ingegneria aerospaziale - Scuola di Ingegneria

Transcript

UNIVERSITA’ DI PISA
FACOLTA’ DI INGEGNERIA
UNIVERSITÀ DI PISA
FACOLTÀ DI INGEGNERIA
Corso di Laurea Specialistica in
INGEGNERIA AEROSPAZIALE
programmi degli insegnamenti
ANNO ACCADEMICO 2006/2007
INTRODUZIONE
Il Corso di Laurea Specialistica in Ingegneria Aerospaziale nasce come naturale completamento
del corso di laurea triennale – curriculum generale- in ingegneria Aerospaziale e si fonda
sull’esperienza formativa pluridecennale del precedente corso di laurea quinquennale.
Il Corso di laurea Specialistica in Ingegneria Aerospaziale si propone di formare una figura
professionale specialista nel settore capace di operare con efficacia nella progettazione e nella
gestione di complessi sistemi aeronautici e spaziali. Tale obiettivo viene perseguito fornendo
un’approfondita preparazione teorico-scientifica nelle discipline aerospaziali ed una capacità
progettuale e gestionale di sistema.
Più specificatamente, partendo dalla base di conoscenza acquisita con la laurea in ingegneria
aerospaziale, verranno trattati in modo approfondito gli aspetti teorico-scientifici dell’ingegneria
aerospaziale nei campi delle strutture, dell’aerodinamica, della propulsione e dei comandi e
controlli di volo per poi sviluppare le metodologie di progetto e di gestione di sistema attraverso
due curricula: aeronautico e spaziale.
L’insieme delle conoscenze e delle competenze caratterizzanti il laureato specialistico in
ingegneria aerospaziale sono:
• conoscenza approfondita degli aspetti teorico-scientifici delle discipline fisicomatematiche e delle altre scienze di base e capacità di utilizzare tali conoscenze per
interpretare problemi complessi, o che richiedono un approccio interdisciplinare;
• conoscenza approfondita degli aspetti teorico-scientifici dell’ingegneria in generale, e in
modo approfondito dell’ingegneria aerospaziale e astronautica;
• capacità di ideare, pianificare, progettare e gestire sistemi, processi e servizi complessi
e/o innovativi;
• capacità di progettare e gestire esperimenti di elevata complessità.
I laureati specialisti in Ingegneria Aerospaziale potranno esplicare la propria attività nelle
industrie aeronautiche e spaziali, in enti pubblici e privati per la sperimentazione in campo
aerospaziale; in aziende di trasporto aereo; in enti per la gestione del traffico aereo;
nell’aeronautica militare; in industrie per la produzione di macchine ed apparecchiature dove
sono rilevanti l’aerodinamica e le strutture leggere. Infine per la particolare formazione didattica
predisposta, nell’industria meccanica in generale con specifico riferimento al settore della
progettazione strutturale.
IL PERCORSO FORMATIVO
Il corso di laurea di II° livello in Ingegneria Aerospaziale è inserito nella classe 25/S delle lauree
in Ingegneria Aerospaziale e Astronautica (ogni laurea inserita nella medesima classe ha identico
valore legale art.2 D.M. 509/99 decreto ministeriale d’attuazione della riforma universitaria ).
Per conseguire il titolo di Ingegnere Aerospaziale specialista bisogna maturare, in due anni, 120
crediti formativi (60 crediti annui). I crediti si acquisiscono con il superamento degli esami. Un
credito(CFU) equivale a 25 ore di lavoro, il carico di lavoro annuale è pari a 1500 ore.
Il corso di laurea è articolato in due curricula: 1) Curriculum Aeronautico- a sua volta suddiviso
in tre orientamenti (Orientamento Strutture, Orientamento Aerodinamica e Orientamento
Meccanica del Volo); 2) Curriculum Spaziale.
Per essere ammessi senza debiti formativi al Corso di laurea Specialistica in Ingegneria
Aerospaziale occorre aver conseguito, presso la Facoltà di Ingegneria dell’Università di Pisa, la
laurea in Ingegneria Aerospaziale, Curriculum Generale. Gli studenti provenienti dal curriculum
applicativo Laurea Triennale in Ingegneria Aerospaziale possono accedere alla Laurea
specialistica con debito formativo non superiore ai 16 cfu così ripartiti:
6 cfu Analisi matematica II (MAT/05)
5 cfu Fluidodinamica (ING-IND/06)
5 cfu Motori per aeromobili (ING-IND/07).
Tali debiti formativi potranno essere sanati attraverso esami integrativi o il superamento di corsi
di contenuto equipollente.
Possono, inoltre, iscriversi senza debiti formativi tutti gli studenti che provengono da percorsi di
laurea triennali in ingegneria aerospaziale dei diversi Atenei Italiani che nel rispettivo Ateneo,
accedano al Corso di Laurea specialistica senza debiti.
Precedenze tra esami (obbligatorie)
MANIFESTO LAUREA SPECIALISTICA IN INGEGNERIA AEROSPAZIALE
A.A. 2006/07
Anno di corso
Denominazione
[SSD]
Primo anno
Costruzioni di Macchine
[ING-IND/14]
Servosistemi Aerospaziali
[ING-IND/05]
Strutture Aerospaziali
[ING-IND/04]
Insegnamenti specifici per il curriculum Aeronautico
Meccanica del Volo
[ING-IND/03]
Aerodinamica
[ING-IND/06]
Insegnamenti specifici per il curriculum Spaziale
Meccanica del Volo Spaziale I e II
[ING-IND/03]
Termofluidodinamica
[ING-IND/06]
Secondo anno
Insegnamenti specifici per il curriculum Aeronautico
Costruzioni Aeronautiche
[ING-IND/04]
Attività a scelta dello studente
Prova Finale
Orientamento Strutture
Strutture e Materiali Aerospaziali
[ING-IND/04]
Orientamento Aerodinamica
Aerodinamica degli Aeromobili
[ING-IND/06]
Orientamento Meccanica del volo
Dinamica del Volo
[ING-IND/03]
Insegnamenti specifici per il curriculum Spaziale
Sistemi Spaziali
[ING-IND/05]
Attività a scelta dello studente
Prova Finale
Orientamento Propulsione Elettrica
Propulsione Elettrica I
[ING-IND/07]
Propulsione Elettrica II
[ING-IND/07]
Orientamento Propulsione Chimica
Endoreattori I
[ING-IND/07]
Endoreattori II
[ING-IND/07]
CF
U
Per
12
12
12
E
E
E
12
12
E
E
12
12
E
E
12
12
24
E
12
E
12
E
12
E
12
12
24
E
6
6
1
2
6
6
1
2
Not
e
L1
L1
L1
1
2
3
Note
1 L’insegnamento di Meccanica del volo spaziale I e II costituisce un
insegnamento integrato del 1° anno per il curriculum Spaziale.
2 Attività a scelta consigliate per i diversi orientamenti (curriculum aeronautico):
Orientamento Strutture
Complementi di Strutture Aeronautiche [ING-IND/04]
6
1
Aeroelasticità Applicata
[ING-IND/04]
6
2
Orientamento Aerodinamica
Aerodinamica Sperimentale
[ING-IND/06]
6
1
Fluidodinamica Computazionale
[ING-IND/06]
6
2
Orientamento Meccanica del volo
Dinamica del Volo degli Elicotteri
[ING-IND/03] 6
2
Impianti Aeronautici II
[ING-IND/05] 6
1
3 Attività a scelta consigliate per i diversi orientamenti (curriculum spaziale):
Orientamento Propulsione Elettrica
Endoreattori I
[ING-IND/07] 6
1
Endoreattori II
[ING-IND/07] 6
2
Orientamento Propulsione Chimica
Propulsione Elettrica I
[ING-IND/07] 6
1
Propulsione Elettrica II
[ING-IND/07] 6
2
L 1 di cui 3 CFU per l’acquisizione di abilità informatiche professionalizzanti
specifiche
Altre informazioni
Nella colonna “Per” è indicato il periodo nel quale viene tenuto il corso:
1 primo periodo
2 secondo periodo
E entrambi i periodi
Precedenze tra esami
(Esami)
Aerodinamica degli Aeromobili
Costruzioni Aeronautiche
Dinamica del Volo
Sistemi Spaziali
Strutture e Materiali Aerospaziali
(Esami propedeutici)
Aerodinamica
Servosistemi Aerospaziali, Meccanica
del volo
Meccanica del Volo Spaziale I e II
GLI ESAMI
Gli esami si svolgono durante la sessione invernale, nei mesi di gennaio e febbraio,
durante la sessione estiva nei mesi di giugno e luglio, nella sessione autunnale a settembre
GLI INSEGNAMENTI
Nelle pagine che seguono sono presentate le specifiche degli insegnamenti del corso di laurea
specialistica in Ingegneria Aerospaziale.
Di ogni materia è indicato il nominativo del docente che tiene l’insegnamento, sono presentati gli
obiettivi e le finalità del corso, il programma che verrà svolto, i testi di riferimento, le modalità di
svolgimento dell’esame.
AERODINAMICA
DOCENZA
Docente: Prof. Luigi POLITO
Sede: Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale " L. Lazzarino ", via G. Caruso 56122 PISA
Tel. +39. 050 2217211
Fax +39. 050 2217244
e-mail: [email protected]
WEB:http://www2.ing.unipi.it/~d2396/
FINALITA' ED OBIETTIVI DELL'INSEGNAMENTO
1. Far conoscere i fenomeni fluidodinamici fondamentali che hanno luogo a velocità di volo
subsoniche, transoniche e supersoniche sulla base di concetti fisici generali ed adeguate
descrizioni fisico-matematiche.
2. Fornire una conoscenza ed una valutazione critica dei modelli di calcolo, dei risultati analitici
e delle metodologie per la valutazione delle caratteristiche aerodinamiche degli aeroplani.
CONTENUTI DEL CORSO
GENERALITA': Scie, onde d'urto, strati di scorrimento e loro rappresentazione come superfici
di discontinuità nei modelli fluidodinamici a flusso non dissipativo. Modelli a flusso potenziale.
L'approssimazione delle equazioni del moto e l' approssimazione dell'equazione Bernoulliana
nell'ipotesi di piccole perturbazioni. L' induzione aerodinamica e la modellazione del flusso non
dissipativo. La "linearizzazione" delle condizioni al contorno" e conseguenti proprietà delle
soluzioni dell'equazione del potenziale nella teoria delle piccole perturbazioni.
AERODINAMICA DEL FLUSSO A DENSITA' UNIFORME: Studio del profilo alare con la
teoria di Glauert. Calcolo dell'ala: linea portante, superficie portante; interferenze con l'ala in
configurazioni complesse e metodo dei pannelli. Elementi di Aerodinamica non stazionaria.
Cenni di Aerodinamica delle eliche.
FLUSSO UNIDIMENSIONALE COMPRIMIBILE: Equazioni del moto; effetti della variazione
della sezione trasversale, dell'attrito e del flusso di calore alla parete. Moto non stazionario
isentropico in condotti rettilinei a sezione costante: metodo delle caratteristiche di Riemann e
moto in onda semplice.
FLUSSI AD ENTALPIA TOTALE UNIFORME: Richiami su flusso adiabatico, flusso
isentropico, condizioni di riferimento totali e critiche; la funzione di Prandtl-Meyer.
Compressione per successione di onde d'urto oblique e limite della compressione per svolta
continua; espansione di Prandtl-Meyer. Onda d'urto conica. Flusso a valle di onde d'urto curve.
Equazioni del moto in coordinate naturali e metodo delle caratteristiche per flussi piani ed
assialsimmetrici, flusso in onda semplice, applicazioni. Interferenza e riflessione di onde d'urto e
di espansione. La "shock -expansion theory" e le sue applicazioni; la resistenza d'onda e la sua
origine fisica. Fenomeni fisici nel flusso transonico su profili alari ed ali, effetto dell'angolo di
freccia.
TEORIA DELLE PICCOLE PERTURBAZIONI IN FLUSSO COMPRIMIBILE: Problemi
fondamentali di flusso comprimibile: parete ondulata, profilo sottile, cono e corpi affusolati a
piccole incidenze. Formula di Karman per la resistenza d'onda e regola delle aree transonica.
Cenni sul calcolo di corpi slanciati. Teoria delle ali di apertura finita in flusso supersonico.
Regola delle aree supersonica. Regole di similitudine di Gœthert, di Prandtl -Glauert e parametro
di similitudine transonica.
FLUSSI CON VISCOSITA' E COMPRIMIBILITA': Generalità introduttive. Equazioni dello
strato limite comprimibile, soluzioni per numero di Prandtl unitario, formule semiempiriche e
risultati della teoria di Crocco per numero di Prandtl non unitario. Coefficiente d'attrito e flusso
di calore alla parete: analogia di Reynolds. Cenni su risultati per strato limite turbolento.
MATERIALE DIDATTICO
Appunti del docente su argomenti svolti nel corso.
Testi ausiliari:
J.J. Bertin, M.L. Smith -"Aerodynamics for engineers", Prentice-Hall, Inc. 1979.
H.W. Liepmann, A. Roshko- "Elements of Gasdynamics", John Wiley e Sons, 1957 (anche in
lingua francese).
L. Prandtl, O.G. Tietjens- "Fundamentals of Hydro- and Aeromechanics", Dover Pub. Inc. 1957.
L. Prandtl, O.G. Tietjens- "Applied Hydro- and Aeromechanics", Dover Pub. Inc. 1957.
J.D. Anderson, Jr.-"Modern compressible flow with Historical Perspective", Mc Graw Hill.
1982.
Per alcuni esercizi con relativi richiami teorici può risultare utile:
W.F. Hughes, J.A. Brighton -"Teoria e problemi di FLUIDODINAMICA"- Collana SCHAUMETAS Libri, 1978.
Alcuni testi di approfondimento:
H. Ashley, M. Landahl- "Aerodynamics of wings and bodies", Addison-Wesley, 1965.
L. Landau, E Lifchitz- "Mécanique des fluides", Edizioni MIR, 1971.
MODALITA' DI SVOLGIMENTO DELL'ESAME
Solo prova orale
Iscrizione presso il Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale " L. Lazzarino ", via G. Caruso
56122 PISA.
AERODINAMICA DEGLI AEROMOBILI
DOCENZA
Docente: Prof. Giovanni LOMBARDI
Tel: 050-2217211
Fax: 050-2217244
FINALITA' ED OBIETTIVI DELL'INSEGNAMENTO
Finalità del corso:
II corso intende fornire allo studente integrazioni ed approfondimenti di temi inerenti
l'aerodinamica dei vari tipi di velivolo, in particolare sul funzionamento dei vari elementi che
compongono l'aeroplano e sulle loro caratteristiche al variare dei parametri di progetto.
Il corso intende anche fornire le indicazioni sull'approccio al progetto aerodinamico e alla sua
struttura all'interno del progetto dell'aeroplano.
Obiettivi dell'insegnamento:
L'insegnamento ha l'obiettivo principale di far acquisire agli studenti le capacità di utilizzare, in
fase di progettazione, in particolare aerodinamica, le nozioni acquisite nei corsi di base
precedenti. Per questo vengono descritte le caratteristiche aerodinamiche dei vari tipi di corpo e
analizzate le metodologie di base, numeriche e sperimentali, per il calcolo aerodinamico.
CONTENUTI DEL CORSO
Richiami sui fondamenti della fluidodinamica e sulle diverse tipologie di flusso.
• II funzionamento aerodinamico dei vari elementi dell'aeroplano.
Caratterizzazione della geometria di un profilo alare. Caratteristiche aerodinamiche dei
profili alari in regime subsonico, transonico e supersonico. La curva Cl-a, Cm-a, la polare di
un profilo, resistenza di attrito, resistenza di forma, resistenza d'onda. Analisi dei parametri
influenzanti le caratteristiche di portanza e resistenza (geometria, numero di Mach, numero
di Reynolds, rugosità superficiale, turbolenza) e del loro effetto. Mach critico. Lo stallo dei
profili alari. Sistemi di ipersostentazione dei profili alari. Le ali dì apertura finita nei vari
regimi. Caratterizzazione geometrica dell'ala dal punto di vista aerodinamico. Influenza
dell'apertura finita sulle curve CL-a, CM-a. Distribuzione di portanza in apertura. L'ala a
delta. Classificazione generale della resistenza e resistenza indotta; polare dell'ala. Mach
critico per l'ala di apertura finita; Mach di drag-rise. Angolo dì freccia e suoi effetti
aerodinamici. Stallo delle ali di apertura finita. La fusoliera e la sua interferenza con le
superfici portanti1. L'aeroplano completo. Interferenza tra ala e super-fici di stabilizzazione
e controllo. Configurazioni classiche e configurazioni canard.
•
Valutazione delle azioni aerodinamiche.
Generalità sulle condizioni di carico. La turbolenza atmosferica, i suoi effetti sull'aeroplano
e la sua caratterizzazione statistica.
Descrizione generale delle diverse metodologie di calcolo:
Metodologie Numeriche. Equazioni di Navier-Stokes e lo stato attuale della loro risoluzione
numerica. Modello potenziale: risoluzione con il metodo dei pannelli ed esempi applicativi.
Aerodinamica non stazionaria: metodo di Wagner, problema della raffica, l'ala oscillante.
L'ala di apertura finita con il metodo dei pannelli in flusso stazionario ed oscillatorio.
Metodologie Sperimentali. Problematiche generali sulla sperimentazione in galleria. La
similitudine aerodinamica. Cenni sulla teoria degli errori e sulla sua applicazione nelle prove
in galleria. Misure di pressione, temperatura, velocità, forza. Cenni sulle principali tecniche
di visualizzazione. Cenni su particolari tecniche di misura. Progettazione, programmazione
ed esecuzione degli esperimenti in galleria. Valutazione ed uso dei risultati sperimentali.
AERODINAMICA SPERIMENTALE
DOCENZA
Docente: Prof. Guido BURESTI
Tel: 050/2217211
Fax: 050/2217244
FINALITÀ ED OBIETTIVI DELL’INSEGNAMENTO
Il corso ha lo scopo di fornire allo studente le nozioni fondamentali sul ruolo della
sperimentazione nella progettazione aerodinamica e su strumenti e tecniche dell’aerodinamica
sperimentale. Alla fine del corso gli allievi dovranno essere in grado di definire nel dettaglio un
programma di sperimentazione aerodinamica in galleria del vento in funzione degli obiettivi
progettuali, e di indicare le metodologie per la sua esecuzione e per l’analisi dei relativi risultati.
CONTENUTI DEL CORSO
Fondamenti della sperimentazione aerodinamica
Il concetto di similitudine aerodinamica, parametri adimensionali, teorema di Buckingham,
similitudine completa e parziale, importanza della riproduzione della tipologia del flusso.
Le gallerie del vento
Descrizione dei vari tipi di gallerie del vento: gallerie subsoniche, transoniche e supersoniche.
Problematiche generali e specifiche delle gallerie del vento. Caratterizzazione di una galleria del
vento in termini di prestazioni e proprietà del flusso. Differenze fra gallerie per sperimentazione
aerodinamica nei campi dell’ingegneria aeronautica, dei veicoli terrestri, civile. Cenni alle
gallerie ad acqua.
Le misure in galleria del vento
Misure di forza: descrizione, principio di funzionamento e progettazione delle bilance
aerodinamiche interne ed esterne.
Misure di pressione: sensori per la misura delle pressioni, sonde per la misura della pressione
statica e dinamica in flusso subsonico e supersonico, misure delle pressioni superficiali su
modelli in galleria del vento.
Misure di velocità: misure di velocità tramite misure di pressione, anemometria a filo caldo,
anemometria Laser-Doppler, Particle Image Velocimetry.
Misure di temperatura: sensori e sonde per la misura della temperatura totale e statica.
Metodologie per la visualizzazione del flusso in regime subsonico e supersonico.
Acquisizione ed analisi dei dati sperimentali
Metodologie per l’acquisizione digitale di segnali sperimentali.
Analisi dei segnali: analisi statistica classica (distribuzioni di probabilità, momenti statistici),
analisi in frequenza (cenni sulla trasformata di Fourier e spettri di potenza), analisi tempofrequenza (cenni sulla trasformata wavelet e sulla trasformata di Hilbert e sulla loro
utilizzazione).
Il problema dell’estrapolazione dei dati dalle condizioni di galleria a quelle reali.
Progettazione delle prove sperimentali
Progettazione e programmazione di campagne sperimentali in galleria del vento.
MATERIALE DIDATTICO
Materiale didattico fornito dal docente.
Goldstein R.J. - Fluid mechanics measurements, Hemisphere, 1983 (Coll. Bibl. DIA: 242-83-0100)
Barlow J.B., Rae W.H., Pope A. - Low-speed wind tunnel testing, John Wiley, 1999 (Coll. Bibl.
DIA: 241-99-01-00)
Bryer D.W., Pankhurst R.C. - Pressare-probe methods for determining wind speed and flow
direction, her Majesty’s Stationery Office, 1971 (Coll. Bibl. DIA: 242-71-01-00)
Yang W.-J. - Handbook of flow visualization, Hemisphere, 1989 (Coll. Bibl. DIA: 243-89-0100)
MODALITÀ DI SVOLGIMENTO DELL’ESAME
Prova orale con iscrizione all’esame presso il Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale
AEROELASTICITA’ APPLICATA
DOCENZA
Docente: Prof. Aldo FREDIANI
Tel: 050 2217265
Fax: 050 2217244
Il corso si propone di fornire agli studenti le nozioni fondamentali della Aeroelasticità, ovvero
dei fenomeni legati alla interazione fra fluidi e strutture deformabili, come i velivoli.
CONTENUTI DEL CORSO
Aeroelasticità Statica.
Il fenomeno della Divergenza torsionale di ali diritte di elevato allungamento.
Il fenomeno della ridistribuzione dei carichi in volo per effetti aeroelastici.
Descrizione della aerodinamica della striscia e della linea portante e applicazioni.
Il problema della efficienza delle superficie di controllo e il fenomeno della inversione ei
comandi.
Le ali a freccia e i fenomeni dia accoppiamento aerodinamico. I fenomeni aeroelastici tipici delle
ali a freccia.
Aeroelasticità dinamica.
Il problema del flutter. Modello bidimensionale. Aerodinamica non stazionaria. La soluzione di
Theodorsen con la teoria della striscia. Studio del Flutter con il metodo dei modi assunti. Analisi
di diversi tipi di Flutter. I metodi numerici per la determinazione della velocità e della frequenza
propria di Flutter. I meti “p”, “k”, “p-k”.
MATERIALE DIDATTICO
Il materiale didattico è costituito da dispense predisposte dal docente; eventuali riferimenti
bibliografici vengono forniti durante il corso.
L’esame si svolge con la soluzione scritta di un problema e la discussione orale sul tema
proposto e su argomenti attinenti al corso.
COMPLEMENTI DI STRUTTURE AERONAUTICHE
DOCENZA
Docente: Prof. Aldo FREDIANI
Tel: 050 2217265
Fax: 050 2217244
Il corso si propone di fornire agli studenti le nozioni fondamentali per condurre analisi
sperimentali delle tensioni, di fornire agli stessi strumenti di analisi strutturale utilizzando anche
metodi energetici e di affrontare i tipici problemi delle strutture danneggiate, tipiche dei veicoli
aerospaziali.
CONTENUTI DEL CORSO
Determinazione sperimentale delle tensioni con tecniche estensimetriche.
I diversi metodi di acquisizione delle deformazioni. I ponti estensimetrici. Esempi di
applicazioni. Esercitazione pratica in Laboratorio per la determinazione delle deformazioni.
Dinamica Delle Strutture.
Problemi agli autovalori per sistemi discreti e continui. Tipologie di smorzamento e relative leggi
costitutive. Soluzioni esatte del problema agli autovalori di sistemi continui e soluzioni deboli
utilizzando metodi energetici per la soluzione di problemi di dinamica strutturale.
Meccanica Della Frattura
Problema di Griffith; criterio di Irwin di Meccanica della Frattura Lineare Elastica.
Definizione e calcolo del Fattore di Intensità degli Sforzi, Criteri di Frattura e metodi
sperimentali di caratterizzazione dei materiali a frattura. Applicazione della Meccanica della
Frattura alla propagazione di fessure in strutture fessurate di piccolo spessore e irrigidite.
Esempi.
Cenno ai metodi classici del calcolo delle variazioni.
MATERIALE DIDATTICO
Il materiale didattico è costituito da dispense predisposte dal docente; eventuali riferimenti
bibliografici vengono forniti durante il corso.
L’esame si svolge con la soluzione scritta di un problema e la discussione orale sul tema
proposto e su argomenti attinenti al corso.
COSTRUZIONI AERONAUTICHE
DOCENZA
Docente: Prof. Attilio SALVETTI
Tel.: 0502217211
Fax: 0502217244
Il corso ha lo scopo di fornire gli strumenti metodologici per il progetto degli aeroplani. Le
conoscenze di base acquisite nei campi dell’aerodinamica, della meccanica del volo, della
propulsione, delle strutture e degli impianti aeronautici vengono finalizzate alla progettazione dei
velivoli, sviluppando metodologie e strumenti specifici per le fasi concettuale, preliminare e di
dettaglio. La fase concettuale, che porta alla definizione di un’idonea architettura di riferimento
dell’aeroplano, viene sviluppata in modo completo; la fase preliminare viene trattata con
riferimento al progetto strutturale; la fase di dettaglio esemplificata con riferimento ad alcuni
componenti strutturali significativi.
CONTENUTI DEL CORSO
•
Il progetto: aspetti principali dello sviluppo del progetto aeronautico. I requisiti operativi
e di impiego. Regolamenti di aeronavigabilità e specifiche tecniche. Le diverse fasi del progetto.
La concezione, la fase preliminare ed il progetto di dettaglio.
•
La fase di concezione dell’aeroplano: Obiettivi, procedimenti e metodi del progetto
concettuale. Il caso dell’aeroplano da trasporto. Requisiti guida, scelte architetturali e primi
dimensionamenti geometrico ponderali. Definizione della geometria e delle caratteristiche
aerodinamiche, propulsive e ponderali di configurazioni possibili in relazione ai requisiti di
missione e di aeronavigabilità ed ai vincoli di configurazione. Analisi dei costi e criteri di scelta
di una configurazione in base a parametri di costo. Configurazione finale. Centraggio e
posizionamento degli organi di atterraggio.
•
Gli aspetti strutturali del progetto: I carichi agenti sugli aeroplani, condizioni di carico di
progetto e norme di aeronavigabilità. Criteri di dimensionamento in condizioni limite e di
robustezza. Criteri di dimensionamento a durata e a tolleranza del danno. Requisiti sulla
rigidezza delle strutture. I fenomeni aeroelastici statici e dinamici. Metodi di dimensionamento in
condizioni limite e di robustezza. Il caso del cedimento in regime post-critico. Metodi di
dimensionamento a durata e a tolleranza del danno. Il caso delle strutture pressurizzate. I criteri
di ottimizzazione delle strutture aeronautiche. Strutture di minimo peso, criteri di progetto e
scelta. Soluzioni strutturali ottimizzate e relativi campi di impiego. Configurazioni costruttive dei
principali componenti strutturali. Esempi di strutture primarie (ali, fusoliere, piani di coda….) ed
esame dei componenti costitutivi.
•
Ulteriore attività d’apprendimento da svolgere da parte degli studenti: sviluppo di un
progetto di concezione e di un progetto strutturale di un componente primario.
MATERIALE DIDATTICO
Dispense del docente.
D. P. Raymer, “Aircraft Design: a conceptual approach”. AIAA Education Series, 1989.
E. Torenbeek, “Synthesis of subsonic Airplane Design”. Maine, Kluwer Boston Inc., 1982.
T. L. Lomax, “Structural Loads Analysis for Commercial Transport Aircraft: Theory and Practice”.
AIAA Education Series, 1996.
G. Gerard “Minimum weight analysis of compression structures”. New York University Press, 1956.
M. C. Yung Niu, “Airframe Structural Desing”. Honk Kong, Conmilit Press Ltd., 1988.
L’esame consiste nella discussione del progetto svolto e in una parte orale sui contenuti del programma.
COSTRUZIONE DI MACCHINE
DOCENTE
Docente: Prof. Enrico MANFREDI
Tel. 050 836614 / 836611
Fax 050 836665
pagina web: http://www.ing.unipi.it/~dimnp/staff/manfredi.htm
1. Fornire le competenze necessarie per la progettazione e la costruzione di macchine e di
sistemi meccanici e sviluppare le relative capacità di modellazione, anche tramite
l’elaboratore.
2. Descrivere gli elementi costruttivi delle macchine, ed, in particolare, i componenti meccanici
per applicazioni aeronautiche e spaziali, definendo i principi e le metodologie per la
progettazione degli stessi.
3. Approfondire le conoscenze relative al comportamento meccanico dei materiali, alla
progettazione affidabilistica, all'ottimizzazione ed alla progettazione integrata.
4. Fornire un quadro dei principali aspetti relativi alla qualità, alla sicurezza, all’interazione
uomo-macchina, alla valutazione economica, alla compatibilità ambientale, alla producibilità
ed alla manutenibilità di sistemi meccanici.
CONTENUTI DEL CORSO
Il progetto. Linee generali dello sviluppo del progetto meccanico: dall'analisi dei fabbisogni alla
specifica tecnica di progetto. Relazioni tecniche, disegni di complessivo e di particolare ed altri
documenti di progetto. Unificazione e normalizzazione. Principali corpi di norme tecniche e loro
campi di applicazione.
Principi generali di progettazione. Sviluppo del progetto dalla fase concettuale a quella esecutiva.
Cenni sulla valutazione dei costi ed sull’analisi del ciclo di vita di un prodotto (LCA). Cenni
sulla progettazione in similitudine meccanica.
Impiego delle macchine: condizioni di carico nominali ed effettive. Dimensionamenti e
verifiche. Resistenza alla rottura e deterioramento delle superfici. Importanza della deformabilità
degli elementi costruttivi e degli errori di costruzione e di montaggio. Richiami sulle tolleranze
dimensionali.
Disegno degli organi delle macchine in rapporto ai materiali, alla sollecitazione, all’ambiente, ai
processi ed alle serie di fabbricazione, alle esigenze di montaggio ed a quelle di riciclo (DFM,
DFA).
Richiami circa l'affidabilità, la manutenibilità e la sicurezza dei sistemi meccanici; richiami circa
la applicazione dell’analisi dei modi e degli effetti di guasto (FMECA) e dell'albero dei guasti
(FTA).
I materiali. Richiami circa le prove sui materiali e circa le verifiche della resistenza statica, a
fatica ed a scorrimento viscoso, sia secondo approcci tradizionali sia secondo la Meccanica della
frattura. Fattori che influiscono sulla resistenza ed interazioni tra fenomeni di danneggiamento.
Deterioramento delle superfici per usura abrasiva od adesiva, per fatica superficiale o
subsuperficiale e per altre cause.
Dati di progettazione e confronto tra le proprietà dei principali materiali metallici e non metallici
da costruzione. Scelta dei materiali: indici di merito.
Cenni su i metodi di controllo non distruttivo ed sull'interpretazione delle rotture osservate.
Il proporzionamento degli organi delle macchine. Schematizzazione dei carichi e dei vincoli.
Richiami circa i più comuni problemi strutturali, risolubili in modo approssimato per via
analitica, che si incontrano nella costruzione di macchine e circa le più comuni cause di
concentrazione della sollecitazione. Pressioni di contatto tra superfici conformi oppure non
conformi. Importanza ed effetti degli stati di coazione. Pratico utilizzo del procedimento di
analisi strutturale su elaboratore basato sul metodo degli Elementi Finiti, implementato tramite
software commerciale.
Cenni sui principali metodi sperimentali per l'analisi delle sollecitazioni.
Tipici problemi dinamici incontrati nel progetto delle macchine. Caso delle vibrazioni torsionali
e caso delle velocità critiche flessionali. Cenni ad altri problemi analoghi. Cenni ai metodi di
monitoraggio e di diagnostica.
Gli elementi costruttivi delle macchine. Analisi, proporzionamento, costruzione, montaggio e
manutenzione dei collegamenti fissi e mobili, dei sistemi elastici e dei principali mezzi per la
realizzazione di coppie cinematiche, per la trasmissione del moto e per il convogliamento dei
fluidi.
Saldature, incollaggi, chiodature, rivettature. Unioni mediante forzamento. Collegamenti per
mezzo di filettature. Accoppiamenti di forma. Altri tipi di elementi di collegamento.
Molle di flessione e di torsione, molle a tazza, altri tipi di elementi elastici metallici e non
metallici.
Cuscinetti, guide prismatiche e viti di manovra: principali tipi con attrito volvente e con attrito
radente. Lubrificanti, forme e sistemi di lubrificazione. Cenni sui cuscinetti magnetici e sui
cuscinetti a gas.
Guarnizioni di tenuta statiche e dinamiche, sia a strisciamento che senza contatto.
Assi ed alberi. Giunti: principali tipi. Innesti a denti ed a frizione. Ruote libere. Freni.
Trasmissioni con organi flessibili: cavi, cinghie, catene ed alberi flessibili.
Trasmissioni con ruote di frizione; cenni sui variatori meccanici. Cenni sui giunti-convertitori
oleoidraulici.
Trasmissioni con ingranaggi. Dimensionamento e verifica della ruote dentate ad evolvente nelle
loro varie tipologie. Cenni ad altri tipi di dentatura. Costruzione e montaggio di rotismi e di
riduttori o moltiplicatori ad ingranaggi. Cenni ad altri tipi di riduttori (harmonic drives, etc.).
Aspetti fondamentali di progettazione circa tubazioni, raccordi per fluidi, recipienti in pressione.
Richiami su: pompe, motori, valvole ed attuatori oleoidraulici e pneumatici.
Cenni alle principali normative applicabili ai fini della costruzione o verifica dei suddetti
elementi costruttivi.
ESERCITAZIONI. Nella prima parte del corso saranno svolti in aula alcuni esercizi introduttivi,
utilizzando concetti già noti. Nella seconda parte, in collaborazione con l’insegnamento di
Strutture Aerospaziali, saranno svolti esercizi su elaboratore per apprendere il pratico uso di
software di disegno e di analisi di tipo industriale (codice ANSYS, codice ADAMS).
Sarà infine svolto il progetto costruttivo ed, in parte, produttivo di un semplice gruppo
meccanico, scelto tra alcuni temi proposti dal docente oppure scelto autonomamente dagli allievi.
Gli allievi svilupperanno le varie fasi della progettazione, redigendo le specifiche tecniche,
elaborando il disegno d’assieme (complessivo di montaggio) ed i disegni costruttivi di un
limitato numero (3 per ogni gruppo di allievi) di particolari significativi. Inoltre redigeranno una
breve relazione che dovrà dimostrare la rispondenza alle specifiche, la fattibilità e l'adeguatezza
della soluzione disegnata.
E' incoraggiato sia il lavoro in gruppi di 2 o 3 allievi sullo stesso tema di progetto, sia l'impiego
di software di analisi FEM e di disegno CAD, sia degli altri mezzi di supporto informatico
accessibili tramite il Centro di Servizi Informatici della Facoltà d’Ingegneria.
ORARIO DI RICEVIMENTO PER LA REVISIONE DELLE ESERCITAZIONI
Docente: Giovedi’ ore 15.30-18.30
MATERIALE DIDATTICO
I testi consigliati sono
R. Juvinall, K. Marshek - Fondamenti della progettazione dei componenti delle macchine –
2.a ristampa, Ed.ETS - 2000 (traduzione con addenda della 2.a edizione in inglese, ed.
J.Wiley)
E. Ciulli - Elementi di meccanica - Ed. PLUS, 2002
Lo studio relativo a materiali e componenti di macchine potrà essere condotto – in alternativa al
testo di Juvinall e Marshek - su uno qualsiasi dei seguenti altri testi:
G. Nerli – Costruzione di macchine - Ed. Noccioli, 2005
Shigley, Mischke – Progetto e costruzione di macchine - Ed. Mc Graw Hill, 2005
Hamrock, Jacobson, Schmidt - Fundamentals of machine elements – Ed. Mc Graw Hill, 1999
Niemann, Winter, Höhn - Maschinenelemente - Ed. Springer, 2005
Letture integrative
E. Manfredi: Una introduzione alla progettazione e costruzione di macchine, Ed. PLUS, 2004
De Paulis, E. Manfredi - Lezioni di costruzione di macchine di Lucio Lazzarino – Ed. PLUS,
2005
R. Nordmann, H. Birkhofer, Elementi di macchine e meccatronica, Mc Graw Hill, 2005
Riviste: Progettare, Il progettista meccanico, RMO, Machine Design, Konstruktion
.
Ai fini dell’esercitazione di progettazione è consigliato l’uso di uno qualsiasi tra i seguenti
manuali:
• Manuale di Ingegneria meccanica del Dubbel - 2 voll.- traduzione 15.a ed. - E.S.T./Springer,
1985
• Dubbel's Mechanical Engineering Handbook - 17th ed. – Ed. Springer, 1994 (o, meglio, 21.a
ed. in tedesco, Ed. Springer)
• Manuale dell'Ingegnere meccanico – 2.a ed. - Hoepli, 2005
• Baldassini - Vademecum del disegnatore e del tecnico - 19.a ed. - Hoepli, 2002
• Manuale dell'Ingegnere "Nuovo Colombo" - 3 voll. più indice - 84.a ed. - Hoepli, 2002
MODALITA' DI SVOLGIMENTO DELL'ESAME.
L'esame si basa su:
la discussione del progetto svolto come esercitazione,
una prova pratica consistente nell'impostazione (tramite un disegno schematico) della
soluzione di un semplice problema di progettazione meccanica (vedi esempio in
allegato).
una parte orale, sul contenuto del programma.
DINAMICA DEL VOLO
DOCENZA
Docente: Prof. Eugenio DENTI
Tel: 050-2217263
Fax: 050-2217244
e-mail: v. pagina web
WEB: http://www2.ing.unipi.it/~d7485
Collaboratori: Ing. Francesco Schettini, Ing. Veronica Poggi
Sede: Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale
Tel: 050-2217225
Il corso intende fornire allo studente le nozioni essenziali relative al comportamento dinamico del
velivolo ad ala rigida attraverso l’esame delle risposte ai comandi del pilota ed ai disturbi
atmosferici. Dette risposte vengono studiate per via analitica e numerica, correlandone le
caratteristiche con i parametri architetturali del velivolo e con le condizioni di volo. Obiettivo
fondamentale è la familiarizzazione con le problematiche legate alle qualità di volo ed
all’interazione uomo-macchina e con le relative normative e criteri di progetto. Ulteriore obiettivo è
il consolidamento delle conoscenze sugli strumenti fondamentali per l’analisi della dinamica dei
sistemi lineari e la sintesi dei sistemi di controllo di tipo SAS e AUTOPILOTA.
CONTENUTI DEL CORSO
Modello non lineare e trim
Modello non lineare della dinamica del velivolo rigido. Equazioni di equilibrio su traiettorie
stazionarie: volo elicoidale, virata, volo rettilineo. Problema del trim nel caso generale di volo
elicoidale stazionario. Regolazione della traiettoria mediante i comandi di volo.
Modello linearizzato
Linearizzazione delle equazioni del moto del velivolo in condizioni di volo rettilineo.
Linearizzazione delle forze aerodinamiche e propulsive: definizione delle derivate aerodinamiche di
stabilità, dipendenza dalle variabili di perturbazione, disaccoppiamento aerodinamico ed inerziale.
Derivate con apice. Inquadramento dell'approccio linearizzato nel contesto delle metodologie di
progetto di sistemi di controllo automatico.
Struttura delle funzioni di trasferimento delle risposte ai comandi ed ai disturbi, importanza e
significato fisico dei guadagni aerodinamici e dei guadagni statici. Approssimazione delle funzioni
di trasferimento in bassa ed alta frequenza e correlazione con le risposte nel dominio del tempo.
Modelli approssimati e risposta ai comandi ed ai disturbi
Modelli approssimati di corto periodo, lungo periodo, rollio, dutch-roll e spirale: ipotesi di base,
interpretazione fisica e deduzione di espressioni approssimate degli zeri e dei poli delle principali
funzioni di trasferimento.
Risposte ai comandi nel dominio del tempo. Equilibrio del velivolo a regime e regolazione della
traiettoria di regime mediante i comandi di volo (parallelo lineare – non lineare).
Ruolo del punto di manovra, condizioni di stabilità marginale e condizioni di validità del modello di
cortoperiodo. Condizioni di instabilità nel lungo periodo e meccanismo fisico del tuck mode. Effetti
sulla dinamica dello spostamento del baricentro. Meccanismo fisico alla base del moto spirale e
della relativa stabilità o instabilità.
Modellizzazione degli effetti delle raffiche nel piano longitudinale e laterodirezionale e risposta del
velivolo ai disturbi atmosferici.
Qualità di volo
Introduzione alle qualità di volo e note storiche: requisiti sui poli ed importanza degli zeri. Requisiti
regolamentari: norme MIL F 8785C, serie MIL 1779 e classificazione dei requisiti.
Il controllo del velivolo
Sistemi di controllo automatico di tipo SAS e autopilota. Indici delle prestazioni e criteri di
chiusura. Sensori ed attuatori e loro modellizzazione.
Retroazione sull'equilibratore delle seguenti variabili: angolo e velocità di beccheggio, errore di
velocità, angolo di incidenza, accelerazione normale, quota. Esame delle conseguenti modificazioni
del comportamento dinamico del velivolo.
Controllo dell'angolo di assetto, della quota, della velocità e della pendenza della traiettoria.
Retroazione sull'alettone delle seguenti variabili: angolo e velocità angolare di rollio, angolo di
derapata, velocità di imbardata, accelerazione laterale. Retroazione sul comando di timone di
direzione delle seguenti variabili: angolo di rotta, velocità angolare di imbardata, angolo di
derapata, accelerazione laterale. Esame delle conseguenti modificazioni del comportamento
dinamico del velivolo.
Controllo dell'angolo di rollio. Coordinatore di virata. Sistema di soppressione dell'angolo di
derapata.
Esercitazioni
Le esercitazioni riguardano applicazioni numeriche sulla costruzione delle funzioni di trasferimento
di velivoli di assegnate caratteristiche aerodinamiche ed inerziali, sul calcolo della risposta del
velivolo a comandi ed ai disturbi, sull'esame di un problema di ciclo chiuso mediante il luogo delle
radici ed i diagrammi generalizzati di Bode e con l'ausilio di appositi programmi di calcolo.
MATERIALE DIDATTICO
Materiale fondamentale:
- Appunti del docente
- D. Mc Ruer, I. Ashkenas, D.Graham "Aircraft Dynamics and Automatic Control" Princeton
University Press 1973.
Consultazione:
- D. McLean "Automatic Flight Control Systems" Prentice Hall Internat. Ldt 1990.
- B. Etkin "Dynamics of Atmospheric Flight" John Wiley & Sons, Inc. 1972.
- J. H. Blakelock "Automatic Control of Aircraft and Missiles" J.Wiley & S., 1991.
L'esame consiste in una prova orale.
DINAMICA DEL VOLO DEGLI ELICOTTERI
DOCENZA
Docente: Prof. Attilio SALVETTI
Tel.: 0502217211
Fax: 0502217244
CONTENUTI DEL CORSO
Elementi costruttivi
- Cenni storici sulla nascita e l’evoluzione dell’elicottero.
- Il rotore: analisi delle diverse tipologie di rotore; sistemi di articolazione delle pale;
collegamenti pala-rotore.
- Analisi dei principali comandi di volo.
Richiami di meccanica
- Grandezze scalari e vettoriali
- Definizione di terna inerziale e terna mobile
- Calcolo delle componenti di accelerazione di un generico punto della pala
- Momenti e prodotti d’inerzia
Studio dei moti della pala
- Equazione del moto di flapping
- Equazione del moto di lagging
- Equazione del moto di feathering
trim dell’elicottero
- Impostazione generale del problema
- Equilibrio nel piano longitudinale
- Equilibrio nel piano laterale
- Effetto della coda
- Calcolo delle performance in volo avanzato
Aerodinamica del rotore
- Considerazioni generali
- Teoria del disco attuatore
- Teoria dell’elemento di pala
- Calcolo delle caratteristiche in hovering e in volo avanzato
- Velocità indotta: modello di Glauert e metodo di Mangler-Squire
Autorotazione
Autonomia oraria e chilometrica
Dinamica, Stabilità e Controllo
- Considerazioni generali
- Dinamica longitudinale e laterale dell’elicottero
- Analisi delle principali derivate aerodinamiche
MATERIALE DIDATTICO
Testi consigliati: “Helicopter Dynamics”, A. R. S. Bramwell - Edward Arnold
ENDOREATTORI I
DOCENZA
Docente: Prof. Luca D’AGOSTINO
Tel: 050-2217211
Fax: 050-2217244
Fornire allo studente le nozioni necessarie per comprendere il funzionamento degli endoreattori a
propellente chimico ed affrontarne i principali problemi di analisi, progettazione, integrazione ed
impiego.
CONTENUTI DEL CORSO
Fondamenti di Propulsione a Razzo. Sistemi e tecnologie di propulsione a razzo; bilanci di massa,
momento ed energia; prestazioni dei razzi liberi, parametri di prestazione, razzi a uno o più stadi,
ottimizzazione dei razzi multistadio, Ottimizzazione dei razzi elettrici.
Analisi di Missione. Atmosfera, meccanica orbitale, orbite ellittiche, perturbazioni, manovre,
trasferimenti impulsivi ed a bassa spinta, lancio, ascesa in orbita, rientro nell’atmosfera.
Prestazioni dei Razzi a Propellenti Chimici. Parametri caratteristici delle prestazioni; ugelli:
espansione ottimale, configurazione del flusso, ugelli a campana, limitazioni operative,
ottimizzazione, ugelli non convenzionali; razzi a gas greddo.
Razzi a Propellenti Solidi. Architettura, generalità e classificazioni; propellenti solidi; combustione,
instabilità, transitorio di accensione, effetti di flusso bifase, trasferimento del calore, protezioni
termiche.
Razzi a Propellenti Liquidi. Architettura, generalità e classificazioni; propellenti liquidi; mono-, bie tri-propellenti, combustione, prestazioni, effetti di non-equilibrio, iniezione, dimensionamento
della camera di combustione, instabilità (accoppiamento con l’iniezione e con la spinta), gestione e
cicli del propellente, serbatoi e sciabordio, raffreddamento rigenerativo.
Razzi Ibridi. Generalità, velocità di regressione e sua distribuzione assiale, rapporto
ossidante/combustibile, lunghezza del grano, storia di combustioone, pressione in camera, spinta,
effetti della temperatura del grano, della radiazione termica e della velocità di reazione.
Turbomacchine. Generalità, tipologie ed architetture, equazione di Eulero, rendimenti,
.sollecitazioni e materiali, triangoli di velocità, parametri caratteristici, similitudine; turbopompe,
induttori, compressori, turbine e turbine idruliche. Macchine assiali: velocità del flusso, palettature,
forze fluidodinamiche su schiere di profili, perdite; compressori: instabilità del flusso; turbine:
grado di reazione, criticità dei distributori, temperature di ristagno. Macchine radiali: schiere di
profili radiali, scorrimento. Turbopompe cavitanti: parametri caratteristici e di similitudine,
prestazioni di pompaggio ed aspirazione, cavitazione termica. Instabilità indotte dalla cavitazione:
classificazione e caratteristiche, cavitazione rotante, oscillazioni autoindotte, forze rotodinamiche,
oscillazioni dell’intero sistema di alimentazione, oscillazioni con accoppiamento propulsivo
(POGO).
Missilistica. Missione e prestazioni; sistemi propulsivi a razzo; traiettorie d’intercettazione a breve e
lungo raggio; ottimizzazione; sistemi propulsivi Missili a propellente solido: progettazione del
sistema, requisiti, specifiche, architettura; sviluppo del progetto, tipi, geometria e scelta dei
propellenti; progetto del grano, .dell’ugello e della camera di combustione (geometria, tecnologia,
materiali, componenti e processi produttivi), vita utile, controllo vettoriale della spinta. Missili a
propellente liquido: progettazione del sistema, requisiti, specifiche, architettura; sviluppo del
progetto, monopropellenti, bipropellenti, propellenti gellificati; scelta e gestione dei propellenti;
stoccaggio ed alimentazione.
MATERIALE DIDATTICO
Trasparenze preparate dal docente.
I testi consigliati per l’approfondimento dei principali argomenti trattati nel corso sono:
• Hill P., Peterson C., 1992, “Mechanics and Thermodynamics of Propulsion”, Addison
Wesley Publ. Co., 2nd edition (fondamenti della termofluidodinamica e della propulsione
aeronautica a turbina e spaziale a razzo).
• Sutton G. P., 1992 , “Rocket Propulsion Elements”, John Wiley & Sons (fondamenti della
propulsione spaziale a razzo con maggiori dettagli).
• Humble R.W., Henry G.N. and Larson W.J., 1995, “Space Propulsion Analysis and
Design”, McGraw Hill College Custom Series (fondamenti della propulsione spaziale a
razzo con taglio orientato soprattutto verso gli aspetti tecnologici).
• Huzel D. K. and Huang D. H., 1992, “Modern Engineering for Design of Liquid-Propellant
Rocket Engines”, AIAA (fondamenti della propulsione a razzo a propellenti liquidi con
taglio orientato soprattutto verso gli aspetti tecnologici).
• Jensen G. E. & Netzer T. W., editors, 1996, “Tactical Missile Propulsion”, AIAA, Progress
in Aeronautics and Astronautics, Vol. 170 (propulsione missilistica).
L’esame consiste in:
• risoluzione scritta o alla lavagna di uno o più problemi attinenti il programma svolto
• domande ed esposizione di argomenti compresi nel programma del corso.
L’esame è volto a verificare il grado di comprensione della materia e la capacità di utilizzarla per
elaborare soluzioni originali.
ENDOREATTORI II
DOCENZA
Tel: 050-2217211
Fax: 050-2217244
Fornire allo studente le nozioni necessarie per comprendere il funzionamento dei sistemi propulsivi
transatmosferici ed affrontarne i principali problemi di analisi, progettazione, integrazione ed
impiego.
CONTENUTI DEL CORSO
Sistemi e Tecnologie di Propulsione Transatmosferica. Ramjets, scramjets, turboramjets, air
turborockets, liquid-air collection engines, air-augmented rockets, ducted rockets, pulse detonation
engines, motori a ciclo variabile.
Prestazioni dei Propulsori Transatmosferici. Bilanci di massa, momento ed energia; prestazioni e
parametri caratteristici, fattori di perdita; campi d’impiego; integrazione nel veicolo; ottimizzazione.
Analisi di Missione. Decollo, ascesa ed accelerazione, crociera, manovre, rientro nell’atmosfera.
Componenti. Diffusori subsonici, supersonici e ipersonici; ugelli; iniezione e mescolamento del
combustibile; sistemi di raccolta dell’aria e dell’ossigeno.
Ramjets, Scramjets, Turboramjets e Motori a Ciclo Variabile. Architettura; ciclo del fluido motore;
combustibili; combustione subsonica; combustione supersonica; raffreddamento; gestione
energetica e termica del sistema propulsivo; integrazione nel veicolo.
Rocket-Based Combined Cycle Engines (air turborockets, air-augmented rockets, ducted rockets).
Architettura; ciclo del fluido motore; propellenti; combustione; raffreddamento; integrazione e
ottimizzazione del sistema propulsivo.
Liquid-Air Collection Engines. Architettura; ciclo del fluido motore; sistemi di raccolta dell’aria e
di separazione dell’ossigeno; combustibili e combustione; raffreddamento; integrazione del sistema
propulsivo nel veicolo.
Pulse Detonation Engines. Architettura; teoria e principi di funzionamento; analisi delle prestazioni;
propellenti; combustione; raffreddamento; integrazione del sistema propulsivo.
MATERIALE DIDATTICO
• Kerrebrock, 1992, “Aircraft Engines and Gas Turbines”, Cambridge University Press, 2nd
edition (fondamenti dei turboreattori per la propulsione aeronautica e transatmosferica,
focalizzato sui concetti di base più che sui dettagli tecnologici e realizzativi).
• Murthy S.N.B. and Murray E.T., ed., 1996, “Developments in High-Speed Propulsion
Systems”, Progress in Astronautics and Aeronautics, Vol. 165, AIAA (raccoglie contributi
sull’argomento di vari autori).
• risoluzione scritta o alla lavagna di uno o più problemi attinenti il programma svolto
•
domande ed esposizione di argomenti compresi nel programma del corso.
FLUIDODINAMICA COMPUTAZIONALE
DOCENTE
Docente: Prof.ssa Maria-Vittoria SALVETTI
Tel: +39 050 2217262
Fax: +39 050 2217244
WEB: http://www2.ing.unipi.it/~d8303/, http://dottorato.dia.ing.unipi.it/Struttura/Vice.asp
Il corso ha l’obiettivo di fornire agli studenti una conoscenza dei principali metodi di
discretizzazione numerica delle equazioni alle derivate parziali, che permetta l’utilizzo critico e
l’implementazione pratica di tali metodi in un linguaggio di programmazione. Nell’ambito del corso
vengono inoltre forniti esempi di programmazione in ambiente Matlab.
CONTENUTI DEL CORSO
Argomenti propedeutici di calcolo numerico: soluzione numerica di sistemi lineari, integrazione e
interpolazione numerica, metodi per l’integrazione numerica delle equazioni differenziali ordinarie.
Nozioni matematiche generali e classificazione delle equazioni alle derivate parziali. Metodi alle
differenze finite applicati a problemi ellittici. Metodi basati sulla formulazione variazionale
applicati ad equazioni ellittiche: elementi finiti, metodi spettrali. Problemi non stazionari:
discretizzazione della derivata temporale e avanzamento nel tempo. Problemi di convezionediffusione con la parte convettiva dominante. Discretizzazione delle equazioni iperboliche lineari.
Metodo ai volumi finiti. Esercitazioni in ambiente Matlab sui vari argomenti trattati.
MATERIALE DIDATTICO
Fotocopie dei lucidi presentati a lezione.
Assegnazione di un “progettino” consistente in: discretizzazione di un problema con uno o più dei
metodi studiati, implementazione dei metodi in ambiente Matlab, studio teorico e pratico delle
proprietà di tali metodi, redazione di una relazione scritta. L’esame consiste nella presentazione
orale del progetto e in domande orali riguardanti il corso.
IMPIANTI AERONAUTICI II
DOCENZA
Docente: Prof. Roberto GALATOLO
Tel. 050-2217211 – Fax 050-2217244
e-mail [email protected]
Collaboratore: Ing. Gianpietro Di Rito
PROPEDEUTICITA’: nessuna
FINALITA’ ED OBIETTIVI DELL’INSEGNAMENTO
Il corso ha lo scopo di fornire allo studente approfondimenti sui sistemi primari di attuazione e di
controllo automatico del volo. In particolare, viene descritto il principio di funzionamento dei
principali sensori di bordo per sistemi Fly-by-Wire e per sistemi di navigazione tradizionali e
avanzati.
CONTENUTI DEL CORSO
AFFIDABILITA' E SICUREZZA
Richiami. Disponibilità di sistemi riparabili. Modelli Markoviani. Approfondimenti sulle normative
per la certificazione aeronautica.
APPROFONDIMENTI SUI SISTEMI DI ATTUAZIONE DEI COMANDI DI VOLO
Servovalvola ad azionamento diretto per attuatori idraulici: principio di funzionamento e modello
matematico. Attuatori elettroidraulici EHA. Azionamenti elettrici: principio di funzionamento del
motore brushless. Fenomeni aeroservoelastici.
SISTEMI Fly-by-Wire
Confronto tra architetture tipiche (Airbus 330/340, Boeing 777, EAP). Principio di funzionamento
di bus digitali: MIL-1553, ARINC-429, ARINC-629. Principali sensori di bordo per la misura di
grandezze fisiche: sensori di posizione, sensori di accelerazione, sensori di velocità angolare
tradizionali (Ring Laser Gyro) e sensori basati su tecnologie MEMS, sensori dei dati-aria.
Problematiche relative all’elaborazione dei segnali dai sensori dati-aria per la derivazione dei
parametri di volo (Pt, Ps, α, β).
STRUMENTI DI VOLO E SISTEMI DI NAVIGAZIONE
Sistemi di Navigazione. Carte nautiche. Navigazione stimata e a vista.
Navigazione radiogoniometrica: sistemi DF, ADF, NDB, VOR-DME e TACAN.
Navigazione inerziale: sistemi a piattaforma compensata e a piattaforma analitica Strapdown.
Inizializzazione di un sistema INS. Precisioni tipiche. Equazioni per la piattaforma Strapdown.
Navigazione satellitare GNSS: sistemi GPS e GALILEO. Funzionamento, errori e precisioni
tipiche. Determinazione dell’assetto con ricevitori satellitari multipli.
Navigazione integrata INS-GNSS mediante filtro di Kalman. Principio di funzionamento e
vantaggi.
Avvicinamento strumentale: sistemi ILS e MLS. Sistemi satellitari differenziali DGPS.
Strumentazione elettronica: Rappresentazione delle informazioni su display elettronici. Sistemi
EFIS a tre e a cinque display. Strumenti integrati: HSI.
ESERCITAZIONI: Dimensionamento di massima di attuatori primari, valutazione dell’effetto
dell’accuratezza dei sensori sulle prestazioni dei sistemi di controllo del volo e dei sistemi di
navigazione. Tecnica del filtro di Kalman applicata alla navigazione integrata.
MATERIALE DIDATTICO
-
Materiale didattico distribuito dal docente
Patrick D.T. O’Connor, “Pratical Reliability Engineering”John Wiley&Sons, 1985
Ian Moir, Allan Seabridge, “Aircraft Systems”, Professional Engineering Publishing, 2001
Ian Moir, Allan Seabridge, “Civil Avionics Systems”, Professional Eng. Publishing, 2003
E.H.J. Pallet, S. Coyle, “Automatic Flight Control”, Blackwell Science, 1993
E.H.J. Pallet, “Aircraft Instruments and Integrated Systems”, Longman, 1997
M. Kayton, W.R. Fried, “Avionics Navigation Systems”, John Wiley & Sons, 1997
MODALITA' DI SVOLGIMENTO DELL’ESAME
L'esame consiste in una prova orale. Iscrizione presso il Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale.
MECCANICA DEL VOLO
DOCENZA
Docente: Prof. Carlo CASAROSA
Tel 050 2217211, Fax 050 2217244
L’insegnamento di Meccanica del Volo si propone di fornire agli allievi le metodologie di base per
valutare le caratteristiche di prestazioni e di stabilità e controllo dei velivoli utilizzabili sia ai fini
progettativi che di gestione degli aeromobili.
CONTENUTI DEL CORSO
Introduzione : La classificazione delle macchine volanti. Definizione e caratteristiche
dell’atmosfera tipo internazionale. Diagramma di manovra, diagramma di raffica, inviluppo di volo.
La misura della velocità a bordo dei velivoli. Le equazioni del moto dei velivoli: Le equazioni
cardinali della meccanica dei corpi rigidi. Trasformazioni di coordinate. Sistemi di riferimento. Le
equazioni delle forze nei sistemi di riferimento considerati. Possibile semplificazione delle
equazioni delle forze. Le equazioni dei momenti. Modelli matematici completi della dinamica dei
velivoli. Specializzazione delle equazioni del moto allo studio delle prestazioni dei velivoli. Ipotesi
di moto quasi stazionario. Scelta dei sistemi di riferimento. Le forze aerodinamiche che agiscono
sui velivoli. La polare. La curva delle trazioni e delle potenze necessarie. Le forze propulsive. Le
prestazioni dei velivoli: Le prestazioni dei velivoli propulsi a getto e ad elica in condizioni di volo
livellato e quasi livellato. Le prestazioni dei velivoli propulsi a getto e ad elica su traiettorie di
salita. Le prestazioni dei velivoli su traiettorie di discesa. Le prestazioni dei velivoli su traiettorie
svolgentesi nel piano orizzontale. Le manovre di decollo e di atterraggio Specializzazione delle
equazioni del moto allo studio della dinamica dei velivoli: Linearizzazione delle equazioni. Scelta
dei sistemi di riferimento. Esplicitazione delle forze e dei momenti aerodinamici. Le derivate
aerodinamiche. Caratteristiche aeromeccaniche longitudinali: Forze e momenti nel piano
longitudinale. Rigidezza in beccheggio. Punto neutro. Controllabilità longitudinale. Effetti del
margine di stabilità sulla controllabilità longitudinale. Il momento di cerniera delle superfici mobili.
Rigidezza in beccheggio a comandi liberi. Sforzi di barra. Manovrabilità del velivolo. Punto di
manovra e margine di manovra a comandi fissi e comandi liberi. Incrementi degli angoli di barra e
degli sforzi di barra per “g”. Effetti della cinematica delle linee di comando. Dinamica
longitudinale: Equazione caratteristica ed autovalori del sistema. Stabilità longitudinale. Autovettori
e modi propri longitudinali. Analisi approssimata dei modi di lungo e di corto periodo. Risposta ai
comandi nel piano longitudinale. Caratteristiche aeromeccaniche latero-direzionali: Rigidezza del
velivolo in imbardata. Controllo in imbardata. Effetto diedro. Controllo in rollio. Forze e momenti
di accoppiamento derivanti dalle azioni di controllo. Forze e momenti derivanti dalle velocità
angolari.Dinamica latero-direzionale: Equazione caratteristica ed autovalori del sistema. Autovettori
e modi propri latero-direzionali. Analisi approssimata del modo spirale. Stabilità del modo spirale.
Analisi approssimata dei modi di rollio e dutch-roll. Risposta ai comandi nel piano latero
direzionale.
MATERIALE DIDATTICO
Dispense del docente
MODALITA’ DI SVOLGIMENTO DELL’ESAME
•
•
Iscrizione all’esame tramite moduli disponibili presso il Dipartimento di Ingegneria
Aerospaziale.
Solo prova orale.
MECCANICA DEL VOLO SPAZIALE I
DOCENZA
Docente: Prof. Giovanni MENGALI
Tel: +39 050 2217258
Fax: +39 50 2217244
Email: [email protected]
http://orione.ing.unipi.it/people/mengali.htm
Propedeuticità: nessuna
L’insegnamento ha lo scopo di introdurre le equazioni e gli aspetti fisici fondamentali della
meccanica del volo dei satelliti, definendo le metodologie per lo studio delle manovre orbitali, della
meccanica orbitale in ambito kepleriano (problema dei due corpi) e non kepleriano.
CONTENUTI DEL CORSO
1. Problemi di Meccanica Celeste
Il problema degli n corpi. Potenziale gravitazionale. Il problema dei due corpi. Richiami di
proprietà geometriche delle coniche. Legami sussistenti tra le costanti del moto e la geometria
dell'orbita. Calcolo del periodo orbitale e dimostrazione delle leggi di Keplero.
2. Sistemi di riferimento e misura del tempo
Richiami di geografia astronomica. Sistemi di riferimento: Eliocentrico-Eclittico; GeocentricoEquatoriale; Topocentrico-Orizzontale; Perifocale. Fenomeno della precessione degli equinozi.
Misura del tempo: tempo solare e tempo siderale. La data Giuliana.
3. Orbite kepleriane
Definizione dei sei elementi orbitali classici. Trasformazioni di coordinate tra i vari sistemi di
riferimento. Calcolo dell'orbita dati 3 vettori posizione. Calcolo dell'orbita in base a misure
angolari. Tempo di volo su orbita ellittica: Equazione di Keplero. Tempo di volo su orbita
parabolica e iperbolica. Formule universali per le orbite coniche. Calcolo dei vettori posizione e
velocità con i coefficienti di Lagrange. Espansione in serie f e g (metodo di Gauss). Metodi
numerici per il calcolo dell'anomalia eccentrica. Problema di Lambert e sua soluzione nel caso di
orbita ellittica. Interpretazione geometrica degli angoli alfa e beta. Soluzione generale del problema
di Lambert.
4. Manovre orbitali
Equazione della dinamica dei razzi. Manovre impulsive ad un impulso e a due impulsi
(trasferimenti alla Hohmann e manovre biellittiche). Manovre impulsive a tre impulsi: complanari e
con cambiamento di piano orbitale. Trasferimento orbitale tra orbite ellittiche. Trasferimenti orbitali
con impulso fissato. Finestra di lancio. Trasferimenti con spinte basse. Perdite di gravità. Manovre
di rifasamento. Rifasamento in orbita. Equazioni relative satellite-bersaglio nella fase finale di
rendez vous. Equazioni linearizzate di Hill. Calcolo dei V per la manovra di rendez vous.
MATERIALE DIDATTICO
Mengali G. Meccanica del Volo Spaziale – Edizioni PLUS Università di Pisa, Pisa, 2001, ISBN:
88-8492-087-6.
L’esame comprende una prova scritta ed una orale.
MECCANICA DEL VOLO SPAZIALE II
DOCENZA
Tel: +39 050 2217258
Fax: +39 50 2217244
Propedeuticità: Meccanica del volo spaziale I
Oltre ad un completamento del corso di Meccanica del Volo Spaziale I, con lo studio degli effetti
perturbativi sul moto del satellite e l’analisi di missione, l’insegnamento ha lo scopo di introdurre le
equazioni e gli aspetti fisici fondamentali del moto dei satelliti attorno al centro di massa, definendo
le caratteristiche di risposta propria del sistema, le principali fonti di disturbo e le tecniche di
controllo passivo ed attivo.
CONTENUTI DEL CORSO
1. Perturbazioni orbitali
Moto del satellite in presenza di effetti perturbativi. Il metodo di Cowell. Il metodo di Encke.
Calcolo della derivata temporale degli elementi orbitali dovuta alle forze perturbative. Effetto della
resistenza atmosferica sugli elementi orbitali. Effetto dello schiacciamento dei poli terrestri. Calcolo
dell'inclinazione critica di un’orbita. Perturbazioni orbitali introdotte da un terzo corpo. Traiettorie
interplanetarie. Sfere di influenza. Metodo delle coniche raccordate.
2. Moto di assetto di un satellite
Richiami di meccanica dei corpi rigidi. Terne di riferimento. Angoli di Eulero. Equazioni di Eulero.
Satelliti stabilizzati a singolo spin. Condizioni di stabilità delle nutazioni. Stabilità delle rotazioni
attorno agli assi principali di inerzia. Stabilizzazione di satelliti in presenza di dissipazione di
energia. Controllo della velocità angolare di spin con meccanismo dello yo-yo. Dinamica dei
satelliti stabilizzati a doppio spin. Smorzamento passivo delle nutazioni. Dinamica di satelliti a tre
gradi di libertà attorno al baricentro. Calcolo del gradiente di gravità. Dinamica dei satelliti
stabilizzati a gradiente di gravità. Calcolo della coppia di pressione solare. Dinamica di satelliti con
rotori interni. Controllo attivo dei satelliti. Dinamica e controllo di assetto. Dinamica e controllo di
rollio ed imbardata.
MATERIALE DIDATTICO
Mengali G. Meccanica del Volo Spaziale – Edizioni PLUS Università di Pisa, Pisa, 2001, ISBN:
88-8492-087-6.
L’esame è orale.
PROPULSIONE ELETTRICA I
DOCENZA
Docente: Prof. Mariano ANDRENUCCI
Tel: 050-2217211
Fax: 050-2217244
FINALITA’ ED OBBIETTIVI DELL’INSEGNAMENTO
FINALITÀ DEL CORSO:
Conferire allo studente le preparazione di base necessaria per affrontare lo,studio e la sperimentazione dei
propulsori elettrici di impiego spaziale.
OBIETTIVI DELL'INSEGNAMENTO:
Fornire allo studente le conoscenze di base di fisica dei plasmi ed illustrarne l'applicazione all'analisi del
processo accelerativo nei propulsori elettrici di impiego spaziale.
CONTENUTI DEL CORSO
• Argomenti Introduttivi.
I propulsori elettrici come propulsori a plasma. Definizione di plasma. Parametri adimensionali di
base. Lunghezza di Debye e frequenza di plasma. Schermatura di Debye. Equilibrio di Sana.
Generalità sulle collisioni.
• Teoria cinetica. Spazio delle fasi. Funzione di distribuzione. Equazione di Boltzman. Il metodo dei
momenti. Momenti di velocità della funzione di distribuzione. Distribuzione di Maxwell Boltzmann.
Velocità medie. Relazioni con l'energia cinetica. Il concetto di temperatura. Relazioni con la
pressione. Distribuzione maxwelliana locale. Effetti del campo elettrico. Quasi-neutralità. Equazioni
fluide. Equazione di continuità. Equazione di conservazione della quantità di moto. II tensore di
pressione. Equazione di conservazione dell'energia. L'approssimazione di plasma. Confronto con 1'
idrodinamica ordinaria. Processi collisionali. Equazione di Fokker-Plank. Cammino libero medio.
Collisioni coulombiane. Trasferimento di energia nelle collisioni ione elettrone.
•
Plasmi in campo elettrico. Equilibrio in campo elettrico. Parametri di diffusione. Resistività.
Diffusione ambipolare. Evoluzione temporale. Rottura del plasma. Legge di Paschen. Caratteristica
tensione-corrente. Le guaine. Confine plasma-guaina. Confine guaina-parete. Flusso di particene
verso una parete. Potenziale del plasma e potenziale di parete. Sonde di Langmuir.
•
Moto di particelle singole.. Moto campi costanti ed uniformi. Moto in solo campo magnetico.
Diamagnetismo. Moto in campo elettrico e magnetico combinati. Moto in campo elettrico lentamente
variabile. Moto in campo magnetico lentamente variabile. Moto in campi non omogenei. Deriva di
curvatura. Deriva di gradiente di induzione magnetica e curvatura. Specchi magnetici.
•
Plasmi in campo Magnetico. Corrente diamagnetica. Trasporto di particelle in plasmi debolmenteionizzati. Diffusione ambipolare in campo magnetico. Conduttività in magnetoplasmi debolmente
ionizzati. Equazioni a singolo fluido. Diffusione in plasmi pienamente ionizzati. Collisioni
coulombiane in magnetoplasmi. Diffusione anomala.
•
Magnetoidrodinamica. Equilibrio MHD ideale. Pressione magnetica. Tensione magnetica. Campi
magnetici congelati. Diffusione resistiva. Equilibrio e stabilità nei plasmi. Stabilità di una colonna di
plasma percorsa da corrente. Criterio di Shafranov-Kruskal.
• Cenni sulle onde nei plasmi.
Rappresentazione delle onde. Velocità di fase e velocità di gruppo.
Oscillazioni nel plasma. Onde sonore. Onde ioniche. Onde Elettroniche. Trattamento
matematico delle onde nei plasmi. Sommario di onde elementari nei plasmi.
• Teoria generale dei propulsori a plasma. Descrizione locale a due fluidi dell'equilibrio dinamico nel
plasma. Componente elettrostatica e componente collisionale della forza di Lorentz. Parametri
adimensionali. Principali modi di accelerazione. Integrazione delle azioni elettroma-gnetiche nel canale
accelerativo. Spinta e velocità di scarico per processi di tipo elettrostatico ed elettromagnetico.
Classificazione dei propulsori elettrici: a ioni, a effetto Hall, MPD, arcogetti, resistogetti.
MATERIALE DIDATTICO
Note del corso e materiali di studio a cura del docente.
Testi consigliati per l'approfondimento dei principali argomenti trattati nel corso:
• Chen F.."Introduction to Plasma Physics and Controlied Fusion", Plenum Press, New York,
1984, Voi. 1 (Plasma Physics).
• Goldston R. J. and Rutheford, P. H., "Introduction to Plasma Physics", Insitute of Physics
Publishing, Bristol, 2000.
• Golant V. E., Zhilinsky A. P. and Sakharov I. E., "Fundamentals of Plasma Physics", John Wiley
& Sons, New York, 1980.
L'esame consiste in una prova orale comprendente la risoluzione di uno o più problemi analoghi agli
esercizi proposti durante lo svolgimento del corso.
L'esame è volto a verificare il grado di comprensione della materia e la capacità di utilizzarla per elaborare soluzioni originali
PROPULSIONE ELETTRICA II
DOCENZA
Docente: Prof. Mariano ANDRENUCCI
Tel: 050-2217211
Fax:050-2217244
e-maìl: [email protected]
FINALITA’ ED OBIETTVI DELL’INSEGNAMENTO
Conferire allo studente una preparazione specialistica in campo propulsivo estesa alle tecnologie più
avanzate o di più recente introduzione. Obiettivi dell'insegnamento:
Fornire allo studente le conoscenze riguardanti i principi di funzionamento, le prestazioni tipiche, gli
aspetti critici e lo stato di sviluppo dei propulsori elettrici di impiego spaziale, necessarie per affrontarne i principali problemi di analisi, progettazione, integrazione ed impiego.
CONTENUTI DEL CORSO
•
•
•
•
•
•
•
Introduzione. Generalità sulla propulsione elettrica. Principali tipi di propulsori. Storia dello sviluppo e stato attuale. Vantaggi e limiti di applicazione. Conseguenti strategie di missione.
Implicazioni di sistema derivanti dall'uso di propulsori elettrici.
Propulsori a Effetto Hall. Classificazione. Comportamento ideale. Effetti della geometria del
campo magnetico. Processo di ionizzazione. Perdite termiche sulle pareti del canale.
Conducibilità anomala. Altre perdite. Rendimento. Propulsori a con canale (SPT) ed a strato anodico (TAL): criteri di progetto, esempi di propulsori reali, prestazioni tipiche, criteri di scalatura,
prospettive di applicazione.
Propulsori Magnetoplasmadinamici Stazionai! Classificazione. Flusso magneto-gasdinamico in
canale unidimensionale. Comportamento ideale. Perdite termiche e viscose. Perdite nelle guaine
elettrodiche. Effetti della geometria del campo magnetico. Effetti della conduttività tensoriale.
Rendimento. Fenomeni di onset e teorie relative. Criteri di stabilità. Propulsori a campo autoindotto ed a campo applicato: criteri di progetto, esempi di propulsori reali, prestazioni tipiche, prospettive di applicazione.
Propulsori Magnetoplasmadinamici Non-stazionari. Classificazione. Processo accelerativo nei
propulsori MPD non-stazionari. Modelli dinamici. Immagazzinamento di energia e
commutazione. Rendimento. Propulsori quasi-stazionari e propulsori pulsati, a gas ed ad
ablazione di solido: criteri di progetto, esempi di propulsori reali, prestazioni tipiche, prospettive
di applicazione.
Propulsori a Ioni. Classificazione. Flussi unidimensionali con carica spaziale. Disegno del campo
accelerativo. Neutralizzazione. Fattori di perdita e rendimento. Propulsori a ioni con griglie a
bombardamento elettronico ed a radiofrequenza, propulsori ad effetto di campo (FFEP): criteri di
progetto, esempi di propulsori reali, prestazioni tipiche, prospettive di applicazione.
Altri tipi di propulsori elettrici. Cenni sui propulsori elettrotermici. Processo accelerativo. Perdite
per flusso congelato. Arcogbetti e resistogetti: ): criteri di progetto, esempi di propulsori reali,
prestazioni tipiche, prospettive di applicazione.
Sperimentazione dei propulsori elettrici. Impianti di prova per propulsori elettrici: criteri di progetto, esempi. Principali tipologie di misure di interesse nella sperimentazione di propulsori elettrici e relative tecniche diagnostiche.
MATERIALE DIDATTICO
Note del corso e materiali di studio a cura del docente.
Testi consigliati per l'approfondimento dei principali argomenti trattati nel corso:
• Jahn R. G."Physics of Electric Propulsion", McGraw-Hill, 1968.
•
Humble R., "Space Propulsion Analysis and Design", McGraw-Hill, New York, 1995,
Ch.8,"Electric Propulsion (Turchi P.)
L'esame consiste in una prova orale comprendente la risoluzione di uno o più problemi analoghi agli
esercizi proposti durante lo svolgimento del corso.
L'esame è volto a verificare il grado di comprensione della materia e la capacità di utilizzarla per elaborare soluzioni originali.
SERVOSISTEMI AEROSPAZIALI
DOCENZA
Tel: +39 050 2217258
Fax: +39 50 2217244
Propedeuticità: nessuna
Il corso ha lo scopo di far acquisire all’allievo gli elementi propedeutici alla progettazione dei
sistemi di controllo di tipico impiego sugli aeromobili ed i satelliti. Le tecniche illustrate
comprendono l’analisi dei sistemi in ambito lineare mediante l’uso delle trasformate di Laplace ed il
disegno attraverso varie tecniche nel dominio della frequenza e l’approccio nel dominio del tempo.
L’allievo sarà introdotto all’utilizzazione dei pacchetti di progettazione assistita dal calcolatore
(mediante Matlab) fin dalle prime fasi della progettazione stessa. Questa ultima attività è
quantificabile in un numero di crediti pari a 3.
CONTENUTI DEL CORSO
1. Strumenti di analisi dei sistemi lineari
Introduzione al corso: motivazioni ed obiettivi. Proprietà della retroazione mediante esempi
elementari. Struttura classica di un sistema di controllo. Modelli matematici dei sistemi fisici.
Concetto di stato e varie possibili forme di rappresentazione di un sistema nel dominio del tempo.
Definizione di una configurazione di equilibrio e linearizzazione del moto di un sistema attorno a
tale configurazione.
Definizione di linearità, tempo-invarianza, causalità. Risposta di un sistema lineare mediante
integrale di convoluzione.
Trasformata di Laplace e suo uso per lo studio del comportamento di sistemi lineari tempoinvarianti (LTI). Teoremi del valore iniziale e finale. Funzione di trasferimento. Decomposizione in
fratti semplici. Stabilità di un sistema LTI. Trasformata di coppie di poli complessi coniugati.
Definizioni di rapporto di smorzamento, pulsazione naturale e loro interpretazione geometrica.
Sistemi del primo e del secondo ordine: riposta impulsiva e al gradino. Parametri caratteristici dei
sistemi del secondo ordine: sovraelongazione, tempo di ritardo, tempo di salita, tempo di
assestamento.
Effetto di uno zero su un sistema del secondo ordine. Sistemi a fase non minima. Effetto di un polo
aggiuntivo su un sistema del secondo ordine.
Equazioni del moto del velivolo. Determinazione del sistema linearizzato in variabili di stato.
Esempi di costruzione di sistemi lineari in variabili di stato e corrispondenza nel dominio
complesso. Descrizione di un sistema lineare in variabili di stato. Diagrammi di simulazione. Forme
canoniche.
Risposte temporali di un sistema in variabili di stato. Matrice di transizione dello stato.
Trasformazione nel dominio della variabile complessa e definizione di matrice di trasferimento.
Forma modale. Approssimazioni di bassa e di alta frequenza utilizzate nello studio della risposta di
sistemi LTI.
Criterio di Routh e sue applicazioni. Algebra di sistemi a blocchi.
2. Strumenti di analisi e sintesi dei sistemi di controllo nel dominio della variabile complessa
Concetto di sensibilità. Schema generale di un sistema in retroazione e vantaggi rispetto ad un
sistema in anello aperto. Funzione di sensibilità e di sensibilità complementare. Tipo di sistema e
calcolo dell’errore a regime. Il luogo delle radici e la sua utilizzazione per la compensazione dei
sistemi LTI. Esempi di compensazione mediante rete anticipatrice, rete ritardatrice e notch filter.
Compensazione di sistemi a fase non minima. Il contorno delle radici.
Risposta in frequenza di un sistema lineare. Introduzione ai diagrammi di Bode e loro
interpretazione. Costruzione dei diagrammi di Bode. Diagrammi di Bode per sistemi a fase non
minima. Esempi di costruzione di diagrammi asintotici. Banda passante di un sistema e sua
interpretazione. Utilizzazione dei diagrammi di Bode per determinare le condizioni di stabilità di un
sistema. Margini di stabilità di un sistema: margine di fase e di guadagno. Determinazione dei
margini di stabilità sul diagramma di Bode.
Legame tra margine di fase e rapporto di smorzamento e tra pulsazione di taglio e pulsazione
naturale. Formula di Bode per i sistemi a fase minima e sua utilizzazione nella sintesi dei sistemi di
controllo. Tracciamento dei diagrammi polari. Criterio di Nyquist.
Specifiche di disegno in termini di funzione di sensibilità e di sensibilità complementare.
Limitazioni imposte da zeri e/o poli posti nel semipiano positivo. Formula dell’area. Specifiche in
termini di funzioni di sensibilità e di sensibilità complementare. Robustezza del sistema di controllo
e cenni al controllo H ∞ . Compensazione sui luoghi di Bode con reti anticipatrici, ritardatici e
regolatori standard. Schema di controllo con “antiwindup”.
3. Strumenti di analisi e sintesi dei sistemi di controllo nel dominio del tempo
Sintesi di sistemi LTI nello spazio degli stati: concetti di controllabilità ed osservabilità ed esempi
relativi. Il problema dell’assegnazione dei poli. Calcolo della matrice dei guadagni. Formula di
Ackermann. Introduzione di un segnale di riferimento.
Definizione degli zeri di un sistema multivariabile. Schema di sistema con assegnazione dei poli e
controllo integrale. Introduzione agli osservatori. Principio di separazione. Determinazione della
funzione di trasferimento del compensatore. L’introduzione di un segnale di riferimento. Cenni al
problema lineare quadratico.
4. Strumenti di analisi di sistemi nonlineari
Sistemi non lineari e stabilità secondo Lyapunov. Primo e secondo criterio di Lyapunov. Esempi
relativi.
5. Sintesi di sistemi di controllo digitali
Il teorema del campionamento e la sintesi di sistemi di controllo digitali. Cenni alla z-trasformata.
Esempi relativi.
MATERIALE DIDATTICO
1. Appunti del docente reperibili presso il Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale.
2. Esercizi svolti reperibili via web all’indirizzo: http://orione.ing.unipi.it/corsi/ese_sa/ese_sa.htm
L’esame comprende una prova scritta ed una orale.
SISTEMI SPAZIALI
DOCENZA
Docente Prof. Mariano ANDRENUCCI
Tel: 050-2217211
Fax:050-2217244
e-maìl: [email protected]
L'insegnamento ha lo scopo di illustrare gli aspetti fondamentali del progetto di veicoli spaziali: i
requisiti operativi e di impiego; le specifiche tecniche; le diverse fasi di sviluppo del progetto, dalla
concezione, alla fase preliminare, al progetto di dettaglio; la definizione e la modellazione del
sistema spaziale e dei principali sottosistemi, e i relativi criteri di calcolo e di dimensionamento; i
metodi di integrazione; gli aspetti relativi alle metodologie di organizzazione e controllo del
progetto; il lancio, gli aspetti operativi e di supporto a terra, gli aspetti logistici e di affidabilità.
CONTENUTI DEL CORSO
• Concetti introduttivi:
L’ambiente spaziale, classi di missioni, classificazione dei sistemi spaziali, configurazioni tipiche e
generalità di sistemi spaziali.
• Meccanica del volo spaziale:
fondamenti di meccanica orbitale, manovre orbitali di base, traiettorie interplanetarie, perturbazioni
orbitali, moti non kepleriani.
• Analisi di missione:
satelliti geostazionari, operazioni di stationkeeping, satelliti polari ed eliosincronici, copertura
superficie terrestre, visibilità stazioni di terra,
• Lancio:
meccanica delle traiettorie di lancio, definizione ed ottimizzazione delle traiettorie di lancio,
dimensionamento ottimale dei lanciatori, principali sistemi di lancio esistenti.
• Rientro:
Meccanica del volo di rientro, cariche aerodinamici e carichi termici durante il rientro, criteri
generali di progetto dei veicoli di rientro.
• Sottosistema di propulsione:
classificazione propulsori, coefficienti e parametri caratteristici, propulsori chimici a liquidi e a
solidi, propulsione elettrica, criteri generali di progetto,
• Sottosistema di controllo d’assetto:
richiami di dinamica del corpo rigido, perturbazioni dell’assetto di un veicolo spaziale, tecniche
passive ed attive di controllo d’assetto e sua determinazione, criteri generali di progetto del
sottositema di controllo d’assetto.
• ottosistema di potenza:
sistemi di generazione e conversione, generazione fotovoltaica, pannelli solari, altri a radioisotopi,
solare-termica, nucleare, condizionamento di potenza, accumulazione, batterie, criteri generali
progetto sottosistema di potenza.
• Sottosistema di controllo termico:
richiami di trasmissione del calore, analisi e modellizzazione termica di veicoli spaziali, tecniche
materiali, apparecchiature per il controllo termico, criteri generali di progetto del sottosistema di
controllo termico.
• Strutture a meccanismi:
configurazioni e carichi, metodologie di analisi strutturale, materiali speciali di impiego spaziale,
criteri generali di progetto strutturale.
• Telemetria telecomando e gestione dati:
formattazione di dati telemetrici, controllo a microprocessore, software per operazioni in tempo
reale, struttura del data bus di bordocriteri generali di progetto del sottosistema di telemetria e
telecomando.
• Metodologie di sintesi e controllo del progetto:
fasi del processo di progettazione e criteri di guida del progetto, metodologie di sviluppo e di
ottimizzazione del progetto, assemblaggio, integrazione e prove, aspetti logistici ed attrezzature di
supporto a terra, garanzia della qualità e sicurezza, pianificazione, organizzazione e controllo del
progetto.
MATERIALE DIDATTICO
Cornelisse e altri: “Rocket Propulsion and Spaceflight Dynamics”, Pitman, 1979
Griffin M.D. and French J.R. “Space Vehicle Design” AIAA 1991,
Agrawal B.N. “Design of Geosyncronous Spacecraft”, Prentice- Hall 1986
Larson,W.J. and Werz J.R. “Space Mission Analisys and design”, Microcosm, 1991,
Dispense e materiali di studio distrubuiti dal docente.
Prova orale comprendente uno o più esercizi analoghi agli esercizi proposti durante l’anno.
STRUTTURE AEROSPAZIALI
DOCENTE
Docente: Prof. Giorgio CAVALLINI
Tel 0502217211
fax 0502217244
Collaboratore: Ing. Roberta Lazzeri
Sede: Dpt. Ingegneria aerospaziale
Tel 0502217211
fax 0502217244
L'insegnamento ha lo scopo di fornire gli strumenti per l'analisi dello stato di tensione e
deformazione e della stabilita' dell'equilibrio delle strutture aerospaziali sotto l'azione di carichi
statici e dinamici.
CONTENUTI DEL CORSO
LA DETERMINAZIONE DELLO STATO DI TENSIONE E DI DEFORMAZIONE NELLE
STRUTTURE A GUSCIO. Teoria elementare. Metodi di successiva approssimazione per lo studio
dello “shear-lag” e dell’impedito ingobbamento. Metodi di calcolo matriciali: metodo delle forze e
degli spostamenti. Teoria dei corpi sottili, piastre e membrane.
ANALISI DELLA STABILITA’ DELL’EQUILIBRIO ELASTICO E DEL COLLASSO NELLE
STRUTTURE AERONAUTICHE. Applicazione alle travi, ai corpi sottili piani semplici e irrigiditi,
ai gusci cilindrici.
FENOMENI VIBRATORI NELLE STRUTTURE A GUSCIO.
caratteristiche dinamiche e della risposta alle forze eccitatrici.
Determinazione
delle
MATERIALE DIDATTICO
Dispense fornite dal docente, con riferimento alla bibliografia proposta per eventuali
approfondimenti.
Prova orale con risoluzione e discussione di temi proposti.
STRUTTURE E MATERIALI AEROSPAZIALI
DOCENTE
Docente: Prof. Luigi LAZZERI
Tel: 050-2217211
Fax: 050-2217244
FINALITA’ ED OBBIETTIV DELL’ISEGNAMENTO
Il corso si propone di far acquisire allo studente, partendo da nozioni precedentemente acquisite nei
corsi propedeutici (Strutture Aerospaziali del primo anno della LS e Tecnologia delle Costruzioni
Aeronautiche II dalla LT), i concetti fondamentali per comprendere il comportamento delle strutture
aeronautiche e spaziali, tenendo presente anche le proprietà caratteristiche dei materiali utilizzati in
tali realizzazioni.
CONTENUTI DEL CORSO
Introduzione al corso. Proprietá ingegneristiche dei materiali. Metodologie per la loro valutazione:
standard di prova. Analisi statistica dei risultati. Ammissibili: base A, base B, base S.
Principali classi di materiali metallici per costruzioni aerospaziali. Le leghe di alluminio tradizionali
ed innovative. Le leghe di titanio: leghe alfa, beta, alfa-beta. Acciai basso-legati, acciai al carbonio,
acciai inox e maraging. Leghe di magnesio. Superleghe a base di nickel e leghe per applicazioni ad
elevate temperature.
I materiali ceramici. Materiali monolitici e compositi.
I materiali compositi avanzati. Le principali applicazioni. I sistemi di fibra e di resine piú utilizzati.
La tecnologia della laminazione. Esempi. Controlli non distruttivi. Introduzione alla analisi
tensionale di laminati sottili. La teoria classica dei laminati. Criteri di rottura. Le tensioni
interlaminari. Fenomeni di fatica nei compositi. La meccanica della frattura dei compositi. Analisi
delle delaminazioni. Effetti ambientali (umiditá e temperatura) sulle proprietà dei compositi.
Certificazione di componenti in materiale composito. Danneggiamento da impatto. Alcune
tecnologie innovative.
Materiali ibridi laminati. Vantaggi intrinseci dei laminati. Arall, Glare. Comportamento a fatica e
caratteristiche di damage tolerance. Crack bridging. Criteri di dimensionamento di elementi in
Glare.
Strutture tipiche di velivoli di varie categorie. Aerei da aviazione generale, addestratori militari,
velivoli da trasporto di tipo executive, velivoli dell’aviazione commerciale. Richiami della
normativa e di criteri di dimensionamento. Tipiche soluzioni strutturali per rivestimenti alari,
centine, attacco motore, attacco ala-fusoliera, piani di coda, attacco piani di coda, attacco carrello.
Disegno di dettagli critici a fatica. Esempio di manuale industriale di progetto a fatica. Importanza
del disegno di dettaglio sulla vita a fatica. Esame di varie soluzioni per dettagli critici nelle diverse
zone del velivolo.
MATERIALE DIDATTICO
- M. Marchetti, F. Felli, "Tecnologie Aeronautiche, vol. I: I Materiali", ESA ed., Roma
- B.C. Hoskin, A.A. Baker, "Composite Materials for Aircraft Structures", AIAA Educational
Series, 1986.
- M.C.Y. Niu, "Airframe Structural Design", Hong Kong Conmilit Press, 1988.
L'esame consiste in una prova orale
TERMOFLUIDODINAMICA
DOCENZA
Tel: 050-2217211
Fax: 050-2217244
Fornire allo studente le nozioni di termofluidodinamica ed aerotermodinamica necessarie per
comprendere il funzionamento degli endoreattori a propellente chimico ed affrontarne i principali
problemi di analisi, progettazione, integrazione ed impiego.
CONTENUTI DEL CORSO
Termodinamica Avanzata. Principi generali, equilibrio termodinamico, formulazioni alternative,
derivate termodinamiche, gas ideali, gas reali, processi termodinamici, macchine termiche, scale di
temperatura, cicli termodinamici, stabilità termodinamicaTermochimica. Equilibrio di reazioni
chimiche singole e simultanee, equilibrio chimico in gas ideali, dati termodinamici, propriet`a di
formazione, calori di reazione, reazioni adiabatiche e non, dipendenza parametrica, reazioni in gas
reali.
Cinetica Chimica. Velocità e meccanismo di reazione, costanti di reazione, ordine e molecolarità
delle reazioni, reazioni del 1° e 2° ordine consecutive, competitive ed opposte, reazioni a catena,
reazioni esplosive, tempi di reazione.
Equazioni della Fluidodinamica. Coordinate, cinematica, equazioni di conservazione e costitutive,
forme particolari delle equazioni di conservazione, proprietà di trasporto, condizioni al contorno,
similitudine fluidodinamica.
Cinetica dei Gas. Teoria cinetica dei gas, distribuzione di Maxwell, meccanica statistica.
Acustica. Onde di piccola ampiezza, ventagli, equazione d’onda, onde piane, onde armoniche, onde
armoniche piane e sferiche, generazione del suono (monopoli, dipoli, quadrupoli), onde attraverso
mezzi diversi, onde armoniche stazionarie, guide d’onda, smorzatori acustici.
Gasdinamica e Idrodinamica. Condizioni e proprietà di ristagno; flussi quasi-unidimensionali in
codotti a sezione variabile, nonadiabatici e con attrito. Onde Non Lineari: onde piane, urti normali
adiabatici e non, urti obliqui, detonazioni e deflagrazioni; tubi d’urto. Flussi idrodinamici quasiunidimensionali in condotti: velocità del suono; flussi stazionari; oscillazioni; colpo d’ariete.
Flussi Viscosi Laminari. Flussi sviluppati in condotti, flussi di taglio, flussi intorno a sfere e
cilindri, strati limite, parametri ed equazioni integrali. Flussi quasi-paralleli incomprimibili: strati
limite bidimensionali ed assialsimmetrici, getti, scie e strati di taglio . Flussi quasi-paralleli
comprimibili: strati limite bidimensionali ed assialsimmetrici, flussi di ristagno, teoria Newtoniana
dell’impatto.
Stabilità Fluidodinamica e Transizione Turbolenta. Effetti dinamici nonlinearii; stabilità lineare dei
flussi paralleli, equazioni di Reynolds ed Orr-Sommerfeld, dipendenza parametrica; transizione
turbolenta, sviluppo, dipendenza parametrica, predizione.
Flussi Turbolenti. Analisi di Fourier, probabilità, variabili e processi casuali. Flussi turbolenti
incomprimibili: analisi, equazioni, energia cinetica turbolenta, strati limite bidimensionali ed
assialsimmetrici, flussi in condotti, getti liberi, modelli di turbolenza. Strati limite comprimibili.
Flussi Chimicamente Reagenti ed Elementi di Combustione. Trasferimento di massa, equazioni di
conservazione di flussi reagenti, fiamme laminari premiscelate e diffusive, evaporazione e
combustione di gocce, fiamme turbolente.
Conduzione: equazione del calore; reti termiche stazionarie; problemi 1D e quasi-1D; conduzione
non stazionaria 1D; ablasione. Convezione: meccanismi, raffreddamento per traspirazione e per
iniezione da fessure e fori. Irraggiamento: generalità; leggi della radiazione termica; proprietà
radianti dei materiali, reti radiative in cavità con/senza un mezzo partecipante.
Flussi Bifase e Cavitazione. Generalità, equazioni di conservazione, e costitutive, cambi di fase,
ebollizione e cavitazione, nucleazione, dinamica delle bolle, forme di cavitazione, similitudine e
parametri, modelli di flusso liquido/gas, liquido/gas/vapore, e liquido/vapore, effetti termici.,
simulazione di flussi cavitanti.
MATERIALE DIDATTICO
Trasparenze preparate dal docente.
• Anderson J. D. Jr., 1990, “Modern Compressible Flow with Historical Perspective”,
McGraw-Hill, (Gasdinamica 1D, Onde Lineari, Onde Non Lineari)
• Brennen C. E., 1995, “Cavitation and Bubble Dynamics”, Oxford University Press, (Flussi
Bifase, Idrodinamica 1D, Cavitazione)
• Callen H.B., 1985, “Thermodynamics and an Introduction to Thermostatitstics”, John Wiley
& Sons (Termodinamica Avanzata)
• Currie I. G., 1993, “Fundamental Mechanics of Fluids”, McGraw-Hill, (Equazioni della
Fluidodinamica)
• Eckert & Drake, 1972, “Analysis of Heat and Mass Transfer”, MacGraw Hill Inc.
(Conduzione del Calore, Raffreddamento Convettivo, Irraggiamento del Calore)
• Turns, S.R., 1996, “An Introduction to Combustion”, McGraw Hill, (Termochimica,
Cinetica Chimica, Flussi Chimicamente Reagenti ed Elementi di Combustione)
• Vincenti W.G. & Kruger C.H., 1986, “Physical Gas Dynamics”, Krieger Publ. Co., Malabar,
FL, USA (Cinetica dei Gas)
• White F.E., 1974, “Viscous Fluid Flow”, McGraw Hill, (Flussi Viscosi Laminari, Stabilità
Fluidodinamica e Transizione Turbolenta, Flussi Turbolenti)
• risoluzione scritta o alla lavagna di uno o più problemi attinenti il programma svolto. E’
consentito utilizzare il materiale distribuito dal docente durante il corso, salvo diversa
indicazione del docente all’assegnazione del problema.
• domande ed esposizione di argomenti compresi nel programma del corso.

ingegneria aerospaziale - Scuola di Ingegneria

Transcript

Documenti analoghi

Prot. n. 27/2016 Dell` 20-01-16 DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA

dalla conoscenza all`impresa innovativa per un ingegnere elettrico

bozza testo - Magnaghi Aeronautica SpA

Prova scritta del 1 febbraio 2003 - Dipartimento di Ingegneria Civile

CV Marco Muscolo_sito - The Biorobotics Institute

Dip Naz Ass Volo Diritto di Informazione del 01.02.17

Modulo 1^ laboratorio aerodinamica

mobilità sostenibile e industria aerospaziale

Ing. Eugenio Giovanni Di Gioia - Ordine ingegneri della Provincia di