Macchine volanti, mezzi ibridi, jet di massa, razzi interstellari: quando consideriamo l'evoluzione del volo umano pensiamo soprattutto al "metallo", associando all'idea di volare un mezzo composto da migliaia di parti meccaniche. In realtà, materiali, componenti e motori costituiscono solo la parte visibile di ciò che serve per tenere un velivolo in aria. Secondo uno studio di una facoltà di ingegneria aerospaziale statunitense, il 50% del costo di un Boeing 787 di nuova generazione è da attribuire alla parte hardware mentre il rimanente 50% è da attribuire ai sistemi di navigazione, guida e controllo, con quote suddivise in modo paritario tra elettronica e software. Controlli on board, sistemi di comunicazione con le stazioni di terra e con gli altri velivoli, unità di navigazione e orientamento, apparati di acquisizione e trattamento dei dati, sensori e servoattuatori rappresentano la parte silente del settore aerospaziale, dove in realtà si concentra la maggior parte dello sviluppo tecnologico e dove l'elettronica rappresenta l'elemento abilitante. I sistemi elettronici aeronautici sono normalmente individuati dal termine "avionici" e sono ampiamente diffusi su velivoli, satelliti artificiali e navi spaziali. Tipicamente, i sistemi avionici supportano le funzioni di comunicazione, navigazione, visualizzazione e gestione per le migliaia di apparati installati a bordo di un velivolo, dal semplice faro di un elicottero della polizia al sistema tattico di una piattaforma di preallarme aereo, dalle unità di rilevamento, attuazione e controllo dei servo meccanismi, ai sistemi d'infointrattenimento per i passeggeri.
Il controllo automatico del volo
I velivoli integrano innumerevoli sistemi di controllo automatico del volo in cui convergono molte delle funzioni di comunicazione, navigazione e sicurezza.
Le comunicazioni rappresentano una delle aree applicative più critiche dell'avionica. Oltre al collegamento locale tra la cabina e l'area passeggieri, i sistemi di comunicazione consentono trasmettere e ricevere informazioni ai centri di controllo terrestri e agli altri velivoli, supportando tutte le funzioni "complementari" di navigazione, orientamento, anticollisione e così via. In campo aeronautico trovano impiego per la navigazione i sistemi Vor (Vhf Omni-directional radio Range), e i rice-trasmettitori in Vhf per le comunicazioni terra-aria/aria-aria. In Vhf si opera normalmente sulla banda da 118,000 MHz a 136,975 MHz con canali distanziati tra loro di 8,33 kHz o 25 kHz. Le caratteristiche di propagazione di questa banda di frequenza sono ideali per le comunicazioni a breve distanza. La ionosfera non riflette le onde radio Vhf, per cui la propagazione avviene in linea ottica, rendendo i sistemi operanti in Vhf particolarmente idonei alla navigazione. La modulazione è in ampiezza mentre la conversazione avviene in modalità simplex. Sui voli transoceanici le comunicazioni possono avvenire in HF o appoggiarsi a dei satelliti.
Un'altra area critica è quella dei sistemi di navigazione, i quali permettono di determinare la posizione e la direzione del velivolo rispetto alla superficie terrestre. I sistemi avionici possono utilizzare soluzioni satellitari (quali Gps e Waas), terrestri (come Vor o Loran) o qualsiasi loro combinazione. Il Vor è un sistema poco sensibile alle interferenze meteorologiche e assicura ottime prestazioni di navigazione. Il sistema consente al pilota di introdurre negli apparati di bordo una radiale, con origine nel velivolo e con un angolo voluto rispetto al nord magnetico.
Un indicatore di deviazione di rotta, detto Cdi (Course Deviation Indicator), permette di determinare la misura dell'angolo di cui il velivolo devia dalla rotta specificata. Abbinati ad un Vor troviamo degli apparati Dme (Distance Measuring Equipment) che consentono di stabilire ed indicare la distanza del velivolo dalla stazione di terra.
Il controllo del traffico aereo
Per supportare iI controllo del traffico aereo, i velivoli da trasporto utilizzano un sistema di allerta del traffico e di prevenzione delle collisioni detto Tcas (Traffic Collision Avoidance System), in grado di rilevare la posizione degli aeromobili vicini e di fornire istruzioni per evitare situazioni critiche a mezz'aria. Gli aerei più piccoli possono utilizzare sistemi più semplici di allerta come il Tpas (Traffic Proximity Alert System), che sono passivi (non interrogano attivamente i transponder di altri velivoli) e non forniscono avvisi per la risoluzione dei conflitti. I transponder più moderni, detti Modo S, possono rispondere con un codice di identificazione digitale più lungo ed univoco per ciascun velivolo (il che consente la singola identificazione anche in assenza di radiocomunicazione tra i velivoli ed il controllo) e può ricevere informazioni sul traffico aereo e mostrarle al pilota. Una delle aree del settore aeronautico dove l'impatto dell'elettronica è più significativo è il controllo dei meccanismi di bordo. In tale contesto, i tradizionali sistemi di controllo idro-meccanici - relativamente pesanti e gravati da onerosi cablaggi - tendono ad essere sostituiti da servosistemi elettronici (fly-by-wire) comandati da cluster di computer in parallelo che comunicano attraverso delle reti a bus. Tali sistemi sono più leggeri, affidabili e veloci nel compensare le mutevoli condizioni aerodinamiche, sia sotto il controllo del pilota sia sotto il controllo della strumentazione di bordo.
Sempre in tema di servocontrolli, l'avvento dei sistemi di propulsione Fadec (Full Digital Authority Engine Control) ha permesso di migliorare l'integrazione tra gli apparati di controllo di volo e i motori. Sui velivoli più moderni o di carattere militare il funzionamento dei motori può essere condizionato a funzioni di autostabilizzazione, navigazione o puntamento. Il Fadec consente di raggiungere le massime prestazioni senza timori di malfunzionamenti nei motori, di danneggiare l'aereo o di sottoporre il pilota a carichi di lavoro eccessivi. In campo civile, l'integrazione tra le varie funzioni mira ad aumentare la sicurezza e l'economia del volo. Velivoli quali l'Airbus sono protetti elettronicamente da situazioni pericolose - come stallo a bassa velocità o eccessiva sollecitazione in volo. Di conseguenza, in tali condizioni, i sistemi di controllo comandano i motori per aumentare automaticamente la spinta, senza richiedere l'intervento del pilota. In modalità di crociera, l'elettronica di bordo regola la spinta e decide l'uso più efficace dei serbatoi di carburante per stabilizzare il velivolo più accuratamente di quanto non potrebbe fare il pilota più abile. Per ridurre i consumi, sulla famiglia di Airbus A330/A340 il carburante viene trasferito tra il serbatoio principale (ala e fusoliera centrale) e serbatoio stabilizzatore orizzontale, ottimizzando il centro di gravità del velivolo durante il volo di crociera.
Software a prova di errore
Il software è il cuore di qualsiasi moderno sistema avionico ed è un'entità cementata nei controlli hardware di sistema. Questo richiede ai programmatori una profonda conoscenza dell'elettronica di bordo e uno stile di codifica strettamente conforme alle norme internazionali che permetta di arrivare a un risultato capace di controllare le varie unità senza possibilità di errori. Come standard di certificazione per il software aeronautico, la Federal Aviation Administration degli Stati Uniti ha adottato la norma RTCA/DO-178B, dal titolo "Software Considerations in Airborne Systems and Equipment Certification". Qualsiasi componente critico per la sicurezza in un sistema digitale fly-by-wire, comprese le applicazioni e i sistemi operativi, deve essere certificato DO-178B Livello A (il massimo) come tutela per prevenire eventuali guasti catastrofici.
Il regno dei big-data
L'avvento dei "droni" senza pilota e dei velivoli di sorveglianza utilizzati per scopi di difesa, di soccorso e tecnici ha portato in primo piano il problema dello scambio e del trattamento dell'enorme mole di dati rilevati sia a bordo del mezzo sia con i sensori esterni utilizzati nelle applicazioni finali, siano esse di stampo militare come il pattugliamento o civile (rilevamento, soccorso e così via). L'importanza del tema "big-data" è testimoniato dal recente lancio da parte del dipartimento della difesa statunitense di un progetto da 200 milioni di dollari che mira a indirizzare le sfide imposte dall'imponente quantità di dati che i mezzi aerei sono in grado di acquisire. Xdata questo il nome del progetto, nasce sulla base della considerazione che gli attuali sistemi di elaborazione delle informazioni hanno dei seri problemi nel dimensionare efficacemente il volume e le caratteristiche dei diversi ambienti di dati e dell'innumerevole gamma di applicazioni. Per superare queste sfide sono richiesti nuovi approcci all'elaborazione dati che abbraccino il calcolo distribuito e la visualizzazione interattiva. Xdata si propone di rispondere a queste sfide attraverso lo sviluppo di tecniche informatiche e strumenti software per il trattamento e l'analisi di grandi moli di dati, imperfetti e incompleti. Per un'analisi scalabile, questo approccio include la ricerca su database distribuiti, metodi di campionamento statistico e nuovi algoritmi per ridurre la complessità computazionale.
Volo individuale nel futuro dei trasporti?
L'elettronica ha avuto innegabilmente il pregio di avere contribuito a rendere il trasporto aereo più economico e sicuro, rendendolo accessibile a tutti.
In un futuro non troppo lontano gli esperti già ipotizzano un'ulteriore evoluzione, con una sorta di pendolarismo aereo, il quale potrebbe portare i cieli a riempirsi di mezzi individuali che renderanno le rotte affollate come le autostrade. In tale contesto assume un'importanza vitale la comunicazione tra velivoli, necessarie per evitare le collisioni e gestire le fasi si decollo e atterraggio. Esempi pratici di sistemi di volo individuale sono già in commercio. Il Martin Jetpack è uno "zaino" che mira a rivoluzionare il settore aereo, della ricreazione e dei trasporti. Capace di trasportare un singolo passeggero, questo sistema realizzato dalla neozelandese Martin Aircraft Company è anche teleguidabile da remoto. Un componente chiave della sicurezza di questi aeromobili è la facilità di volo. Il sistema di controllo di Jetpack è gestito e stabilizzato da un potente computer che permette di mantenere automaticamente assetto verticale e altezza sia durante il normale funzionamento sia in caso di emergenza, per esempio se i controlli dovessero essere abbandonati durante il volo. Un altro mezzo che potrebbe garantire una forte spinta in avanti del trasporto aereo personale è il Transition di Terrafugia, una sorta di macchina con le ali, perfettamente circolante, dotata di motore a benzina e comandi di tipo tradizionale. La società ha sta già pensando a una versione a 4 posti, denominata TF-X, con decollo e atterraggio verticale e propulsore ibrido-elettrico. Anche questi velivoli integrano sistemi elettronici di gestione e controllo allo stato dell'arte. Se davvero in futuro il trasporto aereo individuale dovesse prendere piede, le opportunità di impego per l'elettronica sarebbero sconfinate.
Semiconduttori: un'applicazione di nicchia
Come è facile immaginare, per i produttori di semiconduttori il settore aeronautico rappresenta una nicchia redditizia ma molto impegnativa dal punto di vista sia tecnico sia commerciale. Le barriere di ingresso in questo mercato sono sostanzialmente tre: i requisiti stringenti dei sistemi di bordo, l'esigenza di supportare i prodotti su un ciclo di vita lunghissimo, prossimo ai 25 anni, e i volumi di vendita ridotti. Tali aspetti fanno dell'aeronautica un mercato d'élite, dove dominano soluzioni custom, partnership a lungo termine e investimenti importanti in ricerca, sviluppo e qualificazione. Ciò riguarda tanto il silicio quanto - soprattutto - la proprietà intellettuale. Secondo Gartner Dataquest, la proprietà intellettuale per semiconduttori rappresenta in generale un mercato con crescita a doppia cifra, lanciato verso il traguardo dei 2,3 miliardi di dollari. L'IP trova impiego in tutti i settori industriali, dal consumer alle telecom, dall'automotive alla medicina, fino ad arrivare alle industrie più mature quali trasporti, industria e difesa, ma nell'aviazione l'uso dell'IP non è ancora così rilevante. Anche se l'industria aerea opera in un quadro di crescente dipendenza dai sistemi elettronici embedded, l'esigenza di fruire di soluzioni con un ciclo di vita che si dipana in un arco temporale di decenni comporta per i produttori di sistemi il naturale desiderio di controllare totalmente il proprio progetto, in particolare i componenti più strategici quali processori, periferiche e interfacce di comunicazione. Secondo gli addetti ai lavori, benché l'IP possa offrire una valida soluzione di tipo funzionale, i vincoli inerenti dell'industria aeronautica in termini di affidabilità, certificazioni e competitività introducono molti elementi di difficoltà. Le nuove e redditizie tecnologie su cui normalmente investono i fornitori di IP, spesso non sono abbastanza mature e collaudate per poter essere utilizzate nei componenti di un velivolo, dove ogni criticità dovrebbe essere monitorata, corretta e segnalata a livello superiore. Di solito, questo avviene adottando soluzioni di progetto specifiche, quali l'isolamento delle funzioni, la triplicazione dei moduli, o l'implementazione Fsm, lontane dall'approccio "consumer" tipico dell'IP general purpose. La certificazione è un nodo spesso insuperabile. Prima dell'uso commerciale, gli apparati aeronautici di bordo devono essere certificati da organismi quali ad esempio l'Easa, l'Faa e o le numerose agenzie aeronautiche attive a livello mondiale. Lo standard dominante applicato a tutti i materiali elettronici è il DO-254/ED-80 (Design Assurance Guidance For Airborne Electronic Hardware) il quale prende in considerazione anche la qualificazione del processo di sviluppo. Questo richiede l'accesso ai dati ingegneristici dell'IP, che ovviamente il fornitore tende a tenere riservati. Benché la conformità DO-254 possa essere ricreata seguendo altri approcci, il processo è comunque molto oneroso. Il costo di una metodologia DO-254 è sostenibile solo se condivisa su più progetti e in un arco temporale molto lungo. Per poter essere competitiva, l'IP deve inoltre essere sempre aggiornata da un team dedicato esperto di metodologie DO-254 seguendo gli stringenti requisiti aeronautici, aspetti che condizionano la competitività limitando il novero dei fornitori a pochi attori specializzati. Spesso associato al mercato militare, il settore dei semiconduttori per applicazioni aeronautiche è considerato un sottoinsieme del più vasto mercato delle applicazioni industriale ed è abbastanza avaro di dati, anche a causa delle sue ridotte dimensioni, dei requisiti di riservatezza e delle dinamiche che seguono i lunghissimi cicli delle commesse internazionali e dei programmi governativi.
Tagli nei budget e consolidamento dell'industria
La società di ricerche Databeans ritiene che il giro d'affari del 2012 per I semiconduttori Mil/Aero si sia attestato intorno ai 3 miliardi di dollari a livello mondiale, con un trend di leggero declino dovuto principalmente ai tagli nei budget dei grandi committenti e a un forte consolidamento dell'industria. Le ipotesi lasciano però prevedere una graduale ripresa nell'arco del periodo fino al 2016. Le tendenze di mercato più notevoli nel lungo termine includono una maggiore attenzione alla affidabilità, cicli economici più brevi, e la capacità di operare all'interno di vincoli di bilancio sempre più stringenti. Tutte queste tendenze stanno favorendo la domanda di componenti Cots (Commercial off-the-shelf), acquistati e adattati dai clienti finali per costruire i propri apparati in alternativa ai prodotti custom. L'impiego di Cots aiuta gli Oem a portare sul mercato le nuove tecnologie di sistema più velocemente, riducendo anche i costi di collaudo e di ricerca e sviluppo. Alla luce di questo i prodotti Cots saranno quelli con I risultati migliori, con un tasso di crescita annuo intorno al 6%. Le strategie di mercato per i fornitori di Mil/Aero sono cambiate drasticamente negli anni passati. Nell'industria aerospaziale commerciale, i produttori sono molto più concentrati sul tentativo di costruire la loro capacità di produzione al fine di soddisfare il boom della domanda di aerei di linea e civili. Per i fornitori di sistemi di difesa militare invece, la mancanza di nuovi programmi finanziati dai governi ha causato una forte discesa degli investimenti in ricerca e sviluppo. In realtà tali programmi sono ancora attivi ma in campo militare l'evoluzione sta gradualmente portando ciò che prima era "fisico" su un piano molto più sofisticato, fatto di mezzi senza conducente, sorveglianza preventiva e raccolta dati. E nel bene e nel male, anche questo è frutto dell'evoluzione resa possibile dall'elettronica.
