1. INTRODUZIONE
L’ultimo decennio è stato caratterizzato, soprattutto in ambito militare, dall’introduzione e dal sempre più massiccio utilizzo di velivoli non abitati (UAV- Unmanned Air Vehicle). Il concetto che sta alla base di tali velivoli risale agli anni cinquanta, ma inizialmente no n furono impiegati in scenari di guerra, rimanendo in pratica solamente prototipi mai sviluppati in maniera definitiva. Una volta capite le effettive potenzialità di tali velivoli, il loro sviluppo e il loro utilizzo sono andati aumentando in maniera esponenziale. Un esempio su tutti, il Predator dell’USAF, impiegato con successo in molte missioni di ricognizione in Bosnia e Iraq.
Fig.1- Predator
Le esperienze e le soluzioni progettuali acquisite in campo militare sui velivoli non abitati sono il punto di partenza per lo sviluppo di prototipi per impieghi civili. Le potenzialità di un impiego civile per velivoli UAV sono numerose e suscitano interessi sempre più crescenti da parte del mercato. Infatti, potendo trasportare come carico pagante sensori di svariato tipo, questi velivoli sono particolarmente adatti ad attività di controllo del territorio. Alcuni campi di impiego civile possono essere: agricoltura, protezione civile, fotogrammetria, operazioni di polizia, controllo del traffico stradale, ricerca dispersi ecc.
La presente tesi, sviluppata presso il dipartimento di Ingegneria Aerospaziale dell’Università di Pisa in collaborazione con la ditta Alpi Aviation srl, ha avuto come obiettivo principale lo sviluppo di un software per la definizione preliminare di un velivolo non abitato (UAV) di dimensioni variabili. La potenza di tale software, risiede nella possibilità di definire il velivolo partendo da una specifica estremamente ridotta fornendo un’idea della direzione che dovrà prendere la progettazione effettiva del velivolo.
Come detto si tratta di una progettazione preliminare, intesa quindi a fornire le linee guida della progettazione effettiva e per questo motivo alcune parti sono trattate solo preliminarmente, come per esempio la definizioni delle superfici di controllo, per le quali si propone un dimensionamento
di massima basato sullo studio di velivoli simili, e non un dimensionamento basato sulle caratteristiche dinamiche desiderate.
L’idea di base è stata quella di partire da un velivolo già esistente, effettuando inizialmente un’opera di reverse engineering, nella quale sono state valutate le caratteristiche principali e i parametri fondamentali che lo caratterizzano.
Una volta terminata questa prima fase, è stato impostato il programma vero e proprio che, agendo sui parametri di cui al capoverso precedente, modifica le caratteristiche del velivolo in relazione alle richieste iniziali di specifica.
Il programma permette quindi di effettuare una scalatura del velivolo di partenza in relazione ai dati di ingresso. Oltre a questo, però, definendo una serie di valori possibili per alcuni parametri di progetto, il software non solamente “scala” il velivolo di base, ma fornisce una serie di configurazioni simili tra loro tra cui scegliere quella finale in relazione a particolari richieste iniziali, come per esempio il valore del carico utile da portare in volo. In questo modo la progettazione preliminare non è limitata ad una semplice scalatura del modello di base, ma permette di trovare la migliore configurazione possibile per quelle particolari richieste iniziali.
Fig.2- Schema di base del lavoro
Velivolo di riferimento
Richieste iniziali Parametri di progetto variabili
… Config. N 1 Config. N 2 Config. N 3 Config. N n Caratteristiche Dinamica Config. Vincente
Come da richiesta della ditta Alpi Aviation, la scelta del motore e delle batterie, nonché del modello di elica è stata limi tata ad una precisa marca per ciascun componente del gruppo propulsivo. Questo ha portato alla necessità di effettuare una ricerca dei vari modelli di propulsore, batteria e elica e alla creazione dei vari database, da cui il programma attinge per definire le prestazioni dell’apparato propulsivo. Da un lato questa richiesta limita le possibilità di scelta vincolando il programma ad adattarsi alle particolari caratteristiche dei prodotti esistenti, ma in compenso permette di definire l’apparato propulsivo in via definitiva per fissate prestazioni.
Dato che tutti i velivoli, seguendo le caratteristiche di quello di riferimento, sono propulsi ad elica, è stato deciso di affiancare il software con un programma che permettesse di valutare le caratteristiche di spinta e potenza di un’elica di cui siano note le caratteristiche geometriche principali. Questa parte del software può essere utilizzata indipendentemente del resto del programma e permette di effettuare la corretta scelta dell’elica per un dato velivolo.
Tutti i programmi e funzioni che costituiscono il software sono stati realizzati in ambiente Matlab. Per semplicità di utilizzo anche da parte di coloro che non possiedono buone conoscenze dell’ambiente Matlab, è stato deciso di configurare l’intero software, programma per l’elica compreso, con l’interfaccia grafica GUI, di più intuitivo utilizzo.
1.1- Analisi preliminare del problema
L’idea di base è stata quella di effettuare una scalatura del velivolo partendo da un velivolo di riferimento. Nel caso nostro però il velivolo di riferimento, essendo un tutt’ala, non ha una configurazione standard.
Il primo punto chiave riguarda la reperibilità dei dati, operazione necessaria per avere un’idea di quali siano le scelte di progettazione effettuate dalle case costruttrici e sulle quali basare una progettazione preliminare. Una progettazione preliminare, come quella sviluppata in questa tesi, prevede l’utilizzo di parametri progettuali ottenuti dall’analisi dei prodotti esistenti sul mercato. Il primo passo in tale progettazione consiste infatti nell’analizzare le produzioni in larga scala delle diverse case costruttrici, e ricavare i valori medi dei parametri fondamentali che caratterizzano il tipo di velivolo, valori che si ritrovano simili nei diversi modelli sul mercato.
A questo proposito però, trattandosi di uno studio di velivoli tutt’ala, manca la produzione in larga scala, essendo tali velivoli impiegati solamente in campo militare, ed inoltre, essendo aeroplani di ultima generazione, non sono ancora reperibili informazioni utili al riguardo. La soluzione a tale inconveniente, viene in parte fornita introducendo un altro aspetto fondamentale del nostro velivolo. Infatti non stiamo parlando, in questo caso, di un velivolo nel senso classico del termine, ma di un aeromodello. Questo ci permette di integrare i dati mancanti in quanto la progettazione di un
aeromodello segue regole sicuramente meno stringenti e sono presenti sul mercato aeromodelli di ogni tipo, forma e dimensione. È quindi possibile cercare di colmare le lacune sulle informazioni di cui al primo punto, cercando di trovare aeromodelli dalle caratteristiche simili a quelle che si prevedono per il progetto in questione. In più, l’assenza del pilota ci consente di soddisfare determinate richieste (soprattutto in termini di controllabilità e manovrabilità) senza preoccuparci del problema delle qualità di volo. A titolo d’esempio, seguendo questa linea di pensiero, si è deciso di utilizzare nel progetto profili autostabili, eliminando il problema di come ottenere stabilità in beccheggio in assenza di piani di coda orizzontali. Una scelta di questo tipo, in un velivolo abitato sarebbe stata incompatibile con il soddisfacimento delle qualità di volo.
Il terzo punto è quello di definire la geometria del velivolo. La scelta delle principali caratteristiche geometriche, come l’angolo di freccia delle ali, dipende fortemente dalle caratteristiche dinamiche volute (essenzialmente dal margine di stabilità e dalla rigidezza in imbardata). Avendo scelto di posizionare la “coda” all’estremità delle ali risulta chiaro che l’angolo di freccia determina il braccio tra la “coda” e il baricentro del velivolo, determinando così l’entità dei momenti in coda. In più non è possibile determinare a priori la posizione del baricentro del velivolo senza prima aver dimensionato le superfici di coda, la cui progettazione, a sua volta, dipende dalla posizione del baricentro. Risulta quindi chiaro come la geometria del velivolo sia fortemente influenzata dalle caratteristiche dina miche desiderate e viceversa. A questo proposito nel programma si utilizzano una serie di cicli concatenati tra loro che portano alla definizione finale della geometria e delle caratteristiche dinamiche.
Non è però possibile prescindere dalla scelta a priori dei valori di alcuni parametri che influenzeranno l’intero progetto. E’ quindi necessaria un’attenta valutazione di quali parametri è giusto definire a priori e quali lasciare liberi, verificando volta per volta qual è il grado di influenza, sull’intero progetto, di una scelta piuttosto che di un’altra.
1.2- Organizzazione del lavoro
Il lavoro è stato organizzato a più livelli, partendo innanzitutto dall’analisi del velivolo di riferimento per il quale erano note solo alcune caratteristiche geometriche e di missione.
L’integrazione dei dati mancanti è avvenuta sia analizzando velivoli con caratteristiche simili, sia operando alcune scelte progettuali che ci permettessero di aggirare alcune lacune, fornendo configurazioni differenti da quelle del velivolo di riferimento, ma altrettanto adeguate a svolgere la missione finale.
L’intero lavoro è stato sviluppato sul velivolo di riferimento, cioè si è cercato di ottenere una configurazione più simile possibile a quella di partenza per dati iniziali prestazionali identici, o
comunque molto simili, a quelli effettivi. Questo ha garantito una certa attendibilità del progetto stesso, essendo il velivolo di riferimento già in produzione.
Una volta ricavata una configurazione simile a quella di riferimento, il passo successivo è stato valutare i parametri che devono essere scalati se vengono variate le richieste iniziali, permettendo al programma di ricavare una configurazione diversa da quella di riferimento, ma altrettanto funzionale, mantenendo intatte le linee guida della progettazione. In questo modo è stata effettuata una vera e propria scalatura del velivolo di riferimento sulle base delle richieste prestazionali iniziali.
L’obiettivo è sempre stato quello di garantire una configurazione finale di minor peso, ma comunque in grado di soddisfare le richieste iniziali pur mantenendo pressoché intatte le scelte progettuali effettuate dalla ditta produttrice sul velivolo di riferimento.
A tal proposito, si porta come esempio la scelta di utilizzare un sistema di propulsione elettrico, così come richiesto dall’Alpi Aviation, impiegando una precisa marca di motori e batterie.
Una volta verificata l’attendibilità dei risultati per diversi “lotti” di dati in ingresso, si è deciso di configurare il programma mediante la funzione GUI di Matlab, permettendo in questo modo un accesso più facile al software mediante un’interfaccia grafica intuitiva e di semplice utilizzo.
In parallelo a questo lavoro, è stato sviluppato anche un software per il calcolo delle prestazioni di un’elica partendo dalla conoscenza delle sue caratteristiche geometriche e aerodinamiche. Tale programma può lavorare separatamente dal resto del software ed è stato concepito come un’utile integrazione per la scelta del corretto apparato propulsivo.
Infatti, benché il programma principale valuti l’apparato propulsivo indipendentemente, è possibile comunque affiancare lo studio di un elica differente, valutando come variano le prestazioni al variare dell’elica senza dover avviare nuovamente il programma principale.
