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STUDIO E OTTIMIZZAZIONE DI METODI A BASSO COSTO PER LA

SPERIMENTAZIONE DI MODELLI DI VELIVOLI

Tesi di laurea di: Relatore:Massimiliano Ruffo Prof. Ing. Luca Piancastelli

Correlatori:Prof. Ing. Franco PersianiProf. Ing. Alfredo LiveraniDott. Ing. Alessandro Ceruti

SPERIMENTAZIONE A BASSO COSTO

Metodo a CadutaLibera

Galleria del vento naturale

Prove “B.A.S.E.”

Prove di caduta e planata da postazioni fisse

Metodi telemetrici

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Metodo a caduta libera

L’IDEA:Doti di volo dei

paracadutisti sportivi

+Caduta del modello

=Assistenza al modello

in caduta libera (o frenata)

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VANTAGGI• Presenza dei fenomeni inerziali• Sezioni di prova illimitate• Costo di sperimentazione limitato• Flusso senza componenti torsionali• Disponibilità di personale già specializzato• Rispetto delle condizioni di similitudine

aerodinamica (numero di Reynolds)

Metodo a caduta libera

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SVANTAGGI• Vincoli legati alla normativa aeronautica• Scarso controllo della qualità del flusso • Progettazione dei modelli vincolata al campo di velocità di prova• Campo di velocità di prova limitato dal volo del paracadutista

Inviluppo di volo di un paracadutista esperto

-10

0

10

20

30

40

50

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

Velocità di discesa (km/h)

Ang

olo

di c

adut

a ris

petto

alla

ver

tical

e (°

)

Angolo minimo Angolo massimo

Metodo a caduta libera

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Metodo a caduta libera

PROCEDURA DI ANALISI• Studio del problema dello Spin• Studio del problema dei modelli in scala• Studio della resistenza aerodinamica di un velivolo• Dimensionamento di massima del modello• Disegno di un modello al CAD 3D• Produzione dell’ala del modello mediante

macchina utensile

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Metodi telemetrici

SISTEMI ATTUALI• PAL

25 fps, 720 x 576

• NTSC30 fps, 720 x 480

• Telecine24 fps, pellicola

SISTEMI FUTURI• HDTV, PAL e NTSC

Interlacciato e/o progressivo

• MPEG video– Livello regione (mp2)– Livello oggetto (mp4)

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Metodi telemetrici

VALUTAZIONE DEGLI ERRORI

Sistema utilizzato:PAL 25I (standard attuale)

Errori a 25 Hz: 2-5%Errori a 50 Hz: 7-13%

]_[__17625,0

[%]mmmisuratospazio

mm=ε

micronpixelmm

_25,176_720_127 =

9

Metodi telemetrici

INFLUENZA DELLA RISOLUZIONE DI ACQUISIZIONE

0

0,5

1

1,5

2

2,5

0 2 4 6 8 10 12

Risoluzione Video (MegaPixel)

Err

ore

Ris

pett

o lo

Sta

ndar

d P

AL2

5I

10

Metodi telemetrici

INFLUENZA DELLA FREQUENZA DI ACQUISIZIONE

Riduzione dell’errore tramite algoritmi di tracking basati su filtri di Kalman

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Prove “B.A.S.E.”

APPLICAZIONI• Transitori di caduta libera• Verifica di sistemi di recupero

o atterraggio– Short Take Off and Landing

(STOL)• Inversori di spinta• Sistemi aerodinamici• BRS

– Flight Termination System (FTS)

• Distruzione del velivolo• BRS

Buildings, Antennas, Span, Earth

BRS: Ballistic Recovery System

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• Analisi della strumentazione utile alla sperimentazione dei BRS– Tipi di paracadute– Sistemi di apertura

elettronici e meccanici

• Sperimentazione del paracadute tondo– Verifiche di variabili e

coefficienti tramite analisi di sequenze video

Ballistic Recovery System

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Ballistic Recovery SystemRelazione tra le dimensioni del paracadute

TONDO e l'apertura alare del modellino

0,50,70,91,11,31,51,71,9

0,5 1 1,5 2

Diametro paracadute

Ape

rtur

a al

are

mod

ello

b (m

)

Relazione tra le dimensioni del paracadute TONDO e il peso del modello di velivolo

-100

1020304050607080

0,5 1 1,5 2

Diametro paracadute

m (k

g)

Relazione tra le dimensioni del paracadute AD ALA e l'apertura alare del modellino

1

1,5

2

2,5

3

0 10 20 30 40

Superficie paracadute (m^2)

Ape

rtur

a al

are

mod

ello

b (m

)

Relazione tra le dimensioni del paracadute AD ALA eil peso del modello di velivolo

0

50

100

150

200

0 10 20 30 40

Superficie paracadute (m^2)

m (k

g)

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Ballistic Recovery SystemPARACADUTE TONDI

0

20

40

60

80

100

120

140

160

0 0,5 1 1,5 2 2,5

Diametro paracadute (m)

Car

ico

ala

re d

el m

od

ello

(k

g/m

^2)

PARACADUTE AD ALA

020406080

100120140160180

0 10 20 30 40

Superficie paracadute (m^2)

Car

ico

ala

re d

el m

od

ello

(k

g/m

^2)

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FTS basato sul paracadute ad ala

POSSIBILI UTILIZZI• Sistema di recupero in

caso di anomalie di volo• Atterraggio di precisione

in spazi ristretti• Recupero di UAV

VANTAGGI• Controllo del punto di

contatto col suolo di un velivolo in avaria

• Atterraggio senza pilota esperto

Aumento di sicurezza dei velivoli

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SEQUENZA DELLA SPERIMENTAZIONE

• Verifica della stabilità del volo del paracadute• Test con zavorra• Test con modello di aereo• Ideazione e sviluppo di un sistema di controllo

• Ottimizzazione della manovrabilità del sistema• Verifica della precisione di atterraggio• Sistema di guida automatico per atterraggio di precisione• Ottimizzazione del sistema di apertura del paracadute• Progettazione e produzione di paracadute dedicati a

specifiche classi di velivoli

FTS basato sul paracadute ad ala

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FTS: inizio sperimentazione

• Verifica della stabilità del volo del paracadute• Test con zavorra

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FTS: posizione del baricentro

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FTS: influenza della portanza

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FTS: soluzioni anti-stallo1) Velivolo in volo rovesciato 2) Velivolo più pesante

Ali senza portanzametodo “brutale”:3) Distacco delle ali

Ali senza portanzametodo “gentile”:4) Diruttori alari

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Conclusioni e Sviluppi futuri

• METODI DI SPERIMENTAZIONE� Metodo a caduta libera

• Lunghi tempi di preparazione della prova

� Prove “B.A.S.E.”• Semplicità di realizzazione• Limitazioni sui modelli impiegati

• ANALISI DELLE PROVE SPERIMENTALI• Sviluppo di un metodo grafico

idoneo a ricostruire la traiettoria seguita partendo da immagini rilevate da videocamere digitali

• APPLICAZIONE� FTS con paracadute

• Prestazioni migliori del paracadute ad ala rispetto al paracadute tondo

• Paracadute ad ala: problemi di stabilità risolvibili con opportuni accorgimenti

• FTS con paracadute ad ala:prove “B.A.S.E.”

– Prove in condizioni meteo avverse– Ottimizzazione della manovrabilità– Sistema di guida automatico per

atterraggio di precisione– Studio di dettaglio e ottimizzazione del

sistema di apertura del paracadute– Progettazione e produzione di

paracadute dedicati a specifiche classi di velivoli

• Prove sperimentali con ilmetodo a caduta libera

− Prove di lancio in caduta libera assistite da paracadutisti

− Sperimentazione di modelli di dimensioni maggiori che possono essere recuperati grazie al FTS

− Possibilità di analizzare il transitorio dell’apertura del paracadute

− Studio del BRS per l’uscita del velivolo da situazioni non recuperabili (es. spin)

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FTS: analisi del carico alare

fattore di scala geometrico

Condizioni di similitudine � 1/λ1 = 1/λ2

Esempio:Carico alare Cessna 337: 100 kg/m²

� 1/λ1 � 10

Carico alare del Cessna 337 ridotto alle dimensioni del modellino: 10 kg/m²

Carico alare modellino usato: 2 kg/m²

1modello

velivolo 1LL

λ=

2

1modello alare carico

velivoloalare caricoλ

=

98.9m 1.16m 11.581

1

==λ