Confronto nuovo progetto e disegno originale Macchi

ALMA MATER STUDIORUM
UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI BOLOGNA
Facoltà di INGEGNERIA
Corso di laurea in INGEGNERIA MECCANICA
CONFRONTO CRITICO TRA IL NUOVO
PROGETTO E IL DISEGNO ORIGINALE
DEL MACCHI 205
Tesi di laurea in Disegno Tecnico Industriale
Candidato PAOLO MAZZINI
Relatore Prof. Ing. LUCA PIANCASTELLI
a.a. 2003/2004
MACCHI 205 VELTRO
Il caccia Italiano progettato dall’Ing. Castoldi, costruito a partire dal
1942 dall’Aeronautica Macchi, fu impegnato nella Seconda Guerra
Mondiale, durante la quale si distinse per le ottime doti di potenza e
aerodinamica. Dei circa 250 esemplari realizzati ne esistono oggi solo
tre, uno dei quali, restaurato dall’Aermacchi stessa, ha volato nel 1981.
PROGETTO V.E.L.T.R.O.
• Realizzare alcune repliche del Macchi 205 allo scopo di risolvere
questioni tecniche storiche, provare nuove tecnologie e sviluppare kit di
montaggio commerciali.
• Sviluppare diverse soluzioni per la propulsione.
• Sviluppare un aereo acrobatico per addestramento piloti.
• Analizzare le problematiche connesse ad un’alimentazione ad idrogeno
degli aerei, come lo stivaggio e il rifornimento.
• Realizzare una versione ULM del velivolo
PROGETTO V.E.L.T.R.O.
Il progetto V.E.L.T.R.O. (Very Economical Light Trainer&Testbed Replica Project Offspring)
prevede tre versioni replica del Macchi 205, ognuna delle quali articolata in più varianti:
• REPLICA (fedele all’originale per pesi e prestazioni)
Motorizzazioni:
- VD 007
- ORENDA V8
- FIAT 1900 JTD
- 4X FIAT 1900 JTD
• CFRP - Carbon Fibre Reinforced Plastic - (di carattere sperimentale)
Motorizzazioni:
- FIAT 1900 JTD
-YAMAHA 1000 YZR1 H2
- FUEL CELL (FIAT Panda Hydrogen)
• ULM - Ultra Light Machine - (commercializzabile)
Omologazioni:
- MONOPOSTO (volo acrobatico)
- BIPOSTO
- YAMAHA 1000 YZR1
PROGETTO V.E.L.T.R.O.
Il lavoro di analisi del Macchi 205 e di progettazione delle
repliche è stato organizzato e suddiviso secondo gli apparati che
compongono l’aereo, in particolare:
• ALI
• FUSOLIERA
• CASTELLO MOTORE
• MOTORE
• CARRELLO
LE ALI
L'
ala originale è a sbalzo, rastremata in corda e in spessore. La struttura è a due longheroni a
traliccio con centine di costruzione reticolare, il rivestimento in lamiera lavorante alla torsione.
L’ala è composta di tre elementi: due esterni e uno centrale, questo e'collegato alla fusoliera e
ne forma parte integrante, gli alettoni hanno struttura metallica e rivestimento in tela, gli
ipersostentatori ventrali sono interamente metallici.
Il compito strutturale è affidato ad una travatura, formata da lamierini di alluminio sagomati e
rivettati.
Il conseguimento della forma aerodinamica per le parti della struttura esposte al vento è affidato
ad un complesso di elementi strutturali secondario, detto rivestimento, che funziona
essenzialmente come una carenatura della struttura portante principale.
LE ALI
Le nuove ali sono state modellate, grazie ai disegni originali, a partire dalle centine.
La superficie esterna (skin).
I longheroni.
La nuova ala.
LE ALI
Per le verifiche di resistenza si è
considerato il solo cassone centrale.
In seguito all’analisi agli Elementi
Finiti si è verificato che il nuovo
progetto di ala è in grado di resistere
in sicurezza alle sollecitazioni
d’esercizio, realizzando un buon
risultato in termini di peso.
LA FUSOLIERA
La fusoliera del Macchi 205 Veltro deriva direttamente da quella del 202 Folgore.
Le sollecitazioni cui doveva resistere, il peso degli impianti necessari, le caratteristiche degli
armamenti portarono a soluzioni costruttive estremamente avanzate per l’epoca.
In particolare si adottò una struttura a semiguscio con notevoli benefici in termini di
sfruttamento dei materiali impiegati rispetto alla soluzione a traliccio, avendo il rivestimento
funzione non solo aerodinamica, ma anche strutturale.
LA FUSOLIERA
Anche la fusoliera deriva dai disegni originali, da
cui si è ottenuto il modello delle superfici esterne.
Al guscio esterno sono stati aggiunti gli elementi strutturali. Questi sono simili agli originali,
dove possibile, o riprogettati ex-novo, se inevitabile per questioni di peso, sicurezza od
economiche.
LA FUSOLIERA
Le verifiche al simulatore hanno assicurato la resistenza
della nuova fusoliera alle sollecitazioni considerate. Queste
comprendono, oltre che un alto coefficiente di sicurezza, le
situazioni più gravose, come la scivolata d’ala, la picchiata,
la richiamata, l’atterraggio e il ribaltamento. In particolare è
risultato positivo l’esito della verifica ad instabilità, spesso
critica per le strutture ad elementi sottili.
Il confronto tra l’originale,
in foto, e la nuova fusoliera,
modello tridimensionale.
IL CASTELLO MOTORE
Le caratteristiche del motore e dell’elica hanno indotto ad uno studio dei carichi agenti sul
castello motore. Tali carichi, scaricandosi sui punti di ancoraggio con la fusoliera, forniscono
in volo le sollecitazioni maggiori a quest’ultima.
La normativa FAR, adottata nello studio della fusoliera, fornisce indicazioni sui carichi che
devono essere presi in considerazione nel dimensionamento del castello motore.
Si è proceduto ad un’analisi agli elementi finiti del castello originale per conoscere le reazioni
vincolari e quindi i carichi agenti sulla fusoliera.
I carichi esaminati sono suddivisibili in:
- DI MASSA
- GIROSCOPICI
- PROPULSIVI
IL CASTELLO MOTORE
In celeste il magnesio, in blu l’acciaio e
in viola il materiale fittizio per simulare
il comportamento del motore.
Il castello motore per la versione ULM,
ricavato da due ordinate rinforzate, data la
trasmissione trasversale del propulsore di
origine motociclistica.
IL MOTORE
Il Veltro era equipaggiato con la versione
italiana del Daimler Benz DB605.
Pesante, ingombrante e con basso TBO, ma
potente e sicuro grazie all’iniezione, che
evitava pericolosi stalli.
Una soluzione per motorizzare la versione Full
Scale: VD 007, architettura simile al DB605 ma
più potente e leggero ed alimentato a gasolio.
IL MOTORE
ORENDA OE600E, propulsore progettato
appositamente per l’impiego aeronautico.
Leggero, potente ed affidabile, è acquistabile
con certificazioni ISO 9000, ISO 14000 e
AS9100 a 110.000$.
FIAT 1900 JTD versione adattata per il
volo e potenziata. Sufficiente per la
versione più pesante delle repliche.
Si studia la fattibilità di collegare le
trasmissioni di quattro di queste unità,
con la possibilità di scegliere quanti e
quali motori utilizzare.
Vantaggi in termini di versatilità ed
affidabilità.
IL MOTORE
YAMAHA YZR1, per la versione ULM,
potente, leggero e sicuro. Manterrà la
trasmissione a catena.
Si valuta la possibilità di una versione
alimentata ad idrogeno per la replica CFRP.
Sempre per la versione CFRP, il gruppo
propulsore della Fiat Panda Hydrogen, disponibile
presso la NUVERA a circa 500.000 .
Vanno considerati anche i serbatoi per idrogeno da
sistemarsi a bordo dell’aereo e il sistema di
stoccaggio-rifornimento a terra. LINDE-GAS offre
i primi a 100.000 e il secondo a circa 400.000 .
IL CARRELLO
Il carrello è stato modellato a partire dai disegni originali. Risulta composto da:
-Gamba esterna
-Gamba interna con forcella
-Compasso
-Ammortizzatore
Le condizioni simulate per le verifiche
di resistenza sono:
-Atterraggio su una sola gamba
-Ammortizzazione nulla, generalmente si considera l’energia dissipata dall’ammortizzatore
-Atterraggio a 5 G, generalmente per calcolare i carichi al suolo si considera una traiettoria
di discesa ben definita
-Angolo di impatto al suolo uguale a quello di stallo dell’ala, generalmente si considera
l’aereo in portanza.
IL CARRELLO
Il nuovo carrello è composto da:
-Perno di rotazione
-Blocco di rotazione
-Gamba esterna ed interna
-Sistema d’ammortizzazione
-Compasso antirotazione
-Forcella
IL CARRELLO
Il sistema di estrazione e retrazione del
carrello è stato riprogettato sfruttando il
sistema di bloccaggio Cyloc, brevettato
da CYTEC, per realizzare l’attuatore.
Il risultato complessivo è un carrello più
pesante dell’originale, ma anche più
robusto e soprattutto di geometria più
semplice.
CONCLUSIONI
Grazie alla notevole qualità dell’aerodinamica originale e ai progressi della tecnica
negli ultimi 50 anni è possibile realizzare varie versioni del Macchi 205 per uso
sportivo e aviazione generale. In particolare è possibile realizzare “repliche” con
peso variabile da 375 kg (ULM acrobatico) fino a 2500 kg (replica ORENDA).
Inoltre grazie alla limitata potenza necessaria per far volare una versione in fibra di
carbonio si potrà allestire anche un velivolo propulso con celle combustibili.
Rimangono alcune attività necessarie per definire meglio i singoli progetti. In
particolare sarà necessario realizzare i disegni costruttivi della replica con motore
Orenda e della versione CFRP a partire dai calcoli agli elementi finiti già effettuati.
Per entrambe le versioni è possibile utilizzare per i sistemi di bordo (comandi ed
avionica) componenti commerciali mutuati da altri velivoli.