del test, fosse stata impressionante.

È stato molto difficile condurre le fasi di sviluppo e test di questa struttura, unica nel suo genere. Abbiamo passato così tante notti a lavorare duramente, ma ne è valsa la pena.
Commentò Alessandro a test conclusi

A dirla tutta, perfino lui aveva dubitato all'inizio della fattibilità del progetto:

Non credevo davvero che gli strumenti Dewesoft potessero misurare in modo così accurato durante uno shock tale ma, alla fine, sono stati eseguiti diversi test e sono stati archiviati e analizzati GB di dati - non è stato perso un singolo campione. I dati acquisiti sono stati molto utili per i nostri partner e ora la nostra struttura è in grado di eseguire test di misura molto più accurati, precisi e dettagliati. In più è diventata anche molto popolare.

Durante alcuni test, la spessa lamina di alluminio si è deformata pesantemente. Alessandro Iafrati era felice come un bambino con il suo giocattolo, lo capisco perfettamente ! 

Ora non ci resta che attendere che questi scienziati ci coinvolgano nuovamente con qualcosa di elettrizzante !