ATR – John Halpin: I velivoli turboprop con motori ibridi-elettrici (Clicca)

l Prof. John Halpin: “Sarà la propulsione Ibrida-elettrica a garantire un futuro al velivolo regionale ATR“.
di Antonio Ferrara

TESTO ITALIANO E INGLESE DELL’INTERVISTA( download )

Nei primi giorni di novembre è prevista a Colonia in Germania la conferenza “Electric & Hybrid Aerospace Technology Symposium”, l’evento internazionale leader a livello mondiale dedicato alla tecnologia degli aeromobili a emissioni ultra basse e alle possibilità di volo ibrido o completamente elettriche.

Il Prof. John Halpin, Associato presso l’Università di Washington a Saint Louis, consulente tecnico dell’USAF per lo sviluppo delle attività sui materiali compositi, collaboratore delle principali imprese aeronautiche degli Stati Uniti e in passato anche del CIRA, di Finmeccanica e altri grandi gruppi industriali italiani.
Abbiamo chiesto al professor Halpin alcune considerazioni sul futuro del programma ATR e sulle possibili applicazioni nei nuovi programmi aeronautici civili delle tecnologie la propulsione ibrida o completamente elettrica.

DOMANDA: Nella tua valutazione del 2017 di “ATR negli Stati Uniti” hai osservato che i Regional Turboprops hanno perso quote di mercato in competizioni testa a testa con i jet per le operazioni Hub-and-Spoke (collegamenti da aeroporto principale a quelli secondari). A tuo avviso i turboprop sono solo marginalmente competitivi per le tratte superiori a 250-350 miglia nautiche, pensi che l’attuale ATR continuerà ad giocare, e per quanto ancora, un ruolo nelle rotte non adatte ai jet?

RISPOSTA: C’è stata una competizione in continua evoluzione tra turboprop e jet regionali con l’evolversi della tecnologia dei motori a reazione. Il progetto del turboelica ATR è stato fortemente influenzato dagli aumenti del prezzo del petrolio generati dalle prime crisi petrolifere del Medio John C HalpinOriente degli anni ’70-’80 e ha conquistato una posizione dominante nel mercato aeronautico regionale nei primi anni del 2000. Il velivolo franco italiano ha guidato il mercato regionale delle compagnie aeree turboelica dal 2010 con una quota del 75-80%. I due fattori che hanno influenzato la conquista di questa quota di mercato sono stati combustibile/efficienza operativa e la ristrutturazione e il consolidamento delle compagnie aeree commerciali.
A pesare sul ridimensionamento del mercato dei turboelica è stata l’introduzione di jet regionali. Questi non potevano competere in termini di costi operativi con i modelli a turboelica ed erano adatti per rotte poco trafficate e per percorsi lunghi dove il risparmio di carburante era fondamentale. Con il miglioramento della tecnologia dei motori jet, questa differenza ha continuato a restringersi, fino a quando i maggiori ratei di utilizzo dovuti a maggiori velocità di salita e di crociera hanno cancellato qualsiasi vantaggio residuo sui turboprop.
La deregolamentazione delle compagnie aeree statunitensi del 1978 ha portato nel lungo termine a uno spostamento verso aeromobili più grandi nelle dimensioni e nell’autonomia, con un impatto drammatico sulle flotte dei velivoli regionali. Nel 1980, il velivolo regionale aveva una media di 20 posti, triplicati a 60 entro il 2010; i vettori sono ora standardizzati sugli 80 posti, e questo incremento dovrebbe continuare fino a 90-100 posti. I jet regionali sono stati utilizzati per costituire importanti hubs aggiungendo ulteriori spokes. L’aumento della distanza dei collegamenti da aeroporto principale a quelli secondari ha determinato un aumento dei passeggeri.
Le operazioni Hub-and Spoke beneficiano della flessibilità nell’utilizzare un velivolo su diverse distanze massimizzando al contempo il numero tratte giornaliere per aeromobile. Ad esempio, negli Stati Uniti, la componente regionale di American Airlines ha eliminato gradualmente il suo turboelica ATR sostituito da jet regionali. Il calcolo di profitti e perdite operativi determina la scelta di un’aerolinea regionale. Una ragione è la limitata prestazione di salita dell’ATR (il velivolo è ottimizzato per un consumo limitato di carburante) che allunga i tempi di percorrenza. Per un volo di 300 miglia nautiche il jet regionale può effettuare circa 11 voli al giorno contro 8 per l’ATR-72. Sebbene il consumo di carburante sia circa 2 volte quello del turboelica, i guadagni derivanti dall’aumento del numero di voli è un elemento importante nella selezione del velivolo dell’operatore regionale.
Più recentemente, l’emergere di 2 nuovi jet regionali da oltre 100 passeggeri (l’Airbus-Bombardier A220 ed il nuovo E-175 E2 di Boeing-Embraer) ha limitato lo spazio competitivo per i turboreattori di vecchia generazione. L’impatto è evidente nel piano industriale 2018-2022 di Leonardo e nella prevista riduzione del contributo ATR agli utili di Leonardo (presentazione dei risultati del Primo semestre Leonardo 2018, Roma, 30 luglio 2018).
Gli aerei regionali sono un elemento essenziale e redditizio nelle operazioni delle compagnie aeree globali, ma i produttori di turboelica devono aggiornare la loro base tecnologica se vogliono riconquistare i loro mercati. Mantenere un livello tecnologico datato una base di tecnologia legacy stagnante è una ricetta per il declino. Aggiornare il livello tecnologico e riottimizzare il velivolo forse assicureranno all’ATR un futuro positivo.

DOMANDA: Esiste un futuro per un nuovo turboelica regionale? Nelle prossime settimane è prevista a Colonia la conferenza dei ricercatori e costruttori aeronautici che lavorano su progetti di ricerca di applicazioni aeronautiche di propulsione ibrida. Saranno presentati i progressi dello sviluppo di queste tecnologie.
Il passato abbiamo visto anticipazioni di analisi e studi di utilizzo di questa propulsione sui velivoli regionali e su piattaforme turboprop come ATR.
Pegasus (Parallel Elettric-Gas Architecture with Synergistic Utilization Scheme) è il progetto NASA di un velivolo regionale ibrido ATR presentato lo scorso anno a Denver alla Conferenza di AIAA . Nella tua valutazione del 2017 hai suggerito una strategia basata su una innovazione incrementale per un ATR a propulsione ibrida-elettrica per colmare il divario tecnologico con i regional jets e rifocalizzarsi sulla concorrenza nei collegamenti Hub-and-Spoke per mantenere / riconquistare quote di mercato.atr nasa pegasus

RISPOSTA: I turboprop, come l’ATR 72, sono i più adatti per percorsi brevi fino a 350 miglia nautiche con traffico limitato. Per distanza superiori ed un maggior volume di traffico, un jet regionale diventa un’opzione più praticabile ed economica.
Nello scorso decennio Leonardo ha studiato la realizzazione di un Next Generation Turboprop (NGTP), un nuovo modello ATR allungato da 90 posti. L’NGTP era basato su una tecnologia legacy ed un’entrata sul mercato a breve termine. Doveva essere un nuovo velivolo con un lancio nel 2017 a un costo di sviluppo e un prezzo competitivi rispetto ai piccoli jet. Airbus non è stata concorde nel procedere con un tale sviluppo focalizzando il suo interesse verso un miglioramento della tecnologia a medio termine che includa i sistemi more-electric ed una propulsione ibrida-elettrica. Rivitalizzare il trasporto aereo regionale con tecnologie dirompenti è la visione condivisa sia da Airbus che da Boeing. Airbus e i suoi partner (Siemens e Rolls Royce) stanno realizzando un dimostratore (E-Fan X): Siemens fornirà il motore elettrico, Rolls-Royce la turbina a gas ed il generatore elettrico integrato ed Airbus il sistema di distribuzione di energia, batteria e sistemi di controllo e sarà l’integratore generale. Le difficoltà da superare riguarderanno la densità energetica delle batterie, la densità di potenza di generatori, inverter e motori, gli effetti termici e i rischi di alte tensioni ad alta quota. Le tre società stanno autofinanziando il progetto. ma hanno ottenuto a luglio 2018 un sostegno finanziario dal governo britannico.
Le startup statunitensi Zunum Aero e Ampaire stanno sviluppando commuter ibridi-elettrici che promettono significativi risparmi sui percorsi a corto a medio e si stanno alleando con Boeing.
Su questa materia il piano industriale 2018-2022 di Leonardo non si esprime. Leonardo avrà un ruolo nell’aeromobile regionale di nuova generazione che sostituirà il vecchio ATR o si sta ritirando dal mercato aeronautico regionale?

DOMANDA: Mi pare che tu ritenga che l’aviazione sarà “elettrizzata” sostituendo le tecnologie tradizionali?

Airbus E-Fan-X

RISPOSTA: La risposta tra i dirigenti dell’industria europea e statunitense, nella conferenza di Atlanta dell’American Institute of Aeronautics and Astronautics, nella conferenza Propulsion & Energy a Cincinnati nel luglio 2018 è un “sì” (come riportato da Graham Warwick di Aviation Week & Space Tecnology).
L’impatto della tecnologia viene valutato in tre modi.
1) Performance attraverso l’integrazione: prendere gli aerei attuali e migliorare efficienza e costi.
2) Missioni / applicazioni non convenzionali: cose che gli aerei non possono fare oggi.
3) Mercato potenziale: aprire nuovi mercati, principalmente attraverso l’efficienza dei costi. Ad esempio, creare un’ottimizzazione tra compagnia aerea a lungo raggio, un servizio ferroviario ad alta velocità e località con aeroporti non servite da aerei a lungo raggio e treni.
L’incremento delle prestazioni attraverso l’integrazione di tecnologie elettroniche ha una lunga storia positiva nello sviluppo degli aeromobili. Lo conosciamo con il termine more electric aircraft. Il concetto MEA prevede l’utilizzo dell’energia elettrica per molti sistemi di bordo non propulsivi che tradizionalmente usano una combinazione di diverse fonti di energia secondaria: idraulica, pneumatica, meccanica ed elettrica. È l’integrazione di questi sistemi attraverso l’elettronica digitale integrata che ha dato un contributo sostanziale all’efficienza operativa degli aerei moderni.
La propulsione degli aeromobili civili oggi è strutturata attorno ai motori a pistoni per l’aviazione generale a corto raggio, i turboprop e i piccoli turbofan per l’aviazione regionale e d’affari e grandi turbofan per il trasporto aereo commerciale a medio e lungo raggio. Grandi turbofan che alimentano aerei a lungo raggio sono già oggi molto efficienti. Una propulsione elettrica affidabile troverà invece un suo sviluppo nell’aviazione regionale. Oltre ad essere conforme con i requisiti ambientali di Clean Sky, la propulsione ibrida-elettrica integrata con i sistemi more electric offrirà migliori performance bilanciando le prestazioni di salita e di crociera. Nella propulsione ibrida, un motore a combustione aziona un generatore per produrre elettricità che carica la batteria che a sua volta alimenta il motore che assicura la propulsione. La sfida tecnologica sarà nell’integrazione dei vari sistemi “elettrificati”!
Infine, se e quando realizzata, tale tecnologia potrà essere applicata ai nuovi velivoli da 100+ passeggeri riaprendo il mercato regionale del trasporto aereo per i veicoli più grandi. Gli attuali ATR diventeranno così obsoleti.

DOMANDA: Quali sono le implicazioni per aziende aeronautiche, aeroporti, compagnie aeree, compagnie di leasing ed imprese di manutenzione?

Airbus A220-300
RISPOSTA: Taluni prevedono che un velivolo ibrido-elettrico da 50 posti possa volare tra Londra e Parigi entro il 2032: sarà un velivolo Airbus? Negli Stati Uniti la startup Zunum Aero sostenuta da Boeing ha già un cliente di lancio per il suo ibrido-elettrico, l’operatore di voli charter JetSuite. Il loro veicolo – disponibile nel 2022 – avrà 12 posti con una autonomia di 700 miglia. Ci sono circa 100 progetti attivi in tutto il mondo indicativi di un interesse internazionale. Secondo Roland Berger circa il 60% di questi sono diretti da startup e indipendenti ed il 30% da aziende tradizionali: di quest’ultime, la metà è rappresentata dai maggiori produttori aeronautici (OEM). La maggior parte degli sforzi attualmente si rivolge verso i motori ad elica, solo un terzo verso ventole intubate.
Ci sono una serie di potenziali conseguenze. Il settore della progettazione e produzione di velivoli attualmente è organizzato attorno a costruttori aeronautici e costruttori di motori. Un terzo gruppo, i fornitori di sistemi elettrici, dovrebbe emergere come concorrente. Ai produttori di aeromobili e ai loro fornitori sarà richiesto di investire nelle nuove generazioni di velivoli more electric o a propulsione ibrida-elettrica. Alcuni non sono pronti a farlo. La certificazione sarà un fattore cruciale passando dalla Parte 23 alla Parte 25. FAA e/o EASA potrebbero infine determinare la leadership industriale. La riparazione e la manutenzione dei sottosistemi elettrici diventeranno una sfida commerciale per le società di MRO. Gli aeroporti potranno avere meno limitazioni dalle normative anti-rumore in quanto il nuovo velivolo sarà più silenzioso.
Gli operatori dell’aeromobile si gioveranno della riduzione del consumo di carburante che risponde ai nuovi requisiti di emissioni di carbonio. Le flotte di aeromobili saranno ammodernate con i nuovi veicoli ed i valori residui degli aeromobili tradizionali in servizio dovrebbero diminuire.
L’elettrificazione sta inaugurando un’era di innovazione nel settore aerospaziale e aeronautico che ha superato l’impatto dei materiali compositi 30 anni fa. I modelli di business e l’occupazione nazionale aerospaziale saranno scompaginati. L’innovazione, seppur dirompente a lungo termine, è nei fatti incrementale. Coloro che o non possono o non vogliono partecipare rischiano di perdere la loro base industriale.

DOMANDA: Durante la presentazione del piano industriale 2018-22 di Leonardo il CEO Alessandro Profumo ha affermato che l’ATR è stata una “buona partnership con buoni prodotti e buoni risultati”. Gli investimenti futuri del gruppo – sottolineava – mireranno a sfruttare la gamma di prodotti esistenti che hanno rappresentato un notevole successo commerciale generando significativi profitti per l’azienda. Separatamente, ATR ha pubblicato il suo nuovo Turboprop Market Forecast (2018-2037) dove stima un mercato per 3.020 aerei turboelica tra 40 ed 80 passeggeri nei prossimi 20 anni che ha in qualche modo incoraggiato la strategia proposta da Profumo: abbandono dello sviluppo di un successore ATR a favore degli investimenti nei modelli esistenti ATR 42 e 72. Dato che le industrie si vanno concentrando sugli HEA (Hybrid Electric Aircraft), quali sono i rischi a lungo termine e le implicazioni di questa strategia industriale?

ATR 1500
RISPOSTA: La strategia di Leonardo di investire profitti dai prodotti ATR esistenti in altre attività del gruppo comporta rischi strategici a lungo termine per le attività aeronautiche nei velivoli regionali di Leonardo. L’innovazione tecnologica di punta richiede circa 10 anni per la sua completa realizzazione e, pertanto, l’interesse dell’industria per un velivolo regionale elettrico è attesa nel periodo 2027-30.
Leonardo, dopo il 2027, potrebbe entrare in concorrenza con la prossima generazione di velivoli ibridi elettrici regionali in sviluppo presso Airbus. È ragionevole aspettarsi che i nuovi velivoli domineranno il mercato regionale degli aeromobili, mentre diminuiranno gli ATR.
Airbus in questo contesto potrebbe giocare un ruolo autonomo da Leonardo, avendo speso risorse per lo sviluppo di nuove tecnologie. La strategia di Leonardo di investire profitti dei prodotti ATR esistenti in altre attività del gruppo potrebbe diventare nel lungo termine la rischiosa premessa per una fuoriuscita dal business dei velivoli regionali con una perdita significativa per la forza lavoro di Leonardo Aerostructures in Campania e in altre regioni italiane.

 

 

 

 

 

 

 

Il Dott. John Halpin ha avuto una lunga carriera nel campo aerospaziale, più di 30 anni con il Comando Materiale Aeronautico USA presso Wright Patterson AFB, ritirandosi dal Senior Executive Service USAF nel 1996 come Capo Ingegnere per il Centro Aeronautico. Nel corso della sua carriera ha ricevuto numerosi riconoscimenti per i suoi contributi eccezionali nel campo aerospaziale, tra questi nel 1986 quello della Settimana dell’Aviazione e la Tecnologia della Scienza  per le attività svolte nella progettazione dei velivoli F-14, F-15, F-16, B-1, B-2 e una varietà di sottosistemi. Il Dr. Halpin ha pubblicato oltre 90 articoli tecnici su materiali compositi, strutture di cellule, affidabilità strutturale e lavorazione dei materiali. Dal suo pensionamento, il Dott. Halpin ha svolto un’attiva attività di consulenza internazionale, tra cui CIRA e Finmeccanica (Leonardo) in Italia.