Appunti del corso_ Comandi di volo cap.1 PDF

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appunti sui comandi di volo. lezione del prof. maggiore. anno accademico 2020.2021...

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Appunti del corso SISTEMI DI BORDO AEROSPAZIALI I COMANDI DI VOLO 2020/2021

GENERAL SYSTEM (Sistemi di bordo) 1. Panoramica dei sistemi Per sistema di bordo (impianto o sottosistema) si intende un’entità ottenuta dall'unione di un certo numero di componenti connessi fra loro attraverso “collegamenti”, che svolge funzioni impossibili da realizzare attraverso i singoli componenti. Le funzioni eseguite dal sistema sono più complesse di quelle eseguite dai singoli componenti. Tali collegamenti trasportano materia energia ed informazioni. Esempio: valvola in un impianto idraulico. Valvola  regola la pressione dell’olio idraulico Impianto idraulico  alimentazione comandi tramite olio idraulico SISTEMA: controllo dell’assetto SOTTOSISTEMA: azionamento comandi di volo COMPONENTE: movimento superficie mobile 1. Struttura primaria 2. Propulsori 3. Sotto-sistemi (impianti)  Elettrico  Idraulico  Combustibile Sottosistema: insieme di blocchi collegati da segmenti orientati che rappresentano la concatenazione di relazioni causa-effetto. Da uno schema fisico anche complesso con opportune azioni logiche possiamo schematizzare lo schema reale attraverso uno schema a blocchi. Ogni blocco viene interpretato come scatola nera che può essere descritto mediante equazioni matematiche che mettono in congruenza ingresso e uscita. Un grande casino è l’interdipendenza fra sistemi negativi.

Gli impianti non vivono a sé stanti, ma scambiano informazioni, energia, materia fra loro. Molto spesso gli impianti vanno in mutuo soccorso: sistema che sopravvive può andare in aiuto del sistema danneggiato. Esempio: Propulsori= gli alberi hanno un’elevata velocità di rotazione; elevata dissipazione di energia nei cuscinetti  cuscinetti devono essere raffreddati e lubrificati.

 Connessione impianto combustibile-impianto di lubrificazione Dal motore esce olio caldo che entra in un primo scambiatore ARIA/OLIO per raffreddarlo. Vi è anche un secondo scambiatore FUEL/OIL. Attraverso una pompa facciamo circolare fluido freddo che raffredda oli. Perché si mettono due scambiatori? Concettualmente un velivolo può essere suddiviso in due macrosistemi:  Struttura o cellula  Installazioni a) Comandi di volo b) Carrello c) Sistemi di bordo d) Avionica e) Propulsori

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Idraulico Pneumatico Elettrico Comandi di volo Combustibile Carrello d’atterraggio Antighiaccio Pressurizzazione Condizionamento Antincendio 2. Safety & Reliability

SAFETY: libertà di non essere sottoposti a rischi inaccettabili. Si persegue attraverso l’uso di ridondanze (circuiti in parallelo), che costano in termini economici e di manutenzione. RELIABILITY (Affidabilità) : probabilità per un sistema di non avere guasti in un certo periodo di osservazione e in specifiche condizioni operative. Si persegue attraverso l’implementazione in serie dei comandi. Il rischio è il prodotto di due numeri: probabilità di avere guasti x gravità delle conseguenze di quel guasto. Nel settore aerospaziale la più piccola probabilità gestibile è 10-9. Classificare impianti di bordo in termini di criticità delle funzioni:

 Sistemi primari: un loro guasto compromette la sicurezza del velivolo e dei passeggeri;  Sistemi secondari: un loro guasto degrada la missione, ma non compromette la sicurezza;  Sistemi ausiliari: un loro guasto non degrada la missione ma bisogna intervenire al suo termine. Esempio: - Comandi di volo: se perdessi gli alettoni non potrei volare - Sistema pressurizzazione (non posso volare ad alta quota, ma posso volare) - Sistema di condizionamento (freddo ma posso completare la missione) 3. Progetto Nel progetto bisogna tener conto del peso (moto di più in campo spaziale). Le installazioni (sistemi di bordo) pesano di più delle strutture. La sicurezza comporta un aumento del peso. Altro punto da considerare, il fattore ambientale. Salendo l’aereo trova umidità più bassa, aria rarefatta e più fredda, pressioni più basse. Definire in partenza i requisiti operativi e su di essi progettare gli impianti. La temperatura alla quale si trovano a dover operare i vari sistemi di bordo può avere notevoli escursioni termiche. Il volo in quota porta come conseguenza alla riduzione di pressione, temperatura e densità dell'ambiente operativo; sono inoltre possibili variazioni notevoli di umidità. La temperatura alla quale si trovano a dover operare i vari componenti dei sistemi di bordo può avere delle escursioni molto elevate: la possibile escursione della temperatura ambientale è dell'ordine dei -60°C +70°C, la temperatura in zone vicine ai propulsori può essere attorno ai 100-150°C, a regime, ma di -50°C all'avviamento in zone fredde. Queste variazioni di temperatura hanno influenza sul modo di funzionare di componenti e sulle caratteristiche dei fluidi impiegati nei vari impianti. L'umidità può variare sensibilmente con la quota e le

condizioni meteorologiche: si può andare da aria praticamente secca ad ambienti con umidità relativa del 100%; a queste variazioni sono particolarmente sensibili i componenti elettrici. Le variazioni di pressione possono avere influenza, ad esempio provocando il passaggio di umidità attraverso i contenitori dei componenti elettrici. La densità dell’aria è importante per quanto riguarda la capacità di smaltimento di calore, esigenza presente in tutti i componenti che, per quanto ottimizzati, non potranno mai avere un rendimento del 100%. Ad alta quota peggiorano i fenomeni di scambio termico per convenzione, essendoci meno molecole perché l’aria è rarefatta. L’aria rarefatta perde caratteristiche isolanti; quando l’aria è compressa, a quota zero, le molecole impediscono il circolo degli elettroni. Ad alte quote ,sotto l’azione di un campo elettrico, questo può ionizzare molecole di O2 creando delle luminescenze. Vi è una scarica energia (effetto corona) ,per questo i cavi aeronautici sono rivestiti da ulteriore guaina isolante. I vari componenti devono essere in grado di resistere e di funzionare correttamente anche di fronte alle accelerazioni corrispondenti ai fattori di carico a contingenza del velivolo e a fattori locali. a) Progettazione tradizionale b) Progettazione sistemistica (multidisciplinare)

 

Ideare uno “schema a blocchi” dell’impianto; Creare un modello matematico, ossia scrivere le relazioni tra grandezze di interfaccia dei vari componenti tenendo presente che, in molti casi, l’output di un blocco sarà input per un altro;



Risolvere il modello matematico, ossia trovare i valori per tutte grandezze di interfaccia di tutti i blocchi, (molto usata la SIMULAZIONE) che, quando saranno fisicamente realizzati, garantiranno un funzionamento ottimale dell’impianto;



Si disegna l’impianto e si assegna un Part Number per ciascun componente;

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Per i vari componenti di cui si saranno definite le caratteristiche di interfaccia (specifica dei requisiti) si emette

un documento commerciale (Request For Proposal) inviata alle aziende componentistiche del settore;



Si esaminano le risposte (offerte tecnico-economiche) e si sceglie la più conveniente per ogni componente che viene ordinato.

COMANDI DI VOLO I sistemi di bordo sono codificati secondo una codifica ATA. Comandi di volo:  Primari (insostituibili)  possono essere reversibili (mossi dalla forza muscolare del pilota) o potenziati (mossi dal pilota ma possiedono un sistema bionico di potenza in ausilio, che aggiunge potenza nella movimentazione delle superfici mobili). Il sistema comandi di volo permette di modificare la posizione delle superfici mobili. Questa variazione altera l’aerodinamica locale, perturba le linee di flusso localmente. La variazione delle linee di flusso altera le velocità, quindi si ha una distribuzione differente delle pressioni statiche. L’azione risultante sul velivolo della variazione della distribuzione delle pressioni porta alla nascita di momenti risultati aerodinamici. Si creano momenti attorno ai 3 assi corpo del velivolo (rotazione attorno all’asse x, y z). l’intensità della rotazione varia in base all’entità della variazione della geometria. La variazione d’assetto del velivolo porta ad una variazione macroscopica che coinvolge tutto l’aeroplano, e permette una modulazione della portanza, devianza e resistenza. Queste forze aerodinamiche permettono l’impegno di un velivolo in una manovra (modulazione di tali forze per permettere la reazione alle forze inerziali generate dalle manovre da compiere) 1. ALETTONI. Sono due, il movimento delle due superfici sono antagonisti (quando l’alettone di sx ruota verso l’alto quello di dx si muove verso il basso). L'alettone è una parte mobile presente, di solito, nel bordo d'uscita dell'ala di un aeromobile.

Viene sollevato o abbassato per modificare temporaneamente la portanza della semiala in cui si trova, in modo da permettere all'aeromobile lo spostamento sull'asse di rollio. I due alettoni sono collegati tra loro in modo che quando uno si abbassa l'altro si alza, in modo da aumentare la portanza su un'ala e contemporaneamente diminuirla nell'altra, producendo così il movimento di rollio lungo l'asse longitudinale dell'aereo. Servono a creare una variazione della geometria locale  variazione flusso aerodinamico  variazioni delle pressioni statiche sulle superfici  si creano piccole forze aerodinamiche che disposte a sufficiente distanza dal baricentro del velivolo creano momento attorno all’asse x. Coppia di forza piccola perché piccola la variazione del profilo. 2. EQUILIBRATORE. L'equilibratore è la parte mobile del piano orizzontale di coda di un aeromobile. La funzione dell'equilibratore è quella di consentire di variare la portanza del piano di coda, permettendo così di variare l'inclinazione del velivolo rispetto ad un piano orizzontale (beccheggio). Il beccheggio che indica l'oscillazione di un velivolo intorno al proprio asse trasversale. Ruotando verso alto e basso altera geometria dell’impennaggio orizzontale, permette di variare le pressioni statiche locali  forza aerodinamica locale di piccola entità, che ha grosso braccio rispetto al baricentro e genera momento attorno ad y. Comando più importante poiché permette di variare l’azione di beccheggio. Aumentare/diminuire beccheggio per regolare la portanza all’esigenza. Nella fase di decollo, l’equilibratore crea una forza maggiore rispetto a tutte le altre condizioni di volo. 3. TIMONE. Negli aerei il timone è una superficie di controllo applicata al piano verticale di coda, con la funzione di controllare l'imbardata. L'imbardata è l'oscillazione di un veicolo intorno a un asse verticale passante per il baricentro del mezzo. La sua funzione non è quella di variare la rotta,

compito svolto dagli alettoni montati sulle ali, ma di compensare le forze che si producono durante la virata. Altera la geometria dell’impennaggio orizzontale  nasce forza perpendicolare alla velatura detta devianza, parallela all’asse y, che crea un momento di imbardata, garantendo la creazione di un momento attorno all’asse z.

4. SPOILER. Flight spoiler coincidono con Ground spoiler. Vengono azionati parzialmente durante il volo, azionamento simmetrico (piccola variazione portanza che permette di seguire in modo preciso sentiero di discesa durante l’atterraggio) oppure azionamento antisimmetrico (crea diminuzione portanza su una semiala andando ad amplificare l’azione di rollio).  Secondari (azionati saltuariamente, spenti quando non necessari). Agiscono direttamente cambiando macroscopicamente le forze aerodinamiche complessive. Non hanno necessità di adeguare le forze alla manovra da eseguire. Usati per adeguare il volo a persistenti condizioni di volo (decollo, atterraggio, …). Vengono azionati per gradi (a quale livello accendere flap/slat in funzione del peso e temperatura). 5. FLAP. I flap sono le superfici presenti su tutto il bordo di fuga tranne gli alettoni. Si muovono solo su alcune fasi di volo, rimanendo stabili. Essi ruotano verso il basso (no alto) e hanno lo scopo di cambiare la curvatura del profilo macroscopicamente su quasi tutta l’ala, aumentando il profilo aumenta la curva del CLα  a parità di incidenza si ha più CL. Consente di aumentare temporaneamente la portanza permettendo un cambio della geometria dell’ala. Distinguiamo in-bord dall’out-bord. Su velivoli grossi (747) vi sono due segmenti out-bord ed uno in-bord; su un 737 uno in-bord e uno out-bord. Permettono di volare a bassa velocità generando alta portanza. L’aumento della curvatura porterà ad un aumento del

coefficiente di momento aerodinamico: estraendo i flap l’ala sarà soggetta ad un momento picchiante che il pilota dovrà contrastare con un’azione sull’equilibratore. L’estrazione dei flap/slat porta un aumento della resistenza. Quando decollo non estendo al massimo i flap, altrimenti si rallenterebbe la fase di accelerazione a causa dell’elevata resistenza. Quando atterro estendo flap al massimo  riduzione velocità  aumento resistenza, che aiuta nella frenata. 6. SLAT. Parallelamente all’apertura dei flap, abbiamo l’apertura degli slat. Sono presenti sul bordo d’attacco (talvolta sul 737 si estendono anche sulla parte in-board). Dispositivo che migliora l’aumento del profilo di curvatura e quindi le sue caratteristiche portanti. 7. AEROFRENI si potrebbero trovare aerofreni anche sulla fusoliera e anche in poppa. Vengono aperti, stravolgono completamente il profilo aerodinamico dell’ala, aumentando notevolmente il CD0 (coefficiente di resistenza minimo). Aprendo gli aerofreni, la portanza viene quasi annullata: dunque non vanno usati in volo ma solo a terra per rallentare. Vengono aperti tutti a fine corsa, quando il velivolo è a terra. Ci sono dei sensori che misurano il peso sui carrelli quando il velivolo ha tutti e 3 i carrelli a terra che indica quando azionare gli aerofreni. Per alianti e piccoli velivoli  comandi di volo primari reversibili Per velivoli medi e grandi  comandi di volo primari potenziati per via idraulica, di tipo fly-by-wire (trasferimento elettrico, “volo attraverso il cavo”) Per velivoli medio-piccoli  comandi di volo primari potenziati per via idraulica, di tipo fly-by-light (trasferimento attraverso fibra ottica) *fly-by-wire & fly-by-wire introdotti negli anni ‘80*

L’equilibratore è la parte mobile dell’impennaggio verticale, lo stabilizzatore la parte fissa. Ma in occasioni particolari quest’ultimo può ruotare, poco e lentamente. Quest’azione porta ad una variazione dell’assetto dell’impennaggio, permette una variazione lenta della corrente aerodinamica in coda per migliorare l’equilibrio del velivolo. Viene utilizzato per bilanciare uno spostamento del baricentro per spostamento del carico o del combustibile.

Lo stabilizzatore è un ibrido non è un comando secondario, in quanto non agisce in modo macroscopico sui coefficienti aerodinamici. Comandi di volo particolari  L’impennaggio orizzontale dalla coda migra in avanti. Può essere fisso/mobile oppure un’unica aletta che ruota. In figura vi è un Eurofighter. Con l’aumento o la riduzione delle alette canard si ha la creazione di una forza aerodinamica anteriore non più posteriore che però ad una distanza dal baricentro crea un momento di beccheggio. Con canard creo forza verso l’alto per generare un aumento di incidenza, ed il velivolo sale più facilmente. Con il canard aeroplani più reattivi ma più instabili. *per poter eseguire una manovra è necessaria portanza, aumentare l’incidenza. Nel caso di impennaggio posteriore, creo una forza verso il basso, mentre nel caso di impennaggio anteriore, creo una forza verso l’alto (che solleva il muso, che porta ad un aumento di incidenza) *

 FLAPERONS (flap + alettoni).  ELEVONS (alettoni + equilibratore). Si usano solitamente nei velivoli con ali a delta o comunque senza i classici piani orizzontali (equilibratori). Sono installati su ciascun lato dell'aereo sul bordo di uscita dell'ala. L’azione di comando sul beccheggio verrà data dalla rotazione di tali superfici.  TAILERONS (stabilizzatore + alettoni). Si trova su arei con ala a geometria variabile (flap continuo, non ci sono alettoni). L'ala ritratta

è maggiormente adatta per volare ad alte velocità, mentre quella estesa è migliore per le velocità più basse. Queste ampie superfici di controllo possono essere controllate indipendentemente per il controllo di beccheggio e rollio. Possono essere utilizzati anche all'atterraggio per una frenata aggiuntiva.

F35 presenta comandi multipli, sia Tailerons che Flaperons. Con questo sistema si garantisce l’utilizzo del momento di rollio in caso di danneggiamento di Tailerons o Flaperons. L’incidenza del Tailerons di dx è diversa da quella di sx: l’aria viene deflessa verso l’alto creando per reazione una forza verso il basso. Mentre a dx la forza è circa nulla poiché la Vinfinito ha lo stesso asse dell’incidenza. Analizzando i Flaperons, l’aria viene deflessa verso l’alto generando una reazione verso il basso. In questo caso Flaperons aiutano i Tailerons nella generazione del momento di rollio. In caso di danneggiamento ci sarebbe comunque manovrabilità, non piena. L’azione dei Flaperons è asimmetrica. Ipersostentatori aperti per manovre a basse velocità. I comandi di volo secondari nei velivoli da combattimento vengono utilizzati anche in volo per adeguare la portanza alla velocità del velivolo, anche se non azionati in modo continuo.

Differenza fra comandi di volo primari e secondari:

* possibile domanda aperta*

FLAP nel decollo:  Decollo in quota e in zona equatoriale (aria calda e rarefatta, densità bassa), avrò bisogno di un coefficiente di portanza  flap esteso 2  Decollo a quota zero, aria fredda, poco carico  flap esteso 1 FLAP all’atterraggio  flap esteso ¾ in funzione di condizioni ambientali e di carico. Azionamento ON-OFF: non posso utilizzare posizioni intermedie.

aumento curva CL (max) dovuto all'uso degli ipersostentatori (aumenta anche CD0 , CM0)

I comandi di voli primari devono dare un ritorno di forza che aiutino il pilota a migliorare la consapevolezza (SITUATIONAL AWERNESS) di ciò che sta facendo (sentendo una forza in opposizione a ciò che stiamo facendo di intensità proporzionale al comando che si sta dando).

1) Comandi di volo reversibili. Possono essere rigidi (movimenti trasmessi attraverso le aste) o flessibili (collegamenti trasmessi attraverso funi sostenute da pulegge). La differenza è che le funi rispetto alle aste non possono spingere dunque verranno messe due funi in parallelo, una attiva e una passiva. Le superfici hanno dunque leve a doppio. L’asta permette di sopportare carichi e velocità maggiori. I comandi rigidi sono più difficili da installare, ma offrono più prestazioni meccaniche. Sforzi: forze che il pilota sente interagendo con il comando di volo utili per Situational Awerness. Tali sforzi provengono dall’aerodinamica (flusso investe ala che trasmette pressioni). Avremo una distribuzione di pressioni statiche su dorso e ventre: la differenza di tale distribuzione darà luogo ad una forza locale, sentita dalla superficie locale. Queste due distribuzioni di pressione danno luogo ad un momento di cerniera dato dalla risultante delle distribuzioni. Il momento di cerniera verrà trasformato in una forza attraverso una leva, forza che il pilota dovrà contrastare agendo con braccio e piede. Si consideri una velatura con profilo simmetrico dotata di superficie mobile S di corda c. Essendo il profilo simmetrico se investito senza incidenza la superficie mobile resta allineata al flusso e al profilo anche se non è bloccata nel suo

vincolo. Nel momento in cui viene investito ad incidenza però la superficie mobile tenderà ad allinearsi al flusso ruotando la cerniera. Agendo sugli organi di comando e facendo ruotare la superficie mobile di un angolo di barra questa sarà sottoposta ad un momento di cerniera. 1 M c = ρV 2 2

S

c

||

Cmc =k 0 +k a α + k b δ

Se si vuole mantenere la superficie mobile in posizione asimmetrica è necessario applicare un momento intorno all’asse di ce...