Istituzioni di ingegneria spaziale - Appunti

IMBARDATA

- Attivando il timone,

tramite degli appositi

pedali. Questi,

possono essere

utilizzati anche per

frenare quando

l’aereo è a terra

(premendoli contemporaneamente).

FLAP (o ipersostentatori)

 Al decollo: si ruotano di circa 15-20°;

 All’atterraggio: si ruotano di circa 40-50°.

- 65 -

Questo perché, a tutti gli

effetti, i flap sono delle

superfici utili a creare

portanza. Ma la creazione di

portanza, porta con se una

resistenza indotta. Quindi,

nella fase di decollo, cercherò

si di creare più portanza possibile, ma ruoterò di angoli “piccoli” i

flap, affinchè possa avere una resistenza indotta ‘accettabile’. Al

contrario, in fase di atterraggio, quando i flap vengono ruotati di

grandi angoli, avrò una portanza che però è accompagnata da

una gran resistenza indotta.

SPOILER (o

diruttori)

Sono delle superfici utilizzate

per “distruggere”

letteralmente la portanza,

interrompendo il flusso

dell’aria. Vengo utilizzate, solitamente, in fase di atterraggio.

In generale, le varie superfici sono così distribuite:

- 66 -

Solitamente, gli alettoni possono essere posizionati, lungo l’ala, in

divere posizioni (dalla fusoliera all’estremità). Questo perché

posso variare l’inclinazione di un alettone al posto che di un altro

a seconda della velocità di volo. Ovvero, a V basse, ruoterò gli

alettoni alle estremità per ottenere un grande momento,

nonostante la velocità bassa (si ricordi che e M = F d,

dove ‘d’ è la distanza dall’asse di rotazione. Quindi, più d e



grande, a parità di F, maggiore sarà il momento rotazione

maggiore). Al contrario, a V alte, ruoterò gli alettoni vicini alla

fusoliera in modo da ottenere l’effetto opposto.

- 67 -

Asta di comando equilibratore

Divido il problema in due parti: l’asta e l’equilibratore, come

segue.

Quindi: . - 68 -

La forza F è ammissibile finchè inferiore a 30 kg ( ). Per

P

diminuire F , dovrei creare un momento favorevole al pilota in

P

modo da avere:

Posso creare questo momento inserendo superfici. Ad esempio,

per il timone, posso

Quindi:

La forza del pilota deve essere comunque presente, altrimenti il

pilota non avrebbe controllo sull’aeromobile.

- 69 -

LEZ. 13 Per ovviare al problema della forza di cui il pilota necessita per

mettere in movimento le varie superfici di controllo, si possono adottare,

oltre ai metodi mostrati, altri metodi.

SERVOCOMANDI

Si definiscono tali proprio quegli accorgimenti che il progettista può

prendere con l’obiettivo di aiutare il pilota nel movimento delle superfici di

controllo. Si può adottare una membrana da collegare alla superficie di

comando, come in figura:

Il movimento della membrana

provocherà una variazione di

pressione che darà luogo ad una

forza diretta in direzione

opposta al movimento. Con ciò

avremo un momento favorevole

a quello che il pilota deve

imprimere per ruotare la

superficie.

SERVOALETTE Il funzionam.

delle

servoalette è

illustrato in

figura.

Si noti che il

momento

dato dalla

servoaletta,

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nonostante questa abbia dimensione ridotta, è molto grande, in quanto

essa è molto distante dall’asse di cerniera.

Dal punto di vista strutturale, invece, le servoalette hanno questa

organizzazione:

Questo tipo di struttura è chiamata parallelogramma articolato. E’

fondamentale, in questo tipo di struttura, la posizione del punto P, in

quanto essa rende variabile l’azione della forza del pilota. Ovvero, se P è

situato all’estremo superiore dell’asta, il pilota agirebbe solo sulla

superficie di controllo. Al contrario, se P è situato all’estremo inferiore,

l’azione del pilota muoverebbe solo l’aletta. Per posizioni intermedie,

quindi, abbiamo movimento su entrambe le superfici, in particolare P si

sposta automaticamente (senza azione del pilota) a seconda delle forze in

gioco.

ALETTE DI “TRIM” - 71 -

Le alette di trim, sono molto simili alle servoalette in quanto a funzione,

ma molto diverse in quanto a gestione. Infatti esse sono utilissime per

mantenere l’equilibrio dell’aeromobile. Ad esempio, si pensi ad uno

 

spostamento del baricentro durante il volo situazione di instabilità



rotazione di superfici di comando è necessaria una determinata forza

 

per aiutare il pilota uso le alette di trim le posiziono in modo, una

volta messo in equilibrio l’aeromobile, da rendere nulla la forza che il

pilota deve esercitare così da evitare che il pilota debba tenere il comando

in una determinata posizione per lunghi periodi di tempo.

Le alette di trim quindi, sono orientate direttamente dal pilota.

- 72 -

CATENE DI COMANDO

Posso avere diversi tipi di catene di comando a bordo di un aeromobile.

Essenzialmente distinguo tre tipi di strutture:

1. Aste;

2. Cavi;

3. Fly by wire.

Aste

Dal punto di vista strutturale,

vantaggiose perché possono

lavorare sia in trazione che in

compressione. In

compressione, però ho valori

limite di lavoro al di là di cui

potrei avere una

deformazione della struttura.

Cavi

Posso lavorare in

compressione solo

raddoppiando il percorso

(tramite carrucole).

Vantaggiosi rispetto alle aste

poiché molto più leggeri,

anche se con percorso

doppio.

Fly by wire - 73 -

Sistema gestito tramite

impulsi elettrici. Il pilota

gestisce l’aereo tramite un

joystick che, tramite l’utilizzo

di molle particolari, simula il

ritorno di forza delle varie

superfici mobili. Questo tipo

di sistema non permette

qualsiasi tipo di manovra (il

calcolatore valuta se la manovra non danneggia la struttura).

- 74 -

PROPULSIONE

LEZ. 14 {

Possono essere di due tipi:

TURBOJET ENGINE

Prendiamo, come primo esempio (molto semplice) il motore a turbogetto

in figura.

In questo esempio, l’aria arriva a , viene immediatamente

compressa, da un compressore. Il compressore è formato da pale, che si

comportano come un ala. Quindi, avrò P >> . A questo punto, l’aria

compressa entra nella camera di combustione e, con un combustibile,

brucia dirigendosi verso le turbine. Qui l’aria dissipa una parte della sua

energia cinetica mettendo in moto le turbine. In fine l’aria esce con

velocità Sicuramente, avrò una spinta, poiché, ho una variazione

di quantità di moto. ( )

̇ ̇

La spinta sarà: dove è la massa nell’unità di tempo.

Nella camera di combustione, inoltre, avremo una variazione di E dovuta

K

( )

alla combustione stessa. Quindi, avrò . Volendo

- 75 -

ora, aumentare la velocità di avanzamento dovrò necessariamente

aumentare la PORTATA MASSICA, questo perché se aumentassi la

differenza tra le velocità, avrei un aumento al quadrato dell’energia

cinetica. Quindi, per aumentare la portata massica, devo necessariamente

aumentare il diametro del condotto (questo sarà, però, limitato dalle

dimensioni dell’aeromobile). Definisco ora il RENDIMENTO di un motore a

turbogetto: ̇( )

̇( )

̇( ) ̇( )

̇( )

Man mano che . E’ chiaro che nessun

motore ha rendimento massimo, altrimenti ciò vorrebbe dire che l’energia

 

cineti delle molecole che lavorano in esso sia nulla siano ferme

impossibile!

TURBOFAN Un

esempio di

motore a

turbofan è

quello qui

di fianco.

La

differenza

dello

schema

- 76 -

rispetto ad un turbojet “standard” è, appunto, il “fan” situato prima del

compressore. La massa d’aria m che entra nel fan è sempre diversa da

1

quella che entra nel motore vero e proprio. Si introduce il fan, comunque,

con l’obiettivo di avere più spinta disponibile. Infatti, in questo caso:

̇ ( ) ̇ ( )

Il rendimento, in questo caso, sarà:

̇ ̇

( ( ) ( ))

̇ ̇ ̇ ̇

( ( ) ( )) ( ) ( )

Posso avere, inoltre due tipi di compressore: assiale e centrifugo.

Compressore assiale

Per ottenere una buona pressione, dovrò inserire un gran numero di

compressori assiali. Questo perché non posso inclinare troppo le pale di

ogni compressore (altrimenti arriverei allo stallo). Generalmente, un

compressore di questo tipo può avere sezione abbastanza ridotta ma

lunghezza importante. Inoltre, il fatto di avere più compressori mi porterà

a dover inserire un maggior numero di turbine poiché ho la necessità di

più coppia. Dal punto di vista dei materiali, i compressori di questo tipo

sono soggetti a temperature che vanno da – 60 °C a + 60°C, mentre le

- 77 -

turbine, spesso, a temperature di circa 1000°C. Ciò comporta il

dimensionamento delle turbine con particolari materiali (spesso titanio).

Compressore centrifugo

Sfrutta la forza centrifuga per comprimere il gas. Solitamente

motori con compressori di questo tipo (solitamente uno, al massimo un

paio), sono più compatti e leggeri di quelli con compressore assiale.

INVERSIONE DI SPINTA

Oltre a produrre spinta, i

motori a turbogetto

possono essere utilizzati in

frenata. Con degli

accorgimenti (come in

figura) ciò è possibile.

Sono diverse le tecnologie

adottate e variano di

motore in motore. - 78 -

TURBOJET/ELICA

Altro genere di

motori sono quelli

ad elica. Di

consueto, questi

sono mossi da

motori a scoppio.

Quindi,

innanzitutto, è

necessario

introdurre il

funzionamento di

un motore a

scoppio.

Questo è

solitamente

costituito da cilindri in

cui scorrono pistoni

collegati, tramite

bielle, ad un albero a

gomito. Grazie al ciclo

termodinamico che si

innesca in ciascun

cilindro, i pistoni

muoveranno (tramite

le bielle) l’albero per

mezzo di coppie di

forze. Così facendo,

daranno velocità angolare alle pale dell’elica, che ruoterà attorno al suo

asse (l’asse di rotazione dell’albero).

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PROPULSIONE AD ELICA

LEZ. 15

L’elica è spesso costituita da un certo numero di pale (chiaramente >1 in

quanto, se ne avessi solo una, il centro di massa del sistema non