Quaderno1- Dinamica del volo

Dinamica del volo, prof. Giovanni Bernardini

Esame: Orale + 2 esercitazioni che sono test da svolgere.

Testi: dispense Genuardi.

Programma:

• Si analizza la dinamica dell'aeroplano.
• 1^fase: Modellazione del velivolo, viene schematizzato con 1 punto materiale corrispondente al baricentro G. Si studiano i moto traslazionali del velivolo, ossia la posizione del velivolo nella traiettoria e le velocità traslazionali.
• 2^fase: Si studiano i moto rotazionali del velivolo attorno all'asse per G. Inoltre, la stabilità dinamica del velivolo e la qualità di volo. In questa fase si considera il velivolo come un corpo rigido e dunque indeformabile (la dist. tra i punti non varia durante il volo) ed effettuato ciò si considera tridimensionale. Si ricavano 8 equaz. della dinamica del velivolo e gli stati di equilibrio.
• 3^fase: Controllo del velivolo, ossia tecnica del controllo. Come si può far fare un'azione al velivolo e come esso risponde agli agenti esterni.

Introduzione:

• Più leggero dell'aria (aeroglifera)
• Aeromobili
• Più pesante dell'aria: Aerei ➔ Ala rotante ➔ Ala fissa

Negli aerei ad ala fissa, si distinguono tre componenti:

• Ala: Genera le forze aerodinamiche che permettono il sostentamento del aereo. Si occupa di questo per il 99%. Lo scopo quindi è quello di vincere la forza peso.
• Organi di controllo: Alloggiati sulla coda e sui piani di coda. Sono delle superfici aerodinamiche che permettono la manovrabilità del velivolo.
• Fusoliera: Parte centrale che ospita il carico pagante e la strumentazione di bordo.
• Piani di coda: Orizzontale e verticale ➔
• Sistema propulsivo: A reazione / ad elica ➔
• Carrello: Tali parti del aeroplano vengono progettate di diversi scopi, dopodiché vengono considerate nell'insieme.

Superfici di controllo e ipersostentazione:

Le superfici di controllo permettono di variare assetto, portanza, e di manovrare il veicolo. Permettono dunque di controllabilità.

Come detto, si trovano sulle ali e sui piani di coda.

Suei ala:

• SLAT/Flap dei bordi d'attacco: Servono, combinati insieme con i flap (in bassa velocità) per aumentare la portanza dell'ala. Quindi aumentano la spinta verso l'alto dell'ala.
• Alettoni: Ci possono essere 2 alettoni. Servono a controllare il becche e rollio. Se muovo i due alettoni in caso di turbolenza del volo influisce sull'asse di fusoliera. L'alettone sinistro va bene per basse velocità. Ma ad alte velocità, non è sufficiente. Soprattutto l'ala vicina è un corpo rigido su reattore, e ad alte velocità l'abbassamento dell'alettone (che comporta un aumento di portanza in quella zona dell'ala), fa sì reattore abbassare l'ala stessa a causa di torsione collegato al elabicate e di conseguenza nella realtà la portanza diminuire. Sulla radice la struttura è più morbida e ha resistenza a torsione maggiore. Se su un'ala sono alzati, nell'altra sono abbassati.
• Spoiler: Si trovano sulla superficie superiore dell'ala. Quando sono chiusi, il fluido si distacca dal profilo e questo comporta una riduzione di portanza, ed un aumento della resistenza. Si usano dunque in fase di atterraggio oppure, una volta atterrati, per frenare l'aereo in aiuto ai freni meccanici.
• FLAP: Si usano in concorrenza degli slat. Aumentano la portanza dell'ala a basse velocità. Si utilizzano in fase di atterraggio e di decollo.

ALETTONI: ABBASSAMENTO PORTANZA (INCLINAZIONE E FRENO) SLAT: AUMENTO PORTANZA ALA FLAP: AUMENTO PORTANZA ALA (ATTERRAGGIO E DECOLLO) SPOILER: CONTRO ROLLIO

Profili di Missione

A seconda dello scopo per cui viene progettato l'aereo, si sceglie il profilo di missione adeguato. Ha a suo di punti caratteristici comuni a tutti:

1. Decollo (Take off)
2. Salita alla quota di crociera
3. Fase di crociera in eccesso
4. Discesa, prevede una fase di attesa (il veicolo può dover attendere prima di poter atterrare)
5. Atterraggio (Landing)

Forze e Momenti Aerodinamici

Sono dovuti alla curvatura delle linee di corrente che devono superare l'ostacolo ossia, l'oggetto immerso nel fluido.

I profili non simmetrici, sono detti profili con curvatura. Avremo detto che:

F = ρ_∞ v_∞² b C_d d₁

μ = N_s / m_c³

Per individuare i coefficienti occorre garantire che dimensionalmente membro di sx e membro di dx siano coerenti:

• [M L T^-2] ~ [M L² T^-3]^a₁ [L T^-1]^b₁ [M L^-2 T]^c₁ [L T^-1]^d₁ [L]^e₁ ~ caso bidimens.
• [M L¹ T^-1]^c₁
• [M^{a₁ +c₁ -2a₁ +b₁ -c₁ +d₁} [L^{-b₁ -c₁ -d₁}]

Sono 2 equaz. su 5 incognite

• a₁ + c₁ = 1
• -2a₁ + b₁ +c₁ +d₁ + e₁ = 1
• -b₁ -c₁ = -2

1^o Modello semplice: Fluidi incomprimibili e non viscosi

F ≠ μ, C_d = 0

Il sistema diventa:

• a₁ = 1
• c₁ = 1
• b₁ = 2
• { a₁ = 1
• c₁ = 1
• b₁ = 2 }

Le curve caratteristiche dei profili si ricavano per via sperimentale.

Un generico grafico ha questo andamento:

Influenza di Re sui coefficienti:

Re non influenza molto su Cl, Re ha più peso sul Cd, ossia sulla resistenza D. Per bassi Re ho Cd più alti, e viceversa, sono inversamente proporzionali. Quindi per avere Cd sempre più bassi, occorre avere Re sempre più alti.

COEFFICIENTI AERODINAMICI PER LE ALI (3D):

Prendiamo un profilo (2D) perfettamente simmetrico (incidenza ≡ angolo di attacco). Sappiamo che:

• L ⊥ direzione vento
• D // direzione vento, verso opposto all’avanzamento
• L_d Forza dissipativa, dovuta alla viscosità, alla separazione del fluido, al recupero di pressione

Proviamo ora un’ala 3D, con le seguenti ipotesi.

HP: Flusso INCOMPRIMIBILE e perfettamente POTENZIALE (≣ ideale, non viscoso, irrotazionale). Analizziamo le differenze col 2D. Sia l’ala rettangolare, e sia portante (Γ≠0).

Alle estremità alari (TIP) si viene a creare due scie e dei VORTICI DI ESTREMITÀ che non sono dovuti alla viscosità; una sola al fatto che il corpo è portante… Guardando l’ala da dietro, si accorgiamo che esistono delle componenti di velocità come indicato nel disegno:

Per quanto riguarda la dipendenza di C_d0 da M, si ottiene invece un grafico di questo tipo:

Esiste dunque un MACH CRITICO (caratteristica del profilo, generalmente < 1) per il quale durante il volo sulla superficie dell'ala in 1 punto il Mach raggiunge il valore di 1 a causa della accelerazione del fluido sul dorso dell'ala. Quindi anche se il velivolo si muove con velocità subsonica, se si raggiunge una velocità tale che il M = M_critico, in un punto del dorso dell'ala, si può riscontrare M=1.

Si definisce M_div il MACH DI DIVERGENZA: superato quel valore c'è un aumento della resistenza, che viene detto RESISTENZA D'ONDA (WAVE DRAG). Quindi M_d0 < M_cr. M_d0 è il valore massimo a cui può essere sottoposto il velivolo, al fine di evitare l'insorgere di resistenza d'onda.

Anch'K (che avevamo definito nell'espresione di C_D) è un altro elemento importante.

Esso è legato al coeff. di resistenza ridotta C_i (contiene infatti i termini Φ/λ²) ed è dunque conseguenza di Φ), e si nota che aumenta con l'aumentare del Mach, in quanto muore di quanto su faccia C_D, e quindi C_D assume il più delle volte costante.