Tra gli anni 60 e 70 prendere un volo internazionale in America ed in Europa significava, quasi sicuramente, imbarcarsi sul Boeing 727. Questo jet trimotore, pensato per i viaggi a medio e corto raggio, era stato un successo di vendite per la Boeing. Con più di 1500 esemplari venduti tra il 62 e l’84 (e oltre 1800 al termine della produzione) è stato secondo per vendite solo all’immortale 737.
All’inizio degli anni 80 però, sia l’aumento del costo del carburante dopo la crisi del ’73, sia l’avvento dell’era dei computer, avevano reso sempre più necessario un upgrade. Il 727, però, era particolarmente difficile da tenere aggiornato. Quando venne progettato, negli anni 60, a causa dei limiti delle norme ETOPS, si era deciso di scegliere una configurazione a tre motori in coda: questa rendeva le operazioni di manutenzione più complesse e limitava le possibilità di montare motori più grandi. Oltre a ciò la competizione di bimotori via via più efficienti e più appetibili sul mercato, ne stava lentamente erodendo le vendite. Per questo si rendeva necessario un sostituto.
È con lo scopo di sostituire il 727 che agli albori degli anni 80 venne iniziato il progetto 7-7, poi rinominato 7J7; questo velivolo, avrebbe dovuto avere una capacità e un autonomia analoghe a quelle del suo predecessore, circa 150 posti in cabina e 5000 km di autonomia. Per avere l’interesse delle compagnie di linea occorreva offrire qualcosa di più di un 727 aggiornato, il nuovo velivolo sarebbe dovuto essere uno sguardo al futuro: Fly-by-wire (con la cloche dei piloti sostituita da un sidestick) che ta), uso estensivo di materiali compositi, sistema di avionica integrata tale da togliere la necessità di un ingegnere di bordo. Con questa serie di tecnologie innovative Boeing intendeva creare un velivolo troppo conveniente per essere ignorato dal mercato.
Complessivamente la somma di queste soluzioni avrebbe dovuto diminuire, secondo le previsioni dell’azienda, i consumi del 60% rispetto a qualunque aeromobile di grande dimensioni del tempo. Di questo risparmio il 43% sarebbe derivato da una sola tecnologia, forse la più rivoluzionaria: i rivoluzionari motori propfan (anche detti UDF: unducted fan rotor engine).
Illustrazione esemplificativa del Boeing 7J7
I primi studi sull’applicabilità dei motori propfan o UDF furono condotti dalla Nasa nei primi anni 70. Questo tipo di motore, molto simile ad un turbofan, ne riprendeva l’idea di base: una turbina a gas generava spinta, sia accelerando gas combusto facendolo uscire da un ugello, sia alimentando una ventola o ‘fan’, che spingeva un flusso d’aria più esterno; la sostanziale differenza era l’assenza della nacella, cioè il guscio esterno che conteneva il fan e che incanalava il flusso d’aria spinto da esso.
Dagli studi della Nasa emersero con chiarezza la potenzialità di questo tipo di propulsore: efficienze vicine a quelle di un turboprop ma in grado di sostenere velocità simili a quelle di un airliner, Mach 0.7/0.8.
Le previsioni sulle performance del propfan sembravano buone, per cui Boeing lo volle adottare nel progetto del suo aereo innovativo; ma quale scegliere? All’epoca infatti vi erano due aziende che stavano sviluppando prototipi: la Pratt and Wittney con l’ Allison 578DX e la CFM un consorzio formato dalla americana General Electric e la francese Snecma con il GE36. Venne scelto il secondo, che era più rumoroso ma non soffriva, come il primo, di problemi legati alla scatola di trasmissione.
Questo problema sorgeva per via delle grandi vibrazioni che si trasmettevano dalle eliche. L’ostacolo più grande nello sviluppo di questo tipo di motore erano appunto rumore e vibrazioni: la velocità con cui le eliche ruotavano faceva sì, che ai vertici delle pale si raggiungessero Mach maggiori di uno; le onde d’urto, del flusso supersonico sulle pale, provocavano vibrazioni con gravi problemi sulla struttura e sull’inquinamento acustico. Per cercare di diminuire la resistenza d’onda e le conseguenti vibrazioni, le pale vennero progettate come le ali di un velivolo supersonico, ovvero con un angolo di freccia: poiché la velocità alla radice è diversa da quella al tip della pala, questo angolo aumentava allontanandosi dal centro, facendo risultare la pala progressivamente più spazzata all’indietro andando verso l’esterno e portando a una forma curva simile a una scimitarra. Sempre per ridurre le vibrazioni le due eliche controrotanti vennero calettate direttamente sulle turbine del motore invece che tramite una gearbox (GE sapeva dei problemi che questa aveva dato alla rivale PW).
Il motore GE36 della General Electric, e la pala a scimitarra, tipica del propfan
Lo sviluppo del GE36 richiese molto tempo, ma i risultati sembravano promettenti: il primo test avvenne nell’Agosto dell’86, quando venne montato su di un 727-100 e testato in volo. Solo 3 mesi dopo, nel dicembre 1986, il presidente della Snecma, la partecipante di CFM, dichiarò che il CFM56-5S2, il turbo fan in fase di sviluppo allora, sarebbe stato l’ultimo creato per la famiglia CFM56 e che “Non ha senso spendere più soldi per i turbofan. L’UDF è il futuro”.
Il progetto per un velivolo dotato di motori propfan/UDF sembrò attrarre l’interesse di diverse compagnie, come Scandinavian Airlines che vedeva nel progetto un’ occasione per rinnovare la sua flotta di DC-9 e British Airways che desiderava ammodernare i suoi 737-200; oltre a queste compagnie nel progetto mostrò fiducia anche la Japan Aircraft Development Corporation (JADC), conglomerato delle principali industrie aeronautiche giapponesi, entrando come partner al 25% nel progetto 7-7 e per cui il nome venne cambiato in 7J7.
Nonostante le promesse di Boeing e la fiducia da parte di investitori e compagnie aeree le problematiche legate alle vibrazioni e al rumore eccessivo continuarono e Boeing si vide costretta a spostare, l’entrata in commercio del 7J7 dal 1992 a data da destinarsi, congelando la possibilità di preordinare il velivolo già nel 1987. Inoltre il calo dei costi del carburante tra gli anni 80 e 90, resero meno appetibili i risparmi di una tecnologia che non si era ancora dimostrata valida; questo sarà forse l’ultimo chiodo nella bara del progetto 7J7 e del motore GE36, che verrà cancellato già nel 1989.
Questa però non è la fine del propfan: nel luglio del 2021 CFM Intenational, partecipata da Safran, l’erede di Snecma e GE Aerospace, annuncia il programma RISE (Revolutionary Innovation for Sustainable Engines): un motore a ventola aperta innovativo, che potrà funzionare con idrogeno e carburanti SAF (sustainable aviation fuel) e ridurre i consumi del 20% rispetto ai precedenti prototipi.
Il CFM RISE mira a questo obbiettivo adottando una serie di soluzioni tecniche, rese possibili dagli sviluppi avvenuti negli ultimi 30 anni: le pale saranno realizzate in composito di fibra di carbonio con un processo di tessitura 3D, permettendo di aumentare il diametro della ventola per migliorare l’efficienza propulsiva. L’uso di materiali compositi in matrice ceramica e sistemi elettrici ibridi miglioreranno l’efficienza termica del core. A differenza dei suoi antenati, GE36 e Allison578, avrà una configurazione traente, invece che spingente e non farà uso di eliche controrotanti, ma avrà un solo stadio di rotore aperto, seguito da uno statorico; su entrambi gli stadi le pale avranno passo variabile e sul secondo questa funzione potrà agire da aerofreno.
Le notizie riguardo questo tipo di motore sembrano essere promettenti. Nel giugno 2023, la General Electric ha testato i primi componenti rotanti del nuovo motore e nel luglio del 2022 al Farnborough Airshow CFM International e Airbus hanno annunciato i piani per iniziare i test di volo per il motore RISE su un banco di prova basato su di un Airbus A380 nel 2026.
Nonostante abbia avuto uno sviluppo travagliato, fra ritardi e cancellazioni, il propfan sembra non voler morire, CFM dice di star dedicando oltre 2000 ingegneri a questo progetto, e che i test preliminari sul rumore del motore, il problema forse più ostico affrontato dai suoi predecessori, stiano dando risultati promettenti. Che sia questo il prossimo grande salto in avanti nell’ambito dei motori per aeromobili? Un campo in cui l’ultima grande rivoluzione, quella dei motori a jet, risale a più di 70 anni fa?
Modello di motore propfan sviluppato dalla francese Safran
A CURA DI:
Tommaso Serena
FONTI:
https://it.wikipedia.org/wiki/Boeing_727
https://it.wikipedia.org/wiki/Boeing_7J7
https://it.wikipedia.org/wiki/Motore_propfan
https://en.wikipedia.org/wiki/General_Electric_GE36
https://en.wikipedia.org/wiki/CFM_International_RISE
https://www.cfmaeroengines.com/rise/
https://www.youtube.com/watch?v=ojVNOj-q3SQ&t=324s
Ground test by safran:
https://www.youtube.com/watch?v=4XfTu6dokjc
FONTI IMMAGINI:
By Boeing via Flug Revue, Fair use,https://en.wikipedia.org/w/index.php?curid=56257372
Di Hi-skew_propeller_(normal_vs_Hi-skew).PNG: Tosaka / *derivative work: Nubifer (talk) – Hi-skew_propeller_(normal_vs_Hi-skew).PNG, CC BY 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=12128272