Università degli studi di Genova

Sviluppo geometrico/aerodinamico della superficie di coda di un velivolo in volo

planatoRelatori:

Chiar.mo Prof. Alessandro BottaroProf. 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 Forma di riferimento: gabbiano

● V = 5 ~ 20 m/s

● Apertura alare < 2 m

● M circa 1 Kg

● Deve poter essere lanciato a mano

● 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

PCSVP 22/1

DDCAVFR 22/1

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

Indice di stabilità longitudinale negativo

Dipende principalmente da: POSIZIONE DEL BARICENTRO

POSIZIONE E FORMA DELLA CODA

PORTANZA DELLE SUPERFICI ORIZZONTALI

0ddm

g 00

ddC

mg

STABILITA' TRASVERSALE

Vista frontale di due aliΓ = dihedral

● DIPENDENZA DA β

ROLLIO ED IMBARDATA STRETTAMENTE LEGATI

Sarebbe: però:

● Effetto diedro

●Freccia alare

●Estremità alare

0ddL

0ddC

L

STABILITA' DIREZIONALE

TIMONE(in caso di velivoli convenzionali è legata ad una parte del timone: la deriva)

Velivolo sottoposto ad imbardata

0ddC

N

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

= 0,036092

= 2,5688

= -0,00339

= -0,0035653

= -1,9221

= -0,04794

PRIMI RISULTATI

NUOVI RISULTATI

lCl

C

mC

nC

mC

nC

2° CONFIGURAZIONE

= 0,034459

= 3,3516

= -0,003603

= -0,020906

= -0,62363

= -0,048367

NUOVI RISULTATI

PRIMI RISULTATI

lC

mC

nC

mC

nC

lC

3° CONFIGURAZIONE

= 0,037152

= 4,232

= -0,003311

= -0,0234

= 0,058238

= -0,09741

PRIMI RISULTATI

NUOVI RISULTATI

lC

mC

nC

lC

mC

nC

Obiettivo: ricercare una forma più vicina alla reale coda di un gabbiano.CONFIGURAZIONE 4

(Y)(X)

(Z)

Vista prospettica e timone della config. 4

= 0,0108

= -1,1366

= 0,00041

lC

mC

nC

2 passaggi da effettuare:

1) Distanza minima da ali principali

2) Dimensioni ridotte

CONFIGURAZIONE 5

= 0,02383

= 1,2221

= -0,03359

= 0,024855

= -0,012993

= -0,037171(x)

(y)

(z)

lC

mC

nC

lC

mC

nC

Sviluppo configurazione FINALE

Coda vicina

Ridotte dimensioni

Difficile da rendere stabile

= 0,032786

= -0,2512

= -0,016582

(x)(y)

(z)

lC

mC

nC

● Inserito un timone ed effettuate ulteriori modifiche aggiuntive

Vista laterale del timone

= 0,030173

= -0,29509

= 0,12776

Test per ottenere stabilità di rollio

DihedralSweep

Nessun risultato

lC

mC

nC

Test su un timone di prova perché?

Ricerca di una possibile influenza sulla stabilità di rollio No influenza

Risultati riguardanti i timoni doppi:

Series1

-0.0025

-0.0020

-0.0015

-0.0010

-0.0005

0.0000

0.0005

0.0010

0.0015

doppio tp1unicoCn

β

Series1

-0.0025

-0.0020

-0.0015

-0.0010

-0.0005

0.0000

0.0005

0.0010

0.0015

doppio tp2unicoCn

β

DIH ali principali:

Leggermente positivo (2°/3°)

Prima positivo poi negativo (2°/3°)

Γ

Un gabbiano in volo planato

Ottenuta stabilità statica complessiva per il volo planato.

-7 -5 -2 0 2 5 7

-0.040500

-0.040000

-0.039500

-0.039000

-0.038500

-0.038000

-0.037500

α

Clβ

-7 -5 -2 0 2 5 7

-0.350000

-0.300000

-0.250000

-0.200000

-0.150000

-0.100000

-0.050000

0.000000

αCm

α-7 -5 -2 0 2 5 7

0.000000

0.001000

0.002000

0.003000

0.004000

0.005000

0.006000

0.007000

0.008000

0.009000

α

Cnβ

0 2 5 7

-0.120000

-0.100000

-0.080000

-0.060000

-0.040000

-0.020000

0.000000

β

Clβ

0 2 5 7

-0.268000

-0.266000

-0.264000

-0.262000

-0.260000

-0.258000

-0.256000

-0.254000

-0.252000

-0.250000

β

Cmα

0 2 5 70.000000

0.200000

0.400000

0.600000

0.800000

1.000000

1.200000

β

Cnβ

La configurazione FINALE

(x) (y)

(z)

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.