3:51AM: Dentro il primo avviamento del motore GT50

Costruzione interna del motore GT50

Il singolo fattore più importante nello sviluppo del primo motore a turbina accessibile al mondo per l'aviazione generale 2.0 è la nostra strategia di produzione basata su una massiccia Integrazione Verticale. Mantenendo il controllo completo sui nostri processi produttivi presso il nostro centro di produzione nel Regno Unito, conserviamo un'autorità assoluta su costi, qualità, volumi e tempistiche.

Per realizzare i 438 componenti individuali del GT50, il nostro team ha costruito uno stabilimento globale davvero unico, dotato di:

• Una fonderia interna per la fusione in superlega di pale di turbina di precisione, palette statoriche raffreddate ad anello completo e componenti strutturali.
• Lavorazioni di precisione per produrre cuscinetti ad alta velocità, ingranaggi, ugelli del carburante a doppio orifizio e giranti in titanio di alta qualità progettate per ruotare a 50.000 giri al minuto.
• Fabbricazione avanzata per pressare, calandrare e saldare con precisione complesse camere di combustione in superlega e carter del motore a pareti sottili.
• Metrologia di precisione e assemblaggio in ambiente a temperatura controllata per mantenere le tolleranze più ristrette possibili e i massimi controlli di produzione.

Il conto alla rovescia: quattro mesi all'accensione

A quattro mesi dall'accensione, eravamo ancora disperatamente impegnati a far uscire gli ultimi componenti dall'ufficio progettazione, per farli passare attraverso il programma di rilascio e consegnarli nelle mani di Mark, affinché il team di produzione potesse mettersi al lavoro. Quando si passa dal mondo 3D alla progettazione di dettaglio, si scoprono tutti quei piccoli particolari che erano sfuggiti — giochi delle guarnizioni, tolleranze, sviste nella sequenza di produzione — e sistemare tutto questo richiede un'eternità.

Si percepiva l'apprensione dei progettisti nel momento in cui consegnavano i loro disegni finiti alla produzione, proprio come quando si consegna un compito in classe in attesa che venga valutato. La nostra esperienza da allora: prima si lascia andare il progetto, lo si costruisce e lo si testa, meglio è — è lì che inizia il vero apprendimento.

Il rilascio dei componenti era solo l'inizio della battaglia per Mark, che doveva coordinare l'enorme compito logistico di produrre per la primissima volta tutti i 438 componenti — ogni singolo pezzo, dima e attrezzatura, ogni processo nel dettaglio, in sequenza. Trattamenti galvanici, trattamenti termici, ispezioni, radiografie, controlli non distruttivi (CND) — una moltitudine di fasi coordinate affinché non si creassero mai colli di bottiglia nella produzione.

Sforzo incessante e il costo umano

Il team ha lavorato sette giorni su sette per quattro mesi, con i macchinari in funzione 24 ore al giorno e le persone che arrivavano la sera per cambiare i programmi e ricaricare le macchine. Un ritmo di lavoro così sostenuto ha un costo enorme — non solo per le persone qui, ma anche per le loro famiglie, per le mogli e i figli che si perdono momenti preziosi. A tutti loro dobbiamo un profondo debito di gratitudine. Senza quell'impegno e quello sforzo sovrumani, tutto questo non sarebbe mai stato portato a termine.

A due mesi dalla scadenza: ogni componente, sotto un unico tetto

A due mesi dalla scadenza, la produzione procedeva a ritmi serratissimi. Partendo dalle materie prime, sotto un unico tetto, avevamo ottenuto:

• Giranti in titanio di alta qualità, lavorate e ispezionate, progettate per ruotare a 50.000 RPM.
• Carcasse del motore complesse e a pareti sottili in alluminio, acciaio e leghe a base di nichel.
• Combustori elaborati, minuziosamente pressati, calandrati e saldati, realizzati in superleghe a base di nichel.
• Dischi della turbina in superlega lavorati con tolleranze inimmaginabili, inclusi accoppiamenti curvic di precisione e radici delle pale ad albero di Natale.
• Pale della turbina di precisione fuse in superlega; radici ad albero di Natale rettificate di precisione; clip di bloccaggio pressate.
• Palette direttrici ad anello completo, raffreddate, fuse in superlega.
• Diffusori a palette ad alta efficienza lavorati, assemblati e brasati sotto vuoto, realizzati in acciai di alta qualità.
• Intricati ugelli del carburante a doppio orifizio.
• I nostri primi cuscinetti ad alta precisione e alta velocità, progettati per funzionare a 50.000 RPM.
• I primi ingranaggi ad alta velocità per la scatola ingranaggi accessori e il riduttore di velocità.

Ingegneria pragmatica e test rigorosi

Per quanto riguarda i test, abbiamo evitato complessità inutili a favore di approcci pragmatici e collaudati sul campo. Per condurre i test di combustione, invece di costruire infrastrutture elaborate e costose, abbiamo utilizzato un'unità di avviamento ad aria d'epoca per fornire l'aria compressa calda necessaria. Nel giro di una settimana, avevamo entrambi i sistemi — quello del carburante e quello di combustione — funzionanti alla perfezione.

Un mese prima: la cella di prova

Testare motori a turbina a gas non è un gioco — è potenzialmente molto pericoloso, e dobbiamo eseguire ogni test in modo sicuro e responsabile. L'approccio più pragmatico è stato quello di allestire una cella di prova sicura all'interno di un container nel nostro piazzale, strumentando meticolosamente il motore con una complessa rete di sensori e tubi ipodermici. Questo ci ha permesso di misurare temperature, pressioni, portate e vibrazioni, garantendo la possibilità di valutare sia l'efficienza termodinamica che l'integrità meccanica del GT50.

Due settimane prima: il problema della combustione e una soluzione pragmatica

Circa due settimane prima dell'accensione, abbiamo incontrato il nostro primo problema importante. Il complesso sistema di controllo e strumentazione sviluppato su Rufus 1 e previsto per il banco di prova Rufus 3 — per essere poi trasferito sul motore — era in ritardo rispetto al programma, a causa di quei fastidiosi problemi di ingegneria dei sistemi impossibili da prevedere. Senza un sistema di controllo, non potevamo eseguire i test di combustione, non potevamo completare la messa a punto del combustore e non potevamo avviare il motore. Dovevamo cambiare rotta.

Abbiamo inserito nel team Ian, un prolifico collezionista di motori a turbina a gas con una vasta esperienza pratica nel possesso e nell'utilizzo di turbine stazionarie. Abbiamo implementato un semplice sistema di controllo manuale per il carburante e l'aria, utilizzando un mix di strumenti digitali e analogici vecchio stile. I risultati sono stati immediati. Potevamo eseguire un test di prima mattina, modificare il progetto all'ora di pranzo, ricostruire il set successivo di componenti durante la notte e testare di nuovo il giorno successivo. Nel giro di una settimana, sia il sistema del carburante che quello di combustione funzionavano abbastanza bene da poter essere montati nel primissimo GT50.

Avevamo poi bisogno di una fornitura di aria compressa calda per spingere il combustore fino ai suoi punti di funzionamento. Ogni opzione che avevamo preso in considerazione era complessa, enorme e costosa. Non ci era mai venuto in mente di poter accedere in modo economico a un motore a turbina a gas esistente, progettato come avviatore pneumatico per un motore più grande. A quanto pare, Ian aveva nel suo garage tre unità, un tempo usate per avviare i motori RB211. Abbiamo caricato Ian su un furgone, ne abbiamo recuperata una, abbiamo realizzato qualche adattatore, e il giorno dopo eravamo già in fase di test. Più spingevamo il sistema di combustione, meglio funzionava: fiamma stabile, perfettamente contenuta, zona di ricircolazione e swirler che facevano esattamente ciò che volevamo.

Una settimana prima: la strumentazione e una realtà produttiva di quattro ore

A una settimana dal via, l'attenzione si è spostata sull'installazione della strumentazione per il motore di sviluppo; e stavamo impazzendo nel tentativo di infilare un'intricata rete di tubi, cavi e sensori nelle profondità del motore. Come spiega Eric Welch, che supporta il programma GT50 con sistemi di strumentazione e controllo: trattandosi del nostro primo motore, abbiamo intenzionalmente posizionato un gran numero di sensori per valutare sia la salute meccanica — temperature, velocità, vibrazioni — sia l'efficienza termodinamica.

Il problema: i dati devono provenire da sensori collocati in zone totalmente inaccessibili, tramite un groviglio di cavi e tubazioni ipodermiche fatti passare attraverso cunicoli minuscoli fino al sistema di acquisizione dati, il tutto sigillato per garantire l'integrità in pressione, e il tutto eseguito mentre il motore è in fase di assemblaggio. Un vero e proprio incubo. Chris faceva scendere il grande carter mentre noi tiravamo i cavi; Jason ha rotto due aghi ipodermici ed è stato prontamente bandito dall'officina.

Stavamo anche progettando, costruendo e utilizzando al volo dime, attrezzature e utensili specializzati — quasi ogni nuovo componente richiedeva il proprio attrezzo dedicato. Ma ecco la parte rivelatrice: se si escludono la strumentazione e lo sviluppo discontinuo dell'attrezzatura, a una singola persona occorrono circa quattro ore per produrre un GT50. Passare a una produzione ad alto volume non è affatto un'impresa ardua.

Le ultime 48 ore: portare il motore al banco prova

A 48 ore dall'accensione, avevamo completato tutto il possibile nella posizione di assemblaggio verticale e dovevamo ribaltare il motore e montarlo sul banco prova. Sono emersi due piccoli imprevisti. Primo, avevamo assemblato il motore nel laboratorio di assemblaggio meccanico al piano di sopra, e al momento non disponiamo di un montacarichi. L'unico modo per farlo scendere era posizionarlo su un pallet, portarlo fino alla baia di carico e abbassarlo molto cautamente con un muletto. Un momento di tensione, con un sospiro di sollievo quando ha raggiunto il piano terra.

Secondo, il motore è stato consegnato in posizione verticale e dovevamo portarlo in orizzontale, e in fase di progettazione non avevamo previsto appositi golfari di sollevamento. Altre piastre di sollevamento aggiunte alla buona, un altro momento di tensione, ma siamo riusciti a posizionarlo sul banco senza danni. È stato il primo momento in cui ho pensato: abbiamo un motore.

Le ultime 12 ore: un primo sorso di Jet A-1

A circa 12 ore dal termine, tutto era stato costruito, assemblato e collaudato, ed era giunto il momento di spostare il motore nella cella di prova. Lo abbiamo trasportato con cura con il muletto attraverso i corridoi della fabbrica, con uno di noi a ogni angolo. Per le prime prove a bassa velocità — lubrificazione, avviamento a freddo e primo funzionamento autonomo — abbiamo posizionato il banco per metà dentro e per metà fuori dal container, in modo che il team potesse accedere al motore e lavorarci attorno durante la messa in servizio. Sono poi particolarmente orgoglioso di poter dire di aver dato al primissimo GT50 il suo primissimo sorso di Jet A-1.

A quattro ore dal via: la lezione sulla lubrificazione

Con il banco collegato — alimentazione elettrica, lubrificazione, raffreddamento, strumentazione e controllo tutti operativi — abbiamo iniziato a collaudare i sistemi di supporto vitale. Siamo partiti dal sistema di lubrificazione, per due ragioni. È fondamentale garantire raffreddamento e lubrificazione sufficienti ai cuscinetti ad alta velocità; senza, il rotore si bloccherebbe distruggendo il motore. Ed è essenziale che la quantità di olio sia esattamente quella giusta: con troppo poco olio, i cuscinetti e gli ingranaggi si surriscaldano per l'attrito; paradossalmente, con troppo olio, i componenti ad alta velocità montano l'olio in schiuma, generando calore per attrito viscoso contro ogni componente e causando a loro volta un surriscaldamento.

Abbiamo attivato lo scambiatore di calore aria-olio, le pompe di recupero e le pompe di pressione. Per un momento, tutto sembrava perfetto. Poi Mark ha notato una perdita sul retro — olio dappertutto, carter gocciolante. A quel punto lavoravamo ininterrottamente da circa 19 ore. Nella parte anteriore, l'olio fuoriusciva dallo sfiato del separatore aria-olio della scatola accessori. Il GT50 è un motore a carter secco; non dovrebbe esserci olio residuo in quei carter. Avevamo calcolato male le portate di pressione e di recupero — pompandone all'interno più di quanto ne stessimo recuperando, e alimentando a forza di olio il nostro motore appena nato.

Abbiamo spento tutto, recuperato l'eccesso e applicato un po' di semplice ingegneria pratica — misurando fisicamente e con precisione quanto ogni pompa di pressione e di recupero stesse erogando e riportando indietro. Abbiamo capito subito che non stavamo recuperando la quantità che pensavamo. Ricalibrazione: pompe di recupero leggermente più veloci, pompe di pressione leggermente più lente. Il sistema si è riequilibrato e siamo ripartiti.

T-meno due ore

Due ore prima dell'accensione, il rotore si è mosso nel motore per la prima volta, azionato esclusivamente dal motorino di avviamento, attraverso l'intera gamma di velocità che il motorino è in grado di gestire. Questo è il test che rivela la presenza di attriti meccanici, instabilità rotodinamiche, problemi di vibrazione, o qualsiasi anomalia nei cuscinetti o negli ingranaggi.

Intorno ai 1.000 giri/min era silenzioso. Completamente silenzioso. Nessuna vibrazione, assolutamente nessuna — non si poteva nemmeno percepire che il motore stesse girando, e persino il motorino di avviamento era silenzioso.

Abbiamo aumentato la velocità progressivamente. Intorno ai 2.000 giri/min si percepiva la minima traccia di un tintinnio, una piccola vibrazione assiale proveniente dalla scatola accessori. Mark era convinto che non fosse nulla, e avevamo già osservato fenomeni simili in precedenza con lo starter-generatore, così ci siamo spinti un po' oltre per verificare se avremmo superato ciò che la innescava. Si è attenuata, e poi ancora, e nel giro di poco il motore girava stabilmente a 10.000 giri/min con il solo motorino di avviamento. Silenzioso. Regolare. Fluido. Nessuna vibrazione percettibile, con il primo set di cuscinetti che avessimo mai realizzato, dopo che quel rotore era stato assemblato e smontato più volte di quante chiunque abbia voglia di contare.

È stato quello il momento in cui il team di produzione ha capito che tutto avrebbe funzionato alla perfezione.

Accensione: il primo respiro alle 3:51

All'improvviso non resta nient'altro da fare. Trent'anni di vita sono trascorsi, portando a questo momento, e ora è tempo di scoprire se si è all'altezza di tutte quelle promesse.

Cinque. Quattro. Tre. Due. Uno.

Eric ha detto "Sono fuori," e Jason ha alzato le braccia al cielo. Autosufficiente. 27.000 RPM sullo schermo. Avevamo fatto un turno di 23 ore e tutti erano allo stremo, ma l'adrenalina e il momento hanno preso il sopravvento.

Non avevamo nemmeno in programma di raggiungere l'autosufficienza quella notte. E c'è qualcosa di molto poetico nel fatto che il motore abbia fatto il suo primo respiro mentre il sole sorgeva alle 3:51 del mattino, dopo uno sforzo così monumentale da parte di tutte le persone coinvolte.

Giornate come queste sono quelle che non si dimenticano mai. Ripagano di tutti gli sforzi fatti. Nessuno qui crede che sarebbe potuta andare meglio.