Teoria del volo dell elicottero

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1 Giovanni Di Giorgio Teoria del volo dell elicottero Aerodinamica Meccanica del volo Seconda edizione

2 Dott. Ing. Giovanni Di Giorgio Teoria del volo dell elicottero Aerodinamica Meccanica del volo Seconda edizione

3 Copyright MMIX ARACNE editrice S.r.l. via Raffaele Garofalo, 133 A/B Roma (06) ISBN I diritti di traduzione, di memorizzazione elettronica, di riproduzione e di adattamento anche parziale, con qualsiasi mezzo, sono riservati per tutti i Paesi. Non sono assolutamente consentite le fotocopie senza il permesso scritto dell Editore. I edizione: novembre 2007 II edizione: giugno 2009

4 7 Indice Prefazione alla seconda edizione 13 Prefazione alla prima edizione 15 Unità di misura 17 Elenco dei simboli 19 Sigle ed abbreviazioni 25 Capitolo 1 Configurazioni degli elicotteri 1.1 L elicottero ed il volo verticale Le configurazioni degli elicotteri Sistemi non convenzionali di generazione della spinta anticoppia Il rotore ed i comandi di volo Le tipologie costruttive fondamentali del rotore principale e del rotore di coda anticoppia I comandi ed il meccanismo del piatto oscillante Capitolo 2 Aerodinamica del rotore nel volo in traslazione assiale ed a punto fisso (hover) 2.1 Introduzione Teoria impulsiva Volo verticale in salita Volo a punto fisso (hover) Volo verticale in discesa Curve della velocità indotta in volo verticale Teoria dell elemento di pala La trazione generata dal rotore, la coppia e la 55 potenza richieste Svergolamento lineare della pala rotore Velocità indotta non uniforme Perdite di radice e perdite all estremità di pala Figura di Merito

5 Procedura di calcolo dei parametri aerodinamici, dei carichi sulla pala e della potenza richiesta L effetto suolo Introduzione alla Teoria vorticosa Richiami di dinamica dei fluidi ideali Relazioni fondamentali applicate al rotore Applicazione del Teorema di Kutta-Joukowsky Velocità indotte dai vortici, la Legge di Biot-Savart Modellazione del rotore in hover e problematiche di calcolo Fenomeni di interazione dovuti ai vortici d estremità Scia fissata a priori, il modello di Landgrebe in hover 85 Capitolo 3 Dinamica del rotore 3.1 Introduzione Assi e piani fondamentali Il moto di flappeggio della pala Eccentricità della cerniera di flappeggio e momenti di 95 controllo 3.5 Il rotore in volo avanzato: il moto di flappeggio delle 100 pale ed il principio della precessione giroscopica 3.6 Moto di brandeggio della pala Variazione ciclica del passo Accoppiamenti tra i moti fondamentali della pala 105 Capitolo 4 Aerodinamica del rotore in volo avanzato 4.1 Introduzione Teoria impulsiva Teoria dell elemento di pala Calcolo delle componenti della velocità del flusso sulla pala rotore Regione di flusso inverso Angolo di incidenza locale Le sollecitazioni aerodinamiche sul rotore, equazioni in forma chiusa Calcolo della trazione Calcolo della resistenza H Calcolo della coppia Coefficienti di flappeggio Piano di non flappeggio e piano del mozzo 137

6 Grandezze aerodinamiche riferite al piano di non flappeggio Grandezze aerodinamiche riferite al piano del mozzo Equilibrio dell elicottero ed aerodinamica del rotore Correzione dei risultati della Teoria dell elemento di pala Limiti della Teoria dell elemento di pala Fenomeni di stallo e compressibilità Terminale di pala a freccia e numero di Mach locale Cenni sui modelli di scia del rotore in volo avanzato Aerodinamica computazionale e metodologie avanzate ad approccio multidisciplinare 156 Capitolo 5 L equilibrio dell elicottero 5.1 Introduzione Sistemi di riferimento Equazioni generali del moto dell elicottero Condizioni di equilibrio ( trim ) dell elicottero Trattazione generale dell equilibrio ( trim ) Momento di reazione del sistema rotore-fusoliera Trattazione semplificata dell equilibrio (trim) Equazioni di equilibrio in volo avanzato Espressione della Potenza in volo avanzato orizzontale Stima rapida delle condizioni di equilibrio longitudinale Soluzione generale dell equilibrio ( trim ) L autorotazione Autorotazione del rotore e manovra di autorotazione dell elicottero Condizione aerodinamica in autorotazione Fase finale della manovra di autorotazione ed 195 atterraggio Limitazioni all autorotazione e Diagramma 197 Quota-Velocità Osservazioni conclusive 198 Capitolo 6 Prestazioni dell elicottero 6.1 Introduzione La potenza richiesta totale Atmosfera standard Il motore e la potenza disponibile 203

7 Il regime operativo del rotore principale Configurazione costruttiva del motore turbo- 205 albero a turbina libera (free shaft turbine engine) Il sistema rotore/trasmissione/motore Prestazioni del motore installato: le potenze disponibili Prestazioni in hover Le potenze richiestep RP e P rc nel volo a punto 211 fisso (hover) Resistenza verticale dell elicottero Quota massima di hovering Prestazioni in salita verticale Prestazioni in volo traslato orizzontale Le potenze richieste P RP e Prc La resistenza parassita D f in volo orizzontale La potenza necessaria totale in volo orizzontale Velocità massima in volo livellato Autonomie di volo Correzioni della potenza richiesta per stallo e compressibilità 6.8 Prestazioni in volo traslato in salita ed in discesa La potenza necessaria P RP nel volo traslato in 229 salita Ratei ed angoli di salita, quote di tangenza La potenza necessaria P RP nel volo traslato in discesa Prestazioni in autorotazione Analisi di missione Peso al decollo ed in atterraggio Impostazione dello studio di missione 238 Capitolo 7 Stabilità e controllo; introduzione alla Dinamica del volo dell elicottero 7.1 Introduzione Stabilità statica e stabilità dinamica Stabilità statica Stabilità al disturbo di velocità Stabilità al disturbo di incidenza Stabilità direzionale (disturbo d imbardata) Stabilità dinamica Teoria delle piccole perturbazioni Introduzione delle derivate di stabilità 249

8 Osservazioni sul metodo di studio delle piccole perturbazioni Stabilità dinamica longitudinale e latero-direzionale in hover Stabilità dinamica longitudinale Equazioni del moto, rappresentazione agli stati Stabilità dinamica latero-direzionale Stabilità dinamica longitudinale e latero-direzionale in volo avanzato Stabilità dinamica longitudinale Stabilità dinamica latero-direzionale Controllo dell elicottero Stabilità, Controllo e Qualità di volo Controllo longitudinale in hover; approccio ad 266 un grado di libertà Controllo latero-direzionale in hover; approccio ad un grado di libertà 268 Capitolo 8 Manovre a traiettoria curva in un piano orizzontale e in un piano verticale 8.1 Introduzione Virata corretta stabilizzata Cenni sulle virate Momenti precessionali d inerzia nella manovra 272 di virata Potenza richiesta in virata corretta Richiamata stabilizzata 273 Capitolo 9 Elicotteri con due rotori controrotanti coassiali o in tandem 9.1 Introduzione Elicotteri con due rotori controrotanti coassiali Applicazione della Teoria impulsiva al volo a 275 punto fisso Caratteristiche generali dell elicottero Equilibrio dell elicottero intorno all asse velivolo Z Elicotteri con due rotori controrotanti in tandem Descrizione generale e definizioni Applicazione della Teoria impulsiva e della 284 Teoria dell elemento di pala al volo a punto fisso Applicazione della Teoria impulsiva al volo in avanzamento livellato 287

9 Dati sperimentali Condizione di equilibrio longitudinale 289 dell elicottero Osservazioni sulla Stabilità Stabilità al disturbo di velocità Stabilità dinamica a comandi bloccati in hover 293 Appendice A Definizioni dei coefficienti adimensionali del rotore 295 Appendice B Atmosfera ISA 296 Appendice C Richiami sulla trasformata di Laplace 297 Indice delle figure 299 Indice delle tabelle 304 Bibliografia 305 Indice analitico 309