Capitolo 1 - Introduzione ed obiettivo della tesi
1. Introduzione ed obiettivo della tesi
1.1. Descrizione del sistema Dati Aria
Un sistema Dati Aria (Air Data System, ADS) è l’insieme degli apparati del velivolo dedicati alla stima delle grandezze caratteristiche del volo, quali
• Pressione statica ambiente (Psa) • Numero di Mach (M)
• Angolo di incidenza (α) • Angolo di derapata (β)
a partire dalla misurazione di grandezze locali esterne.
L’ADS in esame è caratteristico di un velivolo ad elevate prestazioni ed è costituito, nella sua parte dedita alle misurazioni, da quattro sonde (Fig. 1a) installate nella parte anteriore della fusoliera e capaci di autoallinearsi con la direzione locale del flusso aerodinamico. La singola sonda è rappresentata in Fig. 1a.
Fig. 1a – Sonda dell’ADS
Come si vede, le sonde hanno forma tronco conica e sono dotate di cinque prese di pressione distribuite su un angolo di 180°.
Annullando la differenza di pressione tra le prese Pa e Pb avviene l’allineamento della sonda con la direzione del flusso locale.
A questo punto la Frontal slot risulta allineata a tale direzione e misura una pressione
Pfront assimilabile alla pressione totale locale, mentre le prese slot risultano posizionate a 1
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2
90° rispetto alla direzione del flusso e misurano due valori Pslot la cui media è assimilabile alla pressione statica locale.
In conclusione ognuna delle quattro sonde fornisce tre dati:
• Angolo di flusso locale λi misurato da un apposito trasduttore di rotazione • Pressione Pfront
• Pressione Pslot
Le misure fornite dalle sonde non danno informazioni dirette sui parametri di volo, che tuttavia possono essere stimati mediante l’elaborazione di suddette misure, operata da opportuni algoritmi facenti parte della procedura di calcolo implementata nell’Air Data
Module (ADM) del Flight Control System (FCS).
Per poter garantire stime accurate dei parametri di volo è necessario che gli algoritmi tengano in considerazione anche la velocità angolare e la configurazione del velivolo in termini di deflessione delle superfici mobili e di posizione del carrello.
In Fig. 1b si riassumono schematicamente i dati di ingresso e di uscita del sistema Dati Aria:
Sonde Dati Aria
Air Data Module
(ADM)
λi (i = 1, .. ,4)
Pfront i (i = 1, .. ,4)
Pslot i (i = 1, .. ,4)
Ω (dai sensori inerziali)
Configurazione velivolo
Psa , Pt , M∞ α , β
Informazioni sullo stato del sistema
Fig. 1b – Dati di ingresso ed ucita del sistema ADM
Gli algoritmi dell’ADM sviluppati presso il Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale in precedenti lavori, [1], permettono di ottenere una stima del numero di Mach e della pressione statica a partire dalle due misure di pressione di una generica sonda. Di conseguenza, considerando tutte e quattro le sonde è possibile ottenere quattro stime di M∞ e Psa.
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La singola misura angolare fornita da una sonda non permette invece di risalire agli angoli α e β, in quanto dipende dagli effetti combinati di entrambi gli angoli suddetti. Una stima di α e β è quindi possibile solo considerando contemporaneamente due misure di angoli di flusso locali (λi , λj).
Le sei possibili coppie (λi , λj) permettono di ottenere sei coppie (αij , βij), nominalmente identiche, ma in realtà diverse a causa degli errori dovuti sia all’accuratezza delle misurazioni delle sonde sia alle approssimazioni del processo di calcolo.
Il modulo ADM deve tuttavia fornire, per ciascuno dei parametri incogniti, un'unica soluzione consolidata, ovvero non affetta da errori indotti da eventuali avarie delle sonde.
Per tale motivo L’ADM comprende anche altri due tipi di algoritmi:
• Algoritmi di voting, che si occupano di generare un’unica soluzione consolidata partendo dalle diverse stime.
• Algoritmi di monitoring, che si occupano di escludere dal processo di calcolo i dati derivanti dalle sonde in avaria.
Gli algoritmi di voting operano fino a quando sono disponibili almeno due stime dei parametri considerati, ed è quindi evidente come il tipo di avaria maggiormente critica sia quella legata alle misure angolari. Infatti la perdita di due misure angolari comporta l’impossibilità di ottenere una stima consolidata di α e β in quanto in tal caso è disponibile una sola coppia (λi , λj). Se invece si hanno due avarie di pressione il sistema riesce comunque a fornire una soluzione consolidata di M∞ e Psa in quanto sono ancora disponibili due stime di tali parametri. Solo alla terza avaria nelle misure delle pressioni locali non è più possibile ottenere soluzioni consolidate.
In conclusione, anche in presenza di avarie che rendono impossibile la stima degli angoli di incidenza e derapata può essere ancora possibile ottenere una stima di M∞ e Psa. Ciò è molto importante in quanto questi ultimi due parametri possono rivestire un ruolo più critico di α e β nelle leggi di controllo.
1.2. Obiettivo della tesi
Nella situazione di guasto delineata alla conclusione del paragrafo precedente, per poter garantire una stima accurata della pressione statica e del numero di Mach occorre avere comunque a disposizione un valore, anche non estremamente preciso, degli angoli di
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incidenza e derapata del velivolo, come dimostrato in [2].
Non potendo utilizzare in tale circostanza le misure angolari delle sonde, si è sentita l’esigenza di sviluppare un sistema alternativo per la determinazione dei suddetti angoli.
La presente tesi illustra alcune metodologie di calcolo per la determinazione di α e β a partire dalle misure di fattore di carico dei sensori inerziali, le quali sono state sviluppate e convalidate basandosi sui dati di volo di un moderno velivolo ad elevate prestazioni.
Questo sistema, oltre a sostituire il processo di calcolo degli angoli nella situazione di guasto sopra decritta, può migliorare comunque le prestazioni dell’ADM, in special modo nelle fasi di manovra durante le quali il transitorio aerodinamico rende meno precise le misure angolari delle sonde.
Pur facendo riferimento ad uno specifico velivolo si è cercato di concepire gli algoritmi di analisi dei dati di volo e di determinazione degli angoli in maniera che essi possano essere applicabili anche a velivoli di diversa natura.
Si è cercato inoltre di porre attenzione a tre aspetti ritenuti fondamentali per un buon funzionamento del sistema, riguardanti la potenza di calcolo, la quantità di memoria richiesta ai computers di bordo e l’affidabilità, per la quale si è cercato di limitare al massimo la necessità di segnali provenienti da altri sistemi di bordo.
Per ragioni di riservatezza industriale si è ritenuto opportuno evitare di mostrare sia i dati di volo utilizzati per la determinazione dei modelli matematici, sia i valori dei coefficienti determinati. Pertanto tutti i grafici ricollegabili ai dati di volo vengono presentati privi dei valori numerici sulle scale delle ordinate e delle ascisse.
