CONFIGURAZIONE GENERALE

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1 CONFIGURAZIONE GENERALE Iniziamo ora a considerare i jet transport della stessa categoria e mostriamo alcune loro foto per poter definire alcune caratteristiche del nostro aeroplano. Possiamo addurre diverse considerazioni in merito alla loro configurazione: tutti questi velivoli montano un ala bassa hanno le gondole motrici poste sotto l ala o in aerei più vecchi è possibile trovarli sulla fusoliera posteriore come sul Sud Caravelle, che possiede il copyright su questa configurazione ritraggono il carrello tra la fusoliera e l ala. La maggior parte degli aerei da trasporto seguono la tipologia di configurazione ala-fusoliera proposta dalla Boeing Company che introduce appunto il wing glove e il wing yehudi. Questa tipologia prevede una più favorevole resistenza, una pianta alare spessa e un modo per retrarre il carrello senza interferire né con i flap né con il longherone posteriore. Oltre a questo, offre anche una stabilità laterale molto buona sulla pista. 3 carrelli, 1 anteriore con 2 ruote, posteriori con più ruote in numero variabile a seconda del peso, un esempio particolare è il 747 con una quantità di carrelli

2 impensabile per le tecnologie attuali. Infatti il progresso tecnologico ci permette di stabilire l utilizzo di 3 carrelli anche per pesi superiori a libbre. Usano i piani di coda orizzontali bassi, in configurazione generale oppure a T Configurazione generale degli elementi La prima configurazione generale, data dalle specifiche di missione è la tipologia di aereo con partenza ed atterraggio su terra ferma, e non potrebbe essere altrimenti, data la mole del velivolo. Per questo motivo scegliamo una configurazione Convenzionale, perché questa è stata quella di maggior successo. Infatti oltre ad essere quella più utilizzata dalle ditte costruttrici e anche per questo motivo quella con più dati di riferimento. Questo permette di avere dati di riferimento sulla configurazione ben precisi e dettagliati, e ci permette di evitare di avere strani fenomeni indesiderati non ancora studiati, che comporterebbero un rallentamento del progetto ed un sensibile aumento dei costi. Bassa Ala A sbalzo Con angolo di svergolamento Piani orizzontali: montati sulla fusoliera Impennaggi Piani verticali: montati sulla fusoliera Retrattile Carrello Triciclo Montato su ala Aspetti che incidono molto su configurazione: numero di carrelli montanti numero di ruote per carrello cinematica di ritiro carrello e volume disponibile per il ritiro del carrello

3 FUSOLIERA Configurazione fusoliera Come precedentemente detto scegliamo una configurazione Convenzionale Prima di iniziare dovremmo elencare le caratteristiche che ci dovrebbero interessare nella realizzazione di un aereo: Numero e peso del cockpit dell equipaggio Numero e peso degli assistenti di volo Numero e peso dell equipaggio specializzato Numero e peso dei passeggeri Peso e volume del bagaglio a mano Peso e volume del bagaglio in stiva Peso e volume del cargo Numero, peso e grandezza dei container cargo stivati Peso e volume dell equipaggiamento specializzato come sensori, computer, Peso e volume del carburante in fusoliera Equipaggiamento radar Generatore di potenza ausiliario Per il nostro aereo abbiamo, come da requisito 301 passeggeri, e per calcolare il peso dei bagagli dobbiamo fare un semplice conto: bagagli passeggeri=301*40=12040 lb Dato il numero di persone di equipaggio pari a 12, il peso dei loro bagagli risulta: bagagli equipaggio=12*30=360 lb Considerando che la densità del bagaglio è di circa 12,5 lb/ft 3, servono 992 ft 3 di volume. Tipicamente per aerei di tali dimensioni è desiderata una configurazioni mista dove è previsto anche un vano container. Siccome in circolazione ci sono molti aerei di queste dimensioni, è preferibile utilizzare un container intercambiabile, in modo da non dover predisporre di singolari container per singoli aerei. Vediamo alcune linee guida che ci servono per lo studio della fusoliera: Sezione circolare richiesta per pressurizzazione

4 diverse configurazione se per 9 o 10 per sezione, con relative numerazioni. Un problema futuro che si basa su questa scelta è relativo agli sviluppi che verranno sull aereo. ampiezza sedile e corridoio corridoio di certa larghezza e altezza ragionevole, tale che le spalle dei passeggeri seduti vicino ai finestrini non tocchino il muro interno. L esperienza mostra che una delle cose più desiderate dai passeggeri è l ampiezza del bagagliaio sopra la testa e la facilità nel raggiungerlo. Numero e dimensioni delle porte e delle uscite di emergenza Posizione di cessi, guardaroba e cambusa distanza tra cabina, per requisiti strutturali Prima di procedere bisogna tener presente: analizzare le differenze tra le varie strutture in termini di fattibilità, efficienza strutturale, peso, previsione per tubi e cavi di controllo, effetto sul diametro della fusoliera, attenuazione del rumore analizzare l impatto su un futuro arrangiamento della fusoliera in termini di aumento di capacità confrontare la struttura della fusoliera con altri aeroplani in circolazione Prima di iniziare dobbiamo tener conto dei limiti consigliati per questa L f categoria L f / d f = 6,8-11,5 L fc / d f = 2,6-4 θ fc = Considerando allora la formula della lunghezza del velivolo: L f = A*TOW C con i valori A = 0.68 e C = 0.43 Come rapporto di snellezza L f / d f si stabilisce un valore pari a 10 che è un ottimo valore per ridurre la resistenza viscosa in un aereo subsonico e L fc / d f = 3.3. Lunghezza fusoliera L f 225 ft

5 Diametro fusoliera d f 23 ft Lunghezza cono di coda L fc Angolo cono di coda θ fc ft Vediamo che i valori non corrispondono al velivolo preso in esame, questo è dovuto al fatto che le formule proposte dai libri sono piuttosto generali e validi per qualsiasi tipologia di velivolo. Per poter determinare meglio le dimensioni della fusoliera, accertato che l unica dimensione che è corrispondente alla realtà è il diametro della fusoliera, pari a 23 ft, andiamo ora dimensionare le dimensioni più importanti. Riproponiamo la tabella della referenza [10] su cui ci baseremo: Class of aircraft Nose Tail length Cabin to overall Cabin lenght to to diameter length ratio parallel diameter ratio ratio Basic Stretched section ratio Small commuter 1,5 to 2,0 2,5 to 3,0 0,4-0,8 Executive 1,2 to 1,8 2,5 to 3,0 0,35-0,7 Smaller narrow body 1,1 to 1,6 2,5 to 3,0 0,5 0,65 1,0 Larger narrow body 1,2 to 1,6 2,5 to 3,0 0,65 0,7 1,1 Single deck wide 1,2 to 1,6 2,5 to 3,0 0,65-1,2 body Multiple deck wide 1,2 to 1,6 3,0 to 3,5 0,7-1,5 body Supersonic 4 6 to 7 0,55-1,1 to Noi scegliamo un rapporto tra lunghezza del muso e diametro di fusoliera pari a 1,4 ed un rapporto tra la coda ed il diametro pari a 3. Questi dati sono in linea con quanto proposto dalla tabella. Per la lunghezza della cabina consideriamo un rapporto pari a 0,7 rispetto alla lunghezza totale. Per le dimensioni di questa dobbiamo considerare quelle fornite dalla Boeing Company cioè una lunghezza pari a 209 ft. Disegnando ora quanto visto, tenendo presente che il disegno verrà spiegato in seguito, abbiamo:

6 Cockpit layout design Per la configurazione della cabina di pilotaggio (o carlinga), dobbiamo tenere in considerazione diversi fattori: i piloti o gli altri membri dell equipaggio devono essere posizionati in modo da permettere, dalla loro posizione, il facile raggiungimento di tutti i dispositivi dei controllo i piloti e gli altri membri dell equipaggio devono essere in grado di vedere tutta la strumentazione senza alcun tipo di limitazione o impedimento le comunicazioni vocali o quelle tramite pulsanti devono avvenire senza alcun tipo di problema la visibilità dalla cabina di pilotaggio deve seguire certi standard minimi Per iniziare la configurazione della cabina di pilotaggio dobbiamo essere a conoscenza si del peso che delle dimensioni di una persona media dell equipaggio, che ci porteranno, inopportunamente su discriminazioni di altezza e peso sui piloti dell aereo. Questi limiti per la nostra categoria di aerei sono molto più ampi rispetto a quelli richiesti da velivoli militari. Per far questo sfruttiamo due disegni proposti dalla fonte [4] e qui riportati, che ci permettono di avere questi dati richiesti.

7 Con queste informazioni possiamo ora procedere con la configurazione della cabina di pilotaggio. In particolare se vogliamo sviluppare una nuova cabina di pilotaggio dobbiamo effettuare degli arrangiamenti essenziali. Innanzitutto l utilizzo di un manichino che deve essere della stessa scala del disegno che andremo a fare, e deve rispettare le caratteristiche di una persona media. Una volta posizionato il manichino dobbiamo sistemare i sistemi di controllo dell aereo garantendo l accessibilità ed il confort prefissati

8 poco sopra. Per questo ci avvaliamo di un grafico di accessibilità costruito appositamente sul disegno del manichino per poi andare ad evidenziare le aree di minor accessibilità, in modo da trascurarle completamente. Una volta definite queste aree andiamo ad analizzare proprio le distanze da rispettare in base ad una tabella riassuntiva proposta sempre dalla fonte [4]: Symbol Wheel Control Stick Control A 67 (+/- 4) 63 (+/- 4) Ξ 7 (+/- 2 ) 7 (+/- 2 ) P 18 (+/- 2) 16 (+/- 2) Q 22 (+/- 2) 20 (+/- 2) r = movimento laterale del punto A dal centro - 15 (+/- 2) d = distanza tra le monopole della cloches 38 (+/- 5) - Ε 85 max - v = distanza dei pedali dal 38 (+/- 12) 45 (+/- 5)

9 centro Α 64 (+/- 3 ) 70 (+/- 3 ) β 1 22 uguale β 2 10 uguale C 77 (+/- 2) uguale Γ 21 (+/- 1 ) uguale Φ 102 (+/- 2 ) uguale V v 7 (+/- 2) uguale U v = movimento del pedale dal punto B 10 (+/- 2) uguale S h = scostamento orizzontale del punto S < 10 uguale S v = scostamento verticale del punto S 8 (+/- 1) uguale Non è molto pratico assumere una relazione fissa tra il sedile del pilota e i controlli. La ragione, come già accennato precedentemente, è legata alla considerevole variazione tra le corporature delle diverse persone. Tipicamente le variazioni che possono essere misurate negli adulti sono: 15 cm per le braccia, 20 cm per le gambe e 12 cm di altezza della linea dell orizzonte. E interessante notare che non ci sono molti requisiti di dimensioni all interno della ricerca del personale. Questo implica che devono essere previsti un considerevole numero di variazioni all interno della cabina di pilotaggio. Negli aeroplani moderni, vengono tipicamente usati cloches a forma di u con netta differenza della posizione dei comandi tra i due piloti, infatti il primo li ha situati alla sinistra mentre il copilota sulla destra come mostrato in figura:

10 In questa foto è riportato più in dettaglio la forma della cloche. Questo è dovuto al fatto che entrambi i politi hanno i comandi dell aereo situati nella zona centrale.

11 Passando ora a considerazioni costruttive sulla cabina di pilotaggio notiamo che i finestrini e le sezioni dei parabrezza della cabina di pilotaggio devono essere messe in modo tale che non ci siano abbagliamenti o riflessioni che possano interferire con la vista del pilota, particolarmente se vola di notte. I vetri del parabrezza che il pilota avrà davanti mentre guida e le strutture di supporto di questi devono essere capaci di resistere, senza essere penetrati, all impatto di un volatile di 4 libbre quando la velocità relativa dell aeroplano sull uccello durante il volo è uguale a quella della velocità di volo al livello del mare. Queste considerazione derivano sia dall esperienza che da norme internazionale atte a garantire una maggior sicurezza in volo. Visibilità del Cockpit Tre sono i fattori che determinano la richiesta di maggior visibilità da parte dei piloti: Durante il decollo e l atterraggio il pilota deve avere una buona visuale delle immediate vicinanze Durante il rullaggio il pilota deve essere in grado di avere la visione completa della pista per vedere che non ci siano aerei in giro Durante il volo, in condizioni climatiche avverse quali pioggia o neve, l acqua non si deve fermare sulla zona di visibilità Lo studio della visibilità della cabina di pilotaggio si trasforma nello studio degli angoli di visuale che si ottengono dall intersezione della visuale degli occhi del pilota con le strutture non trasparenti del cockpit. Ci sono metodi empirici per determinare la visuale dei piloti, tuttavia è veramente difficile calcolare questa visibilità ideale, raggiungibile attraverso grandi lunotti. Questi però, come precedentemente accennato, sono fragili ad impatti di volatili, e bisognerebbe aumentare la consistenza della struttura, il che implicherebbe peso aggiuntivo. Ipotizzando così valori del tutto simili ad aerei di analoga categoria possiamo finalmente concludere la visibilità del cockpit con questi tre disegni:

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13 Design della fusoliera La fusoliera è responsabile di una buona parte della resistenza aerodinamica degli aerei, quindi è necessario fare in modo che sia disegnata in modo da minimizzarla. La fusoliera è responsabile di queste resistenze: attrito, resistenza di forma (profile drag e base drag), resistenza di compressibilità del fluido in cui vola l aereo, resistenza indotta. Resistenza per attrito La resistenza per attrito è proporzionale alla superficie bagnata e questa è correlata alla lunghezza della fusoliera e del perimetro della sezione. Per ridurre la resistenza si può operare in due modi: 1 disegnare la fusoliera in modo che il flusso sia laminare il più possibile 2 ridurre la lunghezza ed il perimetro il più possibile La maggior parte delle fusoliere moderne hanno uno strato limite turbolento a cui corrisponde un elevato valore del coefficiente di resistenza. Il minimo valore del coefficiente di resistenza si ha per un valore di l f /d f pari a 6. Si nota comunque che qualsiasi valore compreso tra 3 e 11 risulta essere un valore accettabile. E stato dimostrato che la lunghezza della fusoliera incrementa la stabilità del velivolo. E quindi più ragionevole una scelta di sproporzione sopra al valore 8.

14 Profile and Base Drag Questa è una funzione fortemente dipendente dalla forma frontale e finale della fusoliera, ma anche dai lunotti anteriori che possono creare problemi non solo di aumento di resistenza ma anche problemi di stabilità. Questo può essere ridotto con lo studio approfondito della parte finale della fusoliera che può controllare, mediante opportuna configurazione, il distacco dei vortici e la conseguente scia vorticosa. Resistenza di compressibilità del fluido Questo tipo di resistenza è strettamente collegato alla generazione di onde d urto che ha luogo a numeri di Mach elevati. Per il nostro caso, non si hanno problemi di questo tipo sulla fusoliera ma su altre parti dell aereo, viaggiando in regime transonico. Resistenza Indotta La resistenza indotta della fusoliera è dovuta principalmente al raccordo della stessa in estremità. Il requisito principale del velivolo è trasportare il carico pagante, cioè persone, ad una velocità transonica con il massimo confort possibile. Questo significa che la fusoliera deve essere pressurizzata in modo adeguato. La struttura ideale per la pressurizzazione è un tubo a sezione circolare con due semisfere alle estremità. fusoliera ideale per essere pressurizzata La fusoliera ideale deve soddisfare i requisiti aerodinamici. Questi devono tener conto delle esigenze dei piloti riferiti alla visibilità, e che noi abbiamo già trattato precedentemente. Otteniamo quindi una forma come quella proposta nel disegno

15 fusoliera con smussature aerodinamiche Da un punto di vista strutturale, i passeggeri sono il peggio carico pagante possibile. Ogni taglio effettuato per lasciar posto ad un finestrino, compromette la pressurizzazione della fusoliera. I passeggeri sono responsabili di numerose modifiche alla struttura, come porte di accesso, porte di emergenza, portelloni di servizio, portelloni per i bagagli e finestrini. Considerando poi anche lo spazio per l antenna del radar, lo spazio per i carrelli e quello per le ali, giungiamo ad una configurazione che è ben lontana da quella iniziale, se non per la particolarità di coda, dove la cabina termina in una circonferenza. configurazione finale fusoliera Layout interno della fusoliera La fusoliera è un compromesso tra il numero di posti e lo spazio necessario ai movimenti delle persone. Come conseguenza di questo si ha uno studio efficiente sulla accessibilità, manutenibilità e ispezionabilità, che si scontrano con l esigenza di avere una struttura semplice, leggera e con bassa resistenza aerodinamica. Layout della sezione Per velivoli commerciali,la sezione più efficiente dal punto di vista strutturale, e dal punto di vista della pressurizzazione, risulta essere quella circolare. Layout delle cabine dei passeggeri Per dimensionare e realizzare questo layout dobbiamo tener conto di distanze minime dovute alle dimensioni delle persone.

16 Visti i requisiti di persone trasportabili dobbiamo decidere il numero di posti a sedere a seconda del confort. Dovremo anche distribuire in tre classi le persone in modo da ottenere una proporzionata distribuzione in base alla disponibilità economica dei viaggiatori. Cargo Nella maggior parte degli aeroplani di linea a lunga percorrenza, per essere competitivi da un punto di vista economico, devono essere in grado di trasportare containers di determinate dimensioni. Questo risulta essere un grosso problema per la configurazione interna della fusoliera, e viene risolto ricavando una zona destinata proprio a questi containers. Layout dei posti Analizzando aerei simili notiamo che la disposizione dei posti a sedere è in una sola direzione, questa sia per considerazioni di spazio che di confort all interno della fusoliera. La cabina deve essere progettata in modo da essere allo stesso livello in crociera, se questo non fosse rispettato si avrebbero notevoli disagi sia per gli assistenti di volo. Generalmente la FAR proibisce la presenza di più di tre posti per fila senza un ampio corridoio incluso. Nel nostro caso ne abbiamo 2 allora possiamo adottare quanti posti volgiamo. Scegliamo di ottenere una configurazione tipo con: 16 posti in prima classe con 61 pollici 58 posti in business class con 39 pollici 227 posti in classe economica con 32 pollici Inseriamo per completezza la divisione ulteriore della fusoliera, proposta dalla Boeing Company, in configurazione: 279 posti (42 prima classe e 237 in classe economica) 268 posti (40 business class e 228 in classe economica) 296 posti (6 prima classe, 42 business class e 248 in classe economica) Inseriamo anche un dimensionamento dei posti a sedere per le varie classi da noi utilizzate.

17 Ogni posto a sedere viene dotati di cinture di sicurezza in base alle vigenti norme. Questo è fatto si per poter certificare il velivolo sia per ridurre al minimo il disagio provocato in decollo ed atterraggio. Layout delle porte, uscite di emergenza e finestrini Tutte le porte, le uscite e i finestrini sono fonti di rumore resistenza ed eccesso di peso. Tuttavia in caso di evacuazione (in caso di emergenza) è richiesto un determinato numero, minimo, di uscite di emergenza di dimensioni adeguate, visto la generale confusione creata dal panico. Gli aerei da trasporto hanno 3 tipologie di porte: porta di accesso alla fusoliera per i passeggeri

18 porta di servizio uscite di emergenza Per aeroplani che portano un consistente numero di passeggeri, come nel nostro caso, il numero di porte dipende dal piano di evacuazione studiato sulla distribuzione planimetrica dei posti a sedere.

19 Ogni porta ed ogni finestra, tuttavia rappresenta un potenziale incremento di resistenza e di peso. Infatti, lo stato di sforzo, assai gravoso nell intorno del finestrino, è sopportato da una struttura alquanto complessa e ben fornita di materiale. Per questo motivo si vorrebbe inserirle il meno possibile. D altro canto invece, le esigenze in caso di emergenza, sono le opposte. Per questo bisogna cercare un compromesso. Oltre a questo, dobbiamo considerare anche il fatto che il nostro aereo potrebbe effettuare anche un atterraggio di emergenza, in zone assai lontane da aeroporti, e bisogna quindi predisporre un sistema di uscita dall aereo ben adeguato in caso di pericolo. Per questo si utilizzano sia delle luci di segnalazione interne che scivoli di uscita ad ogni porta di emergenza. Questi non solo devono essere a norma, ma devono anche agevolare il più possibile i passeggeri in queste manovre articolate. Tre fattori influenzano la configurazione di un finestrino: dimensioni, quantità e forma. Da un punto di vista strutturale devono essere piccole, poche e rotonde. Per un confort dei passeggeri devono essere larghe, molte e quadrate. Nella configurazione finale, si può notare che i finestrini sono molto più simili ai secondi. Una volta stabilito le dimensioni, il progetto degli alloggiamenti dei finestrini nella fusoliera presenta molti problemi per uno strutturista. La zona dove sono presenti i finestrini è la parte più sollecitata sia da forze verticali che da forze di pressione, poiché è sottoposta

20 anche a fatica. Come si può notare dalla figura, la composizione del finestrino è abbastanza complessa, poiché è composta da più strati che permettono sia la resistenza allo stati di sforzo che al rumore, creando così anche un effetto insonorizzante. Le porte e le uscite per i passeggeri devono sottostare a determinate regole previste per la sicurezza ed il confort dei passeggeri ed espresse nelle FAA. La superficie esterna delle porte di un aereo da trasporto deve essere dotata di un sistema di chiusura delle porte e per salvaguardarsi dall apertura durante il volo da parte di persone con il risultato di una frattura. Deve essere possibile aprire le porte sia dall interno che dall esterno anche se le persone si accalcano all interno. Questo significa che l apertura deve essere semplice ed intuibile e deve essere così sistemata e indicata internamente che possa essere individuata e aperta anche al buio. Layout di cambusa, toilette e guardaroba Per questo genere di servizi, data il range del nostro aereo, non possiamo che riferirci a dati di aerei quali ai 747 che più si avvicinano alle esigenze del personale e dei passeggeri.

21 Scegliamo quindi di inserire 12 toilette di dimensioni approssimative di 40x40 pollici e di 9 cambuse di dimensioni variabili, in quanto ricavate in posti particolari, come ad esempio la coda dell aereo e le zone curve. Per i guardaroba, ne sono previsti 4 ampi alle estremità e sopra ciascun posto ampie zone di deposito del bagaglio a mano e dei soprabiti. Layout del cargo Come nella maggior parte degli aerei commerciali, si è deciso di adibire la zona sottostante la cabina passeggeri a cargo. Abbiamo già precedentemente calcolato che il volume occupato dai bagagli dei passeggeri corrisponde a 992 ft 3, tuttavia non corrisponde allo spazio disponibile lungo l aereo che corrisponde a circa 5500 ft 3, e da questo se ne deduce che la maggior parte della zona sottostante alla cabina passeggeri, ad eccezione della zona dove passano i longheroni delle ali, è utilizzata per trasportare container. Come già precedentemente ricordato, questi container devono essere intercambiabili, quindi sono di dimensioni prestabilite.

22 Molti passeggeri, particolarmente quelli della classe business, insistono nel portarsi a bordo i bagagli. Anche se le compagnie aeree hanno stabilito dei limiti sui bagagli a mano, hanno anche previsto il collocamento di questi sopra le teste dei passeggeri, in appositi vani. L uso delle pallet e dei container riduce di molto il tempo di carico e scarico dei bagagli, poiché l aereo lo progettiamo proprio per accoglierli. E essenziale lo studio dello sgombro della stiva, che corrisponde ad un spazio libero minimo di 5 pollici in altezza e nove pollici in profondità. Per facilitare il carico e scarico cercheremo di abilitare le porte di sistemi di scorrimento. E anche necessario costruire la stiva in modo da prevedere, in situazioni di impatti, che i bagagli non vengano a contatto con i passeggeri. ISPEZIONE,MANUTENZIONE E CONSIDERAZIONI DI SERVIZIO E essenziale che quelle aree della fusoliera che richiedono un frequente accesso per ispezioni, permettano queste operazione ed le riparazioni devono avvenire facilmente. Bisogna così studiare bene le condizioni sotto le quali la manutenzione e le procedure di servizio possano essere effettuate. Nelle operazioni di trasporto è essenziale che il tempo di girarsi-attorno deve essere minimizzato il più possibile. Questo significa che un grande numero di veicoli devono

23 avere accesso simultaneo all aeroplano, quando questo è parcheggiato in aeroporto. I servizi tipici che devono essere effettuati sono: imbarco e sbarco passeggeri rifornimento di carburante ed olio riempire i serbatoi di acqua a bordo pulire la cabina dell aereo togliere il cibo e le bevande lasciate sull aereo imbarcare cibo e bevande fresche pulire i bagni Tutti i veicoli necessari per queste operazioni non devono interferire l un l altro o che due tipologie di rifornimento pericolose non siano vicine. Per questo bisogna porre estrema attenzione alla disposizione delle porte per i passeggeri, porte per i container e per le porte di accesso ai sistemi. Considerazioni strutturali Da un punto di vista strutturale, la fusoliera dell aereo è quella struttura alla quale vengono attaccate le ali, i piani di coda, ed i carrelli. E preferibile limitare i danni della fusoliera in caso di impatto, soprattutto questa deve cercare di proteggere il più possibile i passeggeri. I materiali usati in cabina sia per in sonorizzazione che per decorazione piuttosto che i sedili o i rivestimenti, non devono generare sostanze tossiche in caso di contatto con il fuoco.

24 SISTEMI LAYOUT DEL SISTEMA IDRAULICO Le funzioni del sistema idraulico variano a seconda del tipo di aeroplano, e anche all interno della stessa categoria si possono incontrare diverse tipologie. Le tipiche funzioni: muovere i controlli primari di volo: alettoni, equilibratore, stabilizzatore, timone e spoilers muovere i controlli secondari di volo: flap, assetto di controllo, freni di velocità estrarre e retrarre il carrello controllare i freni delle ruote guidare il carrello in atterraggio manovrare gli invertitori di spinta Il sistema idraulico, di solito, è composto da questi componenti: cisterna di fluido idraulico pompe idrauliche (engine driver, air-driven, electric drive or RAT =ram air turbine driver) nella maggior parte degli aeroplani una pompa a mano è prevista per le emergenze accumulatori (usati molto per le emergenze) tubi e valvole per la distribuzione del fluido a tutti i punti operativi controlli del cockpit per operare le funzioni servite dal sistema idraulico Il numero di pompe idrauliche richieste dipende dalla criticità del sistema idraulico alle operazioni di volo in sicurezza. Se il sistema idraulico è essenziale per le operazioni di volo in sicurezza, sarebbe preferibile avere un grande numero di pompe e 3 o 4 sistemi idraulici indipendenti. Se il sistema idraulico non è critico per le operazioni in sicurezza, un accumulatore idraulico è spesso usato per fornire temporaneamente la pressione idraulica se le pompe non funzionassero. La maggior parte degli aerei moderni ha bisogno di un sistema idraulico per un buon numero di mansioni. Molte delle funzioni riguardano operazioni di sicurezza dell aeroplano

25 e non devono operare non correttamente, l impianto deve funzionare correttamente quando richiesto e non deve operare quando non richiesto ed in caso di guasto non deve bloccarsi completamente. Questi requisiti insieme al tipo di velivolo, determinano la tipologia di progetto di un sistema idraulico. Quando si inizia a progettare un nuovo sistema idraulico si devono individuare le funzioni che devono essere garantite, e secondariamente si devono dividere a seconda della loro importanza al volo in sicurezza. Si possono così dividere: Sistemi di controllo primari: equilibratori, timone, alettoni Sistemi di controllo secondari: flap, slat, spoiler e aerofreni Sistemi di utilità: carrello di atterraggio, freni sulla ruota, porte del cargo, rampa di accesso, sedile dei passeggeri Esistono altre funzioni ma queste sono le principali. Dalla lista fatta, dobbiamo giungere a conclusione che tutti i sistemi di controllo primari sono critici per il volo e conseguentemente ogni singolo guasto o interruzione momentanea non deve compromettere il funzionamento del sistema. Questo significa che il funzionamento deve essere controllato sistematicamente e il pilota deve avere sempre sottocchio lo stato del sistema. Lo stesso ragionamento si può applicare ad alcuni sistemi di controllo secondari come flap o slat. Altre funzioni, comodamente nominate di servizio o di utilità, devono essere considerate sacrificabili dopo un guasto del sistema o devono operare solo in una direzione dopo una selezione di emergenza effettuata dal pilota. Nel caso di emergenza bisogna provvedere a fare in modo che il carrello scenda quando è il momento. La fonte primaria della potenza richiesta dal sistema idraulico è il motore, per questo la pompa idraulica è collegata alla scatola del cambio del motore. In figura viene riporatato lo schema di un sistema idraulico:

26 DIMENSIONAMENTO DEL SISTEMA IDRAULICO Normalmente il massimo ammontare del flusso di fluido idraulico richiesto da un operazione di un aeroplano è nella fase di atterraggio: i sistemi di controllo primario e secondario, il carrello, e i freni sulle ruote devono essere usati simultaneamente. Le pompe idrauliche e la loro fonte di potenza possono guastarsi. Questo dipende dal tipo di aeroplano e dalle funzioni critiche servite dal sistema idraulico, e devono essere forniti da sistemi secondari. Tipicamente questi sistemi secondari includono: - accumulatori per provvedere ad una pressione idraulica di bassa durata per abbassare il carrello - APU o RAT per provvedere alla potenza necessaria per le operazioni di controllo del velivolo nelle condizioni di emergenza; per prima cosa è essenziale fare una lista delle funzioni che devono essere raggiunte dall impianto idraulico sotto condizioni normali o di

27 emergenza cioè: secondariamente molti sistemi di controllo richiedono manutenzione e controlli, e devono essere raggiungibili. LAYOUT DEL SISTEMA ELETTRICO Tutti gli aeroplani necessitano di potenza elettrica per operazioni di un gran numero di sistemi: illuminazione interna ed esterna strumenti di volo e strumenti aeronautici sistemi per la conservazione ed il riscaldamento del cibo e delle vivande sistema di avvio del motore sistemi di controllo primari e secondari La potenza elettrica, normalmente è fornita da due sistemi: sistema di generazione di potenza primario, fornito da un generatore del motore sistema di generazione di potenza secondario, che deve entrare in azione in caso di guasto al primo, e consiste in: batterie, generatore di potenza ausiliaria APU, turbina con pistoni ad aria RAT, COMPONENTI Per le normali operazioni la potenza elettrica è generata dal motore e dall alternatore. Questi sistemi possono essere progettati per fornire corrente continua o corrente alternata, e di solito viene usata per avviare i motori. DIMENSIONAMENTO Per determinare la massima potenza elettrica richiesta in un aeroplano bisogna conoscere uno schema approssimativo dei sistemi e dei carichi presenti sul velivolo. Deve essere progettato per due tipi di carico richiesto: 1. Requisiti di carico essenziale per il sostentamento, determinato dalla somma di tutte le richieste di corrente da parte dei sistemi di controllo e manovra dell aereo. 2. Requisiti di carico per le normali operazioni, determinati dalla massima somma delle potenze elettriche richieste durante il volo.

28 La probabilità che la potenza elettrica essenziale richiesta non può essere fornita durante il volo deve essere molto bassa. Per questo motivo negli aerei commerciali si hanno a disposizione un minimo di tre grandi sistemi elettrici. Durante la progettazione bisogna tener conto di molti fattori: 1. i sistemi elettrici non devo essere danneggiati in caso di fulmini che colpiscono il velivolo 2. i sistemi elettrici non devono interagire l un l altro per evitare effetti indesiderati, ad esempio interferenze elettromagnetiche. In più bisogna schermare i sistemi per non entrare in interferenza con sistemi elettronici quali i telefonini sempre più usati anche se proibiti. 3. i sistemi elettrici devono essere in grado di compensare altri sistemi nel caso di guasti 4. l accesso ai sistemi elettrici deve essere semplice e sicuro, accuratamente isolato 5. i sistemi di controllo e altri sistemi cruciali non devono essere troppo esposti per evitare guai nel caso di guasto di un componente del motore, azione terroristica, guasto di una struttura o fuoco localizzato all interno dell aereo. 6. le batterie necessarie per effettuare le operazioni di emergenza devono essere istallate in zone resistenti ad acqua e fuoco e corrosione, poiché contengono liquidi facilmente infiammabili e corrosivi SISTEMA DI PRESSURIZZAZIONE Lo scopo di questo sistema è di mantenere un sufficiente livello di pressione dell aria nell aereo durante il volo ad alta quota, per garantire un buon confort. Tipicamente l impianto viene progettato per mantenere la pressione che varia tra la pressione che si avrebbe tra i 1000 e piedi di altezza. Il sistema della cabina di pressurizzazione necessita dei seguenti componenti: 1. fonte di alta pressione tipicamente pneumatico 2. sistema di controllo e mantenimento per conservare la pressione e proteggere le strutture L efficienza del sistema di pressurizzazione è di grande importanza per la sicurezza dei passeggeri. Se il sistema si dovesse guastare in quota, avremmo molti problemi. Per questo motivo vengono installati impianti per il rifornimento dell ossigeno.

29 Se il sistema di pressurizzazione si dovesse rompere a terra, non sarebbe possibile aprire la cabina. Il maggior problema può sorgere se la porta del cargo può accidentalmente aprirsi. In questo caso la pressione della stiva potrebbe abbassarsi velocemente. La differenza di pressione tra la cabina dei passeggeri ed il cargo può causare cabin floor to fail. Se i sistemi di volo fossero situati in questa zona si avrebbe una perdita di controllo. SISTEMI PNEUMATICI Lo scopo di questi sistemi pneumatici è quello di svolgere le seguenti funzioni: - pressurizzazione della cabina ed aria condizionata - Sistemi di protezione dal ghiaccio La facilità di disponibilità di aria ad alta pressione dai motori moderni è la chiave dell uso della potenza idraulica per trasferire energia o fornire potenza al velivolo. SISTEMA DI ARIA CONDIZIONATA L aria condizionata deve regolare la temperatura e l umidità all interno della cabina. L efficienza del sistema di aria condizionata della cabina dipendono dall isolamento termico della cabina stessa.

30 SISTEMI DE-ICING E ANTI-GHIACCIO Il ghiaccio sulle ali o sulla coda può cambiare il profilo aerodinamico in modo da: incrementare enormemente la resistenza che comporta un rallentamento del velivolo o la perdita di capacità di salita. diminuire la portanza cambia il momento di beccheggio Oltre a questo il ghiaccio si può formare anche nell ugello del motore e può diminuire enormemente i rendimenti del motore, in più in caso di distacco di un pezzo di ghiaccio con conseguente risucchio avremmo seri danneggiamenti al motore. Il ghiaccio si può formare anche sui parabrezza della cabina di pilotaggio, o su sensori cruciali per le operazioni di un aeroplano SISTEMA DE-ICING Iniziamo a trattare i sistemi che permettono la rimozione del ghiaccio. Il primo consiste in una sottile sacca di gomma attaccata al bordo di attacco del profilo dell ala. Il secondo

31 invece è un sistema ad impulsi elettrici che opera direttamente sulla superficie dove si è formato il ghiaccio. Gli impulsi arrivano direttamente da una serpentina installata su questa superfici. SISTEMA ANTI-GHIACCIO Questo sistema serve a prevenire la formazione di ghiaccio, e può essere azionato dai piloti e può essere di vari tipi: Termico -ad aria calda: impiega aria calda verso quelle superfici a rischio, usato anche per togliere il ghiaccio e per proteggere il motore Termico elettrico: utilizza resistenze termiche per scaldare le superfici, usato su sostegno della gondola motrice, sulla sonda della temperatura dell aria, sul supporto anteriore radio e sugli ugelli del motore. Chimico: usa liquidi antifreddo attraverso un sistema di piccolissimi fori situati sul bordo d attacco, questo viene ricoperto dal fluido che non congela e previene la formazione di ghiaccio. Lo svantaggio di questo sistema è legato al supporto finito che può dare. STRUMENTAZIONE DELLA CABINA DI PILOTAGGIO La disposizione della strumentazione all interno del cockpit deve essere tale che i piloti possano avere agevolmente il controllo dell aereo sia attraverso gli strumenti di controllo come la cloches che strumentazione. Siccome il nostro aereo è parte di una famiglia di aerei, 777, possiamo ipotizzare che la strumentazione della cabina di pilotaggio sia la stessa. Esponiamo qui brevemente i sistemi. 1 controllo delle luci esterne 12 leva di controllo di slat e flap 2 strumentazione di volo del primo pilota 13 sistema di imbardata del copilota 3 pannello delle spie di allerta 14 selezionatore di carrello 4 controlli della radio e dei sistemi di volo 15 cloches del copilota 5 strumentazione dei motori 16 pannello dei circuiti freno 6 strumentazione di volo del copilota 17 controlli del sistema antincendio 7 cloches del primo pilota 18 pannello di controllo del sistema elettrico 8 leva dei freni di velocità 19 pannello del sistema primario di volo 9 acceleratore 20 pannello di controllo delle luci

32 10 controlli della radio di comunicazione 21 pannello di avviamento dei motori 11 rotella di imbardata 22 controlli anti-ice e de-ice Possiamo notare questi sistemi in una fotografia della cabina di pilotaggio: PROGETTAZIONE DEL SISTEMA DI FUGA PER LE EMERGENZE Per favorire l uscita dall aereo nel caso di pericolo e con aereo fermo, bisogna progettare un sistema che permetta ai passeggeri di muoversi. Per far questo bisogna innanzitutto numerare le porte, provvedendo ad equipaggiarle con luci di segnalazione, e devono essere visibili le istruzioni per l apertura. Poiché l aereo è molto lungo, dobbiamo inserire ben 8 uscite di sicurezza, e per evitare di fa uscire i passeggeri sulle ali, con la conseguenza di dover applicare pellicole particolari sul profilo dell ala, individuiamo le zone prima dell ala e dopo l ala, come zone possibili per l uscita.

33 SISTEMA DI FORNITURA DELL ACQUA E SISTEMA DI SCARICO Questi sistemi rappresentano per l aereo un impiego notevole per spazio e peso. Tipicamente l utilizzo di acqua sugli aerei da trasporto è di 0,3 us-gallon per passeggero. Questo significa che dobbiamo necessariamente avere a bordo circa 95 us-gallon in totale. E importante sottolineare che i tubi ed i serbatoi di acqua devono essere riscaldati per evitare che l acqua si congeli. Per aumentare il confort dobbiamo rendere disponibile sia acqua calda che acqua fredda. L ottenimento di acqua calda comporta l inserimento di uno scambiatore di calore che possa così riscaldare l acqua fredda. Invece, per quanto riguarda il sistema di scarico, dobbiamo provvedere ad inserire sia sistemi che permettano di mescolare le sostanze organiche con fluidi chimici che permettano sia lo scorrimento nei tubi che l accumulo e il trattamento nelle taniche. E molto importante prevedere un sistema di chiusura che non permetta il fluire di odori in cabina. Il numero dei servizi igenici previsti è legato al numero di passeggeri, e come precedentemente determinato consideriamo la necessità di un numero pari a 11. Ad ogni scalo aeroportuale, questi sistemi devono essere puliti, e ciò comporta la necessità di rendere accessibili i sistemi, e soprattutto di non interferire con altri sistemi applicati sull aereo.

34 MOTORI Numero di motori Il numero di motori da montare sul nostro aeroplano dipende da: potenza totale o spinta richiesta relazione tra prestazioni di salita e probabilità della rottura del motore costi di acquisto e mantenimento altre considerazioni di sicurezza Un numero compreso tra 1 e 4 risulta essere quello più pratico per aeroplani di questa categoria. Disposizione motori Punto di spinta davanti al centro di gravità I motori vengono alloggiati in gondole sotto l ala, a posizione dei motori influisce: peso aeroplano vibrazioni e rumore efficienza del motore manovrabilità manutenzione Dobbiamo prendere 3 decisioni per la scelta del motore da utilizzare: 1. tipo del sistema propulsivo 2. determinazione numero di motori e potenza di ognuno 3. disposizione dei motori Il punto 1 è vincolato da altri fattori che incidono su di esso cioè: velocità di crociera altitudine range e range economy peso accessibilità e manutenzione combustibile necessario

35 costo del combustibile specifiche del cliente FAR 36 regole per il rumore Convenzionalmente non è desiderabile avere diversi tipi di motore su un aeroplano: ciò è dovuto al fatto che diversi sistemi propulsivi necessitano di diverse procedure operative con un incremento di lavoro per l equipaggio; inoltre i costi di manutenzione diventerebbero ancora più alti. Per gli stessi motivi non è desiderabile avere motori di diversa potenza. Nella scelta del numero di motori dobbiamo tener conto di 2 possibilità: 1. utilizzo di un motore già esistente: in questo caso il livello di potenza è congelato e allora non si fa altro che dividere la spinta necessaria per un numero (intero) ragionevole di motori, in genere da 1 a 4 2. utilizzo di un motore opportunamente sviluppato: molto costoso e impiega molto tempo (7-10 anni) Il numero di motori è determinato dividendo il requisito di spinta al decollo per un intero, che può essere 1,2,3 o4. Nel passato si è provato ad utilizzare anche più di 4 motori installati su di un velivolo, ma attualmente si è giunti a capire che sopra 4 aeroplani i problemi di manutenzione, attrezzatura e probabilità di spegnimento diventano inaccettabili. Negli anni 80 si pensava, come poi è avvenuto, che se ci sarebbe stata una richiesta per aerei molto grandi, come ad esempio il nostro, potrebbe non essere meglio affrontare i costi di sviluppo di nuovi grandi motori, come invece è avvenuto. Quello che non si teneva conto allora era lo sviluppo del settore motoristico con lo studio e la risoluzione sia di problemi termodinamici che strutturali, dettati dalle dimensioni non contenute del propulsore. Ciò che veniva proposto in quegli anni lo si vede benissimo nei 747 che montano 4 motori subalari. I fattori che influenzano sulla disposizione dei motori sono: Effetti della variazione di spinta o dello spegnimento del motore sul controllo e la stabilità Resistenza dovuta all istallazione Peso e bilanciamento Requisiti di portata e effetti sulla potenza installata e la sua efficienza Accessibilità e manutenzione

36 Le istallazioni con motore avanti rispetto al centro di gravità tendono ad instabilizzare mentre i motori dietro tende a stabilizzare sia nella stabilità longitudinale che direzionale. Questo può essere considerato se vogliamo risparmiare superfici di impennaggio nel caso di motore dietro. Un motore Podded (in gondola) ha una maggior superficie bagnata di un motore sepolto ma offre dei vantaggi sostanziali che lo hanno reso standard per aerei commerciali e business jet: Posizionano la presa dinamica lontana dalla fusoliera in modo che si può ottenere un flusso regolare con una presa dinamica molto corta. Producono meno rumore in cabina essendo più lontani dalla fusoliera Sono facilmente accessibili da terra ed in alcuni casi dalla cabina Gli scarichi possono essere diretti verso il basso dai flap e questo incrementa molto la portanza per una corsa di decollo più breve Lo svantaggio è che la presenza delle gondola e di pylons (piloni) può disturbare il flusso d aria sull ala aumentando la resistenza e riducendo la portanza. Per minimizzare questi effetti negativi la gondola viene posta circa due diametri della presa dinamica davanti all ala e un diametro sotto il bordo d attacco. Inoltre per evitare l ingestione di corpi estranei la presa dinamica di un motore ad alto rapporto di by-pass deve essere posta a mezzo diametro dal terreno: questo risulta un requisito anche per il carrello. Decidiamo di montare la gondola motrice sull ala per le seguenti motivazioni: Non c è copyright Perché è davanti al profilo e non nella scia, l unico problema sono le alte incidenze che si verificano in configurazione di atterraggio Meno rumore in fusoliera Perché non ingerisce vortici o flusso separato dall ala o dalla fusoliera Le motivazioni a favore del montaggio sulla fusoliera sarebbero: L ala pulita permette un C Lmax elevato e dunque una lunghezza di decollo minore L allungamento alare diminuisce i problemi di controllo nel caso di motore fuori uso Non ci sono limitazioni sulla distanza del motore da terra e quindi si possono usare strutture del carrello più corte Resistenza lorda minimizzata Il momento di imbardata più piccolo, nel caso di guasto ad un motore

37 Gli argomenti contro sono: aumento di peso: struttura della fusoliera, sistemi del motore, timone il peso concentrato molto indietro rispetto al baricentro non solo ha effetti destabilizzanti ma rende difficile disporre in modo arbitrario il carico pagante Un nuovo motore sarà una versione scalata di uno già esistente, magari con qualche miglioramento dovuto all uso di tecnologie più avanzate per esempio una riduzione del 10 o 20% nei consumi e nel peso: questo sarà indice di materiali migliori, temperature più elevate compressori e turbine più efficienti. CONSIDERAZIONI SULLA SPINTA INSTALLATA, POTENZA ED EFFICIENZA Per raggiungere la miglior combinazione tra spinta installata ed efficienza bisogna tener conto di molti dettagli: infatti diversi requisiti sulla generazione di potenza, sul condizionamento, e su altri servizi possono provocare riduzioni nella spinta o nell efficienza. Estrazione di potenza E necessario elencare tutti i sistemi e servizi che prendono energia dai motori. L insieme di questi sistemi dovrebbe essere diviso in due parti: la potenza elettrica in cavalli, e la portata spillata in libbre al secondo. E così possibile stimare l effetto della potenza estratta sulle prestazioni del motore installato. Per tipiche operazioni di crociera su un aereo civile si dovrebbe considerare inizialmente una perdita di potenza totale del 2-5%. E spesso desiderabile installare un unità di potenze ausiliarie (APU) per la generazione di potenza a terra: questo rende l aereo indipendente da generatori di potenza di servizio negli aeroporti; eventualmente APU può essere usata in volo per diversi servizi.

38 CONSIDERAZIONI STRUTTURALI Trasmissione della potenza alla cellula Per trasmettere potenza sono necessari alcuni hard points dove il motore è fisicamente attaccato alla cellula. Il numero di questi punti dipende dal tipo di motore usato. I punti predisposti all aggancio sul motore stesso, non possono essere cambiati facilmente: la loro posizione dipende dalla configurazione interna del motore ed è in genere determinata dal costruttore del motore. Per i motori a getto vi sono in genere due o tre punti di aggancio: il punto posteriore è progettato per permettere considerevoli dilatazioni termiche e porta una piccola parte del peso del motore. Disposizione dei motori sull ala Influisce sul momento di rollio, e quindi sugli impennaggi che dovranno essere più larghi, e sui piani di coda per compensare il momento di imbardata nel caso di un motore non operativo. Vibrazioni La posizione laterale e longitudinale dei motori è importante per le vibrazioni dell ala. MANUTENZIONE ED ACCESSIBILITA Poiché sono necessarie frequenti ispezioni e sostituzioni di pezzi di componenti è necessario che il motore sia facilmente accessibile. Spesso si usano grandi portelloni che sono progettati per sopportare carichi quando sono aperti in condizioni di forte vento. CONSIDERAZIONI SULLA SICUREZZA Sicurezza sull installazione Tutti i motori ed altri elementi che generano calore devono essere isolati dal resto dell aeroplano. Questo è di grande importanza soprattutto per i serbatoi. Bisogna considerare possibili disintegrazioni di compressori e turbina: per l elevata energia cinetica di questi sistemi non è accettabile collocare l equipaggio, i passeggeri, sistemi o strutture importanti nelle loro vicinanze. Il criterio del cono di 5 gradi è spesso usato per soddisfare questo requisito per quanto riguarda le persone

39 Danni per oggetti esterni I motori a getto sono sensibili all ingestione di detriti ed è dunque necessario assicurare che i detriti tirati su dal carrello non entrino nella presa d aria. Per garantire una sicurezza ragionevole in un progetto preliminare è necessario controllare la posizione relativa tra prese d aria e carrelli. Se consideriamo la tabella: L-1011 DC10-30 A B Un valore plausibile è per A superiore ai 40 poiché gli aerei considerati sono molto più piccoli e datati. CONSIDERAZIONI SUI RUMORI Considerazioni inquinamento acustico nella fusoliera La tabella sottostante indica i livelli di rumore consentiti dallo standard OSHA: Durata in ore al Livello permesso in giorno decibel , , , Dovremo ovviamente cercare un motore che rispetti questi valori.

40 Considerazioni sul rumore esterno Bisogna considerare il rumore al decollo, all atterraggio ed in rullaggio. Le norme che regolano queste fasi di volo sono contenute all interno della FAR 36. Se l aeroplano è progettato per rispettare i requisiti di decollo e atterraggio, minimizzando la spinta richiesta, esso tenderà ad essere buono per minimizzare il rumore entro più o meno 1 EPNdb. POSIZIONE DELLA GONDOLA RISPETTO ALL ALA Per le posizioni della gondola relativamente al bordo d attacco dell ala si è trovato che X Z X un interferenza favorevole si ottiene con > 0,2 e fino a 1,1. Solo quando < 0,2 è C D C utile spostare la gondola verso l alto. Gli effetti della configurazione di ogni gondola sul peso totale installato sulla resistenza e sulle prestazioni del motore sono le seguenti: le configurazioni integrali 1 e 2 da tabella sono più pesanti rispetto a quelle montate con piloni la configurazione 1 genera una forte resistenza, e dà notevoli problemi sia di consumi che di spinta la configurazione 3 è pesante ma offre buone prestazioni dovute al miscelamento efficace: ma le cresciute prestazioni del motore sono poco maggiori di quelle richieste per compensare l aumento di peso.