Studio e progettazione dei comandi di volo per una replica di un velivolo storico in

versione ultraleggeraTesi di laurea di: Massimo Ragazzini

Relatore:Prof. Ing. Luca Piancastelli

Correlatori:Prof. Ing. Carlo Bezziccheri

Anno Accademico 2003-2004

Università degli Studi di BolognaSECONDA FACOLTA’ DI INGEGNERIA (SEDE DI FORLì)Corso di Laurea in Ingegneria AerospazialeDisegno Assistito dal Calcolatore

SCOPI DELLA TESISCOPI DELLA TESI• Studio e progettazione dei comandi di volo del

Macchi 205 Veltro in versione ultraleggera, con l’utilizzo di materiali di minor peso specifico rispetto all’originale, per ridurre drasticamente i pesi:

1. Comando di virata con definizione del percorso cavi.

2. Comando di beccheggio.

3. Comando di azionamento dei flap.

CARATTERISTICHE TECNICHECARATTERISTICHE TECNICHEDati tecnici del velivolo originale :

Apertura alare = 10,58 m.

Superficie alare = 16,8 m².

Lunghezza ala destra = 4,321m.

Lunghezza ala sinistra = 4,521m.

Lunghezza totale = 8,84 m.

Altezza = 3,03 m.

Velocità massima = 648 Km/h.

La forma esterna e la geometria rimangono le stesse dell’aeroplano originale. Unica differenza nel materiale utilizzato e nel peso finale:

3408.kg 450.kg

• Comandi originali con aste e leve in acciaio.

COMANDI ORIGINALICOMANDI ORIGINALI

• Consente la rotazione del velivolo attorno all’asse longitudinale imprimendo un momento di rollio al velivolo che fa alzare un’ala ed abbassare l’altra.

• Il comando di virata è fissato alla pavimentazione dell’abitacolo, tramite bulloni, proprio di fronte al pilota e fra i due pedali che controllano il timone di direzione.

COMANDO DI VIRATACOMANDO DI VIRATA

• L’azione del pilota sulla cloche comanda il movimento degli alettoni in maniera antisimmetrica:

Verso destra

Virata a destra

Verso sinistra

Virata a sinistra

Fissata al pavimento dell’abitacolo con bulloni e collegata agli alettoni nelle ali tramite cavi. Realizzata in materiali leggeri come alluminio e materiale plastico.

Componenti fondamentali:• Manopola (in spugna).• Asta (lega 2024 T3).• Distanziale e cuscinetto (teflon).• Perno di comando

(lega 7075 T6).• Bullone di unione leva-perno

(inox A2).• Supporto di fissaggio

(lega 2024 T3).• Copiglia di bloccaggio.

CLOCHECLOCHE

Fissate al longherone posteriore dell’ala tramite bulloni, costituiscono il cinematismo del comando e sono uniti all’alettone tramite un giunto snodato (uniball).

LEVE DI COMANDOLEVE DI COMANDO

Componenti fondamentali:• Leva fissata all’alettone

(lega 2024 T3).

• Spina per ridurre i giochi.

• Uniball, con manicotto in alluminio.

• Leva di comando (lega 2024 T3).

• Supporti fissati nel longherone (lega 7075 T6).

• Cavi con accessori.

• Bulloni di collegamento.

I cavi uniscono la cloche ai comandi nelle ali e, dato che consentono solo un movimento di trazione, necessitano della chiusura del circuito all’interno dell’ala.

CAVI DI COLLEGAMENTOCAVI DI COLLEGAMENTOI cavi in acciaio inossidabile utilizzati hanno il diametro di 1/8” e sono del tipo a 7 trefoli composti da 19 fili. Possono resistere fino ad una forza di trazione di 798 kg. Saranno fissati ai comandi tramite, terminali arrotondati, occhielli e piombini di chiusura.

Per mettere in tensione le funi si utilizzeranno dei tendicavi unificati composti da due occhi filettati, con filettature destra e sinistra, ed un corpo centrale.

Per indirizzare i cavi all’interno dell’ala sono utilizzate delle carrucole in resina epossidica, unificate ed adatte al tipo di cavo utilizzato.

Le carrucole, racchiuse tra i supporti fissati alle strutture portanti del velivolo, consentono di guidare le funi dall’abitacolo alle leve di comando in prossimità degli alettoni nelle due ali.

PERCORSO CAVIPERCORSO CAVI

Dalla cloche il cavo passa attraverso la carrucola fissata nella prima centina e viene indirizzato all’interno dei fori presenti in tutte le parti posteriori delle centine.

Arrivato alla leva di comando riparte percorrendo l’ala il senso opposto al precedente e passando nei fori presenti nelle parti centrali delle centine.

In questo modo è consentito il movimento del comando nelle due direzioni.

MOMENTO DI CERNIERAMOMENTO DI CERNIERA

• I carichi utilizzati sono quelli ottenuti per particolari condizioni di volo, con angoli di delfessione degli alettoni molto elevati (± 8°) e con 3° di incidenza del velivolo, per garantire così la sicurezza in ogni condizione di volo.

• Gli sforzi utilizzati per il progetto dei vari componenti, sono relativi al momento di cerniera agente nel centro di rotazione del comando. Questo è ricavato dalle seguenti relazioni grazie all’utilizzo di grafici sperimentali e derivate aerodinamiche:

C

Ca

tda

aa

McaMca *CC δ

δ ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛∂∂

=

Mcaaa2

ca CcSV21M ⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛= ρ

Velivolo originale (3408 kg) → Mca = 35,5 N*mVelivolo ultraleggero (450 kg) → Mca = 3,6 N*m

Momento di cerniera dell’alettonedato da: pressione dinamica, superficie dell’alettone, corda media dell’alettone e coefficiente di momento di cerniera

Coefficiente di momento di cerniera: variazione del coefficiente di momento dovuto alla rotazione dell’alettone

CALCOLI STRUTTURALICALCOLI STRUTTURALI• Il comando deve resistere agli sforzi con un coefficiente di sicurezza a

rottura pari a 15.

• Il moneto di cerniera dell’alettone trasportato al punto di fissaggio con l’uniball dà una forza pari a:3,6 x 1000

50F = = 72 N

• Inserendo i dati relativi al materiale utilizzato in cosmoxpress, lega di alluminio 2024 T6, otteniamo i risultati mostrati a fianco, con la rappresentazione del coefficiente di sicurezza (ovunque maggiore di 15) e delle deformazioni (con una scala pari a 428 volte).

• L’azione del pilota sulla cloche comanda il movimento degli elevatori nei piani di cosa che si alzano e si abbassano in maniera simmetrica:

Spingendo avanti la

leva

• Il comando di beccheggio è governato dal movimento della cloche, fissata nel pavimento dell’abitacolo, analogamente al comando di virata.

COMANDO DI BECCHEGGIOCOMANDO DI BECCHEGGIO

• Consente al velivolo la rotazione attorno al proprio asse trasversale, grazie ad un momento detto di beccheggio, potendo così alzare ed abbassare il muso.

Tirando indietro la

leva

Cabrata(alza il muso)

Picchiata(abbassa il muso)

COMPONENTI COMPONENTI • Il perno di comando presenta vari fori per poter variare la sensibilità

del comando, le funi utilizzate sono identiche a quelle impiegate per il comando di virata.

Componenti fondamentali:• Perno di comando saldato

(lega di alluminio).

• Cavi con accessori e tendicavi.

• Leva di comando fissata ai piani di coda (lega 2024 T3).

• Spine per ridurre i giochi.

• Bulloni di collegamento.

I cavi che partono dall’abitacolo devono attraversare tutta la fusoliera per poter arrivare in coda, così nell’ordinata dove è fissato il sedile pilota verranno montate due carrucole (una per cavo) che consentono di indirizzare le funi fino alla leva di comando negli elevatori.

PERCORSO CAVIPERCORSO CAVI

Sono previsti due funi per permettere al comando di governare i piani di coda in ogni situazione (dato che le funi lavorano solo a trazione)

Le funi sono incrociate proprio sotto il sedile pilota per poter comandare correttamente il velivolo.

Dalla cloche i cavi passano attraverso due carrucole, racchiuse tra supporti, fissate nell’ordinata del sedile pilota dove sarà praticata un’asola per consentirne il passaggio.

MOMENTO DI CERNIERAMOMENTO DI CERNIERA

• I carichi utilizzati sono quelli ottenuti per volo stabile caratterizzato da α = +10° e δe = +10° (elevatore posizionato verso il basso a picchiare [+10°], aeroplano in volo ad alta incidenza [10°])

• Gli sforzi utilizzati per il progetto dei vari componenti sono relativi al momento di cerniera, calcolati come in precedenza grazie a diagrammi sperimentali ed a derivate aerodinamiche:

2eeT0eeTT cbq)ChChCh(H ++= δα δα

Velivolo originale (3408 kg) → H = 91 N*mVelivolo ultraleggero (450 kg) → H = 9 N*m

Momento di cerniera del piano di codadato da: incidenza del piano di coda, rotazione dell’elevatore, rispettivi coefficienti di momento, pressione dinamica, apertura e corda dell’elevatore

aT

CT

Ce

t

de

CALCOLI STRUTTURALICALCOLI STRUTTURALI

9,0 x 1000

50F = = 192 N

• Questo particolare presenta una saldatura che rende la resistenza del pezzo molto critica. Sempre con l’ausilio del calcolatore si è verificato che per la lega di alluminio in precedenza utilizzata è garantita la resistenza col fattore di sicurezza prefissato.

• Per questo comando si è proceduto in maniera analoga al comando di virata progettandolo per resistere agli sforzi con un con coefficiente di sicurezza alla rottura pari a 15.

• Il moneto di cerniera dell’elevatore trasporta al foro più esterno del perno di comando della cloche dàuna forza pari a:

• Il comando èutilizzato solo in pochissime fasi di volo quali il decollo e l’atterraggio.

Leva abbassata

• Il comando dei flap fa parte dei comandi secondari di volo non indispensabili quindi per una corretta governabilità del velivolo.

COMANDO FLAPCOMANDO FLAP

• I flap consentono al velivolo di aumentare la portanza variando la geometria alare (modificandone corda e curvatura), abbassando di conseguenza la velocità di stallo, ma aumentando la resistenza.

la leva alzata

Flap abbassati

Flap retratti

COMPONENTICOMPONENTI• La leva di comando è quella montata sul Rand Robinson KR-2S è quindi

reperibile in commercio. Ad un’estremità è posto un pulsante che permette di abbassare un perno liberandolo dal blocco della piastra di supporto, èconsentita così la rotazione del comando da 0° a 45° con scatti ogni 15°.

Componenti fondamentali:• Leva del Rand Robinson con

manopola girata.

• Supporti di fissaggio (Lega 2024 T6).

• Perno di comando saldato (lega di alluminio).

• Asta di collegamento con uniball (lega 2024 T6).

• Bulloni di collegamento (inox A2).

• Leva di comando fissata all’asta unita ai flap (lega 2024 T3).

• Spina elastica per ridurre i giochi.

COMPLESSIVO MONTAGGIOCOMPLESSIVO MONTAGGIO

CONCLUSIONICONCLUSIONITutti gli obiettivi prefissati sono stati raggiunti, in

particolare:

• I comandi azionati dalla cloche sono stati definiti in ogni dettaglio. Così il comando degli alettoni e degli elevatori sono completi di tutti i particolari per la realizzazione ed il montaggio, compreso il percorso cavi.

• I comandi dei flap dovranno essere verificati una volta stabilito con esattezza le caratteristiche degli ipersostentatori montati nella versione ultraleggera, nel caso questa dia esito positivo si potrà procedere con la costruzione ed il montaggio dei particolari secondo le specifiche riportate nella tesi.