Capitolo 1 Il Velivolo e le sue Parti 1.1 Generalizzazione dei Velivoli La denominazione velivolo di per sé è limitativa, se ci si riferisce ai veicoli che si muovono nell aria. La definizione più generale usata nell ambito di tale significato è aerodina, che comprende veicoli motorizzati e non ( alianti ) e, se motorizzati, ad ala fissa o ad ala rotante (elicotteri e rotodine). Inoltre il mezzo aereo può essere pilotato da uomo a bordo o a distanza. Gli aeroplani possono essere a loro volta suddivisi in varie categorie; civili e militari, per trasporto persone, per trasporto merci e per trasporto misto. I velivoli possono essere a loro volta catalogati anche in base alla motorizzazione: a getto, a motoelica, turbofan e turboelica. Possono anche essere classificati in base al tipo di carrello (con ruotino di prua o di coda), alla posizione dei motori (in fusoliera o in ala), alla posizione del carrello principale (in ala o in fusoliera) e così via. Molti di tali tipi di velivoli sono costituiti dalle stesse parti principali. In generale, come schematizzato in figura, si individuano: 5
Figura 1.1: parti di un velivolo dell aviazione generale Cabina (cockpit) Fusoliera (fuselage) Ipersostentatori del bordo d entrata (slats) Diruttore (spoiler) Alettoni (ailerons) Ipersostentatori del bordo d uscita (flaps) Timone di profondità o equilibratore (elevator) Timone di direzione (rudder) Piano fisso verticale o deriva (vertical stabilizer) Piano fisso orizzontale o stabilizzatore (horizontal stabilizer) Ala (wing) Motore a getto (jet engine). Non sono visibili i carrelli ed altre parti minori. La principale funzione dell aeroplano è costituita dal trasporto veloce di cose e di persone. L aeroplano deve essere quindi in grado di trasportare il suo peso e quello del carburante, dei passeggeri e/o della merce e dell eventuale equipaggio. In volo deve essere quindi generata una forza che bilancia il peso totale. Il gruppo motopropulsore deve generare una forza, detta spinta (o trazione) che in volo serve ad equilibrare la resistenza aerodinamica. A terra durante il rullaggio vi è anche la resistenza di attrito fra pneumatici e suolo. La fusoliera è una delle sorgenti di maggior resistenza aerodinamica insieme ai carrelli se o quando esposti alla 6
corrente. Nei velivoli più veloci i carrelli vengono retratti in volo o nell ala o nella fusoliera. Tra la grande varietà di sistemi motopropulsivi creati o comunque ideati per l utilizzazione sui velivoli, i più attuali sono: 1. motore a getto 2. motoelica 3. turboelica 4. turbofan I sistemi motopropulsivi di tipo motoelica sono i primi ad essere stati utilizzati forse perché si tratta di un motore a due tempi o a quattro tempi, ampiamente impiegati anche nel campo automobilistico. Gli organi principali del motore sono: presa d aria, compressore, camera di combustione, turbina e cono di scarico. L aria durante l attraversamento della presa d aria divergente trasforma in pressione parte dell energia cinetica acquistata grazie alla velocità dell aeroplano. Nel compressore l aria viene ulteriormente compressa e mandata nella camera di combustione dove insieme al carburante iniettato interviene appunto nella combustione. I gas prodotti dalla combustione attraversano la turbina, fornendole l energia necessaria per azionare il compressore. I gas infine si espandono nel cono di scarico trasformando la restante energia di pressione in energia cinetica. L aria che era entrata con una certa velocità uscirà ad una velocità maggiore. Per il teorema della quantità di moto la differenza di velocità moltiplicata per la massa di fluido interessata risulta proprio uguale alla spinta che il motore produce. I sistemi propulsivi di tipo turboelica sono motori alternativi, ovvero deve esserci una trasformazione da moto rotazionale a moto traslazionale. Nelle automobili la trasformazione avviene facendo ruotare delle ruote con pneumatici connessi all albero motore sul suolo. Nel caso di un velivolo la trasformazione avviene attraverso l impiego di un elica connessa all albero motore. Si arriva così al concetto della motoelica. Tale sistema funziona energizzando una massa d aria. La differenza notevole, con il motore a getto, consiste nel fatto che la motoelica interessa una massa d aria di maggiori dimensioni a pari velocità e a bassa velocità presenta un rendimento migliore. Non è adatta, però, per il funzionamento alle velocità più elevate. Le eliche possono essere a passo fisso ed a passo variabile. Il passo dell elica è funzione dell inclinazione con cui la sezione dell elica incontra la corrente fluida. Tale inclinazione può essere resa ottimale alle varie combinazioni di velocità e di numero di giri in modo da ridurre i consumi. Per questa ragione vengono impiegate eliche a passo variabile. I gas di scarico del motore alternativo cedono la loro energia ad una turbina che fa ruotare un compressore. Si riesce così ad aumentare 7
la pressione d alimentazione del motore. L effetto dei gas di scarico risulta quindi avere un effetto propulsivo. Riscaldando i gas di scarico si aumenta la velocità di efflusso e quindi la reazione. Anche la turboelica, come la motoelica, trasforma il moto rotatorio dell asse di una turbina in moto di traslazione, impiegando un elica montata appunto sull asse. Il turbofan può essere considerato una versione con elica intubata della turboelica. Se si intuba un motopropulsore la velocità dell aria che giunge all elica viene rallentata. Viene così ad essere aumentato il rendimento dell elica. I motori raramente sono montati direttamente sul modello: normalmente sono fissati ad un supporto che a sua volta viene fissato al modello. La struttura portante della maggior parte dei moderni aerei dell aviazione generale è costituita da elementi in lega leggera uniti fra di loro per saldatura, molto utilizzata è la TIG, per chiodatura o con bulloneria. Gli elementi portanti della struttura alare sono i longheroni, fissati alla fusoliera, ai quali sono applicate le centine. La struttura della fusoliera è costituita da elementi trasversali di forma anulare chiamati ordinate di fusoliera, uniti fra di loro da elementi longitudinali chiamati listelli o longheroni di fusoliera. La struttura portante è generalmente rivestita di lamiera di alluminio, fissata tramite rivettatura. Prima di essere unite fra di loro, le varie parti dell aereo vengono sottoposte a trattamenti particolari volti a prevenire il pericoloso fenomeno della corrosione, e quindi vengono ricoperte con una apposita vernice protettiva. Anche la superficie esterna dell aereo viene verniciata, sia per motivi estetici, sia, soprattutto, per motivi di protezione contro l ossidazione dell alluminio da parte degli agenti atmosferici. La parte anteriore della cabina dei monorotori è separata dal vano motore da una paratia parafiamma, volta a proteggere gli occupanti da eventuali incendi che si dovessero verificare nel vano motore. Applicato alla paratia parafiamma c è il castello motore, che ha appunto lo scopo di sorreggere il gruppo motoelica ed inoltre assorbe una parte delle vibrazioni prodotte dal motore, vibrazioni che altrimenti potrebbero danneggiare la struttura. In molti casi la paratia antifiamma, porta anche la gamba di forza del ruotino anteriore. Le gambe di forza delle due ruote principali vengono invece fissate alla struttura della fusoliera o alla struttura alare: quest ultima soluzione è la più diffusa quando il carrello è retrattile. Il movimento del ruotino anteriore dei carrelli tricicli, o di quello posteriore dei carrelli bicicli, necessario per dirigere l aereo al suolo durante il rullaggio, è quasi sempre comandato dalla pedaliera. La trasmissione del moto dei comandi al ruotino e alle superfici mobili è in genere ottenuto mediante cavi metallici che scorrono su carrucole, o mediante aste rigide. 8
Nel particolare si esamina la fattibilità di realizzare il castello motore del velivolo P68C-Jet, prodotto dalla Vulcan Air, da Acciaio AISI (American Iron and Steel Institute) 4130 in una lega di Titanio, o meglio la lega Ti-6Al-4V. Elemento assai interessante di tale velivolo è certamente il motore, si tratta di un SMA SR 305-230. Il ciclo su cui si basa questo propulsore è un ciclo Diesel; al contrario di quanto si pensi, il tangibile interesse evidenziato dal mondo aeronautico per questo tipo di motori non è un evento inedito. Il P68C-Jet ha un ala di tipo a sbalzo e il suo rivestimento è di tipo collaborante. Nelle ultime serie il velivolo si avvale di estremità alari del tipo up turned, a tutto vantaggio della riduzione di resistenza aerodinamica. Il bordo di uscita dell ala è formato da alettoni, di costruzione tradizionale con le masse di bilanciamento a scomparsa dentro le estremità alari, e da flaps azionabili elettricamente. Il trim, dispositivo che annulla gli sforzi sul comando longitudinale, ovvero il volantino, è costituito, essenzialmente, da un appendice metallica fissa che può essere regolata solo a terra dallo specialista e non in volo dal pilota, come per gli aerei per trasporto passeggeri o merci. Gli impennaggi sono composti da una deriva, un timone di direzione e uno stabilizzatore. Le superfici mobili (timone di direzione e stabilizzatore) sono asservite da trim di tipo elastico, azionabili dal pilota. Di seguito è possibile vedere tre viste del velivolo ed il relativo castello motore: 9
Figura 1.2 : tre viste di un velivolo bimotore 10
Figura 1.3 : Castello motore P68C-Jet Il Castello Motore è collocato al di sotto dell ala, nella figura, in blu si vedono gli attacchi per il motore, da una parte, dall altra tale incastellature è tenuta alla paratia, inoltre risulta, ovvio, che l albero motore attraversa in lungo il telaio suddetto. 11
Capitolo 2 Classificazione, Proprietà e Caratteristiche dei Materiali 2.1 Classificazione e Proprietà dei Materiali I materiali costituiscono la materia prima della progettazione. Nuovi materiali ispirano i progettisti ma, ancor più, la progettazione spinge lo sviluppo di materiali. È vero che gli sviluppi più incoraggianti di materiali strutturali sono derivati dalla ricerca scientifica sulla struttura della materia e sulle interazioni della materia con campi-forza di natura meccanica, elettrica, magnetica e nucleare, con radiazioni di ogni tipo e con specie chimiche diverse. Si usa classificare i materiali per l ingegneria nelle sei ampie classi: metalli, polimeri, elastomeri, ceramici, vetri e compositi. I componenti di una classe hanno elementi in comune: proprietà simili, procedure di elaborazione simili e, spesso, applicazioni simili. I metalli hanno valori relativamente elevati dei moduli elastici. Essi possono essere rinforzati mediante alligazione e con trattamenti termici e meccanici, e tuttavia restano duttili consentendo di formarli con processi di deformazione plastica. Alcune leghe ad alta resistenza hanno duttilità basse fino al 2%, ma anche questo valore è sufficiente a garantire che il materiale si snervi prima di fratturarsi e che la frattura, quando avviene, sia di tipo tenace, duttile. In parte a causa della loro duttilità, i metalli vanno soggetti a fatica e, tra tutte le classi di materiali, sono i meno resistenti alla corrosione. Ogni materiale può essere visto come titolare di un insieme di caratteristiche: le sue proprietà. Non è un materiale di per se che il progettista cerca, ma una combinazione specifica di caratteristiche: un profilo di proprietà. Il nome del materiale è l identificatore di un particolare profilo di proprietà. Le proprietà stesse sono standard: densità, modulo elastico, resistenza, tenacità, conducibilità termica, e così via. La Densità, ρ (unità:kg/m 2 ) è il peso per unità di volume.
Si misura oggi come fece Archimede: per pesata in aria e in un fluido di densità nota. Il Modulo Elastico (unità: GPa oppure GN/m 2 ) è definito come la pendenza della parte lineare elastica della curva sforzo-deformazione. Il Modulo di Young, E, riguarda trazione o compressione, il Modulo di Taglio G riguarda le sollecitazioni tangenziali mentre il modulo di Bulk, K, descrive l effetto di una pressione idrostatica. Il Coefficiente di Poisson, ν, è adimensionale: nel caso di sollecitazione assiale, esso è il rapporto tra la deformazione laterale e quella assiale. In verità, le misure dei moduli dalle pendenze delle curve sforzo deformazione sono imprecise (spesso più basse di un fattore due o più rispetto al valore vero) a causa del contributo alla deformazione da parte di anelasticità, scorrimento viscoso e di altri fattori. Misure accurate sono effettuate con tecniche dinamiche: eccitando le vibrazioni naturali di una trave o di un filo, oppure misurando la velocità d onde sonore nel materiale. In un materiale isotropo, sussistono le seguenti relazioni tra i moduli elastici: Di solito ν 1/3, per cui G (3/8)E, K E Gli elastomeri fanno eccezione. Per essi ν 1/2, per cui G (1/3)E, K >> E La Resistenza di un Solido, σ f (unità: GPa oppure MN/m 2 ) richiede una definizione accurata. Per i metalli, la identifichiamo con il carico di snervamento allo 0.2% di deformazione permanente (plastica), (σ y ) 0.2, ossia la tensione normale alla quale la curva sforzo-deformazione sotto carico assiale si scosta dello 0.2% dal tratto lineare-elastico. Nei metalli rappresenta la tensione in corrispondenza alla 13