STUDIO DI MASSIMA DELLA CONVERSIONE DI UN ULTRALEGGERO IN AEROPLANO SENZA PILOTA PER USO AGRICOLO E PER IL CONTROLLO DEL TERRITORIO.

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1 ALMA MATER STUDIORUM UNIVERSITA DI BOLOGNA SECONDA FACOLTA DI INGEGNERIA CORSO DI LAUREA IN INGEGNERIA AEROSPAZIALE Sede di Forlì ELABORATO FINALE DI LAUREA IN DISEGNO ASSISTITO DAL CALCOLATORE STUDIO DI MASSIMA DELLA CONVERSIONE DI UN ULTRALEGGERO IN AEROPLANO SENZA PILOTA PER USO AGRICOLO E PER IL CONTROLLO DEL TERRITORIO. Candidato Massimiliano Fiorindo Relatore Prof. Ing. Luca Piancastelli

2 SCOPO DELLA TESI: Scopo di questa tesi è la trasformazione di un ULM (Ultra Light Machine Ultraleggero) di grande diffusione quale lo Storch CL, prodotto dalla FLYSYNTHESIS s.r.l., in UAV (Unmanned Aerial Vehicle velivolo senza pilota), pensato per usi agricoli o di controllo del territorio.

3 Presentazione degli studi effettuati per la collocazione in cabina della strumentazione e degli equipaggiamenti e per il sistema di irrigazione. Lo studio per la conversione dell ultraleggero Storch CL nello Storch Blind Farmer, versione senza pilota ideata per scopi agricoli, è stato affrontato seguendo una linea basata su questi punti chiave: - Identificazione delle attrezzature indispensabili e la loro integrazione nel velivolo, utilizzando il più possibile componenti esistenti, - Completa sostituzione dei comandi di volo, previsti per il pilota, con servoattuatori lineari comandati dal sistema integrato di controllo, - la semplicità costruttiva, - il contenimento dei costi. Poiché l UAV oggetto dello studio non dovrà percorrere grandi distanze e nemmeno effettuare particolari manovre di volo, si è preferito focalizzare l attenzione sulla semplicità d uso piuttosto che sulle prestazioni.

4 FASI DEL PROGETTO PASSO 1: Analisi della struttura disponibile. PASSO 2: Studio del posizionamento delle installazioni rispettando le limitazioni di centraggio del velivolo. PASSO 3: Assemblaggio dei componenti e modifiche da apportare per una corretta integrazione delle installazioni. PASSO 4: Progettazione del sistema di irrigazione.

5 PASSO 1: Analisi della struttura disponibile Per prima cosa ho disegnato in 3D la fusoliera in composito dello Storch. Considerando la cellula completamente vuota, ho potuto studiare il problema dal punto di vista del posizionamento degli equipaggiamenti e del loro ingombro in fusoliera, in maniera molto semplice e diretta.

6 PASSO 2: Posizionamento delle installazioni rispettando le limitazioni di centraggio del velivolo. Ai fini di ottenere una certa stabilità longitudinale, il centro di gravità del velivolo deve essere compreso in un intervallo che va da 400 a 497 cm dal bordo d attacco dell ala.

7 PASSO 2: Posizionamento delle installazioni rispettando le limitazioni di centraggio del velivolo. Tenuto conto di queste limitazioni, ho ritenuto opportuno posizionare il serbatoio per liquidi, quali fertilizzanti o pesticidi, nella parte bassa della fusoliera, nelle vicinanze del centro di gravità. Tale serbatoio, in base alla sua geometria, conterrà circa 140 litri, sarà appoggiato e fissato alla fusoliera, ma potrà essere estratto con poche e semplici manovre.

8 PASSO 2: Posizionamento delle installazioni rispettando le limitazioni di centraggio del velivolo. Tubo di passaggio liquido dal serbatoio all impianto d irrigazione Scavo per albero comando alettoni Appoggi sagomati sul fondo della fusoliera Scavo per comando stabilatore

9 PASSO 2: Posizionamento delle installazioni rispettando le limitazioni di centraggio del velivolo. Al fine di facilitare le operazioni di manutenzione e di rimozione del serbatoio, si potrà creare uno sportello incernierato e rimuovere una parte del fianco della fusoliera. Il tratteggio giallo indica la parte di fiancata coperta dallo sportello laterale nella configurazione originale Zona di creazione dello sportello incernierato per facilitare la rimozione del serbatoio Parte di fusoliera da asportare per facilitare le operazioni di manutenzione

10 PASSO 2: Posizionamento delle installazioni rispettando le limitazioni di centraggio del velivolo. Al di sopra del serbatoio ho realizzato un pianale orizzontale, con lo scopo fornire una base per i vari componenti, il tutto seguendo i contorni della cellula, per utilizzare al meglio lo spazio disponibile.

11 PASSO 3: Assemblaggio dei componenti e modifiche da apportare per una corretta integrazione delle installazioni. Le mie valutazioni si sono concentrate sull accoppiamento tra i comandi di volo e i servoattuatori lineari per la movimentazione delle superfici e sulle modifiche da apportare, il tutto cercando di mantenere il più possibile la configurazione originale; i doppi comandi di quest ultima sono stati ridotti al singolo gruppo di controlli.

12 PASSO 3: Assemblaggio dei componenti e modifiche da apportare per una corretta integrazione delle installazioni. Vediamo ora una serie d immagini che rappresentano lo studio d ingombro nell abitacolo della configurazione UAV dello Storch CL. Vista A Vista C Vista F Vista E Vista D Vista B VISTA PIANALE (IN TRASPARENZA)

13 Vista A (IN TRASPARENZA) Vista B (IN TRASPARENZA)

14 Vista C (IN TRASPARENZA) Vista D (IN TRASPARENZA)

15 Vista E (IN TRASPARENZA) Vista F (IN TRASPARENZA)

16 Comando timone e ruotino anteriore Carrucole per cavi freno e acceleratore Servoattuatori comando timone e ruotino anteriore Servoattuatore per comando flapperone Servoattuatori per comandare il freno e l acceleratore Servoattuatore per comando alettoni Pompa benzina per decollo e di caricamento Comando alettoni

17 Sistema integrato di controllo PICCOLO Fermacavo per cavo bowden del trim Pompa serbatoio agricolo Filtro benzina Spazio ricavato sul serbatoio per movimento comando alettoni Servoattuatore comando trim Servoattuatore comando stabilatore Comando stabilatore Serbatoio agricolo Spazio ricavato sul serbatoio per movimento comando stabilatore

18 Comando timone e ruotino anteriore Struttura di supporto servoattuatori Vista in cabina Servoattuatore comando timone e ruotino anteriore Assieme comando timone e ruotino anteriore

19 Vista esplosa assieme comando timone e ruotino anteriore Supporto centrale tubi di comando Tubo comando timone e ruotino anteriore saldato Supporto Angolari per sostegno struttura comando Supporto Angolari per sostegno struttura comando Boccole per attacco tubo di comando ad angolari Il comando di timone e ruotino anteriore è costituito, come si può vedere, da due tubi di comando in acciaio, da quattro boccole in nylon, da un supporto centrale in nylon e da due supporti angolari in alluminio anodizzato.

20 Il comando di timone e ruotino anteriore è stato ricavato dalla pedaliera (nella fotografia vediamo la sua conformazione originale) andando ad eliminare l appoggio per i piedi e aggiustando la dimensione del tubo di comando. La posizione centrale è stata mantenuta per evitare problemi di collegamento con il ruotino anteriore.

21 Il comando di timone e ruotino anteriore è stato ricavato dalla pedaliera (nella fotografia vediamo la sua conformazione originale) andando ad eliminare l appoggio per i piedi e aggiustando la dimensione del tubo di comando. La posizione centrale è stata mantenuta per evitare problemi di collegamento con il ruotino anteriore. Vista generale pedaliera Flange movimento cavi bowden e astine ruotino Astine comando ruotino anteriore

22 Il tubo di comando è a sua volta composto da una flangia comando per il collegamento dei cavi bowden di timone, delle astine per il ruotino e dei servoattuatori lineari che ne comandano il movimento, da una piastrina di rinforzo e dal tubo comando, il tutto saldato e verniciato. Piastrina di rinforzo Flangia collegamento bowden, astine e servoattuatori Tubo comando

23 Allo scopo di ridurre l ingombro sul pianale e facilitare il collegamento tra servoattuatori e flange di comando bowden e astine ruotino, si può utilizzare un supporto metallico o composito. (Dimensioni, forma e materiale possono essere variati a discrezione del progettista, il mio è semplicemente un esempio di applicazione del principio di riduzione degli ingombri sul pianale.)

24 Comando stabilatore Servoattuatore comando stabilatore Assieme comando stabilatore

25 Vista esplosa assieme comando stabilatore Supporto per snodo sferico Snodo sferico Snodo sferico Comando stabilatore saldato Il comando stabilatore completo è costituito dal comando stabilatore saldato, da due supporti in metallo e da due snodi sferici.

26 Il comando stabilatore è stato ricavato dal comando cloche (nella fotografia vediamo la sua conformazione originale) dividendolo in comando alettoni e comando stabilatore.

27 Il comando stabilatore è stato ricavato dal comando cloche (nella fotografia vediamo la 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

28 Il comando stabilatore è stato ricavato dal comando cloche (nella fotografia vediamo la 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, originalmente accoppiati, sono stati sdoppiati per evitare problemi di collegamento con i servoattuatori. Il tubo comando è stato accorciato in base alle esigenze ed è stata creata una flangia comando per il collegamento con il servoattuatore. La sua posizione in cabina non è limitata da alcun fattore, in quanto i cavi bowden sono molto flessibili.

29 Vista esplosa assieme comando stabilatore saldato

30 Vista esplosa assieme comando stabilatore saldato Flangia comando per collegamento con servoattuatore Piastrina rinforzo Tubo comando Boccola d attacco Comando cavi bowden stabilatore Boccola d attacco Il comando stabilatore saldato è composto da una flangia comando per il collegamento con il servoattuatore, da una piastrina di rinforzo, da due boccole per l attacco del comando agli snodi sferici, dal comando per i cavi bowden dello stabilatore e dal tubo comando, il tutto in acciaio saldato e verniciato.

31 Comando alettoni e flapperone Vista in cabina Servoattuatore comando flapperone Servoattuatore comando alettoni Albero di comando alettoni e flapperone

32 Vista esplosa assieme comando alettoni e flapperone Piastrina attacco tubo al pianale Piastrina attacco tubo all ordinata Piastrina attacco aste alettoni Piastrina attacco servocomando per flapperone Flangia collegamento al servocomando alettoni Tubo albero di comando alettoni in tre pezzi L albero di comando alettoni è composto da una flangia per il collegamento con il servoattuatore, da una piastrina di attacco al pianale, da una piastrina di attacco all ordinata, da una piastrina per il collegamento con il servoattuatore per il comando di flapperone, da tre pezzi di tubo e da due piastrine per il collegamento dell albero con le astine degli alettoni, il tutto in acciaio saldato e verniciato.

33 Al comando alettoni e flapperone (nella fotografia vediamo la sua conformazione originale) sono state apportate solo piccole modifiche di aggiustamento. Il tubo comando è stato accorciato in base alle esigenze ed è stata creata una flangia per il collegamento con il servoattuatore. È stata mantenuta la posizione centrale rispetto al pianale, così da non andare a modificare la parte di collegamento tra il comando alettoni e le superfici in questione. Astine collegamento alettoni all albero di comando Albero di comando alettoni Astina collegamento comando flapperone Il comando alettoni e flapperone completo è costituito dall albero di comando alettoni. Il flapperone non è altro che l alettone abbassato per il duplice scopo di controllo e ipersostentazione. La leva in cabina per l azionamento del flapperone e l astina di collegamento tra essa e l albero di comando alettoni, sono state sostituite da un servoattuatore lineare.

34 Nelle fotografie vediamo la parte superiore del comando alettoni e flapperone che è rimasta invariata rispetto la configurazione originale. Astine collegamento alettoni al corrispettivo comando Albero di torsione alettoni

35 Comando trim Vista in cabina Pompe carburante PICCOLO Filtro carburante Servoattuatore comando trim fermabowden

36 Il comando trim (nella fotografia vediamo la sua conformazione originale) è stato completamente sostituito da un semplice fermabowden, una piastrina metallica che permette di fissare il cavo bowden nella posizione desiderata. Non servono leve in quanto il cavo verrà agganciato direttamente sull attuatore lineare. Cavo bowden trim Leva comando trim

37 Comando gas e freno Vista in cabina Servoattuatore freno Servoattuatore gas Carrucola per cavo gas e freno

38 Il comando gas e freno (nella fotografia vediamo la sua conformazione originale) è stato completamente sostituito da due semplici carrucole che permettono di far scorrere i cavi d acciaio preposti a tale scopo. Non servono leve in quanto il cavo verrà agganciato direttamente sull attuatore lineare. Manette freni destro e sinistro Manetta acceleratore

39 PASSO 4: Progettazione del sistema d irrigazione. L irrigatore esterno deve essere rigido e leggero. La struttura è stata pensata per essere realizzata in fibra di carbonio.

40 PASSO 4: Progettazione del sistema d irrigazione. Montante anteriore fusoliera Castello alare Punto d attacco superiore anteriore Struttura a traliccio Tubo irrigatore Punto d attacco superiore posteriore Punto d attacco inferiore Risultato finale Struttura carrello principale

41 Storch Blind Farmer UAV ideato partendo dall ULM Storch CL prodotto dalla Flysynthesis s.r.l. Risultato finale