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CORSO TEORICO 2012 Obbiettivi del corso • • • • Aerotecnica Propulsione Motore a scoppio Qualita’ e Prestazioni di volo AG/ULight AEROTECNICA Maurizio Pizzamiglio INDICE Conoscenza delle nomenclatura aeronautica Cenni di trigonometria e fisica Come è fatto un aeroplano Perché è possibile volare Come e perché manovra un aeroplano Prestazioni e Qualita’ di volo Aerotecnica • Col termine Aerotecnica, s’intende la conoscenza dei principi del volo,cioè delle leggi fondamentali dell’aerodinamica ,che permette al pilota di comprendere per quali fenomeni fisici il suo aeromobile riesce a staccarsi dal suolo, ad alzarsi in aria,e a evoluire docile ai suoi comandi, e quali sono i limiti entro cui quanto sopra è possibile Cronologia 1921 - 1930 1931 - 1938 1914 - 1920 1939 - 1945 1946 - 1960 1900 - 1913 I PRIMI ANNI 60 I Dirigibili I Dirigibili Aerei a getto militari Aerei a getto civili Aerei a motore A.G. Ultraleggeri Elicotteri Alianti Missili CLASSIFICAZIONE Senza motore : PALLONI FRENATI o LIBERI Con motore ausiliario: MOTOPALLONI Più leggeri dell’aria Con motore fisso: DIRIGIBILI Ala fissa AEROMOBILI Senza motore : ALIANTE Con motore ausiliario:MOTOALIANTE AERODINA Con motore fisso : VELIVOLI IDROVOLANTI-ANFIBI Più pesanti dell’aria Ala mobile AEROPLANI Elicottero Convertiplano Elica Turboelica SENZA SUPERFICI SOSTENTAMENTO Missili a getto METEOROLOGIA Premessa La Terra è circondata da uno strato di aria che chiamiamo atmosfera. Si estende per oltre 560 chilometri dalla superficie, quello che possiamo vedere direttamente è quindi ciò che accade negli strati molto vicini al terreno. La vita sul nostro pianeta è dovuta anche alla presenza dell'atmosfera, dell'energia solare e del campo magnetico terrestre. L'atmosfera assorbe parte dell'energia del Sole, ricicla l'acqua ed altri elementi chimici e, congiuntamente alla forza elettromagnetica modera il clima. Inoltre ci protegge dalle radiazioni ad alta energia che arrivano dallo spazio. Con l'altezza, cambiano le caratteristiche di questo inviluppo di gas che ci circonda. Sono stati identificati quattro strati fondamentali, tenendo conto di parametri come le caratteristiche termiche (i cambiamenti nella temperatura), la composizione chimica, i moti e le densità. L’ATMOSFERA In aeronautica viene utilizzata un’atmosfera di riferimento. L’Organizzazione Internazionale Dell’Aviazione Civile (ICAO) ha stabilito le caratteristiche dell’aria tipo per l’Europa: • l’aria è un gas perfetto • il gradiente termico è -0.0065°C/m • le condizioni al livello del mare sono T= 15°C p=760 mmHg Con l’aumento della quota pressione, temperatura e densità diminuiscono Z [km] Esosfera 500 P T [mmHg] [K] [kg/m3] 250 Mesopausa Ionosfera 85 0.042 198 170 Mesosfera Stratopausa 50 273 32 Strato di ozono Stratosfera Tropopausa 11 525 270 0.1 Troposfera 0 760 288 ALA ISOLATA 0.124 Troposfera La troposfera inizia dalla superficie terrestre e si estende fino a 14.500 metri di altezza. E' questa la parte dell'atmosfera più densa. Salendo in questo strato, la temperatura scende da circa 17 a -52° C. Quasi tutti i fenomeni meteorologici avvengono in questa regione. La tropopausa separa la troposfera dallo strato successivo. Questi, congiuntamente, compongono la cosiddetta bassa atmosfera. Stratosfera La stratosfera ha inizio appena al di sopra della troposfera e si estende in altezza per 50 chilometri. Rispetto alla troposfera, questa parte è più secca e meno densa. Qui, la temperatura cresce gradualmente fino a -3° C, a causa dell'assorbimento della radiazione ultravioletta. Si trova qui lo strato di ozono, che assorbe e diffonde la radiazione ultravioletta solare. Il 99 per cento dell'"aria" si trova nella troposfera e nella stratosfera. La stratopausa separa la stratosfera dallo strato successivo. Composizione dell’atmosfera Composizione dell'atmosfera terrestre L'atmosfera terrestre è composta principalmente da Azoto (N2, per il 78%), ossigeno (O2, 21%) ed Argon (Ar, 1%). Sono presenti anche una miriade di altri elementi e di composti estremamente reattivi, oltre al vapore acqueo (H2O, 0 - 7%) e l'Ozono ( 0 - 0,01%) il gas la cui diminuzione, associata all'incremento del biossido di Carbonio (CO2, 0,01-0,1%) è responsabile dell'effetto serra. Definizioni • Temperatura: grandezza che ci indica lo stato termico di un corpo, ossia ci fornisce la sua quantità di calore. Sulla terra il calore è fornito dal sole . L’immagazzinamento di questa energia non è uguale per tutta la superficie terrestre, ma varia da punto a punto, in rapporto alla orografia , alla presenza di acqua. Il mare ha più capacità di immagazzinare energia. Queste differenze di temperatura comportano movimenti di masse d’aria, che vedremo più avanti parlando del vento. Possiamo , inoltre dire che, in una giornata serena l’escursione termica diurna è rilevante, mentre in una giornata nuvolosa è inferiore, perché le nubi ostacolano l’apporto e la cessione di calore. • Gradiente Termico Verticale : s’intende la variazione della temperatura con la quota. • Inversione Termica: si ha quando il terreno è molto freddo, e gli strati d’aria vicino ad esso si raffreddano, e salendo in quota ,l’aria invece di raffreddarsi si riscalda. Questo succede fino a 100,200 metri, siamo cioè in presenza del fenomeno della nebbia. Definizioni • Scale termometriche: la temperatura può essere misurata in tre modi differenti, a seconda della scala usata.Le più importanti sono la scala Celsius(o centigrada),la scala Fahrenheit e la scala Kelvin.Per costruire la scala Celsius, si sono scelte due temperature di riferimento, quella del ghiaccio che fonde, e quella dell’acqua che bolle . Alla prima è stato assegnato il valore di 0°C, alla seconda di 100°C.Successivamente la scala è stata suddivisa in 100 parti. La scala Fahrenheit considera gli stessi punti, ma attribuisce al primo il valore di 32°F, ed al secondo 212°F.La scala è stata poi suddivisa in 180 parti. Per la scala Kelvin sappiate solamente che assume come zero la più bassa temperatura ottenibile cioè -273°C. • Isoterma: le varie temperature registrate dalle stazioni di osservazione vengono messe su carte . Unendo fra di loro tutti i punti che alla stessa ora hanno la stessa temperatura si ottengono le cosiddette linee ISOTERME. Definizioni • Variazione della pressione con la quota: prendiamo tre persone situate a tre altezze diverse, la 1° sta al livello del mare , la 2° ad una altezza intermedia , e la 3° è posta ad altezza maggiore. Il peso dell’atmosfera che essi subiscono è differente, in quanto la colonna d’aria che li sovrasta è diversa. Lo strumento che misura la pressione si chiama BAROMETRO Definizioni • ISOBARE : affinchè i valori di pressione cha abbiamo a disposizione siano comparabili fra di loro, bisogna riportare sulla carta geografica tutti i punti che alla stessa ora hanno riportato la stessa pressione. Unendo questi punti, otteniamo le ISOBARE. Definizioni • Fusione: passaggio dallo stato solido allo stato liquido • Evaporazione: passaggio dallo stato liquido allo stato aeriforme • Condensazione: passaggio dallo stato aeriforme allo stato liquido • Solidificazione: passaggio dallo stato liquido allo stato solido Definizioni • L'acqua allo stato di vapore è uno dei componenti della nostra atmosfera. È invisibile essendo inodore, incolore e trasparente. Quando il vapore acqueo si raccoglie in gran quantità e si mescola a polveri, gas vari, pollini, residui della combustione, diventa allora meno trasparente dando luogo al fenomeno della foschia o della caligine.Il vapore d’acqua è perfettamente trasparente alla luce , e quindi non si vede. Non si deve commettere l’errore assai diffuso, che le nubi o quanto esce da una pentola in ebollizione è vapore.In realtà sono minuscole goccioline d’acqua allo stato liquido e quindi ben visibili. Definizioni • Densità: si definisce densità il rapporto tra quantità di aria contenuta in un metro cubo. ( esempio di densità di popolazione) • Moto convettivo: movimento dell’aria dovuto a variazioni di temperatura. Definizioni Tramontana Maestro Greco Ponente Levante Libeccio Scirocco Mezzogiorno NOMENCLATURA AERONAUTICA APERTURA ALARE : Distanza tra le estremità dell’ala NOMENCLATURA APERTURA ALARE Bordo d’attacco BORDO d’ATTACCO : Linea anteriore che separa il dorso dal ventre BORDO d’USCITA: Linea posteriore che separa il dorso dal ventre CORDA ALARE : Segmento che unisce bordo d’attacco e di uscita Bordo d’uscita Corda alare DORSO : Superficie superiore dell’ala VENTRE : Superficie inferiore dell’ala NOMENCLATURA Linea media: è la linea che determina la curvatura dell’ala. Spessore massimo: è la distanza massima tra il dorso e il ventre dell’ala del profilo alare Freccia Corda alare del Linea profilo media Spessore Massimo Corda alare: è il segmento che unisce il bordo d’attacco e di uscita dell’ala Freccia del profilo : è la distanza massima tra la corda e la linea media ANGOLI CARATTERISTICI Angolo di assetto : angolo compreso tra la corda alare e la linea dell’orizzonte ANGOLI CARATTERISTICI Angolo di rampa : angolo compreso tra la traiettoria di volo e la linea dell’orizzonte ANGOLI CARATTERISTICI Angolo d’incidenza : angolo compreso tra la corda alare ed il vento relativo ANGOLI CARATTERISTICI ASSI del VELIVOLO ASSE LONGITUDINALE ROLLIO ASSI del VELIVOLO ASSE VERTICALE Imbardata ASSI del VELIVOLO ASSE TRASVERSALE Beccheggio COME E’ FATTO UN AEROPLANO PARTI PRINCIPALI DEL VELIVOLO PIANTA DELL’ALA Rastremazione= lmax/lmin λ=b²/S DIEDRO DELL’ALA Svergolamento=є (estremita’/mezzeria Materiali usati • • • • Leghe leggere γ> 2,8 Kg/dm³ Titanio γ> 4,5 Kg/dm³ Acciaio γ> 7 Kg/dm³ Materiali compositi Prestazioni vs Qualità di volo • Le prestazioni sono la primaria considerazione durante la vendita di un velivolo.Si basano su principi standard di sicurezza come la salita,il decollo, etc. • Le qualità di volo assicurano che il velivolo certificato, possa essere volato senza eccezionali skill , e sforzi. CENNI di TRIGONOMETRIA TRIGONOMETRIA Deriva dal greco τρίγωνον = triangolo μέτρον = misura DEFINIZIONI B’ B A θ C’ BC = AB AC AB B’C’ C = sen θ AB’ = AC’ AB’ = cos θ Cateto Ipotenusa Cateto CENNI di FISICA DEFINIZIONI • Lavoro: forza x spostamento • Campo di forza conservativo: il lavoro compiuto dalla forza per spostare un punto dipende solo dalla posizione iniziale e finale • Energia potenziale:la capacità di un punto di compiere lavoro in un campo di forze conservativo • Energia cinetica: ogni punto materiale per il solo fatto di essere in moto e di avere una ‘inerzia’ha la capacità di compiere un lavoro Come si rappresenta una forza? Con un “ VETTORE ” definito da : Punto d’applicazione Intensità Intensità È il punto in cui il calciatore colpisce il pallone Dipende dalla forza impressa dal calciatore Direzione e verso Sono quelle volute dal calciatore verso Punto d’applicazione DIREZIONE COMPOSIZIONE DELLE FORZE Stessa direzione F1 F2 F1 = F2 F2 R=0 R = F1 + F2 F1 F1 F2 R = F2 - F1 Direzione diverse F1 R F2 La risultante R è la diagonale del parallelogramma SCOMPOSIZIONE DELLE FORZE La Forza F viene scomposta in due componenti : Cv F Co Orizzontale Co Cv Verticale Legge di inerzia • La prima legge di Newton dice : “ Un corpo a riposo tende a rimanere nelle stesse condizioni , così come un corpo in movimento tende a rimanere in movimento, se non viene disturbato da un’altra forza “ (∑F=0 ;∑M=0) Legge di accelerazione • La seconda legge di Newton dice : “ L’accelerazione è direttamente proporzionale alla forza, ed inversamente proporzionale alla massa,ed ha la direzione della forza “ F=ma Legge di azione/reazione La terza legge di Newton dice che: “ Per ogni azione, esiste una reazione uguale ed opposta “ TEOREMA di BERNOULLI S1 S2 Nell’unità di tempo le sezioni S1 e S2 sono attraversate dallo stesso numero di particelle La velocità e la pressione rimangono costanti Condotta a sezione costante S1 S2 S3 Nell’unità di tempo le sezioni S1, S2 e S3 sono attraversate dallo stesso numero di particelle conseguentemente man mano che il condotto si restringe, la velocità deve aumentare. In corrispondenza della sezione S2 più stretta si ha la velocità maggiore e Condotta con strozzatura quindi la pressione minore TEOREMA di BERNOULLI p0= p+1/2V2 = costante p è detta pressione statica 1/2V2 rappresenta l’energia cinetica e viene indicato come pressione dinamica p0 è la pressione totale La formula è valida se non si tiene conto della compressibilità dell’aria, cioè per velocità subsoniche e per un fluido in moto permanente e irrotazionale all’interno di un tubo di flusso. PERCHE’ E’ POSSIBILE IL VOLO … …… del più leggero dell’aria …… del più pesante dell’aria COME VOLA UN DIRIGIBILE ? L’involucro contiene gas più leggero dell’aria Il movimento longitudinale è dovuto all’azione dei motori ad elica La direzione è mantenuta da timoni o da motori COME VOLA UNA MONGOLFIERA? Un bruciatore invia aria calda nell’involucro L’aria calda è più leggera e trascina verso l’alto la mongolfiera Se la mongolfiera non è ancorata al suolo mediante una fune, si muove in balia del vento PER IL PIU’ PESANTE DELL’ARIA … …… è l’ala che ha il compito di sostenere l’aeroplano, perché genera una forza …… FORZE AGENTI SULL’ALA ALA ISOLATA Consideriamo un profilo alare simmetrico investito da una corrente subsonica indisturbata di velocità V e pressione p V A F x Alcune linee di corrente passeranno sopra l’ostacolo, altre sotto; i due tipi di linee sono separate da una linea di corrente che non passando né sopra né sotto andrà ad arrestarsi sul bordo d’attacco A del profilo. I punti A ed F sono due punti di arresto della corrente fluida e pertanto la pressione sarà la pressione d’arresto p0. Consideriamo il seguente tubo di flusso: s s F A s x Per l’equazione di continuità la velocità diminuisce dove il tubo di flusso si allarga e viceversa, mentre per il teorema di Bernoulli la pressione cresce dove la velocità diminuisce e viceversa. L’andamento delle velocità e delle pressioni lungo il profilo alare è il seguente: p p p +0 + 0 p V V A F x LA PORTANZA dell’ALA P=1/2 Cp S V2 Per effetto della depressione sul dorso dell’ala si genera una forza che sostiene l’ala L’ala viene praticamente risucchiata verso l’alto Aerodinamica • Eulero e’ il padre della aerodinamica teorica • Newton e d’Alembert erano accademici • Prandtl e gli altri basavano le loro teorie sull’osservazione pratica • “Concludo che lo alzare degli uccelli senza battimento d’ali non nasca altro che mediante il loro moto circolare infra il moto del vento” Leonardo Portanza Alare • D’Alembert: su un corpo immerso in un fluido e assente la forza aerodinamica. • Kutta-Joukowsky: F=ρГVL=1/2ρV²SCp • Prandtl: applica il fattore viscosita’ Portanza Alare Re=ρVL/μ Rec,transizione tra laminare e turbolento Navier - Stokes Equazioni di Navier–Stokes per fluido incompressibile: Od in forma vettoriale compatta: P=1/2 Cp S V2 Il velivolo militare F104 ha una ala piccola, necessita quindi di alte velocità per stare in volo RELAZIONE TRA :COEFFICIENTE di PORTANZA ( Cp ) e angolo di incidenza ( i ) Forze agenti sull’ala Nel suo moto relativo all’aria, l’ala è sottoposta all’azione di una forza risultante F e di un momento risultante M La forza F è applicata al Centro di Pressione dell’ala ed ha due componenti: Portanza Forza aerodinamica Portanza P=1/2Cp SV2 ortogonale al moto Resistenza R=1/2Cr SV2 nella direzione del moto M Resistenza Incidenza Fuoco Centro di pressione M è il momento della forza F rispetto a l fuoco, punto prescelto della corda fuo co = 12° 9° 4° 0° F curva metacentrica Il fuoco si trova sempre al 25% della corda alare. Il punto di pressione ove è applicata la forza varia la sua posizione in funzione dell’angolo di attacco e del profilo. Generalizzando: bassi 4050% della corda alti 2728% della corda Il momento M della forza aerodinamica risultante, rispetto al fuoco dell’ala, è sempre un momento picchiante. Misurazione della portanza e resistenza RESISTENZA R=1/2 Cr S V2 P=1/2 PORTANZA C p S V2 RESISTENZA Resistenza dell’ala Resistenza indotta Resistenza di profilo Resistenza d’attrito Resistenza di forma RESISTENZA di FORMA La resistenza di forma è dovuta alla forma del profilo alare e alla viscosità, dipende dalla distribuzione della pressione intorno al profilo. RESISTENZA di ATTRITO scorrimento fra i filetti allontanamento rallentamento lo strato limite aumenta di spessore punto di transizione fra laminare a turbolento A B C D La resistenza d’attrito ha sede nel sottile strato d’aria immediatamente a contatto con l’ala (strato limite), dove l’aria subisce un rallentamento dovuto alla viscosità ed alla rugosità della superficie alare INFLUENZA DELL’ANGOLO DI INCIDENZA LA RESISTENZA AUMENTA CON L’AUMENTARE DELL’ANGOLO INCIDENZA resistenza indotta La resistenza indotta è legata alla generazione di portanza per il terzo principio della dinamica (ad ogni azione corrisponde una reazione uguale e contraria), alla portanza deve corrispondere una forza diretta verso il basso esercitata dall’ala sull’aria. L’ala compie un lavoro per spostare l’aria verso il basso: “ quindi la resistenza indotta corrisponde alla forza spesa per spostare l’aria verso il basso” resistenza indotta depressione depressione sovrapressione sovrapressione Ri=Cp /лλ POLARE Cp Cp max b Cr min Cr passiamo ora dall’ala al velivolo completo PORTANZA E RESISTENZA TOTALI Valgono le stesse relazioni già viste per l’ala isolata: P=1/2CpρSV2 R=1/2CrρSV2 Solo che ora la S è la superficie EQUIVALENTE a tutte quelle che concorrono a creare portanza (non è la superficie di tutto il velivolo) e i coefficienti Cp e Cr sono relativi a questa superficie Per quanto riguarda la resistenza, si ha anche una resistenza dovuta all’interferenza fra le varie parti del velivolo. PORTANZA DEL VELIVOLO COMPLETO PORTANZA PORTANZA P=1/2CpρSV2 Se PORTANZA = PESO PESO IL VELIVOLO NON GUADAGNA né PERDE QUOTA QUOTA P=1/2CpρSV2 Se PORTANZA > PESO PESO PORTANZA P=1/2CpρSV2 IL VELIVOLO GUADAGNA QUOTA Se PORTANZA < PESO IL VELIVOLO PERDE QUOTA PESO VOLO RETTILINEO ( a quota costante ) Quale relazione deve esistere perché un velivolo mantenga la quota e la velocità costante ? P TRAZIONE T PORTANZA R RESISTENZA Q P=Q PESO e T=R SALITA T = R + Q sen P = Q cos Asse longitudinale T Trazione P Portanza Q cos R Resistenza Q sen Q Peso angolo di rampa Orizzonte P = Q cos T = R - Q sen DISCESA Asse longitudinale P Portanza angolo di discesa R Resistenza Orizzonte T Q cos Trazione Q Peso Q sen L’EFFICIENZA AERODINAMICA E=P/R=Cp/Cr E Cr Cp Emax è l’angolo E max st d’attacco di minima resistenza aerodinamica totale del velivolo. Quest’angolo ha notevole importanza per ottenere i valori di autonomia massima del velivolo. Vediamo ora come e perché manovra una aeroplano Velivolo in equilibrio Momento Picchiante La forza peso e la portanza applicate in punti diversi danno luogo ad un momento picchiante. PORTANZA Per equilibrare il momento il piano di coda genera una forza equilibrante diretta verso il basso. FORZA equilibrante PESO COMANDI di VOLO Alettoni L’alettone è una superficie mobile posta al bordo d’uscita dell’ala Il movimento coordinato degli alettoni determina il movimento di rollio intorno all’asse longitudinale COMANDI di VOLO Ala destra Alettoni La portanza è uguale su entrambe le ali. In queste condizioni il velivolo mantiene le ali parallele all’orizzonte Ala sinistra Gli effetti producono una virata a destra L’ala destra per effetto della diminuzione della portanza si abbassa L’ala sinistra per effetto del incremento della portanza si alza COMANDI di VOLO Timone di profondità Comanda l’assetto del velivolo intorno all’asse trasversale :beccheggio COMANDI di VOLO Il velivolo è in volo a quota costante. Come si interviene sui comandi per cabrare ? La barra viene tirata indietro Barra di Si genera comando Il piano mobile si alza Piano di coda una forza direttafisso verso il basso che modifica l’equilibrio delle forze e fa cabrare il velivolo L’aletta compensatrice Parte si abbassa e genera una forza che aiuta a tenere mobile su il piano mobile COMANDI di VOLO Il velivolo è in volo a quota costante. Come si interviene sui comandi per picchiare ? La barra viene spostata in avanti Piano di Barra di Il piano mobile si abbassa Si genera una forza diretta coda fisso comando verso l’alto che modifica l’equilibrio delle forze e fa picchiare il velivolo L’aletta compensatrice si alza e genera una forza che Parte aiuta a tenere giù il piano mobile mobile DOMANDE ?
