Figura 2.26: Mappa dell’errore in [◦] commesso su β, a Mach 0.4, in condizione di piena operativit`a.
2.11
Aspetti innovativi dell’argomento di ricerca trat-
tato
La determinazione dei dati aria e gli strumenti utilizzati a tale scopo, svolgo- no un ruolo importante nei moderni velivoli FBW, poich´e vengono impiegati dai calcolatori di bordo per svolgere funzioni importanti, quali la protezione dell’inviluppo e l’adeguamento dei guadagni dei sistemi di controllo al mutare delle condizioni di volo.
Inoltre nei velivoli militari o velivoli non pilotati vengono impiegati nei siste- mi che svolgono funzioni di stall warning, weapons delivery, terrain avoidance e flight safety mentre nell’aviazione civile, la separazione verticale del traffico aereo `e possibile solo a seguito di un’accurata conoscenza di tali parametri. A riguardo, dal 1999 il DIA `e impegnato in un programma di ricerca che pro- pone lo sviluppo di un sistema di controllo di tipo FBW dei comandi primari di volo, con attuazione idraulica, del tipo di quello implementato sull’adde-
2.11 Aspetti innovativi dell’argomento di ricerca trattato 61
Figura 2.27: Mappa dell’errore in [◦] commesso su α, a Mach 0.4, in presenza di una sonda in avaria.
stratore militare di nuova generazione Aermacchi M346.
Il presente dottorato ha contribuito allo sviluppo di metodologie innovative per l’elaborazione dei dati aria partendo dalle misure locali fornite da quattro sensori di tipo multi-funzione.
I sensori possono esser soggetti a diverse tipologie di avarie (bloccaggio do- vuto ad occlusione parziale o completa delle prese di pressione, rottura delle palette di allineamento, ...) che comportano la perdita del velivolo o comun- que l’interruzione della missione ed il successivo passaggio ad un modalit`a operativa degradata per il rientro del velivolo alla base. Tali considerazioni sottolineano la necessit`a di sviluppare logiche di individuazione delle avarie (algoritmi di monitor ), logiche di gestione delle ridondanze (algoritmi di vo- ting) e riconfigurazione del sistema.
In letteratura, al momento, vengono descritte tecniche di gestione delle ri- dondanze, ad esempio, relativamente alla determinazione della pressione a
2.11 Aspetti innovativi dell’argomento di ricerca trattato 62
Figura 2.28: Mappa dell’errore in [◦] commesso su β, a Mach 0.4, in presenza di una sonda in avaria.
partire dai segnali forniti da quattro sonde ma il problema oggetto della pre- sente tesi `e in realt`a molto pi`u complesso. Infatti, per quanto concerne la determinazione degli angoli di incidenza e derapata, `e indispensabile disporre contemporaneamente dei segnali forniti da due sensori differenti. Le stime disponibili sono dunque sei: si tratta quindi di una gestione non-standard delle ridondanze ed in merito la letteratura fornisce scarsissime informazioni. Inoltre poich´e `e possibile il verificarsi di avarie sia dei sensori angolari che di pressione, occorre prevedere diverse modalit`a operative in funzione delle possibili combinazioni di guasto.
A seguito di tali considerazioni, il contributo dato dalla presente tesi di dot- torato pu`o ritenersi una risposta originale alle problematiche sopra esposte.
Capitolo
3
Sviluppo di una sonda multi pressione basata
su sistemi di tipo FADS
Nell’ambito del presente lavoro di Dottorato `e stato affrontato lo studio di tecniche alternative per la determinazione dei dati aria mediante l’impiego di sensori non intrusivi. Quest’attivit`a trae origine dalle esperienze maturate presso il Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale di Pisa (DIA), finalizzate alla definizione di metodi e modelli per l’integrazione dei dati aria nel Flight Control System (FCS) di velivoli Fly-by-Wire (FBW). La sonda progettata si ispira ai sistemi di tipo Flush Air Data System (FADS), ovvero sistemi di sensori dati aria di tipo non intrusivo, composti da una serie di prese di pressione realizzate direttamente sulla parte prodiera della fusoliera, le cui misure vengono elaborate da algoritmi di calcolo dedicati.
Il numero elevato di prese di pressione ne consente il funzionamento anche in caso di perdita di una o pi`u misure dovute al verificarsi di avarie. Que- st’aspetto rende i FADS particolarmente adatti a sistemi di tipo FCS-FBW, caratterizzati da architetture a molteplice ridondanza.
Inoltre la possibilit`a di posizionare00a pelle00, direttamente sulla fusoliera, le prese di misura, consente l’installazione dei FADS su velivoli da rientro spa- ziale come l’X-33, che devono esser privi di appendici soggette ad eccessivo riscaldamento in fase di rientro in atmosfera, velivoli non pilotati, che richie- dono impianti a basso costo ed ingombri limitati, velivoli stealth poich´e tali sistemi soddisfano l’esigenza di low observability.
La stima dei parametri di volo a partire da un numero elevato di segnali disponibili rappresenta un problema piuttosto complesso e comporta la ne- cessit`a di monitorare tali segnali per individuare eventuali avarie.
Negli ultimi tempi si `e sviluppato un notevole interesse, anche dal punto di vista industriale, nei confronti di tale tipologia di sensori: ne `e testimonianza
3.1 Definizione della geometria 64
ad esempio il progetto europeo nEUROn, per lo sviluppo di un velivolo da combattimento non pilotato dalle accentuate caratteristiche stealth. Il con- tributo tecnologico del nostro paese verter`a tra le altre cose proprio sullo sviluppo di un sistema FADS. Nonostante questo crescente interesse, la let- teratura risulta ancora povera di lavori sull’argomento. Il presente dottorato getta dunque le basi per una ricerca in tal senso. Il lavoro `e suddiviso in due parti. Nella prima `e stato condotto un vero e proprio studio di fattibilit`a: scelte alcune possibili geometrie, sulla base di forme gi`a presenti in letteratu- ra, queste sono state sottoposte a studi fluidodinamici (Computational Fluid Dynamics, CFD). Tali studi hanno portato alla definizione di una geometria preliminare e ad un relativo database di pressione locale.
Nella seconda parte del lavoro `e stato affrontato il problema della ricostru- zione dei parametri di volo tramite tecniche di intelligenza artificiale: tale approccio si presenta come una valida alternativa alle tecniche di tipo clas- sico che utilizzano funzioni polinomiali di taratura. Il database preliminare, ottenuto nella prima parte, `e stato utilizzato dunque per allenare le reti neurali. Successivamente `e stato condotto uno studio di ottimizzazione del numero di prese di pressione, della struttura della rete e della tipologia di allenamento che ha permesso di raggiungere risultati soddisfacenti in termini di errore commesso sui parametri di volo.
L’architettura neurale realizzata `e capace di soddisfare non solo alla necessit`a di ricostruire i parametri d’interesse ma anche di tener conto delle problema- tiche connesse all’impegno di memoria e alla rapidit`a di allenamento delle reti stesse.
3.1
Definizione della geometria
In letteratura sono presenti diversi tipi di sensori che utilizzano principi di funzionamento spesso molto differenti tra loro: per scegliere una possibile geo- metria della sonda sono state prese in esame diverse tipologie, integrandone le caratteristiche principali, con l’obiettivo di creare una geometria facilmente realizzabile dal punto di vista tecnologico. Le dimensioni della sonda fanno riferimento a quelle di un tubo di Pitot, una delle apparecchiature pi`u sem- plici tra quelle presenti in commercio, ed inoltre analizzando le sonde multi funzione, riportate in Fig. 3.1, `e stata valutata la possibilit`a di utilizzare un’e- stremit`a sferica per il posizionamento delle prese di misura. Il lavoro si ispira soprattutto ai sistemi di tipo FADS caratterizzati da un numero elevato (da 5 a 30) di prese di pressione realizzate direttamente sul nose del velivolo o sul leading edge dell’ala (in questo caso si parla di LE-FADS). Tali sistemi sono capaci di garantire dunque un opportuno livello di ridondanza fornendo misure attendibili anche in presenza di eventuali avarie o condizioni d’ombra.
3.1 Definizione della geometria 65
Figura 3.1: Esempio di sonda multi funzione per il calcolo degli angoli di assetto (dimensioni in cm).
Trovano impiego tipicamente su velivoli da rientro spaziale e su velivoli spe- rimentali ad elevate prestazioni come l’F18 HARV (High Research Vehicle): in queste applicazioni tutte le prese di pressione sono realizzate sul nose e disposte come nelle figure Fig. 3.2 e Fig. 3.3. Le varie misure di pressione locale vengono poi inviate ad un’unit`a di calcolo dedicata che ricostruisce i parametri di volo.
Le caratteristiche e gli obiettivi di questo progetto possono essere sintetiz-
Figura 3.2: Esempio di sistema FADS installato sullo Shuttle X-33.
zati come segue:
3.1 Definizione della geometria 66
Figura 3.3: Disposizione delle prese di pressione del sistema FADS sull’X33.
Figura 3.4: Velivolo non abitato dotato di apparecchiatura di monitoraggio del territorio.
ispira ai moderni sistemi FADS ma `e dotata di un supporto che ne rende possibile l’installazione sotto la fusoliera per velivoli non abitati con sistemi di monitoraggio del territorio sul nose (vedi Fig. 3.4);
3.1 Definizione della geometria 67
• Le dimensioni sono state ridotte il pi`u possibile poich´e si tratta di una sonda di tipo non intrusivo;
• Infine si `e fatto in modo che la geometria della sonda non crei problemi di natura aerodinamica, elevata resistenza o punti di distacco del flusso. Partendo da queste considerazioni `e stata disegnata, con il software di mo- dellazione tridimensionale Catiar, una geometria preliminare della sonda.
La Fig. 3.5 mostra il corpo principale dello strumento: la parte anteriore `e
Figura 3.5: Vista dall’alto del corpo principale della sonda di pressione.
sostanzialmente costituita da una calotta sferica di raggio 1 cm per l’alloggia- mento delle prese di pressione e da un corpo cilindrico di diametro 3,57 cm, raccordato alla calotta attraverso una superficie tronco conica di semiaper- tura 20◦. Tale raccordo permette di non avere interferenze aerodinamiche ad alte incidenze e garantisce una superficie anteriore sufficientemente grande da posizionare tutte le prese di pressione necessarie, nonostante un raggio di dimensioni piuttosto ridotte.
Per quanto riguarda la scelta delle dimensioni del cilindro questa `e stata fat- ta in modo da rendere possibile l’inserimento dei cavi per la trasmissione dei segnali, dalle prese di misura fino all’unit`a dedicata alla loro elaborazione.