Il Leonardo "Project Zero” è un incubatore di tecnologie

Il Leonardo "Project Zero” è un incubatore di tecnologie ad ala rotante senza pilota, sviluppato insieme ad altre società del gruppo Leonardo, oltre a diversi partner internazionali e centri di ricerca in Italia, Regno Unito, Usa e Giappone.

Presentato ufficialmente il 4 marzo, poco prima dell'Heli-Expo 2013 a Las Vegas, negli Stati Uniti, il rivoluzionario dimostratore di tecnologia del tiltrotor elettrico "Project Zero" è il risultato di strette collaborazioni con la società Leonardo ed altre società partner di Italia, Regno Unito, Stati Uniti e Giappone.

Il progetto Zero è un progetto complesso che coinvolge partner e fornitori in diversi fusi orari. I partner hanno lavorato con grande entusiasmo sotto la guida del gruppo R&T Advanced Concepts di Leonardo per dare vita a questo concetto rivoluzionario. Questa è la prima volta che diverse filiali del Gruppo Leonardo hanno collaborato con così tante aziende innovative, al di fuori del settore aerospaziale tradizionale, in un programma dimostrativo avanzato.

Lo stile Bertone in Italia ha lavorato a stretto contatto con Leonardo nello sviluppo di uno stile esteticamente gradevole e su di una configurazione del motore inclinabile aerodinamicamente unica. Per massimizzare la resistenza e minimizzare il peso, l'intera superficie esterna dell'aeromobile è in grafite di carbonio ed è stata prodotta da Lola Composite nel Regno Unito.

Sistemi Dinamici è una società di ingegneria ad alta tecnologia di proprietà congiunta di Leonardo e IDS di Pisa, Italia. Sistemi Dinamici è stato determinante per "Project Zero" collaborando a stretto contatto con il gruppo Advanced Concept sul sistema di controllo di volo e sulla progettazione dei rotori. Le tecnologie sviluppate da ciascun partner vengono alimentate nei vari settori industriali per apportare valore a ciascuna azienda. Leonardo ha contribuito anche con il computer di controllo del volo e l'unità di controllo dell'attuatore ad alta integrità utilizzando un software fornito da Wind River.

Ansaldo Breda ha attinto alla sua vasta esperienza nella progettazione e costruzione di treni elettrici ad alta velocità per produrre su misura l'inverter del motore elettrico e l'algoritmo di controllo del motore. Ansaldo Energia è specializzata nella produzione di megawatt di generatori di energia e ha fornito preziose competenze sulla soluzione ibrida diesel-elettrica ibrida.

Altri partner e fornitori in tutto il mondo che hanno contribuito al "Progetto Zero" inclusa la Lucchi R. Elettromeccanica, una società automobilistica con sede a Rimini, che ha progettato e costruito su misura i motori elettrici a magneti permanenti a flusso assiale.

Le proprietà aerodinamiche delle pale del rotore sono state progettate da Leonardo e Rotor Systems Research LLC negli Stati Uniti. La struttura composita per lame, protezioni e raggi è stata progettata da Advanced Concepts Group e Leonardo Japan Asia Technology Center, quindi prodotta dalla UCHIDA in Giappone.

Gli attuatori elettromeccanici ad alta larghezza di banda (EMA) per l'innovativo sistema di controllo a lama singola swashplateless sono stati sviluppati appositamente da Microtecnica per "Project Zero". L'intero aereomobile non utilizza l'idraulica; il carrello retrattile, il meccanismo di inclinazione della navicella e gli elevatori sono controllati dall'EMA.

ORAL Engineering ha sviluppato un efficiente motore diesel per la soluzione di propulsione ibrida elettrica alternativa e ha fornito una lavorazione CNC rapida per il rotore e il sistema di azionamento. 

MB Motorsport, Aerosviluppi e Marc'Ingegno hanno personalizzato, rispettivamente, lo speciale sistema di raffreddamento del motore, il cablaggio e le marce retrattili.

Il dimostratore di tecnologia "Project Zero" è stato progettato, costruito e testato in dodici mesi.

Il Leonardo “Project Zero” è un convertiplano completamente elettrico, con due rotori basculanti, in grado di ruotare di 90 gradi e integrati nella fusoliera, che permettono di combinare la flessibilità dell'elicottero (decollo e atterraggio verticale e volo a punto fisso) e le prestazioni dell'aereo (velocità di crociera, alta quota e ampio raggio d'azione).

“Project Zero” è un dimostratore tecnologico per un convertiplano/aereo V/STOL il cui progetto è stato avviato nel dicembre 2010.  Il dimostratore senza pilota ha effettuato il primo volo vincolato nel giugno 2011 presso lo stabilimento Leonardo di Cascina Costa in provincia di Varese. 

Il prototipo ha effettuato altri voli in aree controllate nel 2011 e 2012, alcuni con e altri senza condotti avvolgenti attorno ai rotori basculanti e con un secondo set di pale più evolute, caratterizzate da una curvatura non lineare e profili alari progettati specificamente. Secondo l'azienda, l'aeromobile "non è dotato di impianti idraulici, non brucia combustibili fossili ed è a emissioni zero.

La richiesta di brevetto europeo è stata presentata il 29 luglio 2011 con il numero EP2551190(A1) e il brevetto è stato concesso il 30 gennaio 2013. Sono stati registrati in contemporanea brevetti a nome James Wang negli Stati Uniti d'America con numero US2013026303 (A1); in Corea, con numero KR20130014450 (A); in Giappone con numero JP2013032147 (A) e in Cina con numero CN102897317 (A).

Il programma è stato reso pubblico il 4 marzo 2013 nel corso dell'Heli-Expo organizzato dall'Helicopter Association International (HAI).

Il prototipo è stato sviluppato come programma segreto con non più di due dozzine di ingegneri impiegati a tempo pieno da Leonardo e con la compartecipazione di altre 15 società. Come già evidenziato, le attività di progettazione si sono svolte in Italia, Regno Unito, Stati Uniti d'America e Giappone con ritmi di 24 ore al giorno, 7 giorni alla settimana per sei mesi per passare dal primo progetto al primo volo.

Origini

Nel dicembre 2010, la direzione di AgustaWestland ha approvato la formazione di un team sotto la guida di James Wang con l'intenzione di produrre un dimostratore tecnologico che incorporasse quante più innovazioni possibili su una singola cellula. Parlando nel 2013, Wang ha notato che le tecnologie elettriche stavano avanzando rapidamente e che la funzione del Progetto Zero era quella di raggiungere la prontezza con le tecnologie degli aerei elettrici: "Piuttosto che aspettare che la batteria diventi ancora migliore, quindi lavorare sulla tecnologia degli aerei elettrici , il team si è posizionato per essere pronto per la prossima generazione di batterie".

In AgustaWestland (ora Leonardo) e nelle sue aziende partner, un totale di due dozzine di ingegneri a tempo pieno hanno lavorato al progetto in uno stile di sviluppo skunkworks presso lo stabilimento di Cascina Costa in Italia. Secondo Wang, coloro che erano stati nominati nella squadra erano scelti con cura e in genere erano giovani e appassionati; ogni membro aveva una specialità specifica in una zona. Il team decise rapidamente che, invece di perseguire un aereo o elicottero elettrico ma altrimenti convenzionale, sarebbe stato adottato un approccio più radicale: un tiltrotor elettrico a doppio rotore, privo di trasmissione o piatti. Wang ha sintetizzato la filosofia della squadra come "Tutto ciò che è al limite impossibile, vogliamo fare".

Notando che lo sviluppo dell'AgustaWestland AW169 era stato completato in meno di quattro anni, la direzione decise di sfidare il team a completare il progetto in un solo anno, inclusi i test di volo iniziali. Il team ha lavorato quasi continuamente, 24 ore al giorno e sette giorni alla settimana per il periodo iniziale di sei mesi. I membri del team non hanno atteso e - mail o posta vocale, ma si sono recati direttamente l'uno con l'altro di persona, avendo sede nello stesso ufficio, questo ha anche contribuito a mantenere il segreto - il lavoro di squadra diretto in questo modo è stato fortemente incoraggiato. Il gruppo Advanced Concepts di Leonardo-AgustaWestland ha eseguito test approfonditi sul modello per il progetto; ciò ha comportato la creazione di più modelli in scala 1/10 in grado di volare, che sono stati pilotati per testare gli estremi dell'inviluppo di volo a causa della forma atipica dell'aereo. L'uso di strumenti CAD (computer aided design) è stato anche essenziale per soddisfare il programma estremamente rapido del programma; la fluidodinamica computazionale e la modellazione ad elementi finiti sono state entrambe ampiamente utilizzate.

Varie aziende in Italia, Regno Unito, Stati Uniti e Giappone hanno lavorato alla progettazione e / o produzione di elementi del Progetto Zero, tra cui quattro diverse filiali di Finmeccanica. Ansaldo Breda ha progettato un inverter per motori elettrici su misura e un algoritmo di controllo del motore di accompagnamento, Selex ES ha fornito il computer di controllo del volo ad alta integrità e l'unità di controllo dell'attuatore. Lucchi R.Elettromeccanica costruì su misura i motori magnetici permanenti a flusso assiale; Rotor Systems Research LLC ha collaborato con AgustaWestland alla progettazione aerodinamica delle pale del rotore. Lola Composites ha prodotto il materiale composito da cui la maggior parte delle superfici esterne sono realizzate in polimero rinforzato con fibra di carbonio (CFRP), mentre UCHIDA ha fabbricato la struttura composita per le pale del rotore, le protezioni e i raggi. Lo Stile Bertone ha lavorato per sviluppare l'estetica e lo stile aerodinamico dell'aeromobile.

La designazione Project Zero è stata derivata dall'osservazione che si trattava di un progetto interno unico senza controparti comparabili nella storia dell'azienda. Lo sviluppo del Progetto Zero è stato condotto in breve tempo; il tempo che intercorre tra l'inizio della fase di progettazione e il primo volo del dimostratore stesso era inferiore a sei mesi. Al fine di garantire che i benefici concreti del progetto fossero stati apportati, è stato deciso che un aeromobile su larga scala doveva essere prodotto e pilotato. Nel giugno 2011, un dimostratore su larga scala ha effettuato un volo iniziale legato a Cascina Costa, in Italia. Secondo Wang, non era necessario alcun lavoro di riprogettazione o correttivo "Tutto ha funzionato - l'intero progetto - la prima volta”.

Dopo un periodo di test di volo, Leonardo-AgustaWestland ha iniziato a studiare il progetto e a studiare i mezzi per trasferire le tecnologie prodotte nella sua attuale linea di prodotti per aeromobili. 

È stato sottolineato che il Progetto Zero stesso non è un prodotto, ma un investimento in tecnologie a beneficio dell'azienda più ampia. In qualità di dimostratore di tecnologia, serve a favorire l'innovazione nel volo verticale per l'azienda. Nel 2016, è stato notato che il sistema di controllo attivo della lama sviluppato per Project Zero, che elimina la necessità di una piastra oscillante e un sistema separato di smorzamento delle vibrazioni, doveva essere sottoposto a test di volo su un AgustaWestland AW139; separatamente, le leggi di controllo del volo utilizzate dal Progetto Zero devono essere utilizzate per un futuro progetto di rotore inclinabile.

Il gruppo Advanced Concepts ha previsto varie disposizioni di propulsione alternative per il Progetto Zero, tra cui la propulsione diesel ibrida, l'incorporazione di celle a combustibile e altre tecnologie non specificate. Nella sua configurazione originale, il tempo di volo di dieci minuti è l'attuale limite operativo; parlando nel 2016, Wang ha dichiarato di sperare che la tecnologia della batteria avanzerà entro un decennio per supportare un tempo di funzionamento di 100 minuti.

Design

Il Progetto Zero è un convertiplano  a propulsione elettrica non convenzionale: è stato descritto come "mezzo elicottero, mezzo aereo". 

È un dimostratore avanzato, destinato a mostrare le capacità di propulsione elettrica nel settore dell'aviazione. Il velivolo è completamente elettrico con energia proveniente da batterie ricaricabili. Leonardo ha dichiarato che, se dotato di un adeguato propulsore, il velivolo è in grado di raggiungere velocità equivalenti ai tradizionali design dei rotatori inclinabili e possiede una tipica altezza di crociera doppia rispetto a quella di un elicottero convenzionale. 

Il dimostratore tecnologico non è stato ottimizzato per la produzione. Può essere pilotato da un solo pilota seduto all'interno della cabina di pilotaggio o, in alternativa, gestito come un veicolo aereo senza pilota.

Key to Project Zero è l'innovativo sistema di propulsione che è stato sviluppato per dimostrare e testare. I due grandi rotori del velivolo sono azionati da avanzati motori elettrici, che sono a loro volta alimentati dall'energia immagazzinata nelle batterie. Il design completamente elettrico elimina la necessità di una trasmissione, come quella utilizzata sugli aeromobili convenzionali; opera anche con basse firme acustiche e termiche e senza dipendenza dall'ossigeno. Sul terreno, le batterie possono essere ricaricate inclinando i rotori nel vento per agire come turbine. Il dimostratore è stato progettato per ospitare numerose fonti di energia diverse per i motori elettrici; esiste anche l'opzione di propulsione ibrida, che utilizza un motore diesel leggero per guidare un generatore per fornire elettricità ai motori, che è stato sviluppato da ORAL Engineering. Durante il volo di crociera, la maggior parte della spinta ascensionale è fornita dalle ali; le ali esterne sono staccabili, il che potrebbe essere utile per missioni a corto raggio principalmente usando la "modalità elicottero".

Oltre l'80 percento della composizione del velivolo è costituito da materiali compositi , tra cui tutta la pelle, le pale del rotore, il rivestimento e i raggi; la struttura è quasi interamente in alluminio e carbonio. I materiali sono stati selezionati per fornire la massima velocità a costi ragionevoli. Secondo la compagnia, l'aeromobile "non impiega idraulica, non brucia combustibili fossili e non genera emissioni". Al posto dell'idraulica, gli attuatori elettromeccanici sono stati utilizzati per funzioni come la retrazione del carrello, l'inclinazione delle navicelle e l' attivazione degli elevatori del velivolo; questi attuatori sono stati sviluppati appositamente da Microtecnica.

Storia operativa

Nel giugno 2011, il dimostratore senza pilota ha condotto il suo primo volo legato presso la struttura di Cascina Costa in Italia. È stato fatto volare in aree protette più volte nel 2011 e nel 2012, compresi i voli con e senza le protezioni canalizzate attorno ai rotori inclinabili; un'ulteriore modifica includeva un insieme alternativo e più avanzato di pale del rotore con una torsione non lineare e l'installazione di profili alari personalizzati. I test di volo hanno consentito la messa a punto del sistema di propulsione, che ha comportato un guadagno del 30% della potenza effettiva.

Il progetto Zero ha fatto numerose apparizioni pubbliche da quando è stato rivelato nel marzo 2013. Sono proseguiti anche i test di volo, che si sono concentrati su modelli in scala 1/3 piuttosto che sul dimostratore in scala reale a causa della resistenza di volo limitata che possiede. Nel febbraio 2016, è stato annunciato che un sistema di guida ibrida sarebbe stato installato sull'aeromobile su larga scala, con l'obiettivo di estendere la durata del volo da 10 minuti a 35-45 minuti. 

ENGLISH

The Leonardo (ex AgustaWestland) Project Zero is a hybrid tiltrotor/Lift fan aircraft. It has been developed by AgustaWestland as a technology demonstrator, and is used to investigate all-electric propulsion and other advanced technologies. It is the world's first electric tiltrotor aircraft.

Development

Origins

In December 2010, AgustaWestland's management approved the formation of a team under James Wang with the intention of producing a technology demonstrator incorporating as many new innovations as possible on a single airframe. Speaking in 2013, Wang noted that electric technologies were rapidly advancing, and that the function of Project Zero was to achieve readiness with electric aircraft technologies: "Rather than waiting for the battery to become even better, then working on electric aircraft technology, the team has positioned itself to be ready for the next generation of batteries".

At AgustaWestland and its partner companies, a total of two dozen full-time engineers worked on the project in a skunkworks-style of development at AgustaWestland's Cascina Costa facility in Italy. According to Wang, those appointed to the team were handpicked, and were typically young and passionate; each member had a specific specialty in one area. The team quickly decided that, instead of pursuing an electric-powered but otherwise conventional airplane or helicopter, a more radical approach would be adopted: A twin-rotor electric tiltrotor, lacking any transmission or swashplates. Wang summarised the team's philosophy as "Anything that is bordline impossible, we want to do".

Noting that the AgustaWestland AW169's development had been completed in under four years, management decided to challenge the team to complete the project within a single year, including initial flight testing. The team worked almost continuously, 24 hours per day and seven days per week for the initial six-month period. Team members did not wait on emails or voicemail, instead going directly to one another in person, being based in the same office, this also assisted in maintaining secrecy - direct teamwork in this fashion was heavily encouraged. AgustaWestland's Advanced Concepts Group performed extensive model testing for the project; this involved the creation of multiple flight-capable 1/10th-scale models, which were flown to test the extremes of the flight envelope due to the aircraft's atypical shape. The use of computer aided design (CAD) tools was also essential to meeting the extremely fast schedule of the program; computational fluid dynamics and finite element modeling were both used extensively.

Various companies in Italy, the UK, the U.S. and Japan worked on the design and/or manufacturing of elements of Project Zero, including four different branches of Finmeccanica. Ansaldo Breda designed a custom-built electric motor inverter and accompanying motor control algorithm, Selex ES provided the High-Integrity Flight Control Computer and the Actuator Control Unit. Lucchi R.Elettromeccanica custom-built the axial flux permanent magnetic motors; Rotor Systems Research LLC worked in conjunction with AgustaWestland on the aerodynamic design of the rotor blades. Lola Composites produced the composite material from which most of the exterior surfaces are made of Carbon-fiber-reinforced polymer (CFRP), while UCHIDA manufactured the composite structure for the rotor blades, shrouds, and spokes. Stile Bertone worked to develop the aesthetic and aerodynamic styling of the aircraft.

The designation Project Zero was derived from an observation that this was a unique internal project with no comparable counterpart within the company's history. The development of Project Zero was conducted within a short amount of time; the time between the start of the design phase and the first flight of the demonstrator itself was less than six months. In order to ensure that tangible benefits from the project were made, it was decided that a full-scale aircraft must be produced and flown. In June 2011, a full-scale demonstrator performed an initial tethered flight at Cascina Costa, Italy. According to Wang, there was no need for any redesigning or corrective work "Everything worked - the whole design - first time”.

Reveal and further development

On 4 March 2013, the existence of the program was announced to the public at the Helicopter Association International (HAI) Heli-Expo. In June 2013, the aircraft was publicly displayed at the Paris Air Show. In early 2014, the Project Zero team was awarded AHS International's prestigious 2014 Grover E. Bell Award—named for Larry Bell's late brother—given to the individual or organization that has fostered and encouraged research and experimentation in helicopter development.

Following the flight testing period, AgustaWestland set about learning from the project and studying means to transfer technologies produced into its existing rotorcraft product line. It has been emphasised that Project Zero itself is not a product, but an investment in technologies to benefit the wider company.[9] Acting as a technology demonstrator, it serves to help to drive innovation in vertical flight for the company. In 2016, it was noted that the active blade control system developed for Project Zero, which removes the need for a swash plate and a separate vibration-damping system, was to undergo flight testing on an AgustaWestland AW139; separately, the flight control laws used by Project Zero shall be used for a future tiltrotor project by AgustaWestland.

Various alternative propulsion arrangements for Project Zero have been envisioned by the Advanced Concepts Group, including hybrid diesel propulsion, the incorporation of fuel cells, and other unspecified technologies. In its original configuration, ten minutes flight time is the current operational limit; speaking in 2016, Wang stated that he is hopeful that battery technology will advance within a decade to support a 100-minute operating time.

Design

Project Zero is an unconventional electric-propelled tiltrotor aircraft, referred to by AgustaWestland as a 'convertiplane', it has been described as being "half-helicopter, half aeroplane". It is an advanced demonstrator, intended to show the capabilities of electric propulsion in aviation. The aircraft is all-electric with power coming from rechargeable batteries. AgustaWestland has stated that, when furnished with a suitable powerplant, the aircraft is capable of speeds equivalent of traditional tiltrotor designs and possesses a typical cruising height double that of a conventional helicopter. The technology demonstrator has not been optimised for production. It can either be flown by a single pilot seated within the cockpit, or alternatively operated as an unmanned aerial vehicle.

Key to Project Zero is the innovative propulsion system that it was developed to demonstrate and test. The two large rotors of the aircraft are driven by advanced electric motors, which are in turn powered by energy stored in batteries The all-electric design eliminates the need for a transmission, as used on conventional aircraft; it also operates with low acoustic and thermal signatures and without a dependency on oxygen. On the ground, the batteries may be recharged by tilting the rotors into the wind to act as turbines. The demonstrator was designed to accommodate numerous different energy sources for the electric motors; an alternative hybrid propulsion option also exists, this uses a lightweight diesel engine to drive a generator to provide electricity for the motors, which was developed by ORAL Engineering. During cruise flight, the majority of the lift is provided by the wings; the outer wings are detachable, which could be useful for shorter range missions mainly using the 'helicopter mode' of flight.

In excess of 80 percent of the aircraft's composition is composite materials, including all of the skin, rotor blades, shroud, and spokes; the structure is almost entirely aluminium and carbon. Materials were selected on the basis of providing the greatest speed at reasonable weight and finance costs. According to the company, the aircraft "employs no hydraulics, doesn’t burn fossil fuel and generates zero emissions." In place of hydraulics, electromechanical actuators have been used for functions such as the retraction of the undercarriage, tilting the nacelles, and actuating the aircraft's elevons; these actuators were purpose-developed by Microtecnica.

Key technologies of Project Zero have been patented; a European Patent, EP2551190 (A1), was filed on 29 July 2011 and granted 30 January 2013, while patents (listing James Wang as the inventor) were also granted in parallel in the United States, US2013026303 (A1); Other patents were filed in Korea (KR20130014450 (A)), Japan (JP2013032147 (A)), and China (CN102897317 (A)).

Operational history

In June 2011, the unmanned demonstrator conducted its first tethered flight at AgustaWestland's Cascina Costa facility in Italy. It was flown in secured areas multiple times in 2011 and 2012, including flights with and without the ducted shrouds around its tilting rotors; a further modification included an alternative and more advanced set of rotor blades with a non-linear twist and custom airfoils being installed. Flight testing allowed for the fine-tuning of the propulsion system, which resulted in a 30 per cent gain in effective power.

Project Zero has made numerous public appearances since being revealed in March 2013. Flight testing has also continued, this has focused on 1/3rd-scale models rather than the full-scale demonstrator due to the limited flight endurance it possesses. In February 2016, it was announced that a hybrid drive system would be installed on the full-scale aircraft, this is aimed at extending the flight endurance from 10 minutes to 35–45 minutes.

(Web, Google, Wikipedia, You Tube)