ALMA MATER STUDIORUM UNIVERSITA DI BOLOGNA FACOLTA DI INGEGNERIA CORSO DI LAUREA IN INGEGNERIA Meccanica Sede di Bologna

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1 ALMA MATER STUDIORUM UNIVERSITA DI BOLOGNA FACOLTA DI INGEGNERIA CORSO DI LAUREA IN INGEGNERIA Meccanica Sede di Bologna ELABORATO FINALE DI LAUREA IN DISEGNO TECNICO INDUSTRIALE Studio per l installazione l di un sistema Fly-By-Wire su di un ultraleggero Candidato Emanuele Pasquino Relatore Prof. Ing. Luca Piancastelli

2 SCOPO DELLA TESI: Scopo di questa tesi è l applicazione ad un ULM (Ultra Light Machine Ultraleggero) di grande diffusione quale lo Storch CL, prodotto dalla FLYSYNTHESIS s.r.l., di un sistema di controllo del volo di tipo Fly-By By-Wire.

3 Generalmente i comandi presenti nell abitacolo sono i seguenti: leva di controllo del rollio che muove gli alettoni (cloche) colonna di controllo del beccheggio che muove i timoni di profondità pedali di guida per l imbardatal che muovono il timone Alcuni velivoli leggeri come quello oggetto di questa tesi usano una leva di controllo sia per il rollio che per il beccheggio; i pedali per l imbardata

4 I sistemi di controllo del volo (FCS) sono classificati come segue:

5 Controllo meccanico È il più semplice Utilizzato nei piccoli aeromobili in cui le forze aerodinamiche non sono troppo elevate Vengono utilizzate una serie di parti meccaniche come barre, cavi, pulegge e a volte catene per trasmettere le forze applicate ai comandi nel cockpit alle superfici di controllo

6 Controllo idromeccanico Complessità e peso dei sistemi di controllo meccanici aumentano considerevolmente all aumentare aumentare di dimensioni e prestazioni dell aeromobile. La forza idraulica supplisce a questi limiti. Con l utilizzo l dei sistemi di controllo idraulico, dimensione e prestazioni dell aeromobile sono limitati non più dalla forza del pilota bensì dal budget economico a disposizione. Un sistema di controllo idromeccanico è composto di due parti: circuito meccanico circuito idraulico

7 Controllo di tipo Fly-By By-Wire Elimina complessità,, fragilità e peso del circuito meccanico del sistema idromeccanico e lo sostituisce con un circuito elettrico. I controlli del cockpit ora operano su trasduttori di segnale che generano i comandi appropriati. I comandi vengono elaborati da una centralina elettronica.

8 L ultima evoluzione è il sistema di controllo Fly-By By-Wire digitale che aumenta la flessibilità in quanto i computer digitali possono ricevere input da ogni sensore del velivolo Con questa configurazione, il sistema di controllo deve simulare la sensibilità à. La centralina elettronica comanda i dispositivi elettrici per il force feedback in modo tale da garantire la sensazione di forza appropriata sui comandi manuali.

9 I computer ricevono le posizioni e le forze dai comandi del pilota e dai sensori dell aereo ed elaborano le equazioni differenziali che governano i controlli del volo per esplicitare le intenzioni del pilota. Il programma utilizzato dai computer digitali permette ai disegnatori di progettare precisamente le caratteristiche di handling. Inoltre il software può prevenire situazioni di volo pericolose impedendo ai piloti di superare i limiti predefiniti (inviluppo dell aereo).

10 Un tipo più recente di sistema di controllo del volo, chiamato IFCS (Intelligent Flight Control System), è una estensione dei moderni sistemi di controllo del volo Fly- By-Wire digitali. Lo scopo dell IFCS è quello di compensare in maniera intelligente i possibili problemi dovuti a danneggiamenti o malfunzionamenti durante il volo,, come l uso automatico della spinta e l avionica l per compensare gravi malfunzionamenti come la perdita del circuito idraulico, del timone, degli alettoni, di un motore o altro.

11 Dispositivi per il force feedback Nei sistemi di controllo meccanici le forze agenti sulle superfici di controllo vengono trasmesse attraverso i meccanismi e possono essere sentite dal pilota. Il sistema di controllo idromeccanico non ha questo tipo di sensibilità. I dispositivi per il force feedback vengono utilizzati per simulare questa sensibilità. I piloti avranno la sensazione di essere alla guida di un velivolo con un sistema di controllo meccanico.

12 Joystick con force feedback disponibile in commercio Schematizzazione 3D utilizzata

13 Fasi dello studio per l installazionel Fase 1: analisi della struttura del velivolo

14 Fase 2: analisi dei componenti necessari

15 Fase 3: posizionamento degli attuatori e modifiche necessarie

16 Fase 1: analisi della struttura del velivolo Schematizzazione 3D della cabina di pilotaggio per poter individuare lo spazio a disposizione per il posizionamento dei dispositivi necessari per il Fly-By By-Wire

17 Fase 2: analisi dei componenti necessari Schematizzazione servoattuatore Vista 3D della frizione elettromagnetica

18 Attuatore elettrico tipo Servomech ATL20 con motore a corrente continua a 24V Attuatore a vite trapezia con riduttore a vite senza fine. Funzionamento in tiro e in spinta. Funzionamento preciso e silenzioso, giochi assiali ridotti. Possibili attacchi anteriori: forcella snodo sferico perno forato Motore elettrico CC 24V

19 Frizione elettromagnetica con innesto a denti

20 Fase 3: posizionamento degli attuatori e modifiche necessarie Si sono rese necessarie alcune modifiche alla struttura interna del velivolo nonché ad alcuni elementi della catena cinematica dei comandi per poter permettere un adeguato posizionamento degli attuatori

21 Pedaliera comando ruotino anteriore e timone Pedale originale Pedale modificato E stata aggiunta una flangia per il collegamento all attuatore attuatore che è stato posizionato al di sotto del pianale

22 Prima modifica al pianale E stato necessario modificare il pianale forandolo in corrispondenza della flangia sul pedale Risultato finale del posizionamento dell attuatore per il comando del ruotino anteriore e del timone

23 Il comando di timone e ruotino anteriore è stato ricavato dalla pedaliera nella sua conformazione originale,, così da poter mantenere il tradizionale comando meccanico e la posizione centrale per evitare problemi di collegamento con il ruotino. Vista generale pedaliera Flange movimento cavi bowden e astine ruotino Astine comando ruotino anteriore

24 Comando stabilatore originale Comando stabilatore Flangia per collegamento cavi bowden stabilatore Comando stabilatore modificato E stata aggiunta una flangia per il collegamento dell attuatore, il resto dell albero rimane uguale all originale per mantenere il comando meccanico sul lato opposto alla flangia

25 Comando stabilatore completo di cloche per il controllo meccanico Vista del comando stabilatore e del relativo attuatore da sotto il pianale

26 Seconda modifica al pianale E stato necessario chiudere una delle tasche per permettere di ancorare l attuatore l nella maniera migliore. In alternativa, nel caso fosse necessario distribuire in modo diverso i pesi all interno del velivolo, si potrebbe predisporre solamente una trave trasversale per ancorare l attuatore. l

27 Il comando stabilatore è stato ricavato dal comando cloche nella sua conformazione originale dividendolo in comando alettoni e comando stabilatore Astine per collegamento cloche all albero di comando alettoni Comando cloche visto da sotto il pianale Alloggiamento per cloche Comando cavi bowden stabilatore I due comandi,, originariamente accoppiati, sono stati sdoppiati per evitare problemi di collegamento con i servoattuatori.. Sul tubo comando è stata creata una flangia comando per il collegamento con il servoattuatore. La sua posizione non è limitata da alcun fattore, in quanto i cavi bowden sono molto flessibili.

28 Comando alettoni e flapperone L albero comando alettoni rimane quello originale andando a collegare i due attuatori alle flange previste originariamente

29 Per il comando flapperone si potrà modificare l astina l di collegamento originale e collegarla all attuatore attuatore o scegliere un attacco a forcella per collegare direttamente l attuatore alla flangia

30 Come già evidenziato, nel caso di questi due comandi, alettoni e flapperone, l albero l rimane quello originario senza dover apportare particolari modifiche strutturali. Astine collegamento alettoni all albero di comando Albero di comando alettoni Astina collegamento comando flapperone

31 A bordo verrà installato un joystick dotato di force feedback opportunamente tarato ed una base adeguatamente dimensionata per porre il comando in una posizione simile a quella del comando meccanico che va a sostituire All interno della base si potrà alloggiare parte dell hardware necessario al sistema Fly-By By- Wire consentendo così facile accessibilità per la manutenzione e flessibilità per eventuali aggiornamenti software In una zona agevole da raggiungere verrà infine posizionato il comando che permette di interrompere l erogazione l di corrente alle frizioni elettromagnetiche così da poter by-passare il Fly-By By-Wire e poter governare l aereo l in modalità manuale meccanicamente attuata.

32 RISULTATO FINALE

33 CONCLUSIONI La conversione dell ultraleggero Storch in un velivolo Fly-By By-Wire è sicuramente possibile. E necessaria la sostituzione dei comandi di volo previsti per uno dei piloti con servoattuatori comandati da un joystick con force-feedback feedback collegato al sistema integrato di controllo del volo. Vengono utilizzati componenti esistenti anche se è necessario sceglierli in maniera molto accurata in particolar modo per ciò che riguarda attuatori e frizione elettromagnetica. Viene garantito un adeguato grado di sicurezza in caso di avarie. Vi è una elevata semplicità costruttiva poiché le modifiche da effettuare sono poche e facili da effettuare. In tal modo vengono contenuti peso e costi.