Sviluppo di strumenti software
per il progetto concettuale
di velivoli da trasporto in ambiente Matlab
Guido Cei
Università di Pisa
U
NIVERSITÁ DI
P
ISA
F
ACOLTÁ DI
I
NGEGNERIA
Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale
Tesi di Laurea
SVILUPPO DI STRUMENTI SOFTWARE
PER IL PROGETTO CONCETTUALE
DI VELIVOLI DA TRASPORTO IN AMBIENTE MATLAB
TASAP
Transport Aircraft Sensitivity Analysis Program
Corso di Laurea Vecchio Ordinamento in Ingegneria Aeronautica Indirizzo Produzione
Relatori:
Prof. Ing. Attilio SALVETTI . . . . Ing. Daniele FANTERIA . . . .
Candidato:
Guido CEI . . . .
2
Everything should be made as simple as possible, but not simpler.
Albert Einstein (1879–1955) German physicist
Sommario riassunto...
Indice
I
Teoria e Modelli Consolidati
6
1 Stima Preliminare 7
1.1 Introduzione . . . 7
1.2 Peso del Carico Pagante . . . 8
1.3 Modello dei Pesi Strutturali . . . 9
1.4 Modello delle Prestazioni . . . 9
2 Alta Velocità 15 2.1 Introduzione . . . 15
2.2 Superficie di Minima Resistenza . . . 16
2.3 Modello Geometria ed Aerodinamica . . . 19
2.3.1 Integrazione Impianto propulsivo . . . 20
2.3.2 Scelta Angolo di Freccia . . . 23
2.3.3 Calcolo Geometria ala . . . 26
2.3.4 Dimensionamento Impennaggi . . . 31
2.3.5 Calcolo della Superficie Bagnata . . . 33
2.3.6 Calcolo del coefficiente CSW . . . 39
2.3.7 Calcolo del coefficiente CDo . . . 39
2.3.8 Calcolo del coefficiente CD L&P . . . 44
2.3.9 Calcolo del coefficiente cF. . . 45
2.3.10 Coefficiente di Oswald . . . 45
2.4 Modello delle Prestazioni . . . 46
2.4.1 Volume e geometria dei serbatoi . . . 51
2.5 Modello dei Pesi Strutturali . . . 54
2.5.1 Componenti strutturali . . . 55
2.6 Verifiche di progetto . . . 59
2.6.1 Verifiche geometriche ed aerodinamiche . . . 60
2.6.2 Verifica della capacità dei serbatoi . . . 60
2.6.3 Verifica della spinta in crociera . . . 60
3 Bassa Velocità 62 3.1 Introduzione . . . 62
3.2 Decollo . . . 62
3.2.1 Spazio di Decollo . . . 64
3.2.2 Segmenti di Salita . . . 66
3.3 Atterraggio . . . 73
3.3.1 Condizioni di risalita . . . 76
3.3.2 Velocità di approccio . . . 78
3.4 Dispositivi di ipersostentazione . . . 78
3.4.1 Metodo di seconda approssimazione . . . 84
3.4.2 Conclusioni . . . 88
4 Analisi dei costi 89 4.1 Introduzione . . . 89
4.2 Manufacturer’s Standard Study Price . . . 90
4.3 Costi per le compagnie aeree . . . 92
4.3.1 Costi Operativi Diretti . . . 92
5 Centraggio 101 5.1 Introduzione . . . 101 5.2 Baricentro . . . 102 5.2.1 Gruppo Fusoliera . . . 104 5.2.2 Gruppo Ala . . . 106 5.2.3 Gruppo Carburante . . . 108 5.2.4 Carico Pagante . . . 109 5.3 Posizione dell’ala . . . 110
5.4 Vincoli geometrici dei carrelli . . . 112
II
Descrizione del Codice e Risultati Grafici
117
6 Struttura e funzionamento del codice 118 6.1 Introduzione . . . 118 6.2 Input . . . 122 6.3 Output . . . 123 6.4 Run . . . 125 6.4.1 High Speed . . . 125 6.4.2 Low Speed . . . 132 6.4.3 Cost Analysis . . . 133 6.5 PostProcessing . . . 134 6.5.1 Multiple . . . 134 6.5.2 Single . . . 137 7 Risultati Grafici 140 7.1 Introduzione . . . 140 7.2 A320 . . . 141 7.3 A330 . . . 148 7.4 A340 . . . 155 7.5 B777 . . . 162 IIIElenco delle figure
1 Ruota di progetto . . . 1
2 Processo del progetto di un velivolo . . . 2
1.1 Algoritmo per la stima del peso al decollo preliminare . . . 8
1.2 Stima del rapporto peso a vuoto operativo su peso al decollo . . . 10
1.3 Schema missione di riferimento (cruise climb) . . . 11
1.4 Stima della superficie bagnata . . . 13
1.5 Stima dell’efficienza aerodinamica massima . . . 13
2.1 Ciclo di Alta Velocità . . . 16
2.2 Ciclo della superficie di minima resistenza . . . 17
2.3 Dati di riferimento Turbofan . . . 21
2.4 Effetto del numero di Mach sulla polare . . . 24
2.5 Resistenza parassita al variare del numero di Mach . . . 24
2.6 Valutazione dell’aumento di resistenza in transonico . . . 25
2.7 Variazione della resistenza con il coefficiente di portanza . . . 25
2.8 Variazione del MDD con l’angolo di freccia e lo spessore percentuale 26 2.9 Forma in pianta dell’ala . . . 27
2.10 Corda media aerodinamca ala trapezia . . . 29
2.11 Corda media aerodinamica ala con kink . . . 31
2.12 Dimensioni di riferimento per la definizione dei piani di coda . . . . 32
2.13 Calcolo superficie della fusoliera . . . 33
2.14 Schema e quote del motore con nacelles di tipo Mixed Flow . . . 34
2.15 Schema e quote del motore con nacelles di Short Fun Duct . . . 35
2.16 Profili supercritici di base . . . 36
2.17 Funzioni ndep(y) e c(y) lungo l’apertura alare . . . 37
2.18 Profilo simmetrico . . . 37
2.19 Punto di transizione laminare-turbolento . . . 41
2.20 Angolo di upsweep . . . 44
2.21 Grafico erelazioni per la determinazione di C1 e C2 . . . 46
2.22 Schema di missione con programma di volo step cruise . . . 47
2.23 Parametri costruttivi di riferimento per il serbatoio . . . 51
2.24 Sezioni del serbatoio nei tre profili principali . . . 52
2.25 Andamento area sezione e corde dei serbatoi lungo l’ala . . . 53
2.26 Grandezze di riferimento per il pilone alare . . . 58
2.27 Grandezze geometriche di riferimento per le carene dei motori . . . 59
3.1 La manovra di decollo . . . 63
3.2 Takeoff Parameter . . . 66
3.3 Andamento delle curve T/W in funzione del CL MAX TO al decollo . . 67
3.4 Superficie «flappata»dell’ala . . . 71
3.5 Schema della manovra di atterraggio . . . 74
3.6 Equilibrio delle forze durante il braked roll . . . 75
3.7 Effetti degli ipersostentatori . . . 79
3.8 Principali dispositivi di ipersostentazione . . . 79
3.9 Stima statistica del peso degli ipersostentatori . . . 80
3.10 Vari tipi di profilo . . . 81
3.11 Valori tipici di estensione dei flaps . . . 83
3.12 Calcolo delle prestazioni degli HLD in bidimensionale (2) . . . 84
3.13 Valori tipici dell’efficienza dei flaps - single . . . 87
3.14 Valori dell’efficienza - auxiliary . . . 87
4.1 Andamento statistico del costo dei propulsori in funzione della spinta 93 4.2 Schema di suddivisione dei costi diretti . . . 94
4.3 Schema di missione standard AEA . . . 95
5.1 Escursioni del baricentro - Airbus A330 . . . 103
5.2 Posizione del baricentro della fusoliera (solo struttura allestita) . . . 104
5.3 Posizione baricentro coda orizzontale . . . 105
5.4 Posizione baricentro coda verticale . . . 106
5.5 Posizione baricentro ala (solo struttura) . . . 107
5.6 Posizione baricentro carrello principale . . . 108
5.7 Posizione baricentro impianto propulsivo . . . 108
5.8 Posizione baricentro serbatoio alare . . . 109
5.9 Diagramma «a patate », sistemazione dei passeggeri . . . 110
5.10 Determinazione della posizione dell’ala . . . 111
5.11 Esempi di soluzioni costruttive per l’alloggiamento del carrello . . . 113
5.12 Verifica dell’angolo di seduta . . . 114
5.13 Verifica dell’angolo di turn-over . . . 115
5.14 Verifica dell’equilibrio al suolo . . . 115
5.15 Verifica dell’angolo Φ . . . 116
6.1 TASAP in ambiente Matlab . . . 119
6.2 Struttura del «Run» . . . 121
6.3 Ciclo di Alta Velocità . . . 126
6.4 Algoritmi di scelta iniziale in Alta Velocità . . . 127
6.5 Ciclo per la determinazione della SMD . . . 129
6.6 Struttura di «BC_Min_Drag_Surf» . . . 130
6.7 Struttura di «B_High_Speed» . . . 131
6.8 Strutture del «PostProcessing» . . . 135
6.9 Struttura della modalità multipla e singola del «PostProcessing» . . 136
6.10 Esempio di multiple_plot . . . 138
7.1 A320 - Diagramma di Bassa Velocità - Takeoff . . . 141
7.2 A320 - Diagramma di Bassa Velocità - Landing . . . 142
7.3 A320 . . . 143
7.4 A320 . . . 144
7.5 A320 . . . 145
7.6 A320 . . . 146
7.7 A320 . . . 147
7.8 A330 - Diagramma di Bassa Velocità - Takeoff . . . 148
7.9 A330 - Diagramma di Bassa Velocità - Landing . . . 149
7.10 A330 . . . 150
7.11 A330 . . . 151
7.12 A320 . . . 152
7.13 A330 . . . 153
7.14 A330 . . . 154
7.15 A340 - Diagramma di Bassa Velocità - Takeoff . . . 155
7.16 A340 - Diagramma di Bassa Velocità - Landing . . . 156
7.17 A340 . . . 157
7.18 A340 . . . 158
7.19 A340 . . . 159
7.20 A340 . . . 160
7.21 A340 . . . 161
7.22 B777 - Diagramma di Bassa Velocità - Takeoff . . . 162
7.23 B777 - Diagramma di Bassa Velocità - Landing . . . 163
7.24 B777 . . . 164 7.25 B777 . . . 165 7.26 B777 . . . 166 7.27 B777 . . . 167 7.28 B777 . . . 168 VI
Elenco delle tabelle
1.1 Dati storico statistici delle frazioni in peso per la missione . . . 11
2.1 Spinta massima al decollo (Metodo Statistico) . . . 22
2.2 Metodo di scalatura delle proprietà dei motori . . . 22
2.3 Dati da interpolare per ottenere m . . . 23
2.4 Esempio di spessori relativi massimi nelle sezioni principali . . . . 29
2.5 Fattori di interfernza per le configurazioni analizzate . . . 43
2.6 Dati storico statistici delle frazioni in peso per la missione . . . 50
3.1 Condizioni per i segmenti di salita lungo la traiettoria di decollo . . 68
3.2 Prima stima per i valori di ∆CDo e ∆e con carrelli e flaps estratti . 68 3.3 Resistenza dei componenti del carrello . . . 71
3.4 Dimensionamento statistico delle ruote del carrello . . . 72
3.5 Valori necessari per il calcolo della lunghezza di atterraggio . . . 76
3.6 Condizioni di risalita nel caso di interruzione dell’atterraggio . . . . 77
3.7 Stima statistica del contributo degli ipersostentatori . . . 82
3.8 Angoli tipici per i dispositivi di ipersostentazione . . . 84
4.1 Valori di K in funzione del numero degli alberi . . . 99
4.2 Costanti per il calcolo delle tasse . . . 99
Bibliografia
[1] Daniel P. Raymer: Aircraft Design: A Conceptual Approach Third Edition, AIAA Education Series, Reston, Virginia (1999)
[2] Egbert Torenbeek: Synthesis of Subsonic Airplane Design, Delft University Press, Rotterdam, Netherlands (1976)
[3] Ira H. Abbott and Albert E. Von Doenhoff: Theory of Wing Sections, McGraw-Hill Publications in Aeronautical Science , USA (1949)
[4] Jan Roskam: Airplane design First Printing - 7 Volumes, Roskam Aviation and Engineering Corporation, Ottawa, Kansas (1985)
