Università degli Studi di Genova
Facoltà di Ingegneria
Studio aerodinamico preliminare di
un UAV ad ala battente
Candidati
Federico Attene – Paolo Bertocchi
Relatore
Chiar.mo Prof. Alessandro Bottaro
Tesi per il conseguimento della Laurea in Ingegneria Meccanica
Anno Accademico 2010/2011
Specifiche operative richieste
•
•
•
•
•
Decollo: a mano
Velocità massima: > 15 m/s
Autonomia: > 30 minuti
Hovering: auspicabile
Quota di operazione: 0 – 3000 m
Peso equipaggiamenti:
• Avionica: 120 g (esclusi motori e servo attuatori)
• Payloads: 50 g
• Batterie LiPo: 170 g (energia totale: 30Wh)
• Totale: 340 g
mtot = 1 kg
Studio aerodinamico preliminare
Considerazioni energetiche e definizione della geometria
di massima
Simulazioni su ali battenti
Il volo battuto in natura
• Durante il battito d’ali verso il
basso (downstroke), viene
prodotta sia portanza che spinta.
• L’ala flessibile consente di
ottimizzare il battito delle ali atto
al mantenimento della portanza
durante la fase del colpo verso
l’alto (upstroke).
L
F
T
Considerazioni energetiche e geometria di massima
Considerazioni energetiche e geometria di massima
Potenza indotta,
Potenza
necessaria
parassita,
al sostentamento
dovuta
Potenzaalla
di profilo,
resistenza
del dovuta
del alla
velivolo
corporesistenza delle ali
Considerazioni energetiche e geometria di massima
Potenza indotta
• Modello del disco attuatore: è il modello teorico di riferimento nello
studio delle ali rotanti (es. rotori di elicotteri, eliche marine, ecc.).
• Si assume che le ali battenti siano assimilabili ad un disco attuatore
(avente spessore infinitesimo) contenuto in un volume di controllo, sul
quale viene effettuato un bilancio di quantità di moto.
Considerazioni energetiche e geometria di massima
Potenza parassita
• Contributo di potenza dovuto alla resistenza del corpo.
• Il termine parassita è di utilizzo in ambito aeronautico, in un velivolo si
riferisce a tutto ciò che non partecipa alla creazione di portanza.
Considerazioni energetiche e geometria di massima
Potenza parassita
• La fusoliera del velivolo è stata considerata di forma ellissoidale, tale
geometria presenta un buon comportamento aerodinamico.
• L’area della superficie frontale, determinata facendo riferimento ad una
relazione empirica che riguarda i volatili, è funzione della massa.
Considerazioni energetiche e geometria di massima
Potenza di profilo
• Termine che tiene conto della resistenza dovuta alle ali.
• Da risultati presenti in letteratura, facenti riferimento a dati sperimentali,
si è determinato che in prima approssimazione tale contributo è
indipendente dalla velocità di avanzamento.
Considerazioni energetiche e geometria di massima
Considerazioni energetiche e geometria di massima
• Derivando l’espressione della potenza meccanica e uguagliando a zero si
trova la velocità di minima potenza.
• La velocità di minima potenza (Vmin) non dipende da AR.
• Vogliamo che la velocità di crociera corrisponda alla velocità di minima
potenza.
Considerazioni energetiche e geometria di massima
L’aspect ratio è ancora un’incognita!
Considerazioni energetiche e geometria di massima
Considerazioni energetiche e geometria di massima
Verifica autonomia di volo
Considerazioni energetiche e geometria di massima
Simulazioni su ali battenti
• Hanno lo scopo, noto il dimensionamento di massima, di testare diversi
tipi di ala.
• Più in dettaglio, permettono di comprendere il legame esistente tra
frequenza, ampiezza del battito e velocità di crociera.
Simulazioni su ali battenti
• Le simulazioni sono state svolte con un codice basato sul metodo a
pannelli, che si basa sulla risoluzione dell’equazione di Laplace.
• Valgono le ipotesi di fluido inviscido e irrotazionale.
• I risultati, nell’ambito delle ipotesi, consentono comunque di avere
un’idea quantitativa e qualitativa del problema studiato.
• La scia viene modellata attraverso rilascio di singolarità (tipo vortici e/o
doppiette).
Simulazioni su ali battenti
Ala rettangolare
• Apertura alare (b/2) = 0,6 m
• AR = 8
• c = 0,15 m
• Frequenza = 3 Hz, 5 Hz, 7 Hz
• Angolo massimo di semiapertura = 15°, 30°, 40°
• Velocità di avanzamento = 10 m/s , 15m/s , 20m/s , 25m/s
Simulazioni su ali battenti
Scelta del profilo alare
NACA 4415
SELIG 1223
Simulazioni su ali battenti
Simulazioni su ali battenti
Spinta vs Tempo (f = 3 Hz)
Simulazioni su ali battenti
Portanza vs Tempo (f = 3 Hz)
Simulazioni su ali battenti
NACA 4415
SELIG 1223
Simulazioni su ali battenti
NACA 4415
SELIG 1223
Simulazioni su ali battenti
Ala ellittica
• Apertura alare (b/2) = 0,6 m
• AR = 8
• c (alla radice) = 0,19 m
• Frequenza = 3 Hz, 5 Hz, 7 Hz
• Angolo massimo di semiapertura = 15°, 30°, 40°
• Velocità di avanzamento = 10 m/s , 15m/s , 20m/s , 25m/s
Simulazioni su ali battenti
Ala ellittica
Simulazioni su ali battenti
Ala ellittica
Simulazioni su ali battenti
Ala ellittica
Ala rettangolare
Simulazioni su ali battenti
Ala ellittica
Ala rettangolare
Conclusioni e sviluppi futuri
Il presente studio ci ha consentito di valutare:
• Geometria di massima
• L’operare a 3000 m piuttosto che al livello del mare, non comporta
sostanziali differenze di dispendio energetico da parte dell’UAV.
• Il comportamento del battito dell’ala rigida in rapporto a diversi valori di
frequenza, angolo di semiapertura e velocità di crociera.
• Buone prestazioni del profilo SELIG
• L’ala ellittica non apporta miglioramenti nel volo battuto rispetto all’ala
rettangolare
Possibili sviluppi futuri:
• Simulazione del battito d’ali con un’ala flessibile
• Simulazione dello svergolamento dinamico nel colpo d’ali verso il
basso
• Prototipo da testare in galleria del vento