nozioni aerotecnica

Nozioni di Aerotecnica

Francesco FornoMichele Riccobono

Club Astra Mezzana Bigli (PV) 2

Principi del sostentamento Gli ultraleggeri hanno molte forme

Pendolari (due assi) Tre Assi Tubi e Tela Tre Assi Avanzati

Tutti obbediscono alle stesse leggi dellaerodinamica e, in volo, sono soggetti alle stesse forze ed agli stessi fenomeni


Le forze Grandezza vettoriale in grado di mutare lo

stato di quiete o di moto di un corpo Si misura in Newton e si rappresenta con i

vettori Punto di applicazione Direzione Verso Intensit


Informazioni base Ogni forza trova in una forza uguale e

contraria la sua equilibrante cio quella che annulla leffetto

Pi forze applicate nello stesso punto possono essere sostituite da una sola, detta risultante Regola del

parallelogramma

Gli assi ed i movimenti del velivolo

Longitudinale (Rollio / Roll) Laterale (Beccheggio /

Pitch) Verticale (Inbardata / Yaw) I tre assi si incontrano nel

baricentro

Club Astra Mezzana Bigli (PV)

NB: Anche i pendolari hanno 3 assi di movimento ma solo 2 sono sotto il controllo del pilota (pitch e roll)

Le forze agenti sul velivolo


PORTANZA

TRAZIONE

PESO

RESISTENZA

Le parti principali del velivolo

Carrello (triciclo o biciclo)

Deriva

Timone

Stabilizzatore

Equilibratore

Semiali AlettoniFlap

Apparato Motopropulsore

Cellula


Fusoliera

Le parti principali del velivolo Il gruppo motopropulsore fornisce la trazione

indispensabile a mantenere il velivolo in volo Lala genera la portanza che fornisce il

sostentamento del velivolo, consente di stabilizzarlo sullasse di rollio e di comandare la rotazione intorno a tale asse

Il Carrello consente i movimenti al suolo Limpennaggio consente di stabilizzare il velivolo

sugli assi di imbardata e di beccheggio e di comandare le rotazioni intorno a questi assi

La fusoliera unisce le varie parti ed alloggia la cabina di pilotaggio e leventuale bagagliaio



LAla: Portanza vs Resistenza Praticamente qualunque forma, se curvata o

inclinata opportunamente, produce portanza La maggior parte delle forme per

inefficiente e produce molta resistenza Lo scopo di unala, quindi, produrre molta

portanza causando la minima resistenza possibile sfruttando un profilo alare dalla forma particolare

Il Profilo Alare

CORDA ALAREVENTRE o INTRADOSSO

DORSO o ESTRADOSSO

BORDO DUSCITABORDO DATTACCO



Profili alari

Biconvessi simmetrici Biconvessi asimmetrici Piano convessi Concavo convessi


Le basi della teoria Laerodinamica studia lazione reciproca di un

fluido in movimento (aria) e di un corpoinvestito da questo (nel nostro caso, lala)

Il fluido in movimento detto vento relativo


Il vento relativo

un flusso laminare Ha direzione contraria al moto del velivolo Ha velocit pari a quella del velivolo (velocit

allaria) Non dipende dallassetto Laria considerata incomprimibile


Langolo di attacco / incidenza Langolo tra la corda alare ed il vento

relativo detto angolo di attacco / incidenza Attenzione:

A. di Assetto: angolo tra lasse longitudinale del velivolo ed il terreno

A. di Attacco / Incidenza: angolo tra la corda alare ed il vento relativo

A. di Calettamento: angolo tra la corda alare e lasse longitudinale del velivolo (ambiguit con il termine angolo dattacco / incidenza)


Angoli Caratteristici

CalettamentoIncidenza


La portanza La somma di tutte le forze

aerodinamiche dirette verso lalto la forza aerodinamica totale o reazione aerodinamica

La parte di tale risultante che perpendicolare al vento relativo detta portanza

La portanza la forza opposta al peso


Da dove viene la portanza? Ci sono tre spiegazioni, interpretazioni

differenti dello stesso principio: La spiegazione Newtoniana La spiegazione basata sulla pressione

(Bernoulli) La teoria della circolazione

A noi interessa soprattutto la prima ed un po la seconda


La spiegazione Newtoniana

Laria che passa attorno allala viene accelerata verso lalto in corrispondenza del bordo dattacco (upwash) e verso il basso in corrispondenza del bordo duscita (downwash)

Ci avviene perch il flusso laminare segue la curvatura dellala

Secondo la Terza Legge di Newton (principio di azione e reazione), lala riceve unequivalente spinta verso lalto


Quantificare la portanza La portanza proporzionale a

Densit dellaria Angolo di attacco Quadrato della velocit di volo Costanti dipendenti dalla forma dellala

CL un coefficiente funzione della forma dellala e dellangolo di attacco

la densit dellaria (1,225 Kg/cm3 slm) S la superficie alare V la velocit di volo (allaria)

P = CL S V2


La spiegazione basata sulla pressione

La portanza causata dalla depressione sul dorso dellala e dalla compressione sul ventre della stessa

Principio di Bernoulli In un fluido in movimento, ad un aumento della

velocit corrisponde una diminuzione della pressione

Tubo di Venturi (dotto a sezione variabile) Dove la sezione si stringe, la velocit aumenta


Bernoulli e Venturi

Il dorso dellala pu essere assimilato ad un mezzo tubo di Venturi chiuso allaltra estremit dal flusso laminare di aria non perturbata


Luoghi comuni La spiegazione popolare della portanza sbagliata Laria sul dorso va pi veloce dellaria sul ventre

poich deve percorrere un percorso pi lungo; si causa cos una diminuzione di pressione sul dorso (falso altrimenti per far volare un P92 ci vorrebbe un ala con il profilo come in figura) Volo rovescio ? Profili simmetrici? Galleria del vento?


Bernoulli vs Newton E importante ricordare che le due teorie non sono in

contrasto ma sono due diversi modi per spiegare lo stesso fenomeno

Laria accelerata verso il basso dietro lala (secondo Newton) richiama aria da davanti creando una depressione sul dorso

La depressione generata sul dorso (secondo Bernoulli) risucchia aria da davanti e la accelera verso il basso dietro allala creando una spinta

Si vede come le due teorie possono essere considerate praticamente interscambiabili


La teoria della circolazione

Prende spunto da ragionamenti quasi esclusivamente matematici

Molto precisa Molto poco intuitiva Non ci interessa


Portanza a diversi AoA

Anche in volo rovescio lala pu produrre portanza


Il Coefficiente di Portanza Dipende dal profilo alare Dipende dallangolo di

attacco Questo valore viene

rilevato sperimentalmente nella galleria del vento


La resistenza Ogni corpo investito da un corrente genera

resistenza una forza sempre opposta al moto Dipende dalla forma del corpo In condizioni di volo si hanno due contributi

Resistenza Parassita Resistenza Indotta

La R. Parassita cresce col quadrato della velocit La R. Indotta diminuisce col quadrato della velocit


Resistenza Parassita ed Indotta Resistenza parassita

Resistenza di forma Resistenza di attrito

(nello strato limite) Resistenza di

interferenza

Resistenza indotta (Il costodella portanza)


Resistenza di forma ed interference drag

La resistenza di forma dipende dalla forma dellala e dallangolo di incidenza. E causata dalla scia che si forma dietro lala. Pi turbolenta maggiore la resistenza

La resistenza di interferenza generata dalinterferenza fra superfici diverse (es: ala e fusoliera

Resistenza di attrito nello strato limite

Lo strato limite uno strato daria spesso circa 2mm nel quale la velocit dellaria cresce da zero (a contatto con la superficie alare) fino alla velocit di volo. Lo scorrimento relativo degli strati sovrapposti genera la resistenza di attrito Velocit

D

i

s

t

a

n

z

a

d

a

l

l

a

s

u

p

e

r

f

i

c

i

e

0

Velocit di volo~ 2mm


Resistenza Indotta

In termini vettoriali la resistenza indotta la componente orizzontale della R.A. che, diminuisce al diminuire dellAoA perch al diminuire dellAoA si riduce linclinazione della R.A.

Vento relativo

Risultante Aerodinamica

Portanza = componente della R.A. perpendicolare al vento

relativo (opposta al peso)

Resistenza Indotta = Componente orizzontale della R.A. (opposta al moto)

Centro di pressione


Resistenza Indotta

E generata dalla differenza di pressione esistente fra dorso e ventre che causa una fuga di aria dal ventre al dorso generando i vortici di estremit. Allaumentare della velocit, si riduce lAoA, si riduce la differenza di pressione e, di conseguenza, si riduce la resistenza indotta

I vortici di estremit generano la turbolenza di scia: attenzione quando si vola, si atterra o si decolla dietro ad un altro aereo!!


Allungamento alare e winglet

Per ridurre la resistenza indotta esistono due tecniche: Aumentare lallungamento alare (unala infinita non avrebbe

vortici di estremit ma ci sono limiti strutturali) Ostacolare la fuga di aria dal ventre al dorso mediante le

Winglet (rivolte sempre verso la zona di bassa pressione)


Quantificare la resistenza La resistenza proporzionale a

Densit dellaria Angolo di attacco Quadrato della velocit di volo Costanti dipendenti dalla forma dellala

CD un coefficiente funzione della forma dellala e dellangolo di attacco

la densit dellaria (1,225 Kg/cm3 slm) S la superficie alare V la velocit di volo (allaria)

R = CD S V2


Il Coefficiente di Resistenza Analogo al

Coefficiente di Portanza

Viene anchesso misurato in galleria del vento

E sempre maggiore di zero (non si annulla in presenza di stallo) AoA

CD

CD min

AoACD min


LEfficienza LAla produce portanza al costo di una certa

quantit di resistenza LEfficienza ci dice quanto costa produrre

portanza con quella determinata ala

R = CDSV2P = CLSV2

Efficienza E = P / R = CL / CD

LEfficienza dipende dallAoA perch sia CL che CD dipendono dallAoA


Il Diagramma Polare Si ottiene

combinando i diagrammi CL e CD

Permette di trovare agevolmente lAoA di massima efficienza ed il relativo angolo di rampa

CD

CL

H

D

CD min

CL max

AoA

-4

-1

3

6

9

12

15

Emax


LEfficienza nella pratica

Nella pratica, un aereo con efficienza massima 10:1, partendo da 300 metri in volo librato senza motore percorrer 300 x 10 = 3000 metri se planer mantenendo lAoA e, di conseguenza, la velocit di massima efficienza.

Qualunque altra velocit risulter in una distanza minore Lefficienza non dipende dal peso, la velocit s: (PesoVeff)

3

0

0

m

e

t

r

i

3000 metri


Cono di Sicurezza / di Efficienza3

0

0

m

e

t

r

i

6000 metri

Vertice in alto Cono di efficienza Vertice in basso Cono di sicurezza


Effetto del Vento

Risucchia il cono di sicurezza Spinge il cono di efficienza

Vento


Gli ipersostentatori Servono per aumentare il CL massimo ed abbassare la

velocit di stallo Inevitabilmente un aumento del CL comporta un

aumento del CD In conseguenza lestensione degli ipersostentatori riduce

sempre lefficienza dellala

i

CL

i di stallo

i di minima resistenza

CLCD

CD

i di massima efficenza

Flap estesi Flap retratti


Principio di funzionamento Gli ipersostentatori aumentano il CL tramite:

Aumento della curvatura del profilo Aumenta la quantit di aria deflessa verso il basso,

quindi aumenta la spinta verso lalto Aumento dellenergia dello strato limite

Viene ritardato il distacco dello strato limite aumentando cos lAoA di stallo

Aumento della superficie alare In alcuni tipi di ipersostentatori pi complessi si

utilizza una combinazione di tecniche


Tipi di ipersostentatori

aumento di curvatura e di energia dello SL CL 70%

aumento di curvatura CL 60%

aumento di superficie, di curvatura e di energia dello SL CL 100%

aumento di energia dello SL CL 100%

Plain Flapaumento di curvatura CL 50%

Split Flap

Slotted Flap

Fowler Flap

Slat


Utilizzo degli ipersostentatori Gli ipersostentatori o flaps hanno diverse posizioni (es.

sul P92 sono 5, sul P200 sono 3) Le prime tacche generano un prevalente aumento di

portanza con un modesto aumento di resistenza Le tacche successive generano un prevalente aumento

di resistenza con un modesto aumento di portanza Le prime tacche sono da usare per il decollo perch

accorciano la distanza di decollo Le tacche successive sono da usare per latterraggio

perch consentono velocit di avvicinamento pi basse, assetti meno cabrati e spazi di atterraggio pi contenuti perch limitano il galleggiamento

Durante il rullaggio e la prova motore mantenerli retratti per evitare di danneggiarli (soprattutto su aerei ad ala bassa)


Lo stallo Il valore massimo dellangolo di attacco (circa 18)

imposto dal verificarsi dello stallo Quando langolo di attacco supera langolo critico, il

flusso laminare non segue pi il dorso dellala divenendo turbolento La portanza improvvisamente diventa nulla La resistenza invece continua ad aumentare

Langolo critico quellangolo al quale un ulteriore incremento dellAoA non aumenta pi la portanza ma la diminuisce aumentando la resistenza


Angolo dattacco e stallo

Al superamento dellAoA critico laria non segue pi lestradosso alare di conseguenza lala perde la spinta verso lalto


Dove leggo il mio AoA? Da nessuna parte Lanemometro un indicatore indiretto dellAoA Velocit di stallo

Non costante! Aumenta allaumentare del carico alare

Allaumentare del peso In virata se mantengo la quota (pi stretta, pi aumenta)

Quello che costante langolo critico La barra del cabra-picchia il comando dellAoA

Nel dubbio, barra avanti!


AoA e Velocit LAoA critico e la velocit di stallo sono legati dal

peso del velivolo. Ricordando la formula della portanza:

P = CLSV2

Considerando che il Cp max quando si raggiunge lAoA critico:

VSTALLO = 2P/ CL maxS

Con P che, in volo livellato, uguale al peso del velivolo


Stallo accelerato La velocit e langolo di attacco sono

ragionevoli Lala per non pu produrre

abbastanza portanza per sollevare il peso dellaereo pi la forza centrifuga

Pu accadere in virate strette, richiamate violente, situazioni ad alto numero di G Tutte le manovre aumentano un po i G Una virata (livellata) a 60 di

inclinazione aumenta la velocit di stallo del 40% perch tirando 2g, il peso raddoppia

Portanza

Forza Centrifuga

Peso


Pu accadere agli aeroplani in configurazione a canard o con la coda a T

Stallo profondo


Trucchi Le ali di solito sono svergolate

AoA diverso tra la radice e lestremit Lo stallo comincia alla radice

Buffeting Alettoni ancora funzionanti

Avvisatori di stallo Punto di ristagno arretrato

La vite


La vite si verifica quando una sola semiala stalla mentre laltra produce ancora portanza In virata lala alta (con alettone abbassato) ha un AoA

pi alto dellala bassa quindi stalla prima Lala alta si abbassa di colpo e laereo si avvita

sullasse longitudinale sviluppando un notevole rateo di discesa (anche > 12m/s) ma mantenendo una velocit anemometrica bassa

Per uscire dalla vite occorre dare pedale opposto al senso di rotazione, ridurre manetta motore ed abbassare il muso per acquistare velocit

La vite in derapata


Anche una virata derapata effettuata ad alto AoA pu innescare una vite.

Durante una derapata lala esterna alla virata tende ad alzarsi mentre lala interna tende ad abbassarsi.

Di conseguenza lAoA dellala interna aumenta e quello dellala esterna diminuisce rischio di stallo asimmetrico

Ala esterna

Vento relativo risultante AoA minore

Vento relativo risultante AoA maggiore

Ala interna


Scomposizione delle forze in volo livellato

Portanza

Centro di pressione

Peso

Deportanza di coda

Momento picchiante

Momento cabrante

Braccio del momento cabrante

Baricentro

Braccio del momento picchiante


Effetti dellestensione degli ipersostentatori sullassetto

Lestensione degli ipersostentatori ha un effetto sullassetto in pitch del velivolo

Laumento di curvatura del profilo, causa infatti, un aumento di portanza ma anche lo spostamento indietro del centro di pressione (punto di applicazione della portanza)

Lo spostamento indietro del centro di pressione fa nascere un momento picchiante


Scomposizione delle forze in volo in una virata Coordinata

Forza Centrifuga

PesoPeso Apparente

Portanza VerticalePortanza

Portanza Orizzontale

Fattore di Carico


Il fattore di carico in manovra il rapporto fra la componente del peso reale secondo lasse verticale del velivolo ed il peso reale.

Il fattore di carico : = 1 in volo livellato < 1 durante una salita o una discesa in funzione

dellangolo di rampa o durante la rimessa da una salita in funzione del raggio della rimessa

> 1 durante una virata coordinata in funzione dellangolo di rollio o durante una richiamata in funzione del raggio della richiamata


La stabilit Un aereo deve avere due qualit contrastanti

Stabilit Capacit di tornare alla situazione di equilibrio dopo che

questa stata perturbata Aerei da trasporto e da turismo

Manovrabilit Facilit e rapidit di rotazione attorno agli assi Aerei da caccia ed acrobatici Overcontrol (sovracomando)

I pendolari sono molto stabili I tre assi di solito sono moderatamente stabili


Stabilit Statica e Dinamica La Stabilit Statica ci dice quanto rapidamente laereo torna

alla condizione di equilibrio al cessare della perturbazione La Stabilit Dinamica ci dice quante oscillazioni e di quale

ampiezza laereo far prima di tornare alla condizione di equilibrio

Ascendenza perturbante

Traiettoria di volo reale

Tempo di ritorno allequilibrio

Traiettoria di volo desiderata


La posizione del CoG influisce sulla stabilit

Baricentro troppo indietro: aereo instabile In decollo tende a ruotare troppo presto In crociera non mantiene la condizione di trim In atterraggio tende ad alzare troppo il muso

Baricentro troppo avanti: aereo troppo stabile In decollo si allunga la corsa In crociera richiede pi potenza In atterraggio rischia di toccare a muso basso


La Potenza Necessaria

Nel primo regime: pi velocit = pi resistenza = pi energia necessaria

Nel secondo regime: alto AoA molta resistenza indotta minor velocit = pi resistenza = pi energia necessaria

Nel secondo regime (e nel regime di stallo) gli aeroplani hanno comportamenti molto peculiari (a potenza costante, per salire occorre ridurre lAoA!!!)

V

PN

VeffVminVs

2 regime 1 regimei3

i2

i1

i3 > i2 >i1


La Potenza Disponibile Lintersezione

delle due curve ci dice la minima e la massima velocit realizzabili in volo livellato

Velocit minori di V1 e maggiori di V2 sono realizzabili solo perdendo quota perch il gruppo motoelica installato non rende disponibile la potenza necessaria

Dove massimo il supero di potenza (la differenza fra PD e PN) si pu realizzare il massimo rateo di salita)

V

PDPN

V2VminV1

i3 > i2 >i1

PD - PN = max

Vy


Potenza vs rateo di salita/discesa La potenza

necessaria ed il rateo di salita/discesa sono legate

Nel caso di motore in idle (manetta al minimo), laereo scender con una velocit verticale il cui andamento al variare della velocit di volo quello della curva PNrovesciata

Se si sta gi volando a VMIN, per ridurre ulteriormente il rateo di discesa si pu solo aumentare la manetta

VFt/min

VeffVminVs

2 regime 1 regime

i3

i2

i1

i3 > i2 >i1

Manetta al minimo

Manetta al 50%


Velocit notevoli (1/2) Velocit di salita rapida (Vy)

Massimo guadagno di quota nellunit di tempo Velocit di salita ripida (Vx)

Massimo guadagno di quota nellunit di spazio Velocit di stallo in configurazione pulita /

atterraggio (VS1 / VS0) Velocit di minimo sostentamento senza/con flap

(limite inferiore arco verde/bianco anemometro) Velocit di massima efficienza (Veff)

In volo planato, massima distanza percorsa


Velocit notevoli (2/2) Velocit massima Flap Estesi (VFE)

Massima velocit di volo con flap completamente estratti (limite arco bianco anemometro)

Velocit massima in turbolenza (VNO) Velocit massima da mantenere in volo turbolento

(limite arco verde anemometro) Velocit di manovra (Va)

Velocit massima a cui si possono deflettere i comandi fino a fondo corsa senza superare i limiti di carico strutturale (solitamente indicata da una targa sul cockpit ricavabile come Va=VS1Nlim)


Velocit di salita3

0

0

m

e

t

r

i

VX

VY

2500 metriAoA = 9 => 600m/min => Salgo in 30 sec percorrendo 1000 mtAoA = 15 => 400m/min => Salgo in 45 sec percorrendo 875 mt

1500 metri

Salita Ripida

Salita Rapida

Attenzione: la VX sempre di poco superiore alla velocit di stallo, quindi va usata solo quando assolutamente indispensabile per superare un ostacolo (es: decollo da pista corta con alberi)


Riferimenti sul Trebbi Parte Prima - Sezione 8 - Capitolo 1

I principi del sostentamento Parte Prima - Sezione 8 - Capitolo 2

I comandi e le manovre da 4 a 4.7, 5, 6 Parte Prima - Sezione 8 - Capitolo 3

Potenza Necessaria e Potenza Disponibile Parte Prima - Sezione 4 - Capitolo 1

I pesi e il centraggio Parte Seconda - Sezione 2 - Capitolo 4

Manovre e operazioni avanzate 3 e 4


Q&A

Nozioni di AerotecnicaPrincipi del sostentamentoLe forzeInformazioni baseGli assi ed i movimenti del velivoloLe forze agenti sul velivoloLe parti principali del velivoloLe parti principali del velivoloLAla: Portanza vs ResistenzaIl Profilo AlareProfili alariLe basi della teoriaIl vento relativoLangolo di attacco / incidenzaAngoli CaratteristiciLa portanzaDa dove viene la portanza?La spiegazione NewtonianaQuantificare la portanzaLa spiegazione basata sulla pressioneBernoulli e VenturiLuoghi comuniBernoulli vs NewtonLa teoria della circolazionePortanza a diversi AoAIl Coefficiente di PortanzaLa resistenzaResistenza Parassita ed IndottaResistenza di forma ed interference dragResistenza di attrito nello strato limiteResistenza IndottaResistenza IndottaAllungamento alare e wingletQuantificare la resistenzaIl Coefficiente di ResistenzaLEfficienzaIl Diagramma PolareLEfficienza nella praticaCono di Sicurezza / di EfficienzaEffetto del VentoGli ipersostentatoriPrincipio di funzionamentoTipi di ipersostentatoriUtilizzo degli ipersostentatoriLo stalloAngolo dattacco e stalloDove leggo il mio AoA?AoA e VelocitStallo acceleratoStallo profondoTrucchiLa viteLa vite in derapataScomposizione delle forze in volo livellatoEffetti dellestensione degli ipersostentatori sullassettoScomposizione delle forze in volo in una virata CoordinataFattore di CaricoLa stabilitStabilit Statica e DinamicaLa posizione del CoG influisce sulla stabilitLa Potenza NecessariaLa Potenza DisponibilePotenza vs rateo di salita/discesaVelocit notevoli (1/2)Velocit notevoli (2/2)Velocit di salitaRiferimenti sul TrebbiQ&A

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