Influenza vento laterale aeroplani basso carico alare

UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI BOLOGNA
FACOLTA’ DI INGEGNERIA
Corso di Laurea in Ingegneria Meccanica
Disegno Tecnico Industriale
STUDIO DELL’ INFLUENZA DEL VENTO LATERALE
SULLA DINAMICA DI
AEROPLANI A BASSISSIMO CARICO ALARE
Relatore : Chiar.mo Prof.Ing.Luca Piancastelli
Correlatore : Dott.Ing.Alessandro Ceruti
Tesi di Laurea di : Michele di Iasio
ANNO ACCADEMICO 20022002-2003
SCOPO DELLA RICERCA
• INDIVIDUARE UNA METODOLOGIA SPERIMENTALE
A BASSO COSTO PER VALUTARE IL
COMPORTAMENTO DI UN VELIVOLO A BASSISSIMO
CARICO ALARE (5 kg/m^2 ) IN PRESENZA DI VENTO
LATERALE DI DIREZIONE ED INTENSITA’ VARIABILE
RECENTI
RECENTI PROTOTIPI
PROTOTIPI
• IN TEMPI RECENTI L’ INTRODUZIONE DI AEROPLANI SENZA
PILOTA ( U.A.V. ) A LUNGHISSIMA AUTONOMIA CHE
UTILIZZANO L’ ENERGIA DEL SOLE PER LA PROPULSIONE HA
PORTATO ALL’ INTRODUZIONE DI PROTOTIPI A BASSISSIMO
CARICO ALARE ( PATHFINDER, CENTURION, HELIOS ) DA
PARTE DI MOLTI GRUPPI DI RICERCA
• NON SONO STATI TROVATI IN BIBLIOGRAFIA RIFERIMENTI E
DATI SUL COMPORTAMENTO IN PRESENZA DI VENTO
TRASVERSALE PER AEROPLANI CON CARICHI ALARI COSI’
BASSI . L’ ESPERIENZA SUI BIPLANI D’ EPOCA ANCORA
VOLANTI PONE SERI DUBBI SULLA POSSIBILITA’ DI TALI
AEROPLANI DI MANTENERE ROTTE PREFISSATE ANCHE CON
VENTI NON TROPPO ELEVATI .
RIFERIMENTI
RIFERIMENTI ::
I BIPLANI D’EPOCA
•
BASSO CARICO ALARE
TIMONI VERTICALI DI ELEVATE
DIMENSIONI
•
VELIVOLI MODERNI
EVOLUZIONE DI PROFILI AERODINAMICI
DIMINUZIONE DEL NUMERO DI
APPENDICI
EVOLUZIONE DI DIVERSE TIPOLOGIE DI AEROPLANI
DA INIZIO SECOLO SCORSO AD OGGI E RISPETTIVO
CARICO ALARE :
494
500
450
400
350
333,24
311
300
CARICO ALARE (Q:Kg/m²)
250
200
150
132
100
51,2
50 31,4531,55 40,5 42 45,25
71,35
148
167
87,1
4,4 5,09
0
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TIPO AEREO
FOTO
FOTO
FOKKER DR.I
HELIOS NASA
BOEING 747
PROGETTO
PROGETTO DEL
DEL MODELLO
MODELLO
aa bassissimo
bassissimo costo
costo per
per la
la valutazione
valutazione sperimentale
sperimentale della
della
controllabilit
à del
controllabilità
del vento
vento laterale
laterale da
da parte
parte di
di aeroplani
aeroplani aa bassissimo
bassissimo
carico
carico aerodinamico
aerodinamico
HO CONSIDERATO DUE
SIMILITUDINI :
AERODINAMICA : NEL CONSIDERARE
LO STESSO CARICO ALARE NEL PASSARE
DALL’ HELIOS AL MODELLINO
•Si evita la galleria del Vento
•Si utilizza un aliante
strumentato a bassissimo costo
•Si effettuano numerose prove
con vento variabile in direzione
ed intensità
•Si determinano le
caratteristiche a posteriori
STRUTTURALE: HO MANTENUTO
UNA SCALA OPPORTUNA NEL CALCOLO
DELLA FRECCIA ALARE :
•
•
•
•
SPECIFICHE
SPECIFICHEDI
DI PROGETTO
PROGETTO
carico alare : 5 kg / m^2 ( quindi un peso complessivo
del modellino di circa 1.7 kg )
costo inferiore ai 50 euro a modello
riparabilità del modello
modello strumentato mediante piattaforma inerziale
(sostituito con zavorra perché non disponibile) e gps
PROGETTO
PROGETTO
• dimensioni ala : 1.5 m x 20 cm a sezione rettangolare ( quindi una
superficie alare di 0.3 m^2 )
• lunghezza della fusoliera: tra 0.5m e 1m
• sezione fusoliera: rettangolare
• materiale scelto : legno balsa ( E=10000 MPa ; densità=0.2 kg
/dm^3)
•Vantaggio:
•Vantaggio: possibilità
possibilitàdi
divariare
variareililmomento
momentodi
diinerzia
inerzia
ed
edililmateriale
materialedell’ala
dell’alaper
per modificare
modificarela
lafreccia
frecciaalare
alareee
quindi
quindila
lastabilità
stabilitàdirezionale
direzionale
DIMENSIONAMENTO STRUTTURALE
•ESPRESSIONE LINEA ELASTICA
q ∗l 4 ∗ c
f=
8 ∗ EMATERIALE∗ I X −X
s ALA = 2.5mm
FOGLI BALSA REPERIBILI : 1m x 0.2m x 2.5 mm
ALIANTE
ALIANTE REALIZZATO
REALIZZATO
COSTO
COSTO 30
30 EURO
EURO
PARTICOLARITA’ PROGETTUALI
SEZIONE DEL PROFILO SCELTA: RETTANGOLARE
BASSA PORTANZA PRODOTTA
A PARITA’ DI Q ED
α
POSIZIONE BARICENTRO PIU’ ARRETRATA
( 40 % DI C )
MODELLO
MODELLO
Scopo
Scopo delle
delle PROVE
PROVE
SPERIMENTALI
SPERIMENTALI
• Messa a punto del modello
•
Ottimizzazione sperimentale del CG
•
Ottimizzazione sperimentale della lunghezza fusioliera
•
Ottimizzazione della superficie del timone di direzione
•
Ottimizzazione della superficie del piano di coda
• Valutazione dell’efficienza (50/15=3.33)
• Messa a punto trasmissione GPS
Valutazione di massima della sensibilità al
vento laterale del velivolo
Ottimizzazione
Ottimizzazione del
del CG
CG
Ottimizzazione
Ottimizzazione dell’incidenza
dell’incidenza alare
alare
Sensibilità
Sensibilità al
al vento
vento laterale
laterale
Direzione di Lancio
=
Nord
Direzione del
Vento
=
Ovest
Intensità
=
4 nodi
PARTICOLARITA’
PARTICOLARITA’ PROGETTUALI
PROGETTUALI
PER
PER RENDERE
RENDERE IL
IL VELIVOLO
VELIVOLO PIU’
PIU’ STABILE
STABILE HO:
HO:
• TENUTO ALTA LA LUNGHEZZA DELLA
FUSOLIERA ( 0.9 m ) PER OTTENERE UN
EFFETTO DI RIDUZIONE DEL BECCHEGGIO
• LA FRECCIA ALARE COSI’ PRONUNCIATA
ANCHE NEL MODELLINO ( f = 150 mm )
AUMENTA LA STABILITA’ AERODINAMICA
( DIEDRO ALARE )
STALLO
•BARICENTRO ARRETRATO
•PROFILO RETTANGOLARE
FACILE DISTACCO VENA FLUIDA DAL BORDO ALA
PERICOLOSI VORTICI SUL DORSO ALA
POSSIBILITA’ DI
STALLO!
DERIVATE
DERIVATE AERODINAMICHE
AERODINAMICHE
• IL GPS INSTALLATO A BORDO DELLA FUSOLIERA FORNIVA
OGNI SECONDO POSIZIONE , VELOCITA’, DIREZIONE E
QUINDI VIRATA DEL VELIVOLO . HO POTUTO QUINDI
RISCONTRARE ATTRAVERSO LA VIRATA DI QUANTO LA
TRAIETTORIA DELL’ ALIANTE VENISSE INFLUENZATA E
COMPROMESSA DALLE RAFFICHE DI VENTO LATERALE
CONCLUSIONI
CONCLUSIONI
• IN SOSTANZA, HO DEDOTTO CHE IL
VELIVOLO,AVENDO UN CARICO ALARE COSI’
BASSO , NON E’ IN GRADO DI CONTRASTARE IL
VENTO PERCHE’ CON L’ AUMENTARE DELL’
INTENSITA’ DEL VENTO TRASVERSALE E CON UN’
EVENTUALE ULTERIORE DIMINUZIONE DEL CARICO
ALARE ( SECONDA ESPERIENZA: Q=4.8 kg /m^2 ) IL
VELIVOLO TENDE A COMPORTARSI COME UN
DIRIGIBILE E QUINDI A VELEGGIARE
COMPLETAMENTE IN BALIA DELLE CORRENTI
VENTOSE LATERALI DA CUI E’ INVESTITO