Tecniche di riduzione dei carichi di volo per velivoli da trasporto

(1)

Sommario III

Abstract IV

Indice V

Elenco delle figure IX

Introduzione 1

I

Considerazioni preliminari

3

1 Carichi agenti sul velivolo 4

1.1 Carichi di progetto . . . 4

1.2 Carichi in volo . . . 4

1.2.1 Manovre stazionarie . . . 5

1.2.2 Manovre non stazionarie simmetriche . . . 7

1.2.3 Manovre non stazionarie non simmetriche . . . 8

1.2.4 Raffiche . . . 10

1.3 Carichi al suolo . . . 12

1.3.1 Carichi di atterraggio . . . 12

1.3.2 Carichi nella fase di rullaggio . . . 12

1.4 Carichi in ala . . . 13

1.5 Carichi in coda . . . 13

1.6 Carichi sulla fusoliera . . . 16

1.6.1 Carichi di pressurizzazione . . . 17

1.7 Ciclo Ground-Air-Ground . . . 18

2 Risposta alla raffica 19 2.1 Equazioni del moto in atmosfera agitata . . . 19

(2)

INDICE

2.1.1 Approssimazione di corto periodo . . . 20

2.1.2 Modello ad un grado di libert`a . . . 21

2.1.3 Modelli di aerodinamica non stazionaria . . . 22

2.2 Analisi della risposta agli ingressi di raffica di un modello rigido di velivolo da trasporto . . . 24

2.2.1 Modello di corto periodo e a 1 grado di libert`a: confronto della risposta alla raffica . . . 25

2.2.2 Valutazione degli effetti di aerodinamica non stazionaria sulla rispo-sta alla raffica . . . 25

2.3 Risposta alla raffica discreta - Evoluzione delle normative . . . 29

2.3.1 Introduzione . . . 29

2.3.2 Prime normative . . . 34

2.3.3 Modello di Pratt . . . 35

2.3.4 Normativa attuale . . . 40

II

Sistemi di load alleviation:

introduzione, cenni storici,

applicazioni, normative

42

3 Sistemi di controllo attivo 43 3.1 Classificazione . . . 43

3.2 Possibili vantaggi . . . 46

4 Sistemi di load alleviation 47 4.1 Gust load alleviation e Maneuver load alleviation . . . 47

4.2 Soluzioni architetturali . . . 48

4.2.1 Tecniche di controllo attivo . . . 48

4.2.2 Tecniche di controllo passivo . . . 52

4.3 Note storiche e applicazioni . . . 53

4.3.1 Boeing B-52 . . . 53 4.3.2 Lockheed C-5 Galaxy . . . 57 4.3.3 Lockheed L-1011 TriStar . . . 58 4.3.4 Boeing B-747 . . . 60 4.3.5 Boeing B-777 . . . 63 4.3.6 Airbus A320 . . . 64 4.3.7 Airbus A340 . . . 65 4.3.8 Airbus A380 . . . 65 4.3.9 Airbus A350 . . . 67

4.4 Studi e attivit`a di ricerca . . . 67

4.4.1 Sistemi innovativi per la rilevazione della turbolenza atmosferica . . 68

(3)

4.4.2 Nuove strategie di controllo . . . 69

5 Sistemi di aumento del comfort 73 5.1 Note storiche e applicazioni . . . 73

5.2 Criteri di comfort . . . 76

5.2.1 Criterio MIL-F-9490D . . . 78

5.2.2 Criterio ISO 2631-1 . . . 79

6 Integrazione di tecniche di load alleviation nell’analisi di missione 81 6.1 Analisi di missione . . . 81

6.2 Fasi in volo . . . 85

6.2.1 Salita-discesa . . . 85

6.2.2 Crociera . . . 85

6.3 Fasi al suolo . . . 86

6.3.1 Controllo semi-attivo sui carrelli . . . 87

7 Criteri di progetto per velivoli controllati attivamente 88 7.1 Filosofia di progetto CCV . . . 88

7.2 Sicurezza e affidabilit`a . . . 91

7.3 Aspetti strutturali del progetto . . . 92

7.4 Certificazione di velivoli controllati attivamente . . . 93

7.4.1 Condizioni speciali di certificazione . . . 94

III

Sintesi di un sistema di load alleviation per un velivolo

da trasporto

98

8 Introduzione 99 8.1 Obiettivi . . . 99

8.2 Vickers VC10 . . . 99

9 Modelli matematici 102 9.1 Modellizzazione matematica del velivolo flessibile . . . 102

9.1.1 Modello velivolo . . . 105

9.1.2 Modello attuatori . . . 107

9.1.3 Modello completo . . . 109

9.1.4 Modellizzazione effetti di aerodinamica non stazionaria . . . 111

9.2 Modello di turbolenza . . . 114

10 Sintesi delle leggi di controllo 116 10.1 Sintesi del controllore LQR . . . 116

10.1.1 Controllabilit`a . . . 116

(4)

INDICE

10.1.2 Teoria del controllo ottimo . . . 117

10.1.3 Scelta delle matrici Q e R . . . 118

10.1.4 Legge di controllo . . . 120 10.2 Sintesi dell’osservatore . . . 121 10.2.1 Osservabilit`a . . . 121 10.2.2 Osservatori . . . 121 10.2.3 Filtro di Kalman . . . 122 10.3 Controllore LQG . . . 124 11 Analisi e risultati 125 11.1 Modello Simulink . . . 125

11.2 Sistema in ciclo chiuso . . . 129

11.3 Analisi . . . 133

11.3.1 Valutazione del livello di comfort . . . 133

11.3.2 Risposta alla raffica discreta . . . 134

11.3.3 Risposta alla turbolenza . . . 153

11.3.4 Ingresso di raffica - risposta in frequenza . . . 163

11.3.5 Risposta al gradino di equilibratore . . . 163

11.3.6 Risposta a comando scontrato di equilibratore . . . 169

12 Integrazione di un sistema di maneuver load alleviation 187 12.1 Sintesi del sistema di controllo . . . 187

12.2 Analisi e risultati . . . 189

12.3 Integrazione del sistema M LA . . . 190

13 Conclusioni e sviluppi futuri 208 13.1 Conclusioni . . . 208

13.2 Sviluppi futuri . . . 209

IV

Appendici

210

A Risultati 211

B Riferimenti alla normativa CS-25 240

Bibliografia 252

(5)

1.1 Diagramma di manovra . . . 6

1.2 Eccedenze di fattore di carico dovuto a manovre . . . 6

1.3 Esempio di comando di equilibratore alternativo alla sinusoide . . . 8

1.4 Distribuzione di portanza . . . 14

1.5 Distribuzione di portanza con ipersostentatori estratti . . . 14

1.6 Equilibrio in beccheggio . . . 15

1.7 Andamento del carico di coda . . . 16

1.8 Schematizzazione della fusoliera . . . 17

1.9 Ciclo GAG . . . 18

2.1 Raffica a rampa . . . 22

2.2 Vortice di partenza . . . 23

2.3 Funzione di Wagner . . . 23

2.4 Risposta alla raffica 1-cos – lunghezza = 25c . . . 26

2.6 Blocco Simulink - funzione di Kussner . . . 28

2.7 Diagramma a blocchi della dinamica del velivolo con funzione di Wagner . 29 2.8 Risposta alla raffica 1-cos – lunghezza = 25c . . . 30

2.12 Cronologia delle normative federali riguardanti i carichi da raffica per veli-voli civili da trasporto . . . 34

2.13 Velocit`a di raffica Ude . . . 38

2.14 Velocit`a di raffica nella normativa corrente . . . 41

4.1 Tipologie di flap del bordo di uscita . . . 49

4.2 Alettone . . . 49

4.3 Flap dotato di tab . . . 49

(6)

ELENCO DELLE FIGURE

4.4 Leading Edge Spoiler . . . 50

4.5 Trailing Edge Spoiler . . . 50

4.6 Trip Tab Spoiler . . . 50

4.7 Microtab . . . 51

4.8 Microflap . . . 51

4.9 Adaptive trailing edge geometry . . . 52

4.10 Deformable leading edge . . . 52

4.11 Bottom-up passage . . . 52

4.12 B52E con LAMS . . . 53

4.13 B52E con LAMS - collocazione dei sensori . . . 54

4.14 B52E con LAMS - danneggiamento a fatica . . . 55

4.15 B52E con LAMS - Momento flettente in ala . . . 56

4.16 B52E con LAMS - Riduzione accelerazioni laterali nel cockpit . . . 56

4.17 C-5A ALDCS - Leggi di controllo . . . 58

4.18 C-5A ALDCS - Collocazione dei sensori . . . 59

4.19 Ridistribuzione della portanza nel velivolo L-1011 . . . 59

4.20 B-747 - Legge di controllo . . . 61

4.21 B-747 - Variazione della distribuzione di portanza in ala durante manovra di richiamata . . . 61

4.22 B-747 - Riduzione del momento flettente in ala durante raffiche . . . 62

4.23 B-747 - Riduzione dei pesi in ala . . . 63

4.24 B-777F - Superfici di controllo del MLA . . . 64

4.25 Airbus A320 - Superfici di controllo . . . 65

4.26 Airbus A320 - EFCS . . . 66

4.27 Airbus A340 - EFCS . . . 66

4.28 Airbus A380 - EFCS . . . 67

4.29 Airbus A350 - Effetti del sistema di MLA . . . 68

4.30 A340 - Sistema LIDAR . . . 69

4.31 Airbus - Sistema LIDAR . . . 70

4.32 DLC Flap e collocazione accelerometri . . . 71

4.33 Wing load alleviation - Brevetto Boeing . . . 71

5.1 Architetture dei sistemi di ride control . . . 74

5.2 Schema del sistema di ride control verticale del DCH-6 . . . 75

5.3 Schema del sistema di ride control laterale del DCH-6 . . . 76

5.4 Possibile collocazione dei sensori . . . 77

5.5 Primo criterio di comfort sviluppato da NASA . . . 77

5.6 Filtro per VLF . . . 79

5.7 Filtro per LF . . . 80

(7)

6.1 Tipica missione per un velivolo da trasporto . . . 82

6.2 Variazione del momento flettente in ala nel corso della missione . . . 83

6.3 Periodo medio dei cicli di carico . . . 84

6.4 N° di cicli . . . 84

6.5 Ammortizzatore con controllo semi-attivo . . . 87

7.1 Filosofie di progetto . . . 90

7.2 Effetti della perdita di una funzione di controllo attivo sulla sicurezza del sistema velivolo . . . 91

7.3 Coefficiente di sicurezza in funzione della probabilit`a di occorrenza (oraria) della generica avaria j . . . 95

7.4 Coefficiente di sicurezza in funzione della probabilit`a della generica avaria j 96 8.1 VC10 Standard . . . 100

9.1 Blocco dinamica attuatori . . . 108

9.2 VC10 - Collocazione dei sensori . . . 109

9.3 Blocco Simulink velivolo . . . 112

9.4 Blocco Simulink funzione di Kussner . . . 113

9.5 Blocco Simulink funzione di Wagner . . . 114

9.6 Intensit`a della turbolenza per altitudini medio-elevate - MIL-F-8785C . . . 115

10.1 Filtro di Kalman - Schema . . . 123

10.2 Controllore LQG . . . 124

11.1 Modello Simulink . . . 126

11.2 Blocco comando equilibratore . . . 127

11.3 Blocco comando alettone simmetrico . . . 128

11.4 Blocco ingresso raffica/turbolenza . . . 129

11.5 Poli ciclo aperto e ciclo chiuso - altissima frequenza . . . 130

11.6 Poli ciclo aperto e ciclo chiuso - alta frequenza . . . 131

11.7 Poli ciclo aperto e ciclo chiuso - media frequenza . . . 132

11.8 Poli ciclo aperto e ciclo chiuso - bassa frequenza . . . 132

11.9 Filtro di comfort ISO2631 . . . 134

11.10Raffica H = 200 ft, ωg = ω1 . . . 137 11.11Raffica H = 200 ft, ωg = ω1 . . . 138 11.12Raffica H = 200 ft, ωg = ω1 . . . 139 11.13Raffica H = 200 ft, ωg = ω1 . . . 140 11.14Raffica H = 200 ft, ωg = ω1 . . . 141 11.15Raffica H = 200 ft, ωg = ω1 . . . 142 11.16Raffica H = 200 ft, ωg = ω1 . . . 143 XI

(8)

ELENCO DELLE FIGURE 11.17Raffica H = 200 ft, ωg = ω1 . . . 144 11.18Raffica H = 125 ft, ωg = ω2 . . . 145 11.19Raffica H = 125 ft, ωg = ω2 . . . 146 11.20Raffica H = 125 ft, ωg = ω2 . . . 147 11.21Raffica H = 125 ft, ωg = ω2 . . . 148 11.22Raffica H = 125 ft, ωg = ω2 . . . 149 11.23Raffica H = 125 ft, ωg = ω2 . . . 150 11.24Raffica H = 125 ft, ωg = ω2 . . . 151 11.25Raffica H = 125 ft, ωg = ω2 . . . 152 11.26Turbolenza moderata σw = 3.7m/s . . . 155 11.27Turbolenza moderata σw = 3.7m/s . . . 156 11.28Turbolenza moderata σw = 3.7m/s . . . 157 11.29Turbolenza moderata σw = 3.7m/s . . . 158 11.30Turbolenza moderata σw = 3.7m/s . . . 159 11.31Turbolenza moderata σw = 3.7m/s . . . 160 11.32Turbolenza moderata σw = 3.7m/s . . . 161 11.33Turbolenza moderata σw = 3.7m/s . . . 162

11.34Risposta in frequenza ad ingresso di raffica - momento flettente . . . 164

11.35Risposta in frequenza ad ingresso di raffica - momento flettente . . . 165

11.36Risposta in frequenza ad ingresso di raffica - momento torcente . . . 166

11.37Risposta in frequenza ad ingresso di raffica - momento torcente . . . 167

11.38Risposta in frequenza ad ingresso di raffica - ∆Nzpil - ∆Nzwing . . . 168

11.39Comando di equilibratore a cabrare . . . 170

11.47Comando scontrato di equilibratore CS-25.331(c)(3)(ii) . . . 179

(9)

12.1 Modello simulink sistema con MLA . . . 188

12.2 Blocco simulink del controllore MLA . . . 189

12.3 Comando di equilibratore a cabrare con MLA . . . 191

12.10Comando di equilibratore a cabrare con MLA . . . 198

12.11Modello Simulink sistema GLA + MLA . . . 199

12.12Comando di equilibratore a cabrare GLA + MLA . . . 200

A.1 Raffica H = 30 ft . . . 211 A.2 Raffica H = 30 ft . . . 212 A.3 Raffica H = 30 ft . . . 212 A.4 Raffica H = 30 ft . . . 213 A.5 Raffica H = 30 ft . . . 213 A.6 Raffica H = 30 ft . . . 214 A.7 Raffica H = 30 ft . . . 214 A.8 Raffica H = 30 ft . . . 215 A.9 Raffica H = 150 ft . . . 215 A.10 Raffica H = 150 ft . . . 216 A.11 Raffica H = 150 ft . . . 216 A.12 Raffica H = 150 ft . . . 217 A.13 Raffica H = 150 ft . . . 217 A.14 Raffica H = 150 ft . . . 218 A.15 Raffica H = 150 ft . . . 218 A.16 Raffica H = 150 ft . . . 219 A.17 Raffica H = 250 ft . . . 219 A.18 Raffica H = 250 ft . . . 220 A.19 Raffica H = 250 ft . . . 220 XIII

(10)

ELENCO DELLE FIGURE A.20 Raffica H = 250 ft . . . 221 A.21 Raffica H = 250 ft . . . 221 A.22 Raffica H = 250 ft . . . 222 A.23 Raffica H = 250 ft . . . 222 A.24 Raffica H = 250 ft . . . 223 A.25 Raffica H = 350 ft . . . 223 A.26 Raffica H = 350 ft . . . 224 A.27 Raffica H = 350 ft . . . 224 A.28 Raffica H = 350 ft . . . 225 A.29 Raffica H = 350 ft . . . 225 A.30 Raffica H = 350 ft . . . 226 A.31 Raffica H = 350 ft . . . 226 A.32 Raffica H = 350 ft . . . 227

A.33 Turbolenza leggera σw = 0.65m/s . . . 227

A.41 Turbolenza intensa σw = 6.1m/s . . . 231

A.49 Comando scontrato di equilibratore CS-25.221(c)(3)(iii) . . . 235