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Mark Patrick, Mouser Electronics

Questa serie di blog, articolata in cinque parti, analizza le opportunità della mobilità aerea urbana (UAM – Urban Air Mobility), la nuova frontiera dei trasporti urbani che prevede l’uso di aeromobili a propulsione elettrica. Verranno anche esaminate le problematiche di natura tecnica che devono essere affrontate, tra cui l’autonomia degli aeromobili, la sicurezza funzionale, la sicurezza elettrica e la complessità architetturale.

Una circostanza speciale

Le norme di sicurezza sugli aeromobili adibiti al trasporto passeggeri sono necessariamente severe ed onnicomprensive. Il volo espone a rischi non solo i passeggeri a bordo ma anche altre persone, infrastrutture e proprietà di vario tipo. La mobilità aerea urbana, inclusi i servizi di aerotaxi che offrono la possibilità di spostarsi rapidamente all’interno di agglomerati urbani densamente popolati, potrebbe mettere a rischio un gran numero di persone e di strutture a terra.

Le norme e i regolamenti esistenti in materia di sicurezza aerea richiedono che i veicoli destinati ai servizi UAM (Urban Air Mobility) siano sottoposti a test e valutazioni rigorosi per garantire la conformità a requisiti di sicurezza particolarmente severi prima di ricevere l’approvazione per il loro utilizzo a scopi commerciali.

Tuttavia, sia la statunitense FAA (Federal Aviation Administration) sia l’europea EASA (European Union Aviation Safety Agency) hanno convenuto che i veicoli elettrici a decollo e atterraggio verticali (eVTOL – electric Vertical Take-off and Landing) – che presumibilmente saranno la “punta di diamante” dei servizi UAM per passeggeri come quelli di aerotaxi – saranno considerati una classe speciale. In particolare, EASA ha stabilito che l’applicazione dei regolamenti esistenti – come le attuali normative CS27 per piccoli velivoli ad ala rotante in grado di trasportare fino a 9 persone con un peso massimo al decollo di 3,175 kg – non permetterebbe di soddisfare in maniera adeguata le esigenze di alcuni tipi di aeromobili VTOL. Inoltre, si potrebbe incorrere nel rischio di penalizzare ingiustamente concetti innovativi. Per ovviare a tutto ciò, EASA sta sviluppando metodi speciali riguardanti la conformità allo scopo di favorire il “decollo” dei servizi UAM.

Le linee guida per gli aeromobili VTOL

Con l’introduzione, avvenuta nel 2019, del documento “Special Condition fo VTOL aircraft”, EASA afferma di essere stata la prima agenzia ad avere definito un insieme di specifiche tecniche per velivoli di questo tipo.

Le linee guida di questo documento coprono tutti gli aspetti dei velivoli VTOL, tra cui prestazioni, manovrabilità, caratteristiche di stallo, vibrazioni, progettazione strutturale, carichi di volo e prevenzione degli incendi, oltre a fornire tutte le indicazioni di sicurezza dei passeggeri (comprese quelle inerenti i sistemi di sicurezza e le uscite di emergenza). In queste linee guida sono contemplati anche i sistemi elettrici ed elettronici come l’avionica e la propulsione, oltre all’illuminazione.

Un aspetto sicuramente importante è la sicurezza delle batterie al litio, la più diffusa fonte di alimentazione dei velivoli eVTOL. Riconoscendo la relativa mancanza di esperienza sul comportamento in servizio di questi velivoli a batteria, la documentazione prodotta da EASA evidenzia che alcuni rischi di danneggiamento imputabili al fenomeno della fuga termica (thermal runaway) possono essere attenuati attraverso l’adozione di processi adeguati nelle fasi di progettazione, produzione, installazione, funzionamento e manutenzione. Altri rischi, come i cortocircuiti interni alle celle dovuti a difetti di fabbricazione latenti, non possono essere completamente evitati. Il documento mette in risalto la necessità di ridurre questi rischi durante il servizio.

Con la pubblicazione delle specifiche di sicurezza sui vertiporti (in pratica gli aeroporti) degli eVTOL, EASA ha ancora una volta anticipato i tempi . Obiettivo di queste specifiche è definire le regole da seguire per progettare infrastrutture di terra sicure per la mobilità aerea urbana, molte delle quali saranno situate in aree urbane densamente popolate.

Regolamenti per i sistemi hardware elettronici

Mentre i requisiti relativi alla struttura e alle caratteristiche di volo differiscono in base alla tipologia e alle dimensioni degli aeromobili, quelli che si applicano a sistemi come l’avionica sono di natura più generale. EUROCAE ED-80, in Europa, e RTCA DO-254, negli Stati Uniti, sono gli standard industriali che definiscono le linee guida per la progettazione sicura dell’hardware elettronico di bordo. I due standard sono molto simili per quanto riguarda requisiti e ambiti di applicazione e FAA (Federal Aviation Administration) li riconosce entrambi nella circolare consultiva AC20-152A, in cui vengono descritti i metodi accettabili per dimostrare la conformità alle normative di aeronavigabilità applicabili.

La circolare AC20-152A fornisce ulteriori linee guida relative allo sviluppo di assemblaggi delle schede circuitali, di componenti custom come i circuiti ASIC (Application Specific Integrated Circuit) e FPGA (Field programmable gate Array) (Figura 1), e di componenti speciali come i moduli multi-chip e ibridi. La circolare fornisce anche le linee guida sull’utilizzo dei componenti standard (COTS – Commercial Of-The-Shelf). Ciò può costituire una valida tutela per gli sviluppatori hardware, poiché i fornitori di componenti COTS potrebbero non seguire i processi di progettazione richiesti dall’industria aeronautica o fornire i dati (obbligatori) sul ciclo di vita.

Figura 1: Virtex-5 è una FPGA sviluppata da Xilinx (fonte: Remus Rigo/Shutterstock.com).

Vale la pena notare che questi documenti si riferiscono all’hardware e non si occupano della definizione del firmware. Il firmware deve essere classificato come hardware oppure software e gestito di conseguenza. Per quanto concerne le funzioni software, la documentazione di riferimento è RTCA DO-178/EUROCAE ED-12.

UAM e sicurezza funzionale

A volte si può essere tentati di considerare la mobilità aerea urbana alla stregua di un’estensione del concetto di mobilità elettrica terrestre, dove gli eVTOL non sarebbero altro che veicoli elettrici (EV) in grado di volare. Tuttavia, si tratterebbe di una convinzione errata anche dal punto di vista della sicurezza funzionale. Sebbene i requisiti relativi alla documentazione di sicurezza siano simili, in termini di tracciabilità e approvazione delle modifiche del ciclo di vita, quando si utilizzano componenti per veicoli aerei, le considerazioni da fare sono diverse. Gli eVTOL utilizzati nelle applicazioni di mobilità aerea urbana devono essere considerati come una categoria speciale di aeromobili.

Resta valido per entrambi i settori il concetto generale alla base della progettazione per la sicurezza funzionale, che prevede la valutazione di un profilo di rischio per i potenziali guasti e l’attuazione di tutte le misure necessarie per ridurre al minimo le possibilità di un risultato catastrofico. In definitiva, nessun veicolo, sia esso progettato per l’uso in aria o a terra, può essere sicuro al 100% in ogni eventualità. Affinché la mobilità aerea urbana possa diffondersi su larga scala, è necessario ridurre i rischi per la sicurezza a un livello accettabile per le parti interessate, compresi i clienti dei servizi, gli enti governativi che approvano e concedono le licenze per i servizi e tutti coloro che sono coinvolti a vario titolo nell’erogazione di tali servizi.

Considerazioni conclusive

Nel prossimo blog di questa serie proseguirà l’analisi della sicurezza degli eVTOL con l’esame dei requisiti per l’isolamento ad alta tensione, necessario per proteggere i passeggeri e le apparecchiature tecniche a bordo dell’aeromobile.

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