Sistemi di bordo aerospaziali, 2025/2026

[Sistemi di bordo aerospaziali | Andrea Massari]

SISTEMI

DI BORDO

AEROSPAZIALI

Corso del prof. Ferro 0

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INDICE

1. SISTEMI p. 5

1.1. Definizioni preliminari

1.2. Suddivisione del velivolo

1.3. Sicurezza ed affidabilità

1.4. Accorgimenti di progetto

2. COMANDI DI VOLO p. 8

2.1. Suddivisione e funzioni

2.2. Evoluzione e stato attuale

2.3. Comandi di volo classici

2.4. Comandi di volo particolari

2.5. Comandi di volo reversibili

2.6. Momento di cerniera e sforzo sui comandi

2.7. Metodi costruttivi per comandi reversibili

2.8. Correzione dei comandi (Trim)

2.9. Comandi di volo potenziati

2.10. Evoluzione dei comandi di volo

3. CARRELLO p. 23

3.1. Generalità

3.2. Retrazione

3.3. Guasti

3.4. Ammortizzatori oleopneumatici

3.5. Criteri di progetto

3.6. Pneumatici

3.7. Freni

3.8. Sterzatura

4. AUTOPILOTA E FMS p. 41

Terminologia generale di navigazione

4.1. Introduzione

4.2. Principi base dell’autopilota

4.3. Controllo altitudine

4.4. Controllo prua

4.5. Gestione della navigazione

4.6. Flight Management System F.M.S.

5. IMPIANTO IDRAULICO p. 55

5.1. Introduzione

5.2. Caratteristiche fondamentali

5.3. Potenza idraulica

5.4. Circuito elementare

5.5. Scelta del diametro dei tubi

5.6. Calcolo delle perdite nel circuito

5.7. Attuatori 2

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5.8. Pompe idrauliche

5.9. Valvole e servovalvole

5.10 . Accumulatore a gas

5.11 . Serbatoio

5.12 . Filtro

5.13 . Giunzioni e tenute

5.14 . Avviamento delle pompe

5.15 . Power Transfer Unit P.T.U.

MOTORI ELETTRICI p. 93

Categorizzazione

Motori in corrente DC

Motori in corrente AC

4. IMPIANTO ELETTRICO p. 102

4.1. Caratteristiche principali

4.2. Evoluzione della potenza a bordo

4.3. Circuiti DC e AC (elementari)

4.4. Avviamento del velivolo

4.5. Generazione elettrica

4.6. Constant Speed Driver C.S.D.

4.7. Transformer Rectifier Unit T.R.U.

4.8. Distribuzione e barre di carico

4.9. Architettura militare

6.10. Architettura “More Electric”

6.11. Accumulatori e batterie

5. IMPIANTO COMBUSTIBILE p. 113

5.1. Funzioni principali

5.2. Tipi di combustibile

5.3. Serbatoi

5.4. Rete di distribuzione

5.5. Pompe

5.6. Misura della quantità di combustibile

5.7. Rifornimento

5.8. Fuel Control Unit F.C.U.

6. IMPIANTO PNEUMATICO p. 129

6.1. Funzioni principali

6.2. Generazione di potenza pneumatica

6.3. Regolazione

6.4. Turbine pneumatiche

6.5. Avviamento pneumatico dei propulsori

7. SISTEMA DI CONDIZIONAMENTO E PRESSURIZZAZIONE p. 135

7.1. Generalità

7.2. Fisiologia umana

7.3. Pressurizzazione

7.4. Cabine pressurizzate a ciclo aperto 3

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7.5. Cabine pressurizzate a ciclo chiuso

7.6. Air Conditioning Pack A.C.P.

8. SISTEMA ANTIGHIACCIO p. 141

10.1. Generalità

10.2. Tipi di ghiaccio

10.3. Conseguenze della formazione di ghiaccio

10.4. Prevenzione e protezione

10.5. Stato attuale 4

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1. SISTEMI

I sistemi aerospaziali sono un complesso insieme di sottosistemi interagenti l’uno con l’altro, i

quali devono dialogare in ogni istante e rispondere ad evenienze ordinarie e straordinarie. Per poter

comprendere al meglio gli argomenti è necessario introdurre prima alcuni concetti di base.

1.1 Definizioni preliminari

Si definisce sistema di bordo un’entità ottenuta dall’unione di più componenti connessi tra loro

attraverso collegamenti di vario genere. Tali collegamenti sono in grado di trasportare materia,

energia ed informazioni (come possono essere rispettivamente tubi, cavi e sistemi informatici).

L’interconnessione tra tutti questi elementi permette al sistema di soddisfare specifiche funzioni,

di livello superiore rispetto a quelle svolte dai singoli componenti, rispettando requisiti quali

possono essere leggi, peso e sicurezza. In ambito aerospaziale si parla di una catena di importanza

definita dal velivolo principale, dai suoi sistemi e dai loro sottosistemi.

Il numero di sistemi e sottosistemi è influenzato dalla tipologia di velivolo che consideriamo: un

aliante avrà molti meno sistemi e apparati di un aereo di linea, che a sua volta differisce molto da

un aereo militare.

Sono tutti costituiti da:

• Struttura primaria

• Propulsori

• Impianto elettrico

• Impianto idraulico

• Impianto combustibile

I sistemi sono costituiti da componenti e da elementi di trasporto, che muovono sempre la

medesima quantità (ad esempio il sistema idraulico trasporta olio, quello elettrico energia elettrica

e così via); una delle cose più complicate è comprendere a pieno le interazioni tra i vari sistemi,

che sono piuttosto complicate, come si può vedere ad esempio in figura:

5

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1.2 Suddivisione del velivolo

Un velivolo si può suddividere in due insiemi macroscopici: la struttura e le installazioni.

La parte strutturale è detta cellula e interessa i corsi di Meccanica Strutturale, mentre le

installazioni comprendono i sistemi, obiettivo del corso. Più nello specifico, si definiscono

installazioni l’insieme dei sistemi di bordo aerospaziali (comandi di volo, carrello e sistemi di

bordo), dell’avionica e dei propulsori.

Gli impianti, per quanto possa risultare poco evidente, ricoprono l’incidenza maggiore dei costi e

del peso del velivolo: si parla infatti del 60% del peso dell’aereo, del 75% dei costi e dell’80% della

manutenzione. Per quest’ultima, in particolare, i costi annuali ricoprono circa il 10% del costo

dell’aereo, il che implica che un velivolo viene “ripagato” diverse volte nella sua vita utile.

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1.3 Sicurezza ed affidabilità

Di primaria importanza nel settore aerospaziale è la sicurezza (safety), ovvero la libertà di non

essere sottoposti a rischi inaccettabili. Altro concetto importante è l’affidabilità (reliability), ovvero

la probabilità per un sistema di non avere guasti. Il rischio è il prodotto tra gravità e probabilità,

rappresentabile in una matrice di rischio:

Per normativa UE, è obbligatoria la progettazione di sistemi che siano in grado di non determinare

una condizione catastrofica per un’avaria estremamente improbabile.

La classificazione dei sistemi è basata anche sulla sicurezza:

si definiscono sistemi primari quelli che hanno il potere di compromettere la sicurezza di velivolo e

passeggeri una volta guasti, i sistemi secondari sono quelli che possono degradare il

comportamento del velivolo senza comprometterne la sicurezza di volo, mentre i sistemi ausiliari

sono quelli che guastandosi possono creare disagi trascurabili.

1.4 Accorgimenti di progetto

I velivoli, e di conseguenza i loro sistemi, devono rispettare determinati requisiti costruttivi:

• Il primo è il peso: è caratteristica essenziale per qualsiasi sistema di bordo; nella maggior

parte dei casi un aumento dell’efficienza di un componente ne incrementa il peso, e

occorre dunque bilanciare le esigenze cercando un punto di incontro tra affidabilità e

ingombro

• Il secondo requisito è la progettazione al fattore ambientale: durante il volo il velivolo ed i

suoi sistemi attraversano diverse situazioni ambientali, quali possono essere basse

temperature, alte umidità, etc; nel caso della temperatura si possono raggiungere sbalzi

termici di centinaia di gradi, si pensi ad esempio alle zone in concomitanza dei propulsori.

Per l’umidità vi possono essere invece problematiche nei sistemi elettrici o nei sistemi di

condizionamento della cabina

I sistemi devono quindi essere progettati da aziende specializzate, dette aziende sistemistiche, le

quali lavorano al solo fine di produrre sistemi a progetto. Sarebbe infatti troppo oneroso per

un’azienda aeronautica creare un reparto per pochi componenti di altissima tecnologia, essendo il

mercato degli aerei limitato alle centinaia di unità.

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2. COMANDI DI VOLO

I comandi di volo, codificati ATA 27, sono un sistema di volo primario del velivolo in quanto un loro

guasto può pregiudicare la sicurezza della missione. Sono il principale strumento di manovra del

pilota e possono comandare tutti i vari movimenti del velivolo.

2.1 Suddivisione e funzioni

I comandi di volo vengono suddivisi in:

• Comandi primari: i comandi primari possono a loro volta essere reversibili (ovvero

completamente meccanici con possibilità di compiere l’azione opposta semplicemente

opponendosi a tale) o potenziati (ovvero servocomandi sostenuti dall’idraulica o dal

Fly-By-Wire). I comandi primari hanno la funzione di modificare localmente le forze

aerodinamiche mediante variazione, localizzata e continuamente variabile, della forma

esterna del velivolo; tali spostamenti generano momenti aerodinamici risultanti che

modificano istantaneamente ed in modo continuo l’assetto del velivolo

• Comandi secondari: sono comandi di minore importanza che possono modificare

macroscopicamente le forze aerodinamiche complessive modificando il profilo

aerodinamico in modo localizzato e stabile; si utilizzano in condizioni particolari del volo,

come la discesa, l’atterraggio o il decollo

2.2 Evoluzione e stato attuale

Nel corso dei decenni i comandi di volo si sono evoluti in modo sostanziale:

1) Primi comandi di volo reversibili: superfici mobili distinte per permettere il controllo di

rollio, beccheggio e imbardata, con trasmissione della potenza meccanica direttamente per

via manuale, introdotti agli albori aeronautica

2) Aumento del numero di superfici di controllo: ipersostentatori, aerofreni, spoiler, timone

in più segmenti, etc., nel corso degli anni ‘30

3) Introduzione dei comandi di volo potenziati per via idraulica: grossi velivoli ed alte velocità

di volo, anni ‘50

4) Sistemi di controllo attivi: dispositivi che operano in modo automatico la stabilizzazione

delle caratteristiche aeromeccaniche del velivolo, essenzialmente con l’ausilio di

calcolatori elettronici, anni ‘70

5) Comandi di volo di tipo Fly-By-Wire e Fly-By-Light, anni ‘80

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Lo stato attuale dell’arte dei comandi di volo primari vede:

• Comandi puramente meccanici (reversibili), per alianti e piccoli velivoli

• Servocomandi potenziati per via idraulica e di tipo Fly-By-Wire, per velivoli medi/grandi e

ad elevate prestazioni

• Servocomandi potenziati per via idraulica anche per velivoli medio-piccoli e, in alcuni rari

casi, di tipo Fly-By-Light (in fibra ottica, soprattutto per velivoli militari)

2.3 Comandi di volo classici

Nel caso di un aereo di linea classico è importante definire quali sono i comandi primari e

secondari, oltre alle loro funzioni. Prendiamo come riferimento l’immagine sottostante, che

mostra di tutti gli impennaggi classici:

2.3.1 Comandi di volo primari

I comandi primari dell’aereo sono quelli in grado di muoversi in maniera continua ed in grado

di poter occupare qualsiasi posizione a loro fisicamente permessa; si suddividono in:

Alettoni (ailerons): sono i comandi addetti al rollio, ovvero il momento che si genera

o attorno all’asse x longitudinale all’aereo; si trovano sulle ali e lavorano sempre in

modo anti-simmetrico, così da creare una coppia concorde

Equilibratori (elevators): sono i comandi che creano il momento di beccheggio,

o a;

cioè la coppia attorno all’asse y in grado di modificare l’angolo di beccheggio si

trovano nel piano di coda e l’azionamento di tali impennaggi permette la discesa e la

salita del velivolo, lavorando in modo simmetrico; alettoni ed equilibratori sono

azionati da una cloche

Timone (rudder): è ciò che crea il momento di imbardata, permettendo la rotazione

o attorno all’asse z e dunque la virata; detto anche stabilizzatore verticale, si trova in

coda ed è azionato da due pedali 9

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2.3.2 Comandi di volo secondari

I comandi di volo secondari sono limitati a lavorare in alcune posizioni specifiche, senza la

possibilità di occuparne altre intermedie; si suddividono in:

Ipersostentatori di bordo di fuga (flaps): aumentano la portanza e possono essere

o utilizzati a seconda della tratta; presentano degli “spazi” tra il flap in sé e l’ala in

modo da far passare l’aria in sovrapressione dal ventre al dorso, così da ritardare la

separazione dello strato limite nella parte superiore dell’ala (uguale per gli slats)

Ipersostentatori di bordo d’attacco (slats): sono analoghi ai flaps ma si trovano sul

o bordo d’attacco

Flight spoiler: creano un aumento di resistenza e sono tipicamente usati durante

o l’avvicinamento, per rallentare il velivolo durante la fase di discesa

Ground spoilers (airbrakes o aerofreni): si estendono subito dopo l’atterraggio e,

o insieme ai freni del carrello principale, contribuiscono a rallentare l’aereo in

distanze minori 10

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2.4 Comandi di volo particolari

I comandi di volo primari possono presentare configurazioni diverse da quelle canoniche,

soprattutto in ambito militare, che spesso risultano un mix di impennaggi diversi:

• Canard: controllano il beccheggio; sono usati in sostituzione dell’equilibratore

orizzontale e, essendo posizionati davanti al baricentro, permettono una risposta ed un

controllo più “immediati”

• Flaperons: sono un’unione di flap e alettoni a comando indipendente, e possono quindi

muoversi in modo simmetrico e/o anti-simmetrico (questo è possibile solo grazie ai

comandi elettronici, fossero comandati in modo meccanico non si potrebbero

differenziare i movimenti)

• Elevons: sono un mix tra equilibratore ed alettoni, utili per velivoli con ali a delta che non

sono muniti di impennaggio orizzontale 11

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• Tailerons: sono un mix tra stabilizzatore ed alettoni; sono a comando indipendente

2.5 Comandi di volo reversibili

Come già introdotto, nel caso di piccoli velivoli si utilizzano comandi reversibili. Tali possono

essere di due tipologie: rigidi (aste) o flessibili (funi). Nel primo caso si ha un pilotaggio di tipo

push and pull, ovvero si ha la possibilità di compiere i movimenti opposti l’uno all’altro mediante

un’unica linea reversibile, nel secondo occorre una linea di ritorno poiché la flessibilità della fune

non permetterebbe uno stato di “non tensione”. A sinistra si può vedere un comando rigido, a

destra uno flessibile; l’organo su cui agisce il pilota è il medesimo ed è chiamato “cloche”. Una

linea reversibile flessibile completa compie i movimenti illustrati in figura:

Il sistema di pilotaggio è spesso sdoppiato (due cloche come si vede in figura, una per pilota) in

quanto le regolamentazioni impongono due piloti in cabina, ad esclusione di alianti ed ultraleggeri.

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2.6 Momento di cerniera e sforzo sui comandi

Nel caso particolare di velatura a profilo biconvesso simmetrico, investita con incidenza nulla, la

superficie mobile, anche se non bloccata, si dispone in modo simmetrico, allineandosi al flusso e

a

quindi non spostandosi. Viceversa, considerando un caso in cui la velatura assuma un’incidenza

non nulla, si avrà un’asimmetria del flusso aerodinamico e la superficie mobile tenderà a ruotare,

d

assumendo un angolo di barra .

Considerando in prima approssimazione un modello lineare, possiamo calcolare il momento di

cerniera a cui viene sottoposta la superficie in funzione dei due angoli e della componente

aerodinamica ( coefficiente lineare):

!"

= + +

!" # $ %

1 &

= ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅

" !" 2

,

dipende quindi da da e dal profilo

"

All’aumentare dell’incidenza aerodinamica l’asimmetria del flusso porta la superficie mobile a

tendere ad allinearsi con il flusso d’aria; se si vuole mantenere in posizione asimmetrica la

superficie mobile è necessario applicare un momento intorno all’asse di cerniera.

È necessario effettuare un bilanciamento innanzitutto statico, in quanto il peso è fuori dal

baricentro e determina un contributo al momento di cerniera; questo si fa introducendo dei

contrappesi in opportune posizioni (sono contrappesi piccoli ma ad alta densità).

Occorre però considerare anche il problema dinamico, consistente nell’analisi dell’aeroelasticità:

le oscillazioni date da turbolenze possono generare disturbi al profilo aerodinamico del velivolo e

di conseguenza alla linea di comando del pilota.

Il feeling della situazione di forze corrente è necessario al pilota in quanto restituisce una

confidenza della situazione in cui si trova; questo requisito è affiancato a normative di ergonomia

per il pilotaggio e per gli sforzi massimi percepibili.

Possiamo quindi calcolare la forza che il braccio del pilota deve esercitare per compensare il

momento di cerniera:

' '

= ⋅ dall’equilibrio alla rot. nella cerniera di collegamento tra barra e fusoliera

" !! !!

% %

''' '' ''' '' '

= ⋅ = ⋅

con forza di reazione di

à "

!!! !!! !

% % ⋅% 13

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