Meccanica del Volo Promemoria lezione

Promemoria lezione
Meccanica del Volo
AA 2008-2009
Profili
Caratteristiche aerodinamiche
Influenza del numero di Reynolds
Influenza del numero di Mach
Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale
Politecnico di Milano
Ala
Superficie wing area
Apertura wing span
Corda d’incastro root chord
Corda d’estremità tip chord
Rastremazione Taper ratio
Allungamento Aspect ratio
Freccia Sweep angle
Svergolamento twist angle
per Re = 3 ×10 ⇒ cLmax = 1.55 ⎫
⎪
per Re = 6 × 10 6 ⇒ cLmax = 1.68 ⎬ cLmax = 1.64
per Re = 9 × 10 6 ⇒ cLmax = 1.69 ⎪⎭
6
per Re = 3 × 106 ⇒ cLmax = 1.55 ⎫
⎪
per Re = 6 × 106 ⇒ cLmax = 1.63 ⎬ cLmax = 1.62
per Re = 9 × 106 ⇒ cLmax = 1.68 ⎪⎭
NACA 64 1 -412
NACA 63 2 -415
0,2
0,2
0,15
0,15
0,1
y/c
0,1
y/c
Meccanica del Volo
Corda media aerodinamica
Mean aerodynamic chord
0,05
0
0
-0,05
0,05
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
-0,05
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
-0,1
-0,1
x/c
x/c
Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale
Politecnico di Milano
0,6
0,7
0,8
0,9
1
Allungamento alare
AR aspect ratio
Velivoli civili
Meccanica del Volo
M Mach number
Velivolo
AR
M
Airbus A-310
8.8
0.80
Boeing 727
6.9
0.81
Boeing 737
8.8
0.76
Velivolo
AR
M
Boeing 747-100
7.0
0.82
US F-15 (McDonnell-Douglas)
3.0
2.5
Boeing 747-400
8.0
0.83
US F-18 (McDonnel-Douglas)
3.5
1.8
Douglas DC-3
9.1
0.24
Dassault Mirage 2000
2.0
2.2
Douglas DC-9
8.6
0.80
Dassault Rafale MO2
2.6
2.0
Douglas DC-10
6.2
0.80
Sukhoi Su-27
3.5
2.3
Airbus A300b
7.7
0.80
Mapo Mig-29
3.4
2.3
Iliushin IL-62
6.7
-
Tupolev Tu-154
7.0
-
Fokker 100
8.3
0.76
Fokker 50
12.0
0.46
Fokker 28
7.9
0.45
Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale
Velivoli militari supersonici
Politecnico di Milano
Allungamento alare
Boeing 737 8.8 0.76
Meccanica del Volo
Fokker 50 12.0 0.46
Airbus A300 7.7
0.80
Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale
Douglas DC-10 6.2 0.80
Politecnico di Milano
F-15 Eagle
Meccanica del Volo
3.0
Role
Air superiority fighter
Manufacturer
Mc Donnell Douglas/Boeing
First flight
27 July 1972
Introduction
9 January 1976
StatusActive
Primary users
United States Air Force
Israeli Air Force
Japan Air Self-Defense Force
Royal Saudi Air Force
Unit cost
F-15A/B: US$27.9 million (1998)
F-15C/D: US$29.9 million (1998)
Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale
Politecnico di Milano
2.5
Meccanica del Volo
Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale
Politecnico di Milano
Profili aerodinamici
airfoil (in American English)
aerofoil (in British English)
Meccanica del Volo
Teoria bidimensionale
Per unità di apertura
Lastra piana
Per maggiori
e
curvatura
spessore
upwash
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downwash
Geometria profili
Meccanica del Volo
Tipi di profili
Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale
Politecnico di Milano
Profili NACA
Meccanica del Volo
NACA 4-Digit Series:
4
4
max camber position
in % chord of max camber
in 1/10 of c
NACA 5-Digit Series:
2
3
approx max position
camber
of max camber
in % chord in 2/100 of c
NACA 6-Digit Series:
6
3,
Sixlocation
Series of min Cp
in 1/10 chord
12
max thickness
in % of chord
0
flag
Maximum CP
12
max thickness
in % of chord
2
2
12
half width
ideal Cl
max thickness
of low drag
in tenths in % of chord
bucket in 1/10 of Cl
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Meccanica del Volo
Campo di moto
attorno ad un profilo
V
α
V
α
V
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Distribuzione e risultante degli sforzi
agenti sul profilo
Contorno del profilo
Versore normale
Meccanica del Volo
Coefficiente di forza
Corda del profilo
Vettore sforzo
Pressione in
condizioni statiche
Densità
Freccia uscente dal profilo: pressione minore della
pressione atmosferica p∞
Velocità
Freccia entrante nel profilo: pressione maggiore della
pressione atmosferica p∞
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Meccanica del Volo
Risultante delle pressioni
al variare dell’incidenza
Freccia uscente dal profilo: pressione minore della pressione
atmosferica p∞
Freccia entrante nel profilo: pressione maggiore della pressione
atmosferica p∞
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Distribuzione
di pressione
Freccia uscente dal profilo: pressione
minore della pressione atmosferica p∞
Freccia entrante nel profilo: pressione
maggiore della pressione atmosferica p∞
Meccanica del Volo
Separazione, recupero di pressione
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Distribuzione di pressione
Meccanica del Volo
V
Gradiente di pressione in aspirazione
comporta un flusso laminare, bassa
resistenza
Minimo valore di Cp comporta la massima
survelocità locale ed eventualmente
formazione di onda d’urto, determina
l’entità del recupero di pressione
Un forte gradiente di recupero di pressione
conduce alla transizione e causa separazione
Pressioni al bordo d’uscita comportano
maggior recupero di pressione
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Politecnico di Milano
Distribuzione di velocità e pressione
Meccanica del Volo
Let us now proceed to examine the
velocity and pressure fields around an
airfoil with the aid of some animations
showing how they vary when the
(effective) angle of attack is changed
www.av8n.com/irro/profilo_e.html
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Caratteristiche aerodinamiche
Meccanica del Volo
Al di sotto dello stallo
Incidenza di portanza nulla
Incidenza aerodinamica
Valori tipici
Teoria dei profili sottili
Valore teorico
Tratto lineare tipico
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Caratteristiche aerodinamiche
Valori tipici
Non dipende significativamente dalla
forma e non dipende dalla velocità
Meccanica del Volo
Dipende in misura significativa
dalla forma
Incidenze di volo
in radianti
Approssimazioni lineari
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Tipi di stallo
Profilo spesso, stallo di bordo d’uscita
Meccanica del Volo
Profilo spesso
Profilo sottile, stallo di bordo d’attacco
Profilo sottile
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Caratteristiche aerodinamiche
Meccanica del Volo
influenza dello spessore
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Meccanica del Volo
Centro di pressione
La posizione del centro di pressione varia al
variare dell’incidenza e, per profili asimmetrici,
si trova all’infinito in condizioni di portanza
nulla. Non è un punto caratteristico del profilo
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Momento aerodinamico
Meccanica del Volo
Legge di trasporto dei momenti
La derivata rispetto all’incidenza del momento aerodinamico
attorno al centro aerodinamico si annulla
Centro aerodinamico
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Centro aerodinamico
NASA
Meccanica del Volo
Glenn Research Center
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Classificazione resistenze
DF = Da + Dp
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Resistenza di profilo
Resistenza di attrito
Resistenza di pressione o forma
Bassa per laminare
Alta per laminare
Alta per turbolento
Bassa per turbolento
Fortemente dipendente da Re
Poco dipendente da Re
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Caratteristiche aerodinamiche
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influenza dello spessore
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Caratteristiche dei profili
Elevato
Basse velocità di stallo
Elevato
Alte velocità massime
Elevato
Produttività
Speed range factor
Meccanica del Volo
Elevato
Elevato
Prestazioni
Elevato
Elevato
Spessore max
Curvatura max @ 40 %
Requisiti strutturali
Buon profilo per aviazione generale
Bassa resistenza
Curvatura max @ 15 %
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Stallo brusco
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Meccanica del Volo
Propagazione sonora
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Effetti di comprimibilità
Meccanica del Volo
Critical Mach number
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Coefficienti di portanza e resistenza
Meccanica del Volo
Effetti di comprimibilità
All’aumentare del
numero di Mach
Aumenta
Diminuisce
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Mach di Drag Rise
Politecnico di Milano
Profili supercritici
Meccanica del Volo
The supercritical airfoils were designed
in the 1960s, by then NASA scientist
Richard Whitcomb, and were first tested
on the TF-8A Crusader. While the design
was initially developed as part of the
supersonic transport (SST) project at
NASA, it has since been mainly applied to
increase the fuel efficiency of many high
subsonic aircraft.
Unusual for a fighter, the aircraft had a highmounted wing which allowed for short and
light landing gear.
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Coefficiente di resistenza
Effetti di comprimibilità
Divergence mach number
Drag rise
Meccanica del Volo
The white halo is formed by
condensed water droplets which
are thought to result from a drop
in air pressure around the aircraft
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Meccanica del Volo
Sonic boom
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Politecnico di Milano
The Oklahoma City sonic boom tests, also
known as Operation Bongo II, refer to a
controversial experiment in which 1,253
sonic booms were carried out over Oklahoma
City, Oklahoma over a period of six months
in 1964.
Meccanica del Volo
It was not the first experiment, as tests had
been done at Wallops Island, Virginia in 1958
and 1960, at Nellis Air Force Base, Nevada in
1960 and 1961, and in St. Louis, Missouri in
1961 and 1962. However, none of these tests
examined sociological and economic factors
in any detail.
The Oklahoma City experiments were vastly
larger in scope, seeking to measure the
boom's effect on structures and public
attitude, and to develop standards for boom
prediction and insurance data.
Starting on February 3, 1964, the first sonic
booms began, eight booms per day that
began at 7 a.m. and ended in the afternoon.
The noise was limited to 1.0 to 1.5 poundforce per square foot (48 to 72 pascal) for the
first twelve weeks, then increased to 1.5 to
2.0 psf (72 to 96 pascal) for the final fourteen
weeks. This range was about equal to that
expected from an SST.
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Sonic boom
A sonic boom produced by an aircraft moving
at M=2.92, calculated from the cone angle of
20 deg. An observer hears the boom when the
shock wave, on the edges of the cone,
crosses his or her location.
Pressure
(psf)
Aircraft
speed
altitude
SR-71
Mach 3
80,000 feet
0.9
Concorde
SST
Mach 2
52,000 feet
1.94
F-104
Mach
1.93
48,000 feet
0.8
Space
Shuttle
Mach 1.5
60,000 feet
1.25
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Meccanica del Volo
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Meccanica del Volo
Volo supersonico
Il 14 ottobre 1947 Charles "Chuck" Yeager,
pilota della United States Air Force, fu il primo
a battere questo record a bordo del velivolo
che chiamò Glamorous Glennis in onore della
moglie.
L'aereo, dotato di quattro motori a razzo
alimentati con ossigeno liquido e alcol etilico,
fu sganciato dal vano bombe di un B-29
appositamente modificato e, una volta esaurito
il carburante, planò fino ad atterrare su una
normale pista di atterraggio.
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Meccanica del Volo
F-22 Raptor
Il Lockheed-Boeing F-22 Raptor è un caccia da superiorità aerea con caratteristiche stealth, di
costruzione statunitense. Era destinato originariamente ad entrare in servizio come F/A-22,
ma quando i primi esemplari sono stati consegnati all'USAF il 15 dicembre 2005, sono stati
ridenominati F-22A. L'USAF considera l'F-22A un elemento critico della sua forza di attacco, e
afferma che le sue prestazioni non sono comparabili a nessun velivolo attualmente operativo
o in fase di progettazione.
Il primo test in volo avvenne il 7 settembre 1997, mentre i primi esemplari prodotti in serie
furono consegnati alla base aerea di Nellis, Nevada, il 4 gennaio 2003.
La prima unità operativa è stata consegnata al 27th Fighter Squadron.
L'F-22 è l'erede dell'F-15 come caccia da superiorità aerea.
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The HyShot
Flight
Program
Meccanica del Volo
The HyShot Flight Program is an experiment designed to develop a correlation between
pressure measurements made of supersonic combustion in The University of Queensland's
T4 shock tunnel, and that which is observed in flight.
This correlation is being developed with a scramjet configuration that retains the essential
components for supersonic combustion.
Five flights were made
HyShot I was launched on 30 October 2001
HyShot II was launched on 30 July 2002
HyShot III was launched on 25 March 2006
HyShot IV was launched on 30 March 2006
HyCAUSE was launched on 15 June 2007
The HyShot launches used a two stage Terrier-Orion Mk70 rocket to boost the payload and
the empty Orion motor (the Orion motor remains attached to the payload) to an apogee of
approximately 330 km. As the spent motor and its attached payload falls back to Earth, they
gather speed. The trajectory is designed so that between 35 km and 23 km, they are
traveling at Mach 7.6. It is during this part of the trajectory that the measurements of
supersonic combustion are made. HyCause used a Talos-Castor launcher with a target Mach
number of 10. All flights were launched from the Woomera Test Facility in South Australia.
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XB-70 Valkyrie
Meccanica del Volo
Il North American XB-70 Valkyrie era un
ambizioso prototipo statunitense per un
bombardiere strategico supersonico:
sarebbe stato in grado di raggiungere
Mach 3,1, una velocità superiore a quella
di tutti i caccia in servizio all'epoca, se si
eccettua il MiG-25.
I costi e le difficoltà di costruzione,
nonché la mancanza di idee chiare su
come affrontare le difese missilistiche
sovietiche, finirono per tagliare il
programma dopo soli due prototipi, uno
dei quali (il secondo) precipitò dopo una
collisione con un F-104, mentre l'altro (il
primo) è attualmente esposto in un
museo dell'aviazione a Dayton, Ohio
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Supersonic business jet
The High Speed Civil Transport (HSCT) was a NASA project
to design a supersonic transport. It was to be a future
Supersonic Passenger Aircraft, able to fly Mach 2.
The project started in 1990 and ended during 1999.
Meccanica del Volo
Cessna design of
unknown nature
Tupolev Tu-444
Sukhoi-Gulfstream S-21
Aerion SBJ
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Quiet SuperSonic
Transport
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