Elenco delle figure

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Sommario

Il presente lavoro tratta lo sviluppo di un modello di wind shear e la relativa integrazione in un programma di simulazione di volo in tempo reale con lo scopo di riprodurre, attraverso la simulazione, adeguati segnali di riconoscimento del fenomeno e permettere al pilota di effettuare le opportune manovre di recupero oppure di evasione.

Utilizzando i risultati di un'indagine FAA, riguardante la caratterizzazione delle condizioni meteorologiche in presenza di wind shear associate a gravi incidenti occorsi in fase di avvicinamento, sono individuati e sviluppati cinque livelli del segnale di perturbazione che si differenziano per intensità e variazione spaziale. Il fenomeno è modellato e codificato in ambiente UNIX^® con linguaggio FORTRAN 77. Allo stato attuale non è presente un modello di wind shear validato, quindi allo sviluppo del software segue una verifica della coerenza della risposta del velivolo alle perturbazioni introdotte. Il modello è messo a punto utilizzando la simulazione in tempo reale in collaborazione con piloti collaudatori, responsabili della validazione finale.

Le tracce temporali dei controlli introdotti dall'equipaggio di condotta nel piano longitudinale e laterodirezionale testimoniano la generazione del carico di lavoro sul pilota. Secondo il pilota collaudatore il carico di lavoro, durante la fase di avvicinamento ed atterraggio, è coerente con quello prodotto dal fenomeno reale ed adeguato, quindi, per scopi di addestramento al pilotaggio; relativamente alla fase di decollo, attualmente il fenomeno non è riconoscibile e per questo non è ritenuto rappresentativo. In futuro, si ritiene necessario effettuare uno studio più approfondito atto a caratterizzare meglio il fenomeno in fase di decollo, seguito da un'intensa campagna di prove in tempo reale per riprodurre, il più fedelmente possibile, la risposta del velivolo alle perturbazioni introdotte ed il corrispondente carico di lavoro del pilota.

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Indice

Elenco delle figure iv

Elenco delle tabelle vi

Introduzione 1

1. Contesto di inserimento del modello 3

1.1 Il simulatore di volo 3

1.2 Modello matematico di base 8

1.3 Scelta del sistema di riferimento 9

1.4 Definizione degli angoli di Eulero 12

1.5 Algoritmi di trasformazione 12

1.6 Modello matematico completo del moto del velivolo 14 2. Fenomenologia e modello fisico – matematico del wind shear 16 2.1 Definizione, classificazione, origine del wind shear 16

2.2 Modello matematico del fenomeno 19

2.3 Wind shear verticale ed orizzontale 20

2.4 Equazioni del moto nel piano longitudinale in presenza di

wind shear 21

3. Sviluppo del modello 26

3.1 Requisito per la certificazione FAA di un modello di wind shear

codificato in un simulatore 26

3.2 Macrolinguaggio per la simulazione 27

3.3 Banca dati funzioni 28

3.4 Modello presente 29

3.5 Profili di wind shear 29

3.6 Sviluppo concettuale del modello 32

3.7 Modello di turbolenza associato al wind shear 38

3.8 Operare il modello di wind shear 45

4. Messa a punto del modello sviluppato 50

4.1 Linee generali sulla creazione del programma eseguibile 50 4.2 Inizializzazione e configurazione della simulazione in interattivo 51 4.3 Campagna di prove per individuare e correggere gli errori 57

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4.4 Prove in interattivo della fase di avvicinamento 57

4.5 Prove in interattivo della fase di decollo 83

5. Validazione del modello di wind shear 84

5.1 Cenni sulla simulazione in tempo reale 84

5.2 Campagna di prove tempo - reale 86

5.3 Fase di avvicinamento strumentale in presenza di wind shear 86 5.4 Validazione in tempo reale della fase di avvicinamento 87

5.5 Fase di decollo in presenza di wind shear 101

5.6 Validazione in tempo reale della fase di decollo 102

6. Conclusioni e sviluppi 105

6.1 Conclusioni 105

6.2 Sviluppi futuri 105

Bibliografia 107

Appendice A1 109

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Elenco delle figure

figura 1.1 Simulatore ingegneristico C27-J ed Eurofighter Typhoon, [1]. 4 figura 1.2 C-27J Motion System, Alenia Aeronautica S.p.A. 4 figura 1.3 Ambiente sintetico, Alenia Aeronautica S.p.A. 5 Figura 1.4 Modello - Architettura di simulazione del velivolo C27J Spartan,

Alenia Aeronautica S.p.A. 7

figura 1.5 Angoli di latitudine e longitudine. 9

figura 1.6 Sistema di riferimento adottato. 11

figura 2.1 Alcune delle origini fisiche del fenomeno, [3]. 17 figura 2.2 Sviluppo del wind shear in presenza di fronte delle raffiche, da [3]. 17

figura 2.3 Downburst \ Microburst da [4]. 18

figura 2.4 Composizione velocità risultante. 22

figura 2.5 Effetto del wind shear in prua ed in coda sulla traiettoria del

velivolo in assenza dell'intervento del pilota, [4]. 24 figura 3.1 TMI C27-J Spartan, AMI, Alenia Aeronautica S.p.A. 26 figura 3.2 Sistema di riferimento banca dati - wind shear. 31 figura 3.3 Piano di definizione del campo i-esimo riportato in banca dati,

Y gpip=0 . 32

figura 3.4 Dimensioni tipiche della cella temporalesca ed approssimazione

con fronte rettilineo. 33

figura 3.5 Schema del dominio di calcolo del modello codificato. 36 figura 3.6 Schema di simulazione della turbolenza atmosferica, [14]. 38 figura 3.7 Andamento tipico di uno spettro di potenza tridimensionale, [14]. 41 figura 3.8 Schema di calcolo delle fluttuazioni nello spazio di Laplace. 43 figura 3.9 Schema di applicazione del filtro di Dryden in forma digitale

al segnale casuale. 43

figura 3.10 TMI C-27J Spartan, AMI, Alenia Aeronautica S.p.A. 45

figura 3.11 Posizione velivolo. 47

figura 3.12 Orientamento del riferimento Fgpip . 47

figura 3.13 Schema logico approssimato di funzionamento della

subroutine sviluppata 49

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figura 4.1 Schema di flusso di precompilazione / compilazione, [9]. 50 figura 4.2 Schema di flusso della generazione del file eseguibile, [9]. 51 figura 4.3 Interfaccia grafica per impostare la simulazione in interattivo, [9]. 52

figura 4.4 Selezione del file di input, [9]. 53

figura 4.5 Finestra di selezione quantum e monouvre, [9]. 54 figura 4.6 Posizione del velivolo rispetto al sistema di riferimento Fgpip . 61 figura 4.7 Velocità caratteristiche in assenza di wind shear. 62 figura 4.8 Profilo di wind shear al variare del tempo, turbolenza inibita,

livello_1. 64

figura 4.9 Variazione della componente um . Livello_1. 66 figura 4.10 Variazione della componente wm . Livello_1. 67 figura 4.11 Velocità di perturbazione in assi corpo. Campo medio. Livello_1. 69 figura 4.12 Velocità angolari. Turbolenza inibita. Livello_1. 70 figura 4.13 Angoli caratteristici del piano longitudinale.

Risposta al livello_1. Turbolenza inibita. 71

figura 4.14 Angoli del piano laterodirezionale. Turbolenza inibita. Livello_1. 72 figura 4.15 Velocità lineari in presenza di wind shear. Turbolenza inibita.

Livello_1. 73

figura 4.16 Traiettoria in presenza di wind shear. Turbolenza inibita. Livello_1. 74 figura 4.17 Contributo fluttuante alle velocità di perturbazione medie,

riferimento FE . Livello_1. 76

figura 4.18 Componenti di perturbazione in assi corpo. Turbolenza attiva.

Livello_1. 77

figura 4.19 Velocità lineari in presenza di wind shear con filtro di

Dryden attivo. Riferimento FE .Livello_1. 79

figura 4.20 Traiettoria in presenza di wind shear. Turbolenza attiva. Livello_1. 80 figura 4.21 Angoli del piano longitudinale. Turbolenza attiva. Livello_1. 81 figura 4.22 Angoli del piano laterodirezionale. Turbolenza attiva. Livello_1. 82 figura 5.1 Schema di massima del sistema di simulazione in tempo reale,

Alenia Aeronautica S.p.A. 84

figura 5.2 Frequenza naturale della dinamica del velivolo, duty cycle, [18]. 85 figura 5.3 Sentiero ILS, autopilota, auto-manetta, wind shear inibito. 89

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figura 5.4 Angoli del piano longitudinale, autopilota, auto-manetta,

wind shear inibito. 90

figura 5.5 Angoli del piano laterodirezionale, autopilota,

auto-manetta, wind shear inibito. 91

figura 5.6 Escursione comandi in cabina, autopilota, auto-manetta,

figura 5.7 Assetto sistema propulsivo, autopilota, auto-manetta,

figura 5.8 Approccio, wind shear livello_1. 95

figura 5.9 Angoli del piano longitudinale, wind shear, livello_1. 96 figura 5.10 Angoli del piano laterodirezionale, wind shear livello_1. 97 figura 5.11 Escursione dei comandi in cabina, wind shear livello_1 98 figura 5.12 Assetto sistema propulsivo, wind shear livello_1. 99 figura 5.13 Storia temporale del campo medio di vento affrontato, livello_1 . 100

figura 5.14 Decollo, wind shear livello_1. 103

figura 5.15 Unica velocità di perturbazione rilevante in fase di decollo,

livello_1. 104

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Elenco delle tabelle

tabella 1.1 Livelli di qualificazione di un simulatore di volo,

FAA AC 120 – 40B. 6

tabella 2.1 Classificazione dei livelli di wind shear. 16 tabella 3.2 Intervallo di definizione del campo di velocità. 33

tabella 3.3 Volume di calcolo definitivo. 34

tabella 4.1 Guadagni posti sui livelli si wind shear nella fase di avvicinamento. 58

tabella 4.3 Legenda pagina di intestazione. 59

tabella 4.4 Condizioni di inizio simulazione, fase terminale di approccio. 60 tabella 4.5 Guadagni posti sui livelli si wind shear nella fase di decollo. 83