Studio di fattibilità di un velivolo supersonico a decollo verticale dotato di motori alternativi

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Teodora Forte
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1 Alma Mater Studiorum Università di Bologna Seconda Facoltà di Ingegneria Corso di Laurea in Ingegneria Aerospaziale Studio di fattibilità di un velivolo supersonico a decollo verticale dotato di motori alternativi CANDIDATO Giacomo Bernardi RELATORE Prof. Ing. Luca Piancastelli CORRELATORE Dott. Ing. Cristina Renzi

2 Specifiche executive VTOL supersonico Carico utile: 6 persone compreso l'equipaggio e 120 kg di bagaglio Velocità di volo almeno bisonica Capacità VTOL o almeno STOL Autonomia supersonica di 7500 km Manutenzione semplificata adatta a eliporti

3 Obiettivi Analisi di fattibilità partendo dalle specifiche e dai propulsori utilizzati Determinazione delle prestazioni del velivolo nel volo supersonico Verifica delle caratteristiche VTOL/STOL Analisi ed ottimizzazione del gruppo propulsivo Individuazione delle problematiche connesse alla fattibilità e allo sviluppo del velivolo

4 Scelta della configurazione Mancando un velivolo di adeguate dimensioni e prestazioni da modificare secondo le specifiche è stata scelta una geometria ricavata da quella del Concorde in scala 1.7:1 Il propulsore è costituito da un motore Diesel due tempi sovralimentato ed accoppiato ad un fan per il decollo

Caratteristiche del Concorde Quota: 16000 m Velocità: 590 m/s Massa: 140000 kg Superficie

5 Caratteristiche del Concorde Quota: m Velocità: 590 m/s Massa: kg Superficie alare: 358 m 2 Carico alare: 391 kg/m 2 Cl: Cd: Efficienza: 7.7 Spinta: 178 kn

Calcolo della resistenza Le caratteristiche del velivolo sono state calcolate a partire da quelle del Concorde con la teoria dei modelli, in quanto i due aerei sono in scala e volano alla stessa

6 Calcolo della resistenza Le caratteristiche del velivolo sono state calcolate a partire da quelle del Concorde con la teoria dei modelli, in quanto i due aerei sono in scala e volano alla stessa velocità. Dalla figura a lato si vede come per un velivolo passeggeri supersonico, alla velocità di Mach 2, la resistenza totale sia divisa in tre parti essenzialmente uguali: Resistenza d'onda Resistenza indotta Resistenza di profilo

7 Resistenza d'onda La similitudine geometrica e il fatto di volare allo stesso n di Mach fa sì che gli effetti di comprimibilità siano in scala (stesso coefficiente di resistenza d'onda).

8 Resistenza indotta A causa della similitudine geometrica i due velivoli hanno ali con stesso allungamento (AR) e la stessa distribuzione di portanza (δ), utile per il calcolo della resistenza indotta. Cd i = Cl 2 AR 1

9 Resistenza di profilo La resistenza di profilo è costituita da due componenti: Resistenza di forma Resistenza d'attrito. In un corpo aerodinamico la resistenza d'attrito è preponderante su quella di scia, quindi calcolerò solo la prima. Tra due modelli le forze d'attrito sono in scala se hanno entrambi lo stesso n di Reynolds R= u l = u l

10 Resistenza d'attrito Volando alla stessa velocità e nelle stesse condizioni atmosferiche i due velivoli non possono avere lo stesso n di Reynolds Per stimare la resistenza del nostro velivolo useremo l'analogia della lastra piana

11 Analogia della lastra piana La resistenza d'attrito vale: F D = 1 2 ro u2 S WET C F 1 Mentre il coefficiente d'attrito della lastra piana vale: C F = R L 0.2

Caratteristiche del velivolo Quota: 16000 m Velocità: 590 m/s Massa: 20000 kg Superficie

12 Caratteristiche del velivolo Quota: m Velocità: 590 m/s Massa: kg Superficie alare: 108 m 2 Carico alare: 185 kg/m 2 Cl: Cd: Efficienza: 4.7 Spinta: 42 kn

13 Confronto delle caratteristiche Si osserva nel nostro velivolo un basso valore del carico alare, meno della metà di quello del Concorde Vola con un Cl molto basso, ma la resistenza è solo leggermente più bassa Si ottiene una bassa efficienza La bassa efficienza riduce l'autonomia

14 Propulsore Al gruppo motore-compressore viene accoppiato un fan per la fase di decollo verticale A causa del volo supersonico la presa d'aria e l'ugello devono essere a geometria variabile P motore = bar P fan = 6000 CV

15 Presa d'aria a geometria variabile E' stata scelta una presa d'aria con paratie mobili

16 L'onda di shock La compressione attraverso un'onda d'urto non può essere considerata adiabatica Si usa la legge di Rankine-Hugoniot Essendo γ=1.4, si ha 2 1 = 1 1 p 2 p p 2 p 1 = 6 p 2 p p 2 p 1

17 Autonomia Si richiede un'autonomia di 7500 km, pari 3:32 ore di volo a Mach 2 Carburante imbarcato: 6700 kg Consumo orario a Mach 2: 3340 kg/h Il carburante è insufficiente Si calcola l'autonomia con la formula: s= 0 k i L D 1 g ln m 2 m 1 Bisogna imbarcare 9200 kg di carburante per la crociera supersonica

18 Autonomia subsonica La resistenza in volo subsonica è stata valutata considerando solo i contributi della resistenza indotta e quella d'attrito

19 Prestazioni in volo Il motore è in grado di generare la spinta necessaria a Mach 2 con un l'uso della postcombustione Inoltre riesce a spingere il velivolo fino a quasi Mach 2.5 In volo subsonico la spinta è sufficiente ma, caratterizzata da elevati consumi Il calo di prestazioni è dovuto al venir meno della compressione delle onde d'urto

20 Decollo corto o verticale Massa al decollo: kg Rapporto Spinta/Peso: 1.26 La potenza residua per il fan è insufficiente

21 Decollo convenzionale Rapporto Spinta/Peso: 0.48 Spinta necessaria: 28 kn

Proposta migliorativa Per migliorare le prestazioni ad alta velocità si propone di ridurre la superficie alare Maggior carico alare Maggiore efficienza

22 Proposta migliorativa Per migliorare le prestazioni ad alta velocità si propone di ridurre la superficie alare Maggior carico alare Maggiore efficienza in volo Causa l'aumento della velocità di stallo Il velivolo è ottimizzato per le alte velocità L'installazione delle gondole motori risulta problematica

23 Conclusioni L'aerodinamica deve essere adeguata alle esigenze Il motore è adeguato al volo a Mach 2 Per volare a Mach 2.5 è necessario un aumento della cilindrata Per il decollo convenzionale e il volo a bassa quota è consigliato l'aggiunta di un fan Il decollo verticale richiede un sostanziale aumento della cilindrata. Anche in questa condizione è preferibile l'uso di un secondo fan Rimangono forti perplessità sulla fattibilità del progetto con le specifiche attuali, è probabilmente necessario modificare le specifiche

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