STUDIO E OTTIMIZZAZIONE DI METODI A BASSO COSTO PER LA SPERIMENTAZIONE DI MODELLI DI VELIVOLI

Transcript

1 STUDIO E OTTIMIZZAZIONE DI METODI A BASSO COSTO PER LA SPERIMENTAZIONE DI MODELLI DI VELIVOLI Tesi di laurea di: Massimiliano Ruffo Relatore: Prof. Ing. Luca Piancastelli Correlatori: Prof. Ing. Franco Persiani Prof. Ing. Alfredo Liverani Dott. Ing. Alessandro Ceruti 1

2 SPERIMENTAZIONE A BASSO COSTO Metodo a Caduta Libera Galleria del vento naturale Prove B.A.S.E. Prove di caduta e planata da postazioni fisse Metodi telemetrici

3 Metodo a caduta libera L IDEA: Doti di volo dei paracadutisti sportivi + Caduta del modello = Assistenza al modello in caduta libera (o frenata) 3

4 Metodo a caduta libera VANTAGGI Presenza dei fenomeni inerziali Sezioni di prova illimitate Costo di sperimentazione limitato Flusso senza componenti torsionali Disponibilità di personale già specializzato Rispetto delle condizioni di similitudine aerodinamica (numero di Reynolds) 4

5 Metodo a caduta libera SVANTAGGI Vincoli legati alla normativa aeronautica Scarso controllo della qualità del flusso Progettazione dei modelli vincolata al campo di velocità di prova Campo di velocità di prova limitato dal volo del paracadutista Inviluppo di volo di un paracadutista esperto Angolo minimo Angolo massimo A ngolo di caduta rispetto alla verticale ( ) Velocità di discesa (km/h) 5

6 Metodo a caduta libera PROCEDURA DI ANALISI Studio del problema dello Spin Studio del problema dei modelli in scala Studio della resistenza aerodinamica di un velivolo Dimensionamento di massima del modello Disegno di un modello al CAD 3D Produzione dell ala del modello mediante macchina utensile 6

7 Metodi telemetrici SISTEMI ATTUALI PAL NTSC 25 fps, 720 x fps, 720 x 480 Telecine 24 fps, pellicola SISTEMI FUTURI HDTV, PAL e NTSC Interlacciato e/o progressivo MPEG video Livello regione (mp2) Livello oggetto (mp4) 7

8 Metodi telemetrici VALUTAZIONE DEGLI ERRORI Sistema utilizzato: PAL 25I (standard attuale) 127 _ mm = 176,25_ micron 720 _ pixel 0,17625_ mm ε[%] = spazio _ misurato _[ mm] Errori a 25 Hz: 2-5% Errori a 50 Hz: 7-13% 8

9 Metodi telemetrici INFLUENZA DELLA RISOLUZIONE DI ACQUISIZIONE 2,5 Errore Rispetto lo Standard PAL25I 2 1,5 1 0, Risoluzione Video (MegaPixel) 9

10 Metodi telemetrici INFLUENZA DELLA FREQUENZA DI ACQUISIZIONE Riduzione dell errore tramite algoritmi di tracking basati su filtri di Kalman 10

11 APPLICAZIONI Transitori di caduta libera Verifica di sistemi di recupero o atterraggio Short Take Off and Landing (STOL) Inversori di spinta Sistemi aerodinamici BRS Flight Termination System (FTS) Distruzione del velivolo BRS Prove B.A.S.E. Buildings, Antennas, Span, Earth BRS: Ballistic Recovery System 11

12 Ballistic Recovery System Analisi della strumentazione utile alla sperimentazione dei BRS Tipi di paracadute Sistemi di apertura elettronici e meccanici Sperimentazione del paracadute tondo Verifiche di variabili e coefficienti tramite analisi di sequenze video 12

13 Ballistic Recovery System Relazione tra le dimensioni del paracadute TONDO e il peso del modello di velivolo Relazione tra le dimensioni del paracadute TONDO e l'apertura alare del modellino m (kg) ,5 1 1,5 2 Apertura alare modello b (m) 1,9 1,7 1,5 1,3 1,1 0,9 0,7 0,5 0,5 1 1,5 2 Diametro paracadute Diametro paracadute Relazione tra le dimensioni del paracadute AD ALA eil peso del modello di velivolo Relazione tra le dimensioni del paracadute AD ALA e l'apertura alare del modellino m (kg) Apertura alare modello b (m) 3 2,5 2 1, Superficie paracadute (m^2) Superficie paracadute (m^2) 13

14 Ballistic Recovery System PARACADUTE TONDI Carico alare del modello (kg/m^2) ,5 1 1,5 2 2,5 Diametro paracadute (m) PARACADUTE AD ALA Carico alare del modello (kg/m^2) Superficie paracadute (m^2) 14

15 FTS basato sul paracadute ad ala POSSIBILI UTILIZZI Sistema di recupero in caso di anomalie di volo Atterraggio di precisione in spazi ristretti Recupero di UAV VANTAGGI Controllo del punto di contatto col suolo di un velivolo in avaria Atterraggio senza pilota esperto Aumento di sicurezza dei velivoli 15

16 FTS basato sul paracadute ad ala SEQUENZA DELLA SPERIMENTAZIONE Verifica della stabilità del volo del paracadute Test con zavorra Test con modello di aereo Ideazione e sviluppo di un sistema di controllo Ottimizzazione della manovrabilità del sistema Verifica della precisione di atterraggio Sistema di guida automatico per atterraggio di precisione Ottimizzazione del sistema di apertura del paracadute Progettazione e produzione di paracadute dedicati a specifiche classi di velivoli 16

17 FTS: inizio sperimentazione Verifica della stabilità del volo del paracadute Test con zavorra 17

18 FTS: posizione del baricentro 18

19 FTS: influenza della portanza 19

20 FTS: soluzioni anti-stallo 1) Velivolo in volo rovesciato 2) Velivolo più pesante Ali senza portanza metodo brutale : 3) Distacco delle ali Ali senza portanza metodo gentile : 4) Diruttori alari 20

21 Conclusioni e Sviluppi futuri METODI DI SPERIMENTAZIONE Metodo a caduta libera Lunghi tempi di preparazione della prova Prove B.A.S.E. Semplicità di realizzazione Limitazioni sui modelli impiegati ANALISI DELLE PROVE SPERIMENTALI Sviluppo di un metodo grafico idoneo a ricostruire la traiettoria seguita partendo da immagini rilevate da videocamere digitali APPLICAZIONE FTS con paracadute Prestazioni migliori del paracadute ad ala rispetto al paracadute tondo Paracadute ad ala: problemi di stabilità risolvibili con opportuni accorgimenti FTS con paracadute ad ala: prove B.A.S.E. Prove in condizioni meteo avverse Ottimizzazione della manovrabilità Sistema di guida automatico per atterraggio di precisione Studio di dettaglio e ottimizzazione del sistema di apertura del paracadute Progettazione e produzione di paracadute dedicati a specifiche classi di velivoli Prove sperimentali con il metodo a caduta libera Prove di lancio in caduta libera assistite da paracadutisti Sperimentazione di modelli di dimensioni maggiori che possono essere recuperati grazie al FTS Possibilità di analizzare il transitorio dell apertura del paracadute Studio del BRS per l uscita del velivolo da situazioni non recuperabili (es. spin) 21

22 FTS: analisi del carico alare L L velivolo 1 modello = λ 1 fattore di scala geometrico carico carico alare velivolo 1 = alare modello λ 2 Condizioni di similitudine 1/λ 1 = 1/λ 2 Esempio: Carico alare Cessna 337: 100 kg/m² m = = 9.98 λ 1.16 m 1 1/λ 1 10 Carico alare del Cessna 337 ridotto alle dimensioni del modellino: 10 kg/m² Carico alare modellino usato: 2 kg/m² 22