Università degli studi di Genova
Sviluppo geometrico/aerodinamico della
superficie di coda di un velivolo in volo planato
Relatori:
Chiar.mo Prof. Alessandro Bottaro
Prof. Jan Oscar Pralits
Allievo:
Francesco Ghelardi
Tesi per il conseguimento della Laurea Triennale in Ingegneria Meccanica
Settembre 2012
Introduzione
●
Questo studio fa parte del progetto denominato SKYBIRD
Velivolo UAV (unmanned aerial vehicle)
●
Altre tipologie di velivoli UAV :
Robird (Greenx Artificial Birds)
Smartbird (Festo)
Specifiche:
●
Biomimetico
●
V = 5 ~ 20 m/s
●
Apertura alare < 2 m
●
M circa 1 Kg
●
Deve poter essere lanciato a mano
●
Forma di riferimento: gabbiano
Obiettivo di questa tesi: sviluppare una forma della coda, con ali principali
già sviluppate, perché il velivolo possa considerarsi stabile staticamente.
Per svolgere tutto questo si è utilizzato un software chiamato Tornado e
facendo vari test, variando un parametro alla volta, si sono ricercati i parametri
che incidevano maggiormente sulla stabilità.
FORZE AGENTI SU DI UN VELIVOLO IN VOLO:
P = Portanza
●R = Resistenza
●W = Peso
●T = Spinta
●
G = centro di
gravità del mezzo
P  1/ 2   V  S  C
2
P
R  F  1/ 2   V  A  C
2
D
D
LA STABILITA':
●
●
Equilibrio: forze e momenti bilanciati.
Stabilità: tendenza a conservare l'equilibrio nel tempo al
variare delle condizioni iniziali.
Stabilità
Longitudinale
●Trasversale
●Direzionale
●
I vari assi di rotazione
in un velivolo
STABILITA' LONGITUDINALE
dm
d
g
0
dC
0
d
mg
0
Indice di stabilità
longitudinale negativo
Dipende principalmente da:
POSIZIONE DEL BARICENTRO
POSIZIONE E FORMA DELLA
CODA
PORTANZA DELLE SUPERFICI
ORIZZONTALI
STABILITA' TRASVERSALE
Sarebbe:
dL
0
d
però:
●
DIPENDENZA DA β
ROLLIO ED IMBARDATA
STRETTAMENTE LEGATI
●
dC
0
d
L
Vista frontale di due ali
Γ = dihedral
Effetto diedro
Freccia alare
●
Estremità alare
●
STABILITA' DIREZIONALE
TIMONE
(in caso di velivoli convenzionali è legata
ad una parte del timone: la deriva)
dC
0
d
N
Velivolo sottoposto ad
imbardata
Il software TORNADO:
●
NO EFFETTI DOVUTI ALLA VISCOSITA'
●
NO EFFETTI DRAG VISCOSO (DRAG DI FORMA CONSIDERATO)
●
●
MOLTO VELOCE NEL FARE LE SIMULAZIONI (RIGUARDANTI
CONFIGURAZIONI DIVERSE)
UTILIZZO DEL METODO DEI VORTICI, CIOE' DI INTENSITA' DI
CIRCUITAZIONE Γ (INCOGNITA) SU OGNI PANNELLO i.
I vortici su un pannello
●
Strutturato a menù primari e secondari in ambiente Matlab:
Input operations.
[1]. Aircraft geometry setup
[2]. Flight condition setup
[3]. Change rudder setting
[4]. Move reference point
Lattice operations.
[5]. Generate lattice.
Computation operations.
[6]. Processor access
Post processing and interactive operations.
[7]. Post processing, Result/Plot functions
[8]. Keyboard access
Auxiliary operations.
[10]. About / Release Info
[100]. Help files
[0]. Exit Tornado
Menù principale del software
Parametri
principali usati
per modificare
le superfici alari
in Tornado
Parte di sperimentazione: sviluppo di tre code di base
1° CONFIGURAZIONE
PRIMI
RISULTATI
C
NUOVI
RISULTATI
l
= 0,036092
 C  = -0,0035653
m
= 2,5688
C
n
= -0,00339
C
C
l
m
= -1,9221
n
= -0,04794
C
2° CONFIGURAZIONE
PRIMI
RISULTATI
NUOVI
RISULTATI
C
l
= 0,034459
C
l
= -0,020906
C
m
= 3,3516
C
m
= -0,62363
n
= -0,003603
n
= -0,048367
C
C
3° CONFIGURAZIONE
PRIMI
RISULTATI
NUOVI
RISULTATI
 C  = -0,0234
C
l
= 0,037152
C
m
= 4,232
C
n
= -0,003311
C
C
l
m
= 0,058238
n
= -0,09741
Obiettivo: ricercare una forma più vicina alla
reale coda di un gabbiano.
CONFIGURAZIONE 4


C
C
C
l
= 0,0108
m
= -1,1366
n
= 0,00041
(Z)
(X)
(Y)
Vista prospettica e timone della config. 4
2 passaggi da effettuare:
1) Distanza minima da ali principali
2) Dimensioni ridotte
CONFIGURAZIONE 5
(z)
C
l
= 0,02383
C
m
= 1,2221
n
= -0,03359
C
C
l
= 0,024855
m
= -0,012993
n
= -0,037171
C
(y)
(x)
C
Sviluppo configurazione FINALE
Coda vicina
Ridotte dimensioni
Difficile da rendere
stabile
(z)

C
l
= 0,032786
C
m
= -0,2512
n
= -0,016582
C
(x)
(y)
Inserito un timone ed effettuate ulteriori
modifiche aggiuntive
●
C
l
= 0,030173

C
m
= -0,29509

C
n
= 0,12776
Vista laterale del timone
Test per
ottenere
stabilità di rollio
Dihedral
Sweep
Nessun
risultato
Test su un timone di
prova
perché?
Ricerca di una possibile influenza
sulla stabilità di rollio
No influenza
0.0015
0.0015
0.0010
0.0010
0.0005
0.0005
0.0000
0.0000
-0.0005
doppio tp1
unico
-0.0010
-0.0015
-0.0020
-0.0025
Cnβ
Cnβ
Risultati riguardanti i timoni doppi:
-0.0005
doppio tp2
unico
-0.0010
-0.0015
-0.0020
-0.0025
Un gabbiano in volo
planato
DIH ali principali:
Leggermente
positivo (2°/3°)
Prima positivo
poi negativo
(2°/3°)
Γ
Ottenuta stabilità statica complessiva per il volo
planato.
-0.037500
-7
-5
-2
0
2
5
0.000000
7
-7
-5
-2
0
2
5
0.009000
7
0.008000
-0.050000
-0.038000
0.007000
-0.100000
-0.038500
0.006000
0.005000
-0.200000
Cnβ
Cmα
-0.039500
-0.250000
0.000000
-7
α
α
0
2
5
7
-0.252000
-0.020000
0
2
5
-0.120000
Cnβ
Cmα
5
0.600000
-0.260000
-0.262000
-0.264000
-0.100000
2
0.800000
-0.258000
-0.080000
0
1.000000
-0.256000
-0.060000
-2
1.200000
7
-0.254000
-0.040000
-5
α
-0.250000
0.000000
0.003000
0.001000
-0.350000
-0.040500
0.004000
0.002000
-0.300000
-0.040000
Clβ
Clβ
-0.150000
-0.039000
0.400000
0.200000
-0.266000
0.000000
-0.268000
β
β
0
2
5
β
7
7
La configurazione FINALE
(z)
(x)
(y)
CONCLUSIONI
●
Posizione del CG avanzata e di poco più in basso delle ali principali.
●
Coda e timone di forma allungata (sweep).
●
4/5 partizioni
per inserire superfici di controllo
e eliminare il timone.
●
●
Timone: il più indietro possibile e verso il basso.
Effetto diedro ali principali importante per la stabilità del
mezzo.