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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
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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)
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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.
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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
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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
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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
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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
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STABILITA' DIREZIONALE
TIMONE(in caso di velivoli convenzionali è legata ad una parte del timone: la deriva)
Velivolo sottoposto ad imbardata
0ddC
N
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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
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● 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
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Parametri principali usati per modificare le superfici alari in Tornado
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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
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2° CONFIGURAZIONE
= 0,034459
= 3,3516
= -0,003603
= -0,020906
= -0,62363
= -0,048367
NUOVI RISULTATI
PRIMI RISULTATI
lC
mC
nC
mC
nC
lC
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3° CONFIGURAZIONE
= 0,037152
= 4,232
= -0,003311
= -0,0234
= 0,058238
= -0,09741
PRIMI RISULTATI
NUOVI RISULTATI
lC
mC
nC
lC
mC
nC
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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
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2 passaggi da effettuare:
1) Distanza minima da ali principali
2) Dimensioni ridotte
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CONFIGURAZIONE 5
= 0,02383
= 1,2221
= -0,03359
= 0,024855
= -0,012993
= -0,037171(x)
(y)
(z)
lC
mC
nC
lC
mC
nC
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Sviluppo configurazione FINALE
Coda vicina
Ridotte dimensioni
Difficile da rendere stabile
= 0,032786
= -0,2512
= -0,016582
(x)(y)
(z)
lC
mC
nC
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● 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
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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
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DIH ali principali:
Leggermente positivo (2°/3°)
Prima positivo poi negativo (2°/3°)
Γ
Un gabbiano in volo planato
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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
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La configurazione FINALE
(x) (y)
(z)
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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.