Parte II
Sistema di estrazione del Fowler
Flap anteriore
Capitolo 3
Fowler Flap dell’idrovolante Idintos
Introduzione
L’adozione di un sistema di ipersostentazione, consente di soddisfare i requisiti di portanza in atterraggio ed in decollo.
Le caratteristiche sono riassunte nei seguenti punti:
• Incremento della curvatura del profilo;
• Controllo dello strato limite tramite una migliore distribuzione di pressione, che consente di avere coefficienti di portanza elevati senza incorrere in fenomeni di stallo;
• Incremento della superficie di riferimento dell’ala, con conseguente diminuzione del carico alare.
È possibile considerare gli ipersostentatori appartenenti a due diverse tipologie:
• Ipersostentatori di bordo d’attacco: posticipano i fenomeni di stallo al bordo d’attacco con ridotto effetto sull’estensione della superficie di riferimento
• Ipersostentatori di bordo d’uscita: aumentano la curvatura del profilo e migliorano il flusso nella zona del bordo d’uscita; ciò può essere accompagnato da una diminuzione del massimo angolo di incidenza raggiungibile causando fenomeni di stallo al bordo d’attacco.
I sistemi di ipersostentazione sono differenti per tipologia e per efficienza funzionale;
una immagine riassuntiva (ma non esaustiva) è riportata in Figura 3.1.
• Slotted flaps: possono essere single, double o triple slot ma il loro scopo è sempre quello di aumentare la curvatura e nei più complessi di estendere la corda. Le fessure (slot) tendono a limitare i fenomeni di stallo dando energia allo strato limite soffiandolo; le fessure possono avere un area fissa (fixed vane) oppure variabile con la geometria (variable geometry).
• Fowler flaps: sono caratterizzati da una superficie estensibile e rotante che aumen- ta sia la corda che l’inarcamento del profilo. Il funzionamento è sostanzialmente identico ai precedenti, ma si evidenzia una marcata fuoriuscita del flap.
Figura 3.1: Differenti tipologie di flap
• Slats: forniscono contemporaneamente una fessura, un aumento di curvatura e di superficie alare.
Generalmente i sistemi di ipersostentazione che permettono di realizzare incrementi di Cl e αstallo maggiori sono anche quelli che richiedono la maggiore complessità realizzativa. La semplicità di realizzazione diviene un parametro progettuale molto importante, specialmente nel caso dei velivoli ultraleggeri destinati ad un uso sportivo e non commerciale. Per tale motivo i sistemi plain flap sono utilizzati nella quasi totalità dei velivoli leggeri e ultraleggeri. Qualora però l’aumento del Cl sia insufficiente (come nel caso di Idintos) le scelte progettuali ricadono su sistemi di tipo Fowler Flap che garantiscono un buon compromesso tra aumento del Cl e del αstallo e una difficoltà realizzativa ancora accettabile.
3.1 Fowler Flap dell’idrovolante Idintos
Data la necessità di avere elevati coefficienti di portanza in atterraggio sopratutto sull’ala anteriore è stato necessario dotare l’ala anteriore di un Fowler Flap.
Il Flap è costituito da un’ala a freccia non rastremata i cui parametri geometrici sono riportati in Tabella 3.1.
L’ala è priva di svergolamento e quindi l’inviluppo delle corde definisce un piano.
L’aerodinamica richiede che il fowler operi in tre posizioni:
• Posizione 1 Durante il volo di crociera esso è retratto all’interno della sua sede ricavata all’interno dell’ala (Figura 3.2 Posizione Retratta)
• Posizione 2 Estratto al decollo (Figura 3.2 Posizione 20°)
• Posizione 3 Estratto all’atterraggio (Figura 3.2 Posizione 30°)
Dati del Fowler Retratto
Corda 305.55mm
Apertura 2340mm
Angolo di freccia 4.25°
Angolo di diedro 5.73°
Tabella 3.1: Parametri fondamentali del fowler
Figura 3.2: Angoli di estrazione del Flap in 2D
L’ala anteriore del velivolo ha una freccia, un angolo di diedro ed è rastremata, mentre il Flap è a corda costante.
La conseguenza di questa differenza è che il flap non è omotetico rispetto all’ala, sono stati quindi condotti degli studi ([4] [5]) atti a definire la posizione che renda il migliore CL possibile con tale geometria.
Nel caso bidimensionale i parametri che influenzano il Cl massimo ottenibile dal profilo flappato sono i seguenti:
1. Distanza verticale del bordo di attacco del flap al bordo di uscita dell’ala (adimensionalizzata sulla corda dell’ala col flap retratto).
2. Distanza orizzontale del bordo di attacco del flap al bordo di uscita dell’ala (adimensionalizzata sulla corda dell’ala col flap retratto).
3. Angolo del Flap.
Con riferimento al caso bidimensionale si riporta la Figura 3.3 tratta dalla letteratura dalla quale si deduce il valore di Cl massimo al variare della posizione del bordo di attacco del flap riferito al profilo base.
Gli studi condotti ([4]) hanno confermato che Il massimo Cl ottenibile dal profilo flappato si ottiene quando il bordo di attacco del Flap si trova sotto la verticale del bordo di uscita dell’ala ad una distanza pari al 1,5% della corda dell’ala non flappata.
A causa della rastremazione dell’ala risulta che lo spostamento verticale del flap alla radice è maggiore dello spostamento verticale del flap al suo tip; in particolare il bordo di attacco in posizione retratta forma un angolo con se stesso in posizione estesa di 0,2°(0,2132°teorici)
Di conseguenza il movimento dalla posizione retratta alla posizione 2 non è piano ma tridimensionale, composto di traslazione e rotazione.
Figura 3.3: Mappa del Cl a seconda delle posizioni del Fowler
Prendendo come punto di riferimento il bordo di attacco al suo estremo alla radice del fowler e scomponendo il movimento in due fasi (prima una traslazione pura poi in seguito una rotazione pura) si ha:
• Traslazione pura lungo l’asse X di 225mm
• Traslazione pura lungo l’asse Z di 2.7mm
• Rotazione pura intorno ad un parallelo dell’asse X passante per il punto di 0.037°
Il passaggio dalla posizione 2 alla 3 è invece una rotazione pura di 10°intorno al nuovo bordo di attacco.
La posizione 2 e 3 del Fowler Flap è stata studiata come la migliore possibile a livello aerodinamico, ma, come si vedrà in seguito, non esiste un sistema di estrazione ad un solo grado di libertà che consenta di ottenere esattamente le due posizioni desiderate;
si tratterà allora di determinare quale è la migliore approssimazione.
Il passaggio dalla posizione retratta alla posizione 2 apre il gap tra l’ala e il fowler;
come si vede in nel grafico di Figura 3.4 la dimensione del Gap ha un andamento lineare ed è più largo alla radice e più stretto all’estremità.
In Figura 3.5 Sono riportate le posizioni del Flap a diverse stazioni lungo l’apertura dell’ala.
Figura 3.4: Andamento Teorico del GAP
Figura 3.5: Dimensioni del Gap a diverse sezioni dell’ala
3.2 Sistemi di Movimentazione o Estrazione [1]
Il sistema di movimentazione deve garantire lo spostamento del Flap dalla posizione retratta alla posizione di arrivo passando attraverso gli step intermedi, che includono le condizioni di flap esteso per il decollo.
Dal punto di vista meccanico il principio cardine che guida la definizione di un cinematismo di estrazione è la quantità di gradi di libertà necessari per attuare il movimento.
Nel presente lavoro di tesi si è scelto di studiare sistemi di estrazione ad un solo grado di libertà. Tale scelta è dettata sopratutto dalla necessità di avere un sistema semplice e leggero, che non necessiti complicati sistemi di controllo e che limiti al minimo le componenti meccaniche ed elettroniche.
La scelta preliminare del sistema di estrazione ricadrà su 3 diversi tipi di meccanismi, per poi concentrarsi intorno ai 2 sistemi che meglio realizzano le specifiche di progetto.
I sistemi di estrazione sono quelli sottoelencati.
• Sistema a cerniera.
• Sistema a 3 leveraggi disposti a U
• Sistema di estrazione con guide pure
3.3 Sistema a cerniera
Il sistema a Cerniera consiste in una cerniera la cui parte fissa è attaccata solidal- mente all’ala e la cui parte mobile è attaccata solidalmente al fowler Flap; un disegno schematico di una soluzione a cerniera può essere visto in Figura 3.6
Partendo dalle conoscenza della posizioni retratta ed estesa è possibile determinare un univoco centro di rotazione per il fowler.
Se lo spostamento del Flap è molto grande in direzione longitudinale, la posizione della cerniera cadrà molto in basso e richiederà ingombranti supporti.
Un’altra limitazione del sistema a cerniera semplice è che l’atto di moto è puramente rotatorio; (il centro delle velocità si mantiene fisso sulla cerniera), di conseguenza, essa garantisce solo le posizioni intermedie che stanno nell’atto di moto, quindi se vi sono posizioni intermedie che non giacciono sull’atto di moto rotatorio, esse non possono essere raggiunte (vedi la posizione 2); inoltre la rotazione è per sua natura un movimento perfettamente piano e, quindi, non si potrà realizzare qualsivoglia tipo di rotazione che non giaccia nel piano perpendicolare all’asse della cerniera stessa.
Nel caso del Fowler Flap di Idintos il rispetto della posizione 3 non consente di ottenere la posizione a 2 in modo esatto in quanto non è possibile fare ruotare il fowler intorno il proprio bordo di attacco senza aggiungere un ulteriore grado di libertà al sistema.
Prendendo come elemento di riferimento il profilo del fowler in mezzeria, retratto ed estratto in posizione 3 si può determinare per via grafica l’unica posizione possibile per la cerniera; dalla Figura 3.7 si può vedere che la cerniera di rotazione è posizionata a 400mm dal piano delle corde dell’ala, sarebbe quindi necessario dotare l’ala di una ingombrante struttura atta a sostenere la cerniera e dotare il flap di un lungo fazzoletto che permetta di collegare il flap stesso alla parte mobile della cerniera. Inoltre tale struttura, per approssimare al meglio la traslazione del bordo di attacco, dovrebbe
Figura 3.6: Sistema di estrazione dotato di cerniera.
essere orientata perpendicolarmente alla corda del fowler e quindi risulterebbe ad una incidenza di circa 4°rispetto alla direzione del flusso asintotico.
Un ultimo aspetto negativo della soluzione è che l’intera struttura è sita sull’ala anteriore, la quale è quella più vicina al pelo dell’acqua.
Figura 3.7: Posizione dell’asse di cerniera per passare dalla condizione retratta a quella a 30°
Per i motivi sopracitati la soluzione con cerniera semplice viene scartata.
3.4 Sistema a quadrilatero articolato
Il sistema di estrazione a quadrilatero è relativamente semplice dal punto di vista
La biella 1 è incernierata fissa all’ala nel punto A e collegata alla biella 2 mediante la cerniera mobile B, il fowler Flap è rigidamente connesso alla biella 2 la quale a sua volta è connessa alla biella 3 mediante la cerniera mobile C la quale si riconnette all’ala (telaio) mediante la cerniera fissa D chiudendo il cinematismo e limitando la libertà del
sistema ad un solo grado di libertà.
Il comando può essere attuato sulla cerniera A o quella D; per necessità di spazio, sarà usata la cerniera A per comandare il meccanismo.
L’atto di moto, anche se si svolge con soluzione di continuità, può essere diviso sostanzialmente in due fasi (Vedi Figura 3.9)
1. Fase in cui è prevalente la componente di traslazione (Immagini 1-2-3-4 in Figura 3.9)
2. Fase in cui è prevalente la componente rotazionale (Immagini 5-6 in Figura 3.9) Tale comportamento del cinematismo è dovuto al percorso che compie il centro delle velocità, nella prima fase del moto il centro delle velocità è molto lontano, quindi si può assimilare il movimento ad un movimento puramente traslatorio, in un secondo momento invece esso risale molto rapidamente e nelle ultime fasi del moto si trova in prossimità del bordo di attacco del Fowler, causando una rotazione quasi pura.
Il sistema si adatta in maniera molto particolare al problema del fowler flap di Idintos in quanto consente di interecettare quasi perfettamente la posizione a 30°e di avvicinarsi con una approssimazione accettabile alla posizione a 20°, esso comunque è un atto di moto piano e quindi non permette di ottenere la leggera rotazione intorno all’asse X del bordo di attacco.
Figura 3.8: Sistema di estrazione a quadrilatero articolato.
Figura 3.9: Sequenza di estrazione numerata
3.5 Sistema di estrazione mediante guide
Il sistema di estrazione a guide è più complesso del sistema di attuazione mediante quadrilatero articolato; nelle figure 3.10 3.11 3.12 sono riportate le immagini del sistema di estrazione dello SKYLEADER 600 , uno dei pochi velivoli di classe ULM ad essere equipaggiato di Fowler flap con estrazione a guide. In Figura 3.10 le due guide si possono vedere agli estremi destro e sinistro del Flap. La Figura 3.11 illustra un dettaglio delle guide mentre in Figura 3.12 si può vedere il flap completamente esteso.
Figura 3.10: Sistema di estrazione mediante guide dello SKYLEADER 600
Il Flap si appoggia sulle guide mediante 4 perni di scorrimento e viene spinto nella posizione desiderata mediante meccanismi che possono variare di macchina in macchina.
Nel caso dello SKYLEADER 600 l’attuazione avviene mediante due barre di spinta site al root e al tip del fowler, attuate mediante una cremagliera.
Analizzando il percorso delle due guide si può vedere come la prima fase del moto sia puramente di traslazione mentre l’ultima fase sia di rotazione e assestamento nella posizione definitiva.
Figura 3.11: Dettaglio delle guide del sistema di estrazione dello SKYLEADER 600
Figura 3.12: SKYLEADER 600 con il Flap estratto, si notino i perni di scorrimento.
Come tutti i sistemi di estrazione ad un solo grado di libertà sino ad ora analizzati, anche il presente sistema ha dei vantaggi e degli svantaggi.
Il sistema ha il vantaggio di adattarsi al problema del fowler flap di Idintos in quanto consente di intercettare perfettamente la posizione 3; disegnando opportunamente le due guide, si può ottenere anche la inclinazione desiderata del bordo di attacco.
Un altro vantaggio è la possibilità di poter controllare tutto il transitorio dello spostamento del fowler punto per punto, a differenza del sistema a quadrilatero articolato si potevano determinare le sole due posizioni in cui passava il cinematismo ma non si poteva determinare il percorso fatto per raggiungerli.
Questo pregio permette di controllare meglio l’aerodinamica del transitorio dell’e- strazione.
Dal lato opposto lo svantaggio maggiore è rappresentato dall’irraggiungibilità della posizione 2 ; Come già visto, la transizione tra la posizione 2 e 3 è una rotazione pura intorno al bordo di attacco.
In Figura 3.13 è riportato un sistema di guide ideale che permette di traslare le posizioni del fowler da quella iniziale a quella finale.
Il bordo di attacco verrebbe trascinato lungo la guida arancione mentre il bordo di
uscita verrebbe trascinato lungo la guida verde.
Come si può vedere dalla Figura per realizzare sia il passaggio in posizione 2 sia l’arrivo alla posizione 3 sarebbe necessario che il primo tratto sia un tratto rettilineo mentre il secondo tratto sia un arco di cerchio puro, con il bordo di attacco fissato sul fondo corsa della guida arancione; questa condizione però sposta il centro istantaneo di rotazione sul bordo di attacco del fowler e quindi si riducono drasticamente i bracci di leva del cinematismo.
In particolare bisogna scegliere con cura il posizionamento del punto di spinta del sistema di estrazione; sempre in Figura 3.13 sono indicati tre cerchietti di colore verde che identificano le tre possibili posizioni di un punto di spinta:
1. Punto di spinta 1 sopra il bordo di attacco 2. Punto di spinta 2 sul bordo di attacco 3. Punto di spinta 3 sotto il bordo di attacco
Il punto di spinta 1 si evolve nel tempo andando dalla del cerchietto giallo a quella del cerchietto rosso come indicato dalle frecce, si ha un unica direzione di spinta per tutto l’atto di moto.
Stessa cosa accade per il punto di spinta 2 nella quale cerchietto giallo e cerchietto rosso coincidono e rende impossibile la rotazione dalla posizione 2 a quella 3.
Per il punto di spinta 3 invece si ha che per realizzare il moto prima si deve spingere il fowler sino alla posizione a 20°poi bisogna tirare indietro in modo che si faccia fare la rotazione in senso orario al Fowler.
A livello costruttivo la soluzione con il punto di spinta 1 non è realizzabile in quanto in prossimità del fowler l’ala ha uno spessore molto piccolo e non vi è lo spazio necessario a creare un fazzoletto che permetta di innestare la barra di spinta senza sbucare dal dorso dell’ala stessa.
Il sistema basato sul punto di spinta 2 è inefficiente proprio per la sua impossibilità di far ruotare il fowler.
A livello teorico il sistema con il punto di spinta 3 sarebbe fattibile, ma senza adeguati fondocorsa, o dei sistemi che blocchino il bordo di attacco nella sua posizione intermedia, si rischierebbe che il fowler risalga lungo le guide, all’indietro, anziché ruotare in posizione finale. Inoltre sarebbe necessario un controllo, elettronico o meccanico della posizione del fowler che trasmetta poi al motore di comando se spingere o tirare. Tutti questi ulteriori dispositivi (fondocorsa, controllo elettronico) aggiungono gradi di libertà virtuali al problema, e quindi non si soddisfa le condizioni necessarie del progetto ovvero quella di un solo grado di libertà e quella maggiore semplicità costruttiva possibile.
In conclusione, non potendo sfruttare un sistema di spinta dall’alto si deve per forza rinunciare alla posizione a 20° tentando di approssimarla nel migliore dei modi.
Figura 3.13: Ipotesi di guide che permettano il passaggio sia a 20°sia a 30°
