Studio e progettazione dei comandi di volo per una replica di un velivolo storico in versione ultraleggera

Transcript

1 Università degli Studi di Bologna SECONDA FACOLTA DI INGEGNERIA (SEDE DI FORLì) Corso di Laurea in Ingegneria Aerospaziale Disegno Assistito dal Calcolatore Studio e progettazione dei comandi di volo per una replica di un velivolo storico in versione ultraleggera Tesi di laurea di: Massimo Ragazzini Relatore: Prof. Ing. Luca Piancastelli Correlatori: Prof. Ing. Carlo Bezziccheri Anno Accademico

2 SCOPI DELLA TESI Studio e progettazione dei comandi di volo del Macchi 205 Veltro in versione ultraleggera, con l utilizzo di materiali di minor peso specifico rispetto all originale, per ridurre drasticamente i pesi: 1. Comando di virata con definizione del percorso cavi. 2. Comando di beccheggio. 3. Comando di azionamento dei flap.

3 CARATTERISTICHE TECNICHE La forma esterna e la geometria rimangono le stesse dell aeroplano originale. Unica differenza nel materiale utilizzato e nel peso finale: Dati tecnici del velivolo originale : Apertura alare = 10,58 m kg 450.kg Superficie alare = 16,8 m². Lunghezza ala destra = 4,321m. Lunghezza ala sinistra = 4,521m. Lunghezza totale = 8,84 m. Altezza = 3,03 m. Velocità massima = 648 Km/h.

4 COMANDI ORIGINALI Comandi originali con aste e leve in acciaio.

5 COMANDO DI VIRATA Il comando di virata è fissato alla pavimentazione dell abitacolo, tramite bulloni, proprio di fronte al pilota e fra i due pedali che controllano il timone di direzione. Consente la rotazione del velivolo attorno all asse longitudinale imprimendo un momento di rollio al velivolo che fa alzare un ala ed abbassare l altra. L azione del pilota sulla cloche comanda il movimento degli alettoni in maniera antisimmetrica: Verso destra Virata a destra Verso sinistra Virata a sinistra

6 Fissata al pavimento dell abitacolo con bulloni e collegata agli alettoni nelle ali tramite cavi. Realizzata in materiali leggeri come alluminio e materiale plastico. Componenti fondamentali: Manopola (in spugna). Asta (lega 2024 T3). Distanziale e cuscinetto (teflon). Perno di comando (lega 7075 T6). Bullone di unione leva-perno (inox A2). Supporto di fissaggio (lega 2024 T3). Copiglia di bloccaggio. CLOCHE

7 LEVE DI COMANDO Fissate al longherone posteriore dell ala tramite bulloni, costituiscono il cinematismo del comando e sono uniti all alettone tramite un giunto snodato (uniball). Componenti fondamentali: Leva fissata all alettone (lega 2024 T3). Spina per ridurre i giochi. Uniball, con manicotto in alluminio. Leva di comando (lega 2024 T3). Supporti fissati nel longherone (lega 7075 T6). Cavi con accessori. Bulloni di collegamento.

8 CAVI DI COLLEGAMENTO I cavi uniscono la cloche ai comandi nelle ali e, dato che consentono solo un movimento di trazione, necessitano della chiusura del circuito all interno dell ala. I cavi in acciaio inossidabile utilizzati hanno il diametro di 1/8 e sono del tipo a 7 trefoli composti da 19 fili. Possono resistere fino ad una forza di trazione di 798 kg. Saranno fissati ai comandi tramite, terminali arrotondati, occhielli e piombini di chiusura. Per mettere in tensione le funi si utilizzeranno dei tendicavi unificati composti da due occhi filettati, con filettature destra e sinistra, ed un corpo centrale. Per indirizzare i cavi all interno dell ala sono utilizzate delle carrucole in resina epossidica, unificate ed adatte al tipo di cavo utilizzato.

9 PERCORSO CAVI Le carrucole, racchiuse tra i supporti fissati alle strutture portanti del velivolo, consentono di guidare le funi dall abitacolo alle leve di comando in prossimità degli alettoni nelle due ali. Dalla cloche il cavo passa attraverso la carrucola fissata nella prima centina e viene indirizzato all interno dei fori presenti in tutte le parti posteriori delle centine. Arrivato alla leva di comando riparte percorrendo l ala il senso opposto al precedente e passando nei fori presenti nelle parti centrali delle centine. In questo modo è consentito il movimento del comando nelle due direzioni.

10 C MOMENTO DI CERNIERA Gli sforzi utilizzati per il progetto dei vari componenti, sono relativi al momento di cerniera agente nel centro di rotazione del comando. Questo è ricavato dalle seguenti relazioni grazie all utilizzo di grafici sperimentali e derivate aerodinamiche: M ca 1 = ρv 2 C Mca Mca = * δ a 2 S c C a a Mca δ a Momento di cerniera dell alettone dato da: pressione dinamica, superficie dell alettone, corda media dell alettone e coefficiente di momento di cerniera Coefficiente di momento di cerniera: variazione del coefficiente di momento dovuto alla rotazione dell alettone Velivolo originale (3408 kg) Mca = 35,5 N*m Velivolo ultraleggero (450 kg) Mca = 3,6 N*m I carichi utilizzati sono quelli ottenuti per particolari condizioni di volo, con angoli di delfessione degli alettoni molto elevati (± 8 ) e con 3 di incidenza del velivolo, per garantire così la sicurezza in ogni condizione di volo. t C C a d a

11 CALCOLI STRUTTURALI Il comando deve resistere agli sforzi con un coefficiente di sicurezza a rottura pari a 15. Il moneto di cerniera dell alettone trasportato al punto di fissaggio con l uniball dà una forza pari a: 3,6 x 1000 F = =72 N 50 Inserendo i dati relativi al materiale utilizzato in cosmoxpress, lega di alluminio 2024 T6, otteniamo i risultati mostrati a fianco, con la rappresentazione del coefficiente di sicurezza (ovunque maggiore di 15) e delle deformazioni (con una scala pari a 428 volte).

12 COMANDO DI BECCHEGGIO Il comando di beccheggio è governato dal movimento della cloche, fissata nel pavimento dell abitacolo, analogamente al comando di virata. Consente al velivolo la rotazione attorno al proprio asse trasversale, grazie ad un momento detto di beccheggio, potendo così alzare ed abbassare il muso. L azione del pilota sulla cloche comanda il movimento degli elevatori nei piani di cosa che si alzano e si abbassano in maniera simmetrica: Tirando indietro la leva Spingendo avanti la leva Cabrata (alza il muso) Picchiata (abbassa il muso)

13 COMPONENTI Il perno di comando presenta vari fori per poter variare la sensibilità del comando, le funi utilizzate sono identiche a quelle impiegate per il comando di virata. Componenti fondamentali: Perno di comando saldato (lega di alluminio). Cavi con accessori e tendicavi. Leva di comando fissata ai piani di coda (lega 2024 T3). Spine per ridurre i giochi. Bulloni di collegamento.

14 PERCORSO CAVI I cavi che partono dall abitacolo devono attraversare tutta la fusoliera per poter arrivare in coda, così nell ordinata dove è fissato il sedile pilota verranno montate due carrucole (una per cavo) che consentono di indirizzare le funi fino alla leva di comando negli elevatori. Dalla cloche i cavi passano attraverso due carrucole, racchiuse tra supporti, fissate nell ordinata del sedile pilota dove sarà praticata un asola per consentirne il passaggio. Sono previsti due funi per permettere al comando di governare i piani di coda in ogni situazione (dato che le funi lavorano solo a trazione) Le funi sono incrociate proprio sotto il sedile pilota per poter comandare correttamente il velivolo.

15 MOMENTO DI CERNIERA Gli sforzi utilizzati per il progetto dei vari componenti sono relativi al momento di cerniera, calcolati come in precedenza grazie a diagrammi sperimentali ed a derivate aerodinamiche: H + = ( α T Ch αt + δ ech δe C T Ch 0 )q T b e c 2 e Momento di cerniera del piano di coda dato da: incidenza del piano di coda, rotazione dell elevatore, rispettivi coefficienti di momento, pressione dinamica, apertura e corda dell elevatore t C e a T d e Velivolo originale (3408 kg) H = 91 N*m Velivolo ultraleggero (450 kg) H = 9 N*m I carichi utilizzati sono quelli ottenuti per volo stabile caratterizzato da α = +10 e δe = +10 (elevatore posizionato verso il basso a picchiare [+10 ], aeroplano in volo ad alta incidenza [10 ])

16 CALCOLI STRUTTURALI Per questo comando si è proceduto in maniera analoga al comando di virata progettandolo per resistere agli sforzi con un con coefficiente di sicurezza alla rottura pari a 15. Il moneto di cerniera dell elevatore trasporta al foro più esterno del perno di comando della cloche dà una forza pari a: 9,0 x 1000 F = 50 = 192 N Questo particolare presenta una saldatura che rende la resistenza del pezzo molto critica. Sempre con l ausilio del calcolatore si è verificato che per la lega di alluminio in precedenza utilizzata è garantita la resistenza col fattore di sicurezza prefissato.

17 COMANDO FLAP Il comando dei flap fa parte dei comandi secondari di volo non indispensabili quindi per una corretta governabilità del velivolo. I flap consentono al velivolo di aumentare la portanza variando la geometria alare (modificandone corda e curvatura), abbassando di conseguenza la velocità di stallo, ma aumentando la resistenza. Il comando è utilizzato solo in pochissime fasi di volo quali il decollo e l atterraggio. la leva alzata Flap abbassati Leva abbassata Flap retratti

18 COMPONENTI La leva di comando è quella montata sul Rand Robinson KR-2S è quindi reperibile in commercio. Ad un estremità è posto un pulsante che permette di abbassare un perno liberandolo dal blocco della piastra di supporto, è consentita così la rotazione del comando da 0 a 45 con scatti ogni 15. Componenti fondamentali: Leva del Rand Robinson con manopola girata. Supporti di fissaggio (Lega 2024 T6). Perno di comando saldato (lega di alluminio). Asta di collegamento con uniball (lega 2024 T6). Bulloni di collegamento (inox A2). Leva di comando fissata all asta unita ai flap (lega 2024 T3). Spina elastica per ridurre i giochi.

19 COMPLESSIVO MONTAGGIO

20 CONCLUSIONI Tutti gli obiettivi prefissati sono stati raggiunti, in particolare: I comandi azionati dalla cloche sono stati definiti in ogni dettaglio. Così il comando degli alettoni e degli elevatori sono completi di tutti i particolari per la realizzazione ed il montaggio, compreso il percorso cavi. I comandi dei flap dovranno essere verificati una volta stabilito con esattezza le caratteristiche degli ipersostentatori montati nella versione ultraleggera, nel caso questa dia esito positivo si potrà procedere con la costruzione ed il montaggio dei particolari secondo le specifiche riportate nella tesi.