COSTRUZIONI AERONAUTICHE L Capitolo 1 AA 2008-2009 Testi M.C.Y. Niu, “Airframe structural design. information and data on aircraft structures”, Conmilit Press Ltd. 1988 Practical design D. P. Raymer, “Aircraft Design: a conceptual approach” AIAA Education Series, New York (NY), 1999 J. Roskam, “Airplane Design”, part 1-8 Roskam Aviation and Engineering Corp., Ottawa (KS), 1985 rif. I.H. Abbot, A.E. von Doenhoff, “Theory of wing sections”, Dover Publications INC., New York, 1958 A. Lausetti, “L’aeroplano progetto-strutture-installazioni”, Levrotto & Bella G. Gabrielli, “Lezioni sulla scienza del progetto degli aeromobili”, vol. II, Levrotto & Bella. Capitolo 1 2/94 Geometria dell’ala – Profili alari Parametri geometrici ∆y profilo per utilizzo in campo subsonico 0.15% c MEAN LINE y zero slope l.e.r CHORD LINE φTE t θ 6.0% c yC, max x xt xy LE C, max c TE rif. I.H. Abbot, A.E. von Doenhoff, “Theory of wing sections” Capitolo 1 3/94 Geometria dell’ala – Profili alari Parametro geometrico spessore massimo percentuale, (t/c)max forma della linea media Principale effetto sulle caratteristiche aerodinamiche * coefficiente di portanza massimo centro aerodinamico angolo di portanza nulla (α0) coefficiente di portanza massimo coefficiente di momento a portanza nulla * non si considerano gli effetti sulla resistenza del profilo Capitolo 1 4/94 Geometria dell’ala – Profili alari Parametro geometrico Principale effetto sulle caratteristiche aerodinamiche * coefficiente di portanza raggio del bordo d’attacco (l.e.r) massimo e parametro di forma del bordo range di linearità della curva d’attacco (∆y) c l -α angolo al bordo d’uscita (φTE ) centro aerodinamico * non si considerano gli effetti sulla resistenza del profilo Capitolo 1 5/94 Geometria dell’ala – Profili alari Profili di prima generazione: RAF-6 (1912), RAF-34 (1926) Goettingen (1919) Clark Y (1922) Munk Profili NACA NACA 4-digit (1932) NACA 5-digit (1935) NACA 6-series o profili laminari (1939 – 1945) riferimento bibliografico: I. H. Abbot, A. E. von Doenhoff, “Theory of wing sections” Dover Publications, New York (NY),1958 Capitolo 1 6/94 Geometria dell’ala – Profili alari Profli moderni profili laminari per basse velocità (Lissaman, Liebeck,…) Eppler supercritical ….. Grazie alla capacità di calcolo raggiunta dai calcolatori moderni e ai progressi nel campo della fluidodinamica computazionale negli ultimi decenni si è affermata sempre di più la tendenza a utilizzare profili progettati specificamente per le diverse applicazioni. Come esempio di codice ampiamente utilizzato si ricorda quello sviluppato da Richard Eppler. Capitolo 1 7/94 Geometria dell’ala – Profili alari Esempi di profili moderni Profili per flussi a bassi numeri di Reynolds (alianti, ultraleggeri, aeromodelli, piccoli UAV): Wortmann riferimento bibligrafico: D. Althaus, F.X. Wortmann, “Stuttgarter Profilkatalog 1.”, Friedr. Vieweg & Sohn, Braunschweig, 1981 Eppler riferimento bibligrafico: R. Eppler, “Airfoil design and data”, Springer Verlag, Berlin, 1990 Capitolo 1 8/94 Geometria dell’ala – Profili alari Profili per basse velocità sviluppati dalla NASA per velivoli dell’aviazione generale: LS(1)-xxxx (1972-1977): flusso turbolento sull’intero profilo rispetto ai profili NACA a 4 e 5 cifre presentano valori maggiori per il coefficiente di portanza massimo, mentre i coefficienti di resistenza sono comparabili Natural Laminar Flow (NLF) airfoils (1975 - … ): tentativo di combinare le caratteristiche di bassa resistenza dei profili della serie 6 con le buone caratteristiche di portanza dei profili a strato limite turbolento Capitolo 1 9/94 Geometria dell’ala – Profili alari Profili supercritici sviluppati dalla NASA: sviluppati per ritardare e ridurre il fenomeno di drag rise in campo transonico Capitolo 1 10/94 Geometria dell’ala – Profili NACA Profili NACA a 4 cifre e a 5 cifre Legge di distribuzione dello spessore: t (0.29690 ⋅ x − 0.12600 ⋅ x − 0.35160 ⋅ x 2 + ± yt = 0.20 + 0.28430 ⋅ x 3 − 0.10150 ⋅ x 4 ) spessore percentuale massimo al 30% della corda l.e.r = 1.1019 ⋅ t2 Capitolo 1 11/94 Geometria dell’ala – Profili NACA Espressione della linea media Profili NACA a 4 cifre due archi di parabola tangenti in corrispondenza del punto di freccia massima Profili NACA a 5 cifre arco di cubica + tratto lineare curvatura progressivamente decrescente, partendo dal bordo d’attacco la curvatura si annulla in corrispondenza di un punto leggermente a valle, rispetto alla posizione di freccia massima, e si mantiente uguale a zero fino al bordo d’uscita Capitolo 1 12/94 Geometria dell’ala – Profili NACA Classificazione NACA a 4 cifre NACA 4 4 12 spessore massimo in percentuale di corda posizione freccia massima in decimi di corda freccia massima in percentuale di corda Capitolo 1 13/94 Geometria dell’ala – Profili NACA Classificazione NACA a 5 cifre NACA 2 30 12 spessore massimo in percentuale di corda 2 volte posizione freccia massima in percentuale di corda 20/3 del coefficiente di portanza di progetto (indica approssimativamente l’entità della freccia massima della linea media) * * i profili della serie 5 vennero inizialemente calcolati per un coefficiente di portanza di progetto pari a 0.3 Capitolo 1 14/94 Geometria dell’ala – Profili NACA Profili NACA a 4 e a 5 cifre modificati Basati fondamentalmente sull variazione della distribuzione di spessore: modifica del raggio di bordo d’attacco modifica della posizione del punto di spessore massimo Capitolo 1 15/94 Geometria dell’ala – Profili NACA Profili NACA serie 6 (profili laminari) Legge di distribuzione dello spessore: spessore definito con opportuni metodi di calcolo in modo da: ottenere un’estesa porzione di strato limite laminare massimizzare il coefficiente di portanza massimo ritardare gli effetti di comprimibilità non esiste un’espressione analitica Capitolo 1 16/94 Geometria dell’ala – Profili NACA Profili NACA serie 6 (profili laminari) Linea media: calcolata in modo da generare una distribuzione di carico uniforme dal bordo d’attacco fino ad una certa posizione a = x/c, a partire dalla quale il carico decresce linearmente fino a zero in corrispondenza del bordo d’uscita cp a 1 x/c Capitolo 1 17/94 Geometria dell’ala – Profili NACA Profili NACA serie 6 (profili laminari) Linea media: il valore di a è scelto in genere in modo da essere uguale o maggiore della distanza tra il bordo d’attacco e il punto di pressione minima relativo al profilo simmetrico a incidenza nulla con la stessa distribuzione di spessore Capitolo 1 18/94 Geometria dell’ala – Profili NACA Classificazione NACA serie 6 NACA 6 3 3 - 4 18 a = 0.6 (omesso se a = 1.0 ) spessore massimo in percentuale di corda coefficiente di portanza di progetto in decimi semiampiezza della “tazza di laminarità” in decimi (omessa se inferiore a 0.1) posizione, in decimi di corda, del punto a pressione minima per il profilo simmetrico con la stessa distribuzione di spessore, a incidenza nulla numero della serie Capitolo 1 19/94 Geometria dell’ala – Profili NACA Profili NACA serie 6 modificati: alcuni tipi di modifica sono indicati sostituendo il “trattino” nel nome del profilo con una lettera maiuscola, che indica sia la modifica nella distribuzione di spessore che il tipo di linea media ex: NACA 641A212 A → sezioni sostanzialmente rettilinee, sia sul dorso che sul ventre, a partire da 0.8c fino al bordo d’uscita Capitolo 1 20/94 Geometria dell’ala – Profili NACA Esempi di utilizzo profili NACA a 4 cifre simmetrici → superfici di coda di velivoli subsonici profili della serie 64A → utilizzati come punto dipartenza per la progettazione di profili utilizzati ad alte velocità Capitolo 1 21/94 Geometria dell’ala Superficie alare di riferimento (wing gross area): generalmente trapezoidale (per forme in pianta generiche si definisce una superficie di riferimento trapezia) comprende anche la porzione di ala che interseca la fusoliera Superficie bagnata (wetted area): superficie esposta al flusso per l’ala e i piani di coda la superficie bagnata è stimata partendo dalla superficie in pianta della porzione di ala esposta (Swet ≅ 2 ⋅ S per t /c < 0.05) Capitolo 1 22/94 Geometria dell’ala Esempi di pianta alare rettangolare ellittica trapezia a freccia positiva a freccia crescente a delta Capitolo 1 23/94 Geometria dell’ala Caratteristiche geometriche ΛLE Λc/4 ct cr b b = apertura alare (wing span) cr = corda in mezzeria (root chord) ct = corda all’estremità (tip chord) Capitolo 1 24/94 Geometria dell’ala Caratteristiche geometriche ΛLE Λc/4 ct cr b AR = allungamento alare (aspect ratio) λ = rapporto di rastremazione (taper ratio) AR = b2 / S λ = ct / cr Capitolo 1 25/94 Geometria dell’ala Corda media geometrica ( c ) e corda media aerodinamica (MAC) c(y) 2 b2 2 MAC = ⋅ c ( y ) ⋅ dy S 0 ∫ y S c= b Formula per il calcolo della corda media aerodinamica per un’ala trapezia: 2 cr2 + cr ct + ct2 MAC = ⋅ 3 cr + ct Capitolo 1 26/94 Geometria dell’ala Metodo grafico per il calcolo della corda media aerodinamica per un’ala trapezia: MAC cr c/2 locus ct b/2 Capitolo 1 27/94 Geometria dell’ala Angolo di calettamento (incidence angle) + angolo di incidenza dell’ala angolo di incidenza del velivolo Svergolamento (twist) angolo di calettamento J. Roskam, “Airplane Design”, part 6 Capitolo 1 28/94 Geometria dell’ala Svergolamento geometrico (twist angle) senza svergolamento ε Convenzione di segno: direzione della corda in mezzeria con svergolamento ε >0 ε <0 Capitolo 1 29/94 Geometria dell’ala Freccia + + quarter chord line ΛLE Λc/4 ct cr b ΛLE = leading edge sweep angle → parametro caratteristico volo supersonico Λc/4 = quarter chord sweep angle → parametro caratteristico volo subsonico Capitolo 1 30/94 Geometria dell’ala Diedro (dihedral angle) positive dihedral angle + − + − negative dihedral angle (anhedral) un angolo diedro positivo tende a far riallineare il velivolo quando questo si inclina in virata o in una scivolata laterale Capitolo 1 31/94 Geometria dell’ala Estremità alari D. P. Raymer, “Aircraft Design: a conceptual approach” la geometria delle estremità alari influenza la resistenza indotta Capitolo 1 32/94 Ala – Carico alare Definizione: Caratteristiche influenzate dal carico alare: W/S lunghezza della corsa di decollo e di atterraggio performance in crociera volo in condizioni di turbolenza peso Capitolo 1 33/94 Ala – Carico alare carico alare alto carico alare basso Velocità di stallo alta bassa Lunghezza di decollo e atterraggio elevata corta (L / D)max alto basso Qualità di volo in condizioni di turbolenza buone non buone peso basso elevato Capitolo 1 34/94 Ala – Carico alare (W / S)TO [psf] (W / S)TO [N/m2] Homebuilts 5 ÷ 15 239 ÷ 716 Monomotori ad elica 10 ÷ 25 478 ÷ 1196 Bimotori a elica 20 ÷ 45 957 ÷ 2153 Agriculturals 15 ÷ 30 718 ÷ 1435 Capitolo 1 35/94 Ala – Carico alare (W / S)TO [psf] (W / S)TO [N/m2] Business jets 40 ÷ 80 1913 ÷ 3827 Regional turboprops 30 ÷ 55 1435 ÷ 2361 Transport jets 80 ÷ 120 3827 ÷5740 Military trainers Jets 40 ÷ 80 1913 ÷ 3827 Military trainers Props 20 ÷ 40 957 ÷ 1913 Capitolo 1 36/94 Ala – Carico alare (W / S)TO [psf] (W / S)TO [N/m2] Fighters Jets 70 ÷ 140 3348 ÷ 6697 Fighters Props 40 ÷ 70 1913 ÷ 3348 Military patrols, bomb and transport airplanes 70 ÷ 120 3348 ÷ 5740 Supersonic cruise aircraft 80 ÷ 120 3827 ÷ 5740 Capitolo 1 37/94 Ala – Carico alare (W / S)TO [psf] (W / S)TO [N/m2] Jets 50 ÷ 90 2392 ÷ 4305 Props 30 ÷ 60 1435 ÷ 2870 Seaplanes (flying boats and float airplanes) and amphibious Capitolo 1 38/94 Ala – Posizione dell’ala Caratteristiche influenzate dalla posizione verticale dell’ala: resistenza aerodinamica effetto diedro considerazioni operative La scelta della posizione dell’ala dipende fondamentalmente da considerazioni operative e dal tipo di missione, quindi dal tipo di velivolo considerato Capitolo 1 39/94 Ala – Posizione dell’ala Considerazioni aerodinamiche l’ala media tende a minimizzare il contributo di resistenza dovuto all’interferenza tra ala e fusoliera (interference drag) i velivoli ad ala alta e ad ala bassa presentano delle carenature in corrispondenza dell’intersezione tra ala e fusoliera per evitare che il flusso in questa zona diventi eccessivamente turbolento, causando in tal modo un grosso incremento di resistenza Capitolo 1 40/94 Ala – Posizione dell’ala Considerazioni strutturali l’ala media richiede la presenza di un “carry-trhough box” che attraversa la fusoliera Capitolo 1 41/94 Ala – Posizione dell’ala Considerazioni sulla stabilità l’ala alta ha un intrinseco “effetto diedro” effetto diedro: tendenza, da parte del velivolo, a riportarsi in condizioni di volo livellato in seguito ad una scivolata laterale o quando si inclina lateralmente Capitolo 1 42/94 Ala – Posizione dell’ala Velivoli cargo esigenze di carico / scarico: semplicità delle operazioni utilizzo di rampe piccole spostamento di veicoli intorno all’aeromobile livello del piano di appoggio della fusoliera il più basso possibile ala alta Capitolo 1 43/94 Ala – Posizione dell’ala Velivoli da trasporto passeggeri esigenze di buona visibilità da parte dei passeggeri esigenza di caricare i bagagli al di sotto della cabina riservata ai passeggeri per i grossi velivoli da trasporto esigenza di non avere elementi strutturali che interferiscano con la cabina passeggeri velivoli piccoli → velivoli grandi → ala alta ala bassa Capitolo 1 44/94 Ala – Posizione dell’ala Velivoli leggeri nessuna considerazione specifica: la scelta dipende fondamentalmente dalla “tradizione” della casa costruttrice Caccia e addestratori riduzione dei contributi di resistenza aerodinamica → ala media esigenze di agganciare/sganciare i carichi posti sotto le ali → ala media o alta Idrovolanti e velivoli anfibi water clearance requirements → ala alta Capitolo 1 45/94 Ala – Posizione dell’ala ala alta ala media ala bassa Resistenza dovuta all’interferenza ala-fusoliera elevata scarsa elevata Effetto diedro negativo nullo positivo Visibilità da parte dei passeggeri buona buona scarsa (per alcuni) Carico / scarico semplice semplice servono rampe Capitolo 1 46/94 Ala – Posizione dell’ala Carrello montato sull’ala Carrello montato in fusoliera ala alta ala media ala bassa lungo e pesante lungo e pesante corto e leggero incremento di resistenza probabilmente maggiore Capitolo 1 47/94 Ala – Freccia Caratteristiche influenzate dall’angolo di freccia: resistenza aerodinamica dovuta agli effetti di comprimibilità dell’aria peso comportamento a stallo bilanciamento pitch attitude volo in condizioni di turbolenza estetica Capitolo 1 48/94 Ala – Freccia Considerazioni aerodinamiche e di controllabilità La presenza di un angolo di freccia consente di ridurre il contributo di resistenza aerodinamica dovuta agli effetti di comprimibilità (il verso della freccia è indifferente) A parità di allungamento alare le ali a freccia presentano un valore di CL/α inferiore: assetto molto cabrato a basse velocità, con conseguenze sulla visibilità in atterraggio migliore qualità di volo in condizioni di turbolenza Capitolo 1 49/94 Ala – Freccia Considerazioni aerodinamiche e di controllabilità Comportamento in prossimità dello stallo: ali a freccia positiva → stallano prima le estremità alari ⇓ bisogna svergolare opportunamente l’ala per evitare di perdere il controllo a rollio ali a freccia negativa → stallano prima le zone vicino alla radice ⇓ gli alettoni tendono a mantenere la loro efficacia Capitolo 1 50/94 Ala – Freccia Considerazioni aerodinamiche e di controllabilità L’angolo di freccia dell’ala influenza sia la posizione del centro aerodinamico sia quella del baricentro del velivolo: poiché l’effetto su AC è maggiore di quello su CG si può “giocare” sull’angolo di freccia per correggere il bilanciamento del velivolo Capitolo 1 51/94 Ala – Freccia Considerazioni strutturali e aeroelastiche Accoppiamento tra flessione dell’ala e variazione di incidenza aerodinamica dei profili: questo effetto può essere minimizzato se il luogo dei centri aerodinamici coincide con l’asse elastico. asse elastico asse elastico B A v∞ A B B v∞ Λ<0 A B A Λ<0 ⇓ divergenza strutturale Capitolo 1 52/94 Ala – Freccia Considerazioni strutturali e aeroelastiche la struttura dell’ala deve essere sufficientemente resistente in modo da ridurre gli effetti della divergenza strutturale ⇒ incremento di peso l’incremento di peso si registra anche per le ali a freccia positiva, rispetto alle ali diritte, anche se più contenuto rispetto al caso delle ali con freccia negativa Capitolo 1 53/94 Ala – Freccia Confronto tra ala a freccia e ala diritta * freccia negativa freccia positiva Compressibility drag < < CL / α < < Pitch attitude in volo livellato a basse velocità > > Qualità di volo in condizioni di turbolenza migliore migliore * per ogni parametro si suppone che il valore di riferimento sia quello dell’ala diritta Capitolo 1 54/94 Ala – Freccia Confronto tra ala a freccia e ala diritta * freccia negativa freccia positiva Stallo asimmetrico migliore peggiore Controllo laterale in prossimità dello stallo migliore peggiore Peso dell’ala >> > * per ogni parametro si suppone che il valore di riferimento sia quello dell’ala diritta Capitolo 1 55/94 Ala – Freccia Ala a freccia variabile Requisito Tipo di freccia buone caratteristiche di volo in decollo e atterraggio freccia nulla o molto piccola bassa resistenza e buone caratteristiche di volo alle alte velocità freccia elevata possibilità di volare a elevati valori di efficienza aerodinamica (L / D) in un ampio range dell’inviluppo di volo freccia variabile Capitolo 1 56/94 Ala – Allungamento alare AR = b2 / S Definizione: Caratteristiche influenzate dall’allungamento alare: resistenza indotta CL/α pitch attitude qualità di volo in condizioni di turbolenza peso apertura alare Capitolo 1 57/94 Ala – Allungamento alare Considerazioni su CL/α − Pitch attitude Fase di avvicinamento CL AR = ∞ basse velocità ⇓ elevato CL AR AR > ⇒ α < ⇓ α migliore visibilità in fase di avvicinamento Capitolo 1 58/94 Ala – Allungamento alare Considerazioni su CL/α − Qualità di volo in condizioni di turbolenza CL Parametro da cui dipende la risposta del velivolo in condizioni di turbolenza: AR = ∞ n/ α S = q ⋅ ⋅ CL /α W AR > ⇒ CL/α > ⇒ n/α > AR ⇓ α qualità di volo peggiore Capitolo 1 59/94 Ala – Allungamento alare elevato basso Resistenza indotta bassa elevata CL / α elevato basso Peso dell’ala elevato basso Apertura alare grande piccola Visibilità dal cockpit in avvicinamento scarsa buona Qualità di volo in condizioni di turbolenza scarsa buona Capitolo 1 60/94 Ala – Spessore dei profili Definizione: t/c Caratteristiche influenzate dallo spessore dei profili: resistenza aerodinamica caso subsonico: t / c > ⇒ maggiore resistenza di profilo regime transonico e supersonico: t / c > ⇒ maggiore resistenza d’onda peso: aumentando lo spessore dei profili, si aumenta la rigidezza flessionale e torsionale dell’ala e quindi se ne diminuisce il peso strutturale portanza massima quantità di carburante imbarcata nelle ali Capitolo 1 61/94 Ala – Spessore dei profili t/c basso t/c alto elevato basso campo subsonico bassa elevata campo supersonico accettabile molto alta Capacità dei serbatoi alari piccola grande Portanza massima scarsa buona Peso dell’ala Resistenza aerodinamica dell’ala Capitolo 1 62/94 Ala – Rapporto di rastremazione λ = ctip / cmid-plane Definizione: Caratteristiche influenzate dal rapporto di rastremazione: oppure λ = ctip / croot peso la superficie alare in corrispondenza delle estremità è scarsamente efficace, ai fini della generazione della portanza, dal momento che la distribuzione di portanza tende a zero alle estremità alari: un’ala senza rastremazione, in questo senso, “spreca” superficie e quindi peso quantità di carburante imbarcata nelle ali costi un ala rettilinea, senza rastremazione e a spessore costante consente di utilizzare centine con lo stesso profilo esterno e semplifica il processo di montaggio dell’ala: per questo motivo numerosi velivoli da turismo adottano questo tipo ala. Capitolo 1 63/94 Ala – Rapporto di rastremazione Caratteristiche influenzate dal rapporto di rastremazione (continua): stallo d’estremità: λ piccolo ⇓ corde d’estremità piccole Re CL ⇓ Re alle estremità piccolo ⇓ coefficiente di portanza massimo per i profili alle estremità più basso ⇓ stallo anticipato alle estremità α rif.: Abbott, Doenhoeff, “Theory of wing sections” Capitolo 1 64/94 Ala – Rapporto di rastremazione Caratteristiche influenzate dal rapporto di rastremazione (continua): stallo d’estremità: rif.: J. Roskam, “Airplane Design”, part 3 λ piccolo ⇓ la distribuzione di portanza si “sposta” alle estremità ⇓ aumenta il rischio di stallo anticipato alle estremità Capitolo 1 65/94 Ala – Rapporto di rastremazione elevato basso Peso dell’ala elevato basso Problemi di stallo alle estremità alari maggiori minori Capacità dei serbatoi alari buona scarsa Capitolo 1 66/94 Ala – Rapporto di rastremazione Esempio di ala con rastremazione inversa: Republic XF-91 Thunderceptor rif.: J. Roskam, “Airplane Design”, part 3 Capitolo 1 67/94 Ala – Svergolamento Caratteristiche influenzate dallo svergolamento: stallo alle estremità alari lo svergolamento si usa tipicamente per ritardare lo stallo alle estremità alari, soprattutto nelle ali con freccia negativa: in questi casi si utilizza uno svergolamento negativo. resistenza indotta peso dell’ala: uno svergolamento negativo fa diminuire il carico aerodinamico alle estremità alari ⇒ il centro di pressione si sposta verso la radice dell’ala ⇒ diminuisce il momento flettente all’incastro ⇒ la struttura è più leggera. Capitolo 1 68/94 Ala – Svergolamento Effetti legati allo svergolamento negativo (washout) elevato ridotto Resistenza indotta elevata bassa Problemi di stallo alle estremità alari minori maggiori Peso dell’ala leggermente più basso leggermente più alto Capitolo 1 69/94 Ala – Angolo diedro Caratteristiche influenzate dall’angolo diedro: stabilità del moto proprio a spirale stabilità del moto proprio di dutch roll rischio di contatto con il suolo o l’acqua Osservazione: Nei velivoli con elevato allungamento alare l’angolo diedro effettivo è dato dalla somma di quello geometrico e di quello generato in volo dalla deformazione elastica dell’ala. Capitolo 1 70/94 Ala – Angolo diedro Effetto diedro Definizione: il momento di rollio che si genera in una scivolata laterale tende a riallineare il velivolo ⇒ C l /β < 0 Γ > 0 ⇒ C l /β < 0 effetto diedro (C l /β < 0 ) migliora la stabilità del moto a spirale peggiora la stabilità del moto di dutch roll Capitolo 1 71/94 Ala – Angolo diedro Effetto diedro L’effetto diedro può essere generato anche da altri parametri geometrici, diversi dall’angolo diedro vero e proprio. Presentano effetto diedro (C freccia positiva l /β < 0) i velivoli ad ala alta e a Osservazioni: I velivoli ad ala bassa hanno generalmente un angolo diedro maggiore rispetto ai velivoli ad ala alta. Velivoli ad ala alta e a freccia possono presentare un diedro negativo. Capitolo 1 72/94 Ala – Angolo diedro Velivoli con angolo diedro variabile Piaggio P166 – DL3 Vought F4U Corsair rif. J.Roskam, “Airplane design”, part 3 Capitolo 1 73/94 Ala – Angolo diedro positivo negativo Stabilità del moto proprio a spirale aumentata diminuita Stabilità del moto proprio di dutch roll diminuita aumentata Distanza dal suolo di ali, eliche, gondole e carrelli aumentata diminuita Capitolo 1 74/94 Ala – Angolo di calettamento Caratteristiche influenzate dall’angolo di calettamento: assetto della fusoliera in crociera: poichè in crociera il coefficiente di portanza e, quindi, l’angolo di incidenza dell’ala non devono essere troppo elevati, pena un’eccessiva resistenza aerodinamica, se l’angolo di calettamento è troppo grande, l’assetto della fusoliera risulta molto inclinato verso il basso angolo di incidenza dell’ala angolo di incidenza del velivolo angolo di calettamento rif. J.Roskam, “Airplane design”, part 6 Capitolo 1 75/94 Ala – Angolo di calettamento Caratteristiche influenzate dall’angolo di calettamento: assetto della fusoliera in crociera: resistenza aerodinamica in crociera se la fusoliera non è allineata con il flusso, presenta una notevole resistenza inclinazione del pavimento in cabina nei velivoli passeggeri l’inclinazione del pavimento in cabina non si deve discostare dall’orizzontale di ± 2° per ragioni operative e di comfort configurazione del carrello in decollo e atterraggio Capitolo 1 76/94 Ala – Angolo di calettamento elevato piccolo Resistenza aerodinamica in crociera elevata piccola Visibilità dal cockpit migliore peggiore Pericolo di toccare la pista in atterraggio prima con il ruotino anteriore che con il carrello principale sì no Capitolo 1 77/94 Ala – Superfici mobili sistemi di ipersostentazione sul bordo d’attacco: slats sul bordo d’uscita: flaps alettoni diruttori caratteristiche geometriche: posizione apertura corda (espressa come frazione della corda locale totale) angoli di deflessione: alettoni → angolo di deflessione massima flaps → valori previsti per le diverse manovre di decollo e atterraggio Capitolo 1 78/94 Ala – Ipersostentatori Esempi di ipersostentatori sul bordo d’uscita plain flap slotted fowler flap split flap double slotted flap slotted flap triple slotted flap D. P. Raymer, “Aircraft Design:a conceptual approach” Capitolo 1 79/94 Ala – Ipersostentatori Esempi di sistemi di ipersostentazione sul bordo d’attacco leading edge fixed slot leading edge flap wing strake or leading edge extensions (LEX) slotted leading edge flap (slat) Kruger flap D. P. Raymer, “Aircraft Design: a conceptual approach” Capitolo 1 80/94 Ala – Ipersostentatori Esempi di sistemi di ipersostentazione sul bordo d’attacco slat retracted Handly Page slat fixed leading edge extended slat M.C.Y. Niu, “Airframe structural design. Practical design information and data on aircraft structures” Capitolo 1 81/94 Ala – Ipersostentatori Caratteristiche geometriche di flaps e slats plain flap Fowler flap slat rif. J.Roskam, “Airplane design”, part 6 Capitolo 1 82/94 Ala – Ipersostentatori Effetti dei sistemi di ipersostentazione CL ∆CL slotted flap plain flap clean CL α variazione di curvatura clean α variazione di superficie Capitolo 1 83/94 Ala – Ipersostentatori Effetti dei sistemi di ipersostentazione CL leading edge slot CL wing strakes clean clean α CL α leading edge flap or slat slat clean L.E. flap α variazione superficie variazione curvatura Capitolo 1 84/94 Ala – Ipersostentatori ∆cl max: incremento riferito al profilo e in condizioni di atterraggio * Flaps ∆cl max plain e split 0.9 slotted 1.3 fowler 1.3 ⋅ c’/c double slotted 1.6 ⋅ c’/c triple slotted 1.9 ⋅ c’/c * in condizioni di decollo gli incrementi sono inferiori Capitolo 1 85/94 Ala – Ipersostentatori ∆cl max: incremento riferito al profilo e in condizioni di atterraggio * ∆cl max Leading edge devices fixed slot 0.2 leading edge flap 0.3 Kruger flap 0.3 slat 0.4 ⋅ c’/c wing strakes 0.4 ** * in condizioni di decollo gli incrementi sono inferiori ** approssimazione valida ad elevati angoli di attacco Capitolo 1 86/94 Ala – Ipersostentatori rif. J.Roskam, “Airplane design”, part 3 Capitolo 1 87/94 Ala – Ipersostentatori – Dettagli costruttivi single slotted fowler flap M.C.Y. Niu, “Airframe structural design. Practical design information and data on aircraft structures” Capitolo 1 88/94 Ala – Ipersostentatori – Dettagli costruttivi HYDRAULIC ACTUATOR double slotted flap McDD DC − 10 rif. J.Roskam, “Airplane design”, part 3 Capitolo 1 89/94 Ala – Ipersostentatori – Dettagli costruttivi leading edge slat McDD DC − 10 rif. J.Roskam, “Airplane design”, part 3 Capitolo 1 90/94 Ala – Alettoni Gli alettoni sono costituiti da plain flap posti in prossimità delle estremità alari che vengono deflessi in modo asimmetrico. La deflessione degli alettoni genera un momento di rollio (effetto desiderato) e un momento di imbardata (effetto indesiderato, in quando contrasta la manovra). Per contrastare questo fenomeno si ricorre ad una deflessione differenziale dei due alettoni (l’angolo di deflessione verso il basso è minore di quello verso l’alto) oppure all’utilizzo di alettoni di tipo Frise. alettone di tipo Frise rif. J.Roskam, “Airplane design”, part 3 Capitolo 1 91/94 Ala – Alettoni Gli alettoni perdono efficacia agli elevati angoli di attacco nei velivoli con ala a freccia positiva: alle velocità elevate si può verificare il fenomeno aeroelastico dell’inversione degli alettoni se l’angolo di freccia è elevato la direzione del flusso in corrispondenza delle estremità alari tende a diventare parallela all’asse della cerniera dell’alettone I velivoli con ala a freccia elevata, progettati per volare a velocità elevatea hanno due coppie di alettoni, una utilizzata solo alle basse velocità e una, più interna, per le alte velocità. Capitolo 1 92/94 Ala – Spoilers Esempio di funzionamento di uno spoiler rif. J.Roskam, “Airplane design”, part 3 Capitolo 1 93/94 Ala – Spoilers Gli spoilers sono particolarmente efficaci se utilizzati quando i flaps sono abbassati. Per il controllo in rollio la maggior parte dei velivoli ad alta velocità utilizza gli spoilers da soli alle alte velocità e in combinazione con gli alettoni alle basse velocità. La deflessione degli spoilers genera come effetto secondario un momento imbardante che favorisce la virata. Se questo effetto è eccessivo può comunque causare problemi. La deflessione degli spoilers causa un notevole incremento di resistenza aerodinamica. Capitolo 1 94/94