Istituto Tecnico Industriale Statale Giacomo FAUSER via Ricci,14 - Novara SCIENZE e TECNOLOGIE APPLICATE (S. T. A.) STA II - L AEROPLANO e IL VOLO p.i Corso per gli studenti delle classi II
L AEROPLANO 1) Principali parti di un aereo a) Impennaggi di coda b) Carrello d atterraggio c) Numero e posizione delle ali d) Elementi dell ala e) Geometria dell ala f) Tipi di profili alari 2) Principali forze agenti su un velivolo 3) Manovre di un velivolo
1) Principali parti di un aereo 1. Fusoliera 2. Ala 3. Timone di profondità 4. Alettone (o Deflettore) 5. Flap 6. Timone di direzione verticale 7. Elica 8. Motore 9. Carlinga 10. Carrello di atterraggio 6 3 1 11 8 2 FUSOLIERA I suoi compiti sono molteplici: 1. ospitare un carico pagante trasportato (esempio passeggeri o merci) 2. ospitare parte degli organi interni del velivolo tra cui: 2.1. cabina di pilotaggio 2.2. parte consistente dell'impiantistica di bordo 2.3. a volte i motori (caso dei velivoli da combattimento) 3. supportare gli impennaggi nella posizione più conveniente per lo svolgimento dei compiti ad essi affidati. 4 IMPENNAGGI Sono uno orizzontale, costituito da uno stabilizzatore e un equilibratore, in grado di creare momenti di beccheggio e uno verticale, costituito da deriva più timone, in grado di creare momenti di imbardata. ALA Suo compito è sviluppare la parte fondamentale della forza di sostentazione in modo che essa sia in grado di reggere il peso del velivolo in volo. PROPULSORI Sono gli organi destinati a sviluppare una forza (trazione) tale da permettere l'avanzamento del velivolo malgrado la resistenza dell'aria. Possono dividersi in due grandi insiemi: motori a getto (dove il motore produce direttamente una trazione accelerando una portata d'aria che lo attraversa) e motori ad elica (dove l'elica, alimentata dal motore, produce trazione accelerando una portata d'aria). I motori sono inoltre fornitori di potenza per l'impiantistica di bordo. 5 10 9 7
Il movimento di traslazione dell'aereo rispetto all'aria circostante avviene sempre lungo una direzione prossima all'asse longitudinale, direzione rispetto alla quale l'aereo offre la resistenza minore all'avanzamento. La deviazione angolare rispetto a questa direzione si misura come angolo di attacco (deviazione verso l'alto) e come angolo di vento laterale (deviazione verso destra o sinistra). I movimenti di rotazione intorno agli assi hanno una denominazione più articolata: Il rollio può essere verso sinistra o verso destra. Il beccheggio può essere a cabrare se si sale o a picchiare se si scende. L'imbardata (o virata) può essere a sinistra o a destra. Alettoni (o Deflettori) Gli alettoni comandano il movimento di rollio intorno all'asse longitudinale dell'aereo. Gli alettoni si muovono sempre uno al contrario dell'altro: quando l'alettone di destra si alza quello di sinistra si abbassa, e viceversa. Questo determina una virata. Gli alettoni sono posti alle estremità delle ali perché così producono il massimo momento di forza con la minima resistenza aerodinamica Flap Permettono di accrescere la portanza alle basse velocità, ma al prezzo di un aumento notevole della resistenza aerodinamica. Si usano al decollo e all'atterraggio in spazi ristretti, in modo da poter pilotare in sicurezza a bassa velocità. Oppure si usano per ridurre l'angolo di pitch e consentire al pilota una migliore visione anteriore, necessaria per l'atterraggio. I grandi aerei abbassano del tutto i flap all'atterraggio anche oltre le reali necessità di sicurezza per ridurre lo spazio di arresto dopo il contatto con la pista. Sono utili anche per perdere rapidamente quota senza che la velocità salga troppo e in questo caso funzionano come freno aerodinamico. I flap assomigliano agli alettoni, ma si differenziano perché sono posti vicino alla fusoliera in modo da sollecitare meno la struttura dell'ala e si muovono in modo concorde verso il basso. Equilibratore Comanda il movimento di beccheggio intorno all'asse trasversale, permettendo la cabrata o la picchiata dell'aereo. Timone Viene usato in combinazione con gli alettoni per il controllo delle virate (o imbardate), oppure per le piccole correzioni di rotta in fase di avvicinamento o di allineamento alla pista. Stabilizzatore (Trim tab) Sono piccoli alettoni posti sull'equilibratore e permettono la regolazione fine dell'assetto. In pratica per i brevi voli non c'è motivo di regolare il trim, mentre per i voli lunghi conviene usare l'auto-pilota.
1.a) Impennaggi di coda orizzontale: 1- equilibratore 2 - stabilizzatore Air Atlanta Cargo B742 TF-AMD verticale: 3 - deriva 4 - timone. Miles.m65.gemini.1a.oo-rld.arp Impennaggio classico Lo stabilizzatore verticale è disposto nel piano di simmetria del velivolo e lo stabilizzatore orizzontale si trova collocato alla base della deriva. Questa è la configurazione usata nella maggior parte degli aeroplani, in particolare nei monomotori ad elica e nei grandi aerei commerciali con più motori jet sotto le ali. US Air Force stealth F-117 Nighthawk Impennaggio bideriva Presenta due stabilizzatori verticali, anziché uno singolo, disposti sempre simmetricamente rispetto al piano di simmetria del velivolo. Impennaggio a farfalla o a V Non presenta stabilizzatori verticali ed orizzontali distinti. Le funzioni dei due stabilizzatori vengono riunite in una coppia di superfici portanti disposte in modo da formare un certo angolo ( 45 ) rispetto al piano di simmetria longitudinale del velivolo.
B727 DHL AKL Gloster Meteor NF11 Night Fighter (WM167) Impennaggio a T Lo stabilizzatore orizzontale è montato sulla cima dello stabilizzatore verticale. I comandi ed i motori per il beccheggio sono posizionati nell'interno della deriva. Questa disposizione è comunemente presente nei velivoli a motore posteriore (Boeing 727, Douglas DC-9), nella maggior parte dei turboelica (ATR) e in molti alianti. Questa configurazione, seconda più comune dopo quella classica, può essere pericolosa in caso di stallo, perché i vortici creati dalle ali potrebbero colpire lo stabilizzatore rendendo di fatto l'aereo quasi ingovernabile. Impennaggio cruciforme Lo stabilizzatore orizzontale interseca a mezza altezza lo stabilizzatore verticale in una configurazione a croce. Lockheed Constellation - C-69 (military version) prototype, 1943 Eurofighter Tiphoon 9803 2 Sistema canard (anatra in francese) prevede la presenza dello stabilizzatore sulla prua dell'aereo (vedi il Wright Flyer). La configurazione canard è aerodinamicamente più efficiente del classico layout con stabilizzatori in coda ma rende la progettazione molto più critica ed è sempre stata utilizzata sporadicamente. Impennaggio trideriva È una variante dell'impennaggio bideriva, essendo costituito di tre stabilizzatori verticali. Il migliore esempio di questa configurazione è il Lockheed Constellation. Questa configurazione venne adottata per dotare il velivolo della massima superficie verticale di stabilizzazione, mantenendo contemporaneamente la sua altezza entro limiti accettabili per consentirne l'accesso negli hangar di manutenzione.
1.b) Carrello d'atterraggio E il sistema che sorregge un velivolo quando non è in volo e gli permette un più rapido spostamento sui piazzali di manovra. È progettato per ammortizzare il momento in cui tocca terra durante la fase di atterraggio. Normalmente è composto da ruote fissate ad ammortizzatori Tipi di carrello Carrello fisso E fissato sotto la fusoliera o le ali dell'aereo: genera molta resistenza aerodinamica ma risulta meno pesante e non richiede il livello di manutenzione necessario per i carrelli retrattili. Viene di solito utilizzato negli aerei di piccole dimensioni. Cessna F172G con carrello triciclo Carrello monotraccia Costituito da due ruote poste in linea, come quelle della bicicletta: configurazione tipica degli alianti, aiuta a mantenere la direzione in decollo ed atterraggio, anche in presenza di vento trasversale Carrello retrattile Questo tipo di carrello viene retratto nella fusoliera o nelle ali dell'aereo e permette una notevole riduzione della resistenza aerodinamica generata da un carrello fisso. Cominciarono a diffondersi negli anni venti e trenta e le prestazioni migliorarono così tanto da giustificare la maggiore complessità e il peso aggiuntivo. Gli aerei che ne beneficiarono di più furono i caccia allo scoppio della seconda guerra mondiale. In fase di manutenzione il carrello viene bloccato da un perno con attaccata una bandierina rossa con la scritta REMOVE BEFORE FLIGHT (rimuovere prima del volo). Carrello triciclo È costituito da una ruota anteriore posta di solito sotto il muso e da due o più ruote poste leggermente dietro il centro di gravità dell'aereo, sotto la fusoliera o sotto le ali. In alcuni modelli il carrello anteriore è in grado di sterzare per facilitare il rullaggio e le operazioni a terra Carrello d'atterraggio principale dell'antonov AN-225 Carrello biciclo (classico) È costituito da due sole ruote principali poste anteriormente sotto la fusoliera o sotto le ali, poco avanti al baricentro e da un ruotino di coda. Il Douglas DC-3 disponeva di un carrello classico che veniva in parte retratto nelle gondole dei motori
1.c) Numero e posizione delle ali Il monoplano è un aeroplano che dispone di una sola ala. I diversi monoplani si distinguono per come l'ala è attaccata alla fusoliera: il dorso inferiore è attaccato allo stesso livello della parte bassa della fusoliera (ala bassa) è attaccata a metà fusoliera (ala media) può essere montata nella parte superiore della fusoliera (ala alta) il dorso superiore è allo stesso livello della parte superiore della fusoliera (ala alta) è montata sopra la fusoliera, sorrette da strutture rigide (ala alta parasole) Posizione dell'ala in un monoplano Ibis Aerospace Ae270 Spirit ala bassa ala media ala alta ala alta a parasole Antonov An-2 Colt (1947) Il Fokker Dr.I (1917) il più famoso triplano della storia Un biplano è un aeroplano che ha due ali, solitamente di uguale dimensione, montate una sopra l'altra: quella inferiore allo stesso livello della parte bassa della fusoliera, mentre quella superiore è montata sopra. Il triplano è un aereo equipaggiato con tre ali, ognuna di uguale dimensione e montate una sopra l'altra. Di solito l'ala più bassa è montata in corrispondenza del bordo inferiore della fusoliera, l'ala centrale in corrispondenza del bordo superiore e l'ala superiore è sorretta da strutture montate sulla fusoliera. Il quadriplano è un aereo equipaggiato con quattro ali, con pochi Armstrong Whitworth F.K.10 (1916) esempi nella storia del volo spesso costruiti a scopo sperimentale e scarsamente utilizzati in modo operativo.
Strumenti tipici di variazione del profilo alare 1. aletta d'estremità (winglet) 2. alettone d'estremità 3. alettone interno 4. carenatura degli attuatori 5.6. ipersostentatore di bordo d'attacco (slat) 7.8. ipersostentatore di bordo d'uscita (flap) 9.10. diruttore di flusso (spoiler). 3 2 7 1 6 4 5 1.d) Elementi dell'ala 1. semiala 2. apertura alare 3. superficie proiettata 4. corda alare 5. dorso od estradosso 6. ventre od intradosso 7. piano di sezione (profilo alare) Angolo diedro L'angolo formato dalle semiali con un piano orizzontale viene detto angolo diedro e la sua presenza ha una notevole importanza nel rendere un velivolo autostabile cioè capace di ritornare autonomamente in una posizione stabile dopo una sollecitazione.
ALA BILONGHERONE cassone centrale rivestimento COMPOSIZIONE DELL ALA longherone anteriore longherone posteriore centina con alloggiamento serbatoio vano per deflettore centine ALA MONOLONGHERONE attacco semiala-pianetto Il rivestimento può essere realizzato in tela, legno o metallo e deve: A) sopportare i carichi aerodinamici locali senza deformarsi e quindi senza alterare sensibilmente il profilo; B) collaborare a resistenza, torsione ed eventualmente flessione dell ala; C) resistere durevolmente alle ingiurie del tempo. bordo di estremità alettone PARTI DELL ALA cassone bordo di attacco bordo di uscita con ipersostentatori raccordo alla fusoliera pianetto LONGHERONE RETICOLARE
1.e) geometria dell'ala 7 In base alla geometria dell'ala si possono distinguere: 1. ala rettilinea: tra le due semiali non vi è angolo di freccia 2. ala a freccia positiva: l'angolo di freccia tra le due semiali è positivo 3. ala a freccia negativa: l'angolo di freccia tra le due semiali è negativo 4. ala a delta: particolare forma in pianta (lettera maiuscola greca deltaδ), pressoché triangolare 5. ala a geometria variabile: può variare l'angolo di freccia durante il volo. 6. ala obliqua: due diversi angoli di freccia fra le due semiali 7. ala ellittica: su un aereo come lo Spitfire 8. ala volante: su un aereo come il B-2 Spirit 9. ala a delta ogivale: variante dell'ala a delta, su un aereo come il Concorde 10. ala a doppio delta: variante dell'ala a delta, su un aereo come il Saab 35 Draken 11. ala trapezoidale: su un aereo come il F-22 Raptor 8 10 11 9
1.f) Tipi di profili alari Il profilo alare è la sezione di un'ala condotta secondo un piano verticale e parallelo alla mezzeria dell'ala stessa. Una distinzione in ampie categorie viene effettuata analizzando le curvature dell'estradosso (superficie superiore) e dell'intradosso (superficie inferiore). Concavo-convesso: sia l intradosso che l'estradosso hanno la parte centrale della curvatura più in alto rispetto ai punti di ingresso e di uscita Questo profilo era utilizzato negli aerei antichi ed è attualmente utilizzato per alcuni ultraleggeri. Concavo-convesso moderno: è più simile ad un piano convesso ed ha ottime prestazioni alle basse velocità; viene quasi universalmente utilizzato negli alianti. Piano-convesso: l'estradosso è come nel caso precedente, mentre l'intradosso è piatto. È un tipo di profilo non ottimale, ma economico. Attualmente è utilizzato in alcuni aerei da turismo. Biconvesso: intradosso ed estradosso hanno curvature opposte. Se i profili sono differenti, si parla di profili biconvessi asimmetrici; se hanno identica forma si parla di profili simmetrici. I primi sono utilizzati nella maggior parte degli aerei odierni, i secondi per gli aerei acrobatici (cosicché possano avere le stesse caratteristiche in volo rovescio) e sono universalmente utilizzati per i piani di coda. Laminari: sono i profili che, indipendentemente dal loro spessore, riescono a mantenere un flusso non turbolento su una parte rilevante della propria corda. Questa caratteristica si ottiene attraverso lo spostamento del massimo spessore del profilo più verso il bordo di uscita, rispetto ai profili più tradizionali; il che consente di avere uno strato limite laminare più lungo. I profili laminari oppongono (entro un limitato range di angoli di incidenza) una resistenza minore all'avanzamento.
Ogni oggetto investito da un flusso d'aria risente di una certa forza aerodinamica F. Questa forza si può scomporre in due componenti perpendicolari: la componente parallela al flusso d'aria si chiama RESI- STENZA AERODINAMICA (R) e viene anche detta Drag (D), mentre la componente perpendicolare al flusso d'aria si chiama PORTANZA (P) e viene detta anche Lift (L). Un tipico schema qualitativo nel quale si rappresentano le principali forze agenti su un velivolo: portanza (L), resistenza (D), peso (W) e spinta (T). Con V è indicata la direzione del vento relativo, cioè del flusso d aria che interferisce con un corpo solido mentre questo lo attraversa: L è perpendicolare a V; D è parallela a V. 2) Principali forze agenti su un velivolo Per avere un volo orizzontale uniforme la portanza (Lift -L) sviluppata principalmente dalle superfici alari, deve equilibrare la forza peso (Weigth - W) del veicolo. Inoltre la spinta (Thrust - T) sviluppata dal sistema propulsivo (motori ad eliche, motori a reazione,...) deve equilibrare la resistenza (Drag - D) offerta da tutto l aeroplano incluse le superfici alari. Per aumentare la velocità, cioè accelerare, la spinta (T) deve essere superiore alla resistenza (D).
L T V W Esempio di profilo alare D L ALA (Wing) L angolo di attacco è l angolo acuto tra la corda dell ala e la direzione del vento relativo (V) (si considera la direzione del flusso dell aria con la posizione relativa ad esso delle ali). Se l angolo di attacco è eccessivo per una data velocità, si creano dei vortici intorno all ala che riducono la portanza mandando l aereo in stallo (= mancanza di portanza). Maggiore è la velocità di volo e minore sarà l angolo massimo di attacco consentito prima che entri in stallo. Il pilota può variare l angolo di attacco. L angolo di incidenza è l angolo acuto tra la corda dell ala e l asse longitudinale dell aereo. È una caratteristica strutturale dell aereo e quindi poco modificabile dal pilota. Profilo alare α: incidenza geometrica c: corda 1: linea di portanza nulla 2: bordo d'attacco 3: cerchio osculatore del bordo d'attacco 4: curvatura 5: spessore 6: dorso 7: bordo d'uscita 8: linea d'inarcamento media 9: ventre.
Le parti che sviluppano la portanza su un aeroplano sono le ali. Il profilo alare deve essere studiato in modo tale che: a) crei un aumento della velocità dei filetti fluidi sul dorso del profilo rispetto al ventre generando così la portanza; b) minimizzi la resistenza aerodinamica causata dal profilo arcuato. In altre parole, l aria fluendo ad alta velocità sul profilo alare, svilupperà una forza verticale maggiore della forza peso proporzionale alla velocità ed al particolare angolo di attacco. P = ½ ρ V 2 S C p R = ½ ρ V 2 S C r La portanza P (o L = Lift) è direttamente proporzionale: 1) al quadrato della velocità relativa del veicolo V (l aereo deve avere una velocità sufficiente per poter decollare e mantenersi in volo) 2) all area della superficie alare S (sono le ali principalmente che sviluppano la portanza) 3) alla densità dell ariaρ(nell unità di volume ci sono più particelle atmosferiche che impattano sul profilo alare generando portanza) 4) al coefficiente di portanza C p (o C L = coefficient of Lift) funzione del profilo alare e dell'angolo d'attacco. Per velocità elevate (ipersoniche) e ad alta quota (basse pressioni atmosferiche) il flusso d'aria non subisce una deviazione significativa e la portanza è garantita quasi unicamente dalla forza risultante dovuta all'impatto nella parte inferiore dell'aria contro l'ala. In tale caso il profilo alare avrà altre caratteristiche. La Resistenza R (o D = Drag) è direttamente proporzionale: 1) al quadrato della velocità relativa del veicolo V 2) all area della superficie alare S 3) alla densità dell aria ρ 4) al coefficiente di resistenza C r (o C d = coefficient of Drag) funzione del profilo alare e dell'angolo d'attacco.
Tracciando dall origine degli assi la tangente alla curva si individua E max, cioè qualeαpermette ad un aereo con quel profilo alare di percorrere la distanza più grande in rapporto alla perdita di quota. Si può anche definire E come la distanza percorsa da un aereo in volo planato rispetto al suolo per ogni metro di quota perso : distanza dal suolo (m) E = --------------------------- quota persa (m) DIAGRAMMA Cp-Cr Cp (cioè la Portanza) cresce con il crescere dell'angolo di attacco α, fino al punto A, (portanza massima); oltre tale angolo la portanza cala di poco e poi la curva scompare! In altri termini, la portanza crolla a zero e l'ala non vola più (si verifica cioè uno stallo). Anche Cr (cioè la Resistenza) cresce con il crescere di α, ma essa non parte da zero, confermando che un corpo in movimento genera sempre un poco di resistenza. Il valore di Cr è minimo nel punto B; è questo l'angolo di attacco al quale l'ala vola alla sua massima velocità. DIAGRAMMA POLARE Variando l'angolo di attacco variano contemporaneamente i valori di Cp e di Cr e interessando soprattutto il loro rapporto (E = Cp/Cr = efficienza ai diversi angoli di attacco) risulta utile un diagramma che riporti in ordinate i valori di Cr ed in ascisse quelli di Cp. Gli angoli di attacco vengono indicati dentro il diagramma. Tale diagramma è detto polare e rappresenta le caratteristiche aerodinamiche di una particolare ala: ali diverse hanno polari diverse.
Andamento del coefficiente di pressione su due profili alari per due angoli d'attacco: 1: profilo simmetrico ad incidenza di portanza nulla 2: profilo asimmetrico ad incidenza di portanza nulla 3: profilo simmetrico ad incidenza di portanza positiva 4: profilo asimmetrico ad incidenza di portanza positiva. Sono stati disegnati anche i vettori di portanza (indicati con L, lift). In condizioni di viscosità trascurabile, si crea una circolazione attorno al profilo che genera una forza, in direzione perpendicolare alla corrente indisturbata, detta portanza che tende a sostenerlo. La portanza non è l'unica forza agente sul profilo: la viscosità del fluido genera anche una resistenza fluidodinamica, una componente della risultante delle forze aerodinamiche diretta parallelamente alla corrente indisturbata. La forma dei profili alari tende a creare una differenza di pressione tra le due facce: una volta che il fluido (aria, acqua od altro) investe il profilo con l'opportuno angolo d'attacco, si genera una sovrappressione sulla pancia ed una depressione sul dorso del profilo stesso. Questa distribuzione di pressione fa sì che le particelle di fluido generino una forza diretta grosso modo verticalmente, dal basso verso l'alto, che lo sostenta. La portanza, cresce in maniera pressoché lineare al crescere dell'angolo d'attacco del profilo fino ad un valore critico oltre il quale la portanza diminuisce e si è in presenza di un fenomeno aerodinamico detto stallo. Per calcolare la distribuzione pressione attorno al profilo si può usare l'equazione di Bernoulli che consente di legare la velocità sul profilo alla pressione: dove le particelle fluide hanno una velocità maggiore si ha una diminuzione di pressione e viceversa. Si ottiene quindi un profilo alare "aspirato" verso l'alto dove il maggior contributo alla portanza lo dà la depressione dorsale.
BECCHEGGIO (Pitching) Si agisce sul timone di profondità (Horizontal stabiliser) delle alette orizzontali di coda: a) abbassando il timone si alza la coda e di conseguenza si abbassa il muso dell aereo che incomincia a scendere (frecce gialle) b) alzando il timone si abbassa la coda e si alza il muso dell aereo che comincia a salire (frecce azzurre) 3) Manovre di un velivolo (Tutte le operazioni che si descrivono differiscono se riferite ad aerei di linea o militari, ma spesso sono simili). DECOLLO (Takeoff) L aereo deve raggiungere lungo la pista una sufficiente velocità con i motori a massima spinta, in maniera tale da poter sviluppare una portanza tale che sollevi l aereo. Si agisce sui flaps e/o deflettori (elevetors) quindi l aereo incomincia ad alzarsi. L aereo inizia a prendere quota con una certa angolazione col carrello ormai rientrato e in più fasi raggiunge una certa altezza IMBARDATA (virata) (Yawing) Si agisce sul timone direzionale (Rudder) che è parte dell ala verticale di coda (Vertical stabiliser): a) girando il timone a destra, la coda si sposterà verso sinistra facendo girare l aereo a destra (frecce verdi) b) girando il timone a sinistra, la coda si sposterà verso destra facendo girare l aereo a sinistra (frecce arancione)
ROLLIO (Rolling) Si agisce sui deflettori (Aileron) delle due ali per ottenere una rotazione regolabile (inclinazione trasversale) intorno l asse dell aereo che determinerà una virata dovuta alla portanza: 1) Rotazione oraria frontale: si abbassa il deflettore (frecce arancione) dell ala sinistra che si solleva e si alza il deflettore dell ala destra che si abbassa. L effetto risultante è una rotazione oraria con una virata a destra 2) Rotazione antioraria frontale: si alza il deflettore (freccia azzurra) dell ala sinistra che si abbassa, e si abbassa il deflettore dell ala destra che si alza. Si ottiene una rotazione antioraria con virata a sinistra Durante il rollio la virata è dovuta alla componente orizzontale della portanza. Le tre manovre di controllo precedenti si possono combinare per ottenere particolari manovre. Si tenga presente che a parità di potenza erogata dai motori, salendo la velocità diminuisce e, al contrario, scendendo la velocità aumenta. ATTERRAGGIO (Landing) Si deve scendere lentamente, ridurre la potenza dei motori e planare sulla pista con una buona portanza aiutandosi con i flap d ala e col carrello abbassato. È importante essere ben allineati con la pista. Una volta toccato terra si frena l aereo. Per gli aerei di linea le manovre di decollo e atterraggio sono le più delicate: la maggior parte degli incidenti avvengono durante queste manovre.