IT201600070114A1

IT201600070114A1 - Ala deformabile gonfiabile con modifica dietro comando del profilo aerodinamico

Info

Publication number: IT201600070114A1
Application number: IT102016000070114A
Authority: IT
Inventors: Giovanni Berselli; Luca Bruzzone
Original assignee: Giovanni Berselli
Priority date: 2016-07-06
Filing date: 2016-07-06
Publication date: 2018-01-06

Description

“ALA DEFORMABILE GONFIABILE CON MODIFICA DIETRO COMANDO

DEL PROFILO AERODINAMICO”

La presente invenzione riguarda in generale le strutture aerodinamiche gonfiabili (sigla internazionale “IAS”: inflatable aerodynamic structures). In particolare riguarda la realizzazione dell’ala (o delle ali) deformabile gonfiabile della struttura aerodinamica con possibilità di modificare, dietro comando, il profilo aerodinamico di essa.

Si definisce IAS una struttura membranale (altamente cedevole) capace di assumere un profilo aerodinamico, ottenendo nel contempo una opportuna rigidezza strutturale, grazie ad un differenziale di pressione che agisce sulla struttura stessa. Tale differenziale di pressione può essere ottenuto attraverso un dispositivo per il gonfiaggio controllato, oppure attraverso un flusso relativo tra la struttura IAS e l’aria (similmente a quanto accade nei paracadute ad ala). In genere, le IAS sono strutture passive, oppure attuate mediante attuazione remota e meccanismi per la trasmissione di potenza (come, ad esempio, meccanismi a cavi collegati a motori elettrici o trazionati manualmente). Allo stato dell’arte, la particolarità delle IAS è l’impossibilità di realizzare sistemi ad attuazione distribuita, in quanto non sono disponibili attuatori (opportunamente cedevoli) in grado di sostenere il processo di gonfiaggio e sgonfiaggio.

In generale, strutture aerodinamiche IAS con capacità di cambiamento di forma controllabili sono fortemente richieste per una grande varietà di applicazioni, in ingegneria aeronautica, aerospaziale, navale e trasporto, grazie alla possibilità che hanno di essere riposte in volumi molto piccoli, ripiegate come richiesto, e attivamente deformate secondo vari scenari operativi.

Esempi particolari, sono antenne spaziali gonfiabili, vele solari (solar sails), deceleratori aerodinamici, dispositivi di galleggiamento / recupero, e veicoli aerei / subacquei, e tute alari.

Riguardo alle tute alari, esse sono particolari tute che vengono indossate in modo da accentuare il rateo di planata durante la caduta libera. Allo state dell’arte, le tute alari comprendono ali gonfiabili poste sotto le braccia, tra le gambe e tra le braccia e capo. Tali profili possono essere parzialmente (ma poco efficientemente) deformate dal movimento del corpo. Non è possibile realizzare una deformazione localizzata dell’ala (come avviene nei flap degli aerei in atterraggio), al fine di incrementare momentaneamente portanza e resistenza al moto.

Purtroppo, nonostante i più recenti progressi nella scienza dei materiali intelligenti (“smart”), lo sviluppo di un sistema di azionamento, in grado di fornire in modo ottimale la necessaria leggerezza, flessibilità e conformabilità intrinseca per l'utilizzo efficace in diversi sistemi basati su IAS rimane un compito scientifico e tecnologico tuttora senza risposta ed estremamente impegnativo.

Uno scopo dell’invenzione è di superare i limiti attuali delle strutture IAS sopra delineati.

Detto ed altri scopi sono raggiunti dal trovato in oggetto così come si caratterizza nelle rivendicazioni.

L’invenzione prevede l’utilizzo di attuatori realizzati secondo una recente tecnologia basata su elastomeri elettroattivi (internazionalmente conosciuti come “EE”: electroactive elastomers) con proprietà di attuatori anisotropi; questa recente tecnologia prevede attuatori composti da membrane di elastomero ricoperte da elettrodi cedevoli (eventualmente disposte una sull’altra – attuatore multistrato) in grado di deformarsi sotto l’azione di un campo elettrico di adeguata intensità (e.g.

30-200MV/m). La deformazione della membrana può essere utilizzata per produrre lavoro meccanico

Grazie all’invenzione è possibile realizzare un’ala di struttura aerodinamica IAS, quindi una struttura altamente cedevole e ripiegabile, in grado di modificare dietro comando il proprio profilo aerodinamico, sostanzialmente allo stesso modo delle ali di strutture rigide aerodinamiche.

In particolare diviene possibile realizzare profili alari gonfiabili continuamente deformabili, flaps e slats deformabili, strutture areo/idrodinamiche ripiegabili (e.g. paracadute ad ala, aquiloni (kite), tute alari deformabili (wingsuits)).

Ad esempio, in applicazione su tuta alare, l’invenzione permette di realizzare una manovra di “flare”, in cui portanza e resistenza vengono momentaneamente incrementate (con la possibilità di simulare la procedura di atterraggio dei moderni paracadute ad ala a comando manuale).

Allo stato dell’arte, la deformazione di tali strutture avviene grazie a comandi remoti (i.e. motori elettromeccanici e dispositivi di trasmissione del moto), i quali non risultano in grado essere ripiegati e distesi).

Al contrario, secondo l'invenzione, gli attuatori EE utilizzati, grazie alla loro cedevolezza intrinseca, possono essere disposti in modo ottimale sulla superficie alare o internamente all’ala e poi ripiegati assieme all’ala stessa. Rispetto a qualsiasi altra soluzione basata su materiali attivi (e.g. piezo-attuatori, materiali a memoria di forma), gli EE posseggono maggior flessibilità, migliori rapporti peso/forza e peso/potenza, maggiori escursioni in fase di attuazione (e.g.100% di dilatazione). L’invenzione viene esposta in dettaglio nel seguito con l'aiuto delle allegate figure che ne illustrano una forma, a titolo di esempio e non esclusiva, di attuazione. La FIG.1 è una vista prospettica di una ala deformabile gonfiabile secondo l'invenzione sezionata secondo un piano verticale longitudinale.

La FIG.2 è una sezione secondo il piano verticale longitudinale dell’ala di Fig.1. La FIG.3 è un particolare ingrandito di Fig.2.

La Fig. 3A è un particolare ingrandito come la Fig. 3, di una forma di attuazione semplificata.

La FIG.4 è una vista prospettica in scala ingrandita ed in esploso, di una porzione del mezzo attuatore ad elastomeri elettroattivi.

La FIG.5A è una sezione della porzione del mezzo attuatore di cui a Fig.4, ove il mezzo attuatore è in una prima configurazione operativa

La FIG.5B è una sezione della porzione del mezzo attuatore di cui a Fig.4, ove il mezzo attuatore è in una seconda configurazione operativa

La FIG.6A è una vista in pianta dall’alto della porzione del mezzo attuatore di cui a Fig.5A, ove è visibile lo strato a forma di rete.

La FIG.6B è una vista in pianta dall’alto della porzione del mezzo attuatore di cui a Fig.5B, ove è visibile lo strato a forma di rete.

L’invenzione riguarda un’ala deformabile gonfiabile, indicata in modo generale con 10 nelle figure.

In Fig.1 è illustrata, a titolo di esempio, una ala gonfiabile tipica per realizzare una portanza su un veicolo aerodinamico o idrodinamico.

Tuttavia l’ala può avere anche applicazione diversa, ad esempio quale parte di tute alari (tra braccia e torso e/o tra le gambe dell’utilizzatore), come impennaggio in velivoli, come dispositivo per la decelerazione controllata in fase di atterraggio, come manipolatore per il pick-and-place di oggetti fragili, come poltrona gonfiabile a geometria variabile, come tecnologia di attuazione per dispositivi a geometria variabile con multi-attuazione distribuita.

L’ala 10 è deformabile e gonfiabile e presenta una struttura che, in condizione operativa, è sufficientemente rigida e praticamente indeformabile in quanto al suo interno l’aria possiede una pressione opportuna (normalmente del valore di circa 40-190kPa, dipendentemente dalle dimensioni dell’ala e dalla velocità relativa).

La parte anteriore dell’ala 10 (sul lato sinistro della figura 1) ha profilo fisso mentre la parte posteriore (a destra) ha profilo fisso e tuttavia deformabile in modo che, pur mantenendo una forma sufficientemente fissa può assumere dietro comando un profilo aerodinamico più o meno inclinato rispetto alla parte fissa.

L’ala 10 comprende, una pluralità di camere 20 adiacenti, gonfiabili, unite solidalmente tra loro, allineate lungo il profilo alare longitudinale, separate da pareti flessibili intermedie 21 (sostanzialmente verticali secondo la forma di attuazione illustrata in Fig.1 e 2).

Secondo l'invenzione, l’ala 20 comprende almeno una camera attiva 20A al cui interno è posto almeno un mezzo attuatore 30 a forma di lastra, relativamente sottile, la cui struttura è basata su elastomeri elettroattivi. Il mezzo attuatore 30 attraversa la camera stessa, e la sua attivazione determina la variazione della sua lun ghezza, ed in conseguenza di ciò, uno spostamento generale di rotazione (normalmente di pochi gradi) della camera 20A rispetto all’altra camera cui è unita.

Preferibilmente, il mezzo attuatore 30 è disposto in modo diagonale nella camera 20A.

Secondo la forma di attuazione illustrata in Fig.1 e 2, l’ala comprende più camere 20B fisse (ossia non deformabili quando l’ala è operativa) poste nella parte anteriore dell’ala, mentre nella parte posteriore, l’ala comprende più camere operative 20A, disposte in serie ciascuna provvista di almeno uno (due nella figura) mezzo attuatore 30, mediante il quale è possibile ottenere una variazione regolata e controllata della inclinazione del profilo aerodinamico dell’ala tipico degli aeromobili a struttura rigida.

Preferibilmente, secondo la forma di attuazione illustrata nelle figure, le camere operative 20A (nelle figure anche le camere fisse 20B) sono divise da una parete longitudinale generale intermedia 25 (orizzontale nelle figure), che separa ogni camera in due semi-camere: una superiore 23a ed una inferiore 23b.

Ogni camera 20 è delimitata, oltre che da due pareti intermedie 21, anche da due pareti flessibili esterne 22 di cui una superiore e l’altra inferiore.

Le pareti 21 e 22 della camera si estendono su piani ortogonali al piano di sezione delle figure 1 e 2.

A causa della sovrapressione interna alle camere, le pareti esterne 22 assumono una tipica forma ad arco essendo vincolate alle pareti intermedie 21che pur essendo flessibili, sono sostanzialmente inestensibili.

In Fig.3A è mostrata una forma di attuazione semplificata in cui la camera attiva 20A possiede un solo mezzo attuatore 30 che attraversa diagonalmente la camera stessa. Nel funzionamento, il mezzo attuatore 30, passando da una prima ad una seconda fase operativa, cambia la propria lunghezza in direzione diagonale e di conseguenza la camera 20A subisce una (limitata) rotazione rispetto alla camera 20 adiacente (posta a sinistra) cui è unita.

In particolare se il mezzo attuatore 30 aumenta la propria lunghezza (come illustrato con linee a tratti in Fig.3A), aumenta di conseguenza la dimensione diagonale della camera attiva 20A, ed il profilo della camera stessa si deforma variando l’inclinazione della parete intermedia 21 di destra rispetto alla parte intermedia 21 di sinistra e inclinando l’intera camera attiva 20A rispetto all’altra camera adiacente.

Secondo la forma di attuazione preferita, illustrata in Fig.3, ogni camera attiva 20A è formata da due semi-camere 23a, 23b, aventi ciascuna un mezzo attuatore 30 che attraversa in direzione diagonale la semi-camera 23 stessa; le due semi-camere 23a, 23b ed i rispettivi mezzi attuatori 30 sono specularmente disposti rispetto alla linea mediana longitudinale definita dalla parete longitudinale mediana 25; inoltre l’attivazione dei mezzi attuatori determina, in una semi-camera 23a, 23b la diminuzione della lunghezza del mezzo stesso, mentre, al contrario, nell’altra semicamera determina l’aumento della lunghezza, ed in conseguenza di ciò, una rotazione generale della camera rispetto all’altra camera.

Ad esempio, se il mezzo attuatore 30 posto nella semi-camera superiore 23a aumenta la propria lunghezza (come illustrato con linee a tratti in Fig.3A), viene mantenuta fissa la lunghezza del mezzo attuatore 30 posto nella semi-camera inferiore 23b o addirittura tale lunghezza viene diminuita; la deformazione della camera attiva 20A che ne consegue porta la camera 20A stessa a spostarsi inclinando verso il basso rispetto alla camera posta a sinistra e ad inclinare allo stesso modo la parete intermedia 23 di destra.

Ovviamente, prevedendo una serie di camere attive 20A provviste di mezzi attuatori 30, viene aumentata ed estesa l’azione di modifica del profilo aerodinamico dell’ala.

In una forma di attuazione alternativa (non illustrata nelle figure) le camere attive 20A non sono divise in semi-camere e presentano ciascuna due (o più) mezzi attuatori 30 diversamente disposti in modo diagonale nella camera stessa.

Il mezzo attuatore 30 è in forma di lastra flessibile, continua, disposta in modo sostanzialmente diagonale nella rispettiva camera attiva 20A, che si estende su un piano ortogonale al piano di sezione delle figure 1 e 2.

Il mezzo attuatore 30 viene realizzato secondo gli insegnamenti della tecnologia degli elastomeri elettroattivi (“EE”: electroactive elastomers).

Essenzialmente il mezzo 30 comprende almeno uno strato intermedio 31 in materiale iper-elastomerico di spessore relativamente elevato, almeno due strati esterni 32, superiore, e 33, inferiore, relativamente sottili, con funzioni di elettrodi, ed almeno uno strato intermedio 35 formato da rete di fili sottili elasticamente flessibili, a maglie relativamente piccole, che definisce una pluralità di parallelogrammi a forma variabile.

In Fig. 4 è mostrata una porzione, a pianta quadrata, di una forma di attuazione della lastra che definisce il mezzo attuatore 30. In questa forma di attuazione il mezzo è composto da tre unità di attuazione combinate insieme a pacco, in modo da comprendere:

• tre strati mediani 31 in materiale iper-elastomerico,

due strati 32 con funzione di elettrodo con polarità positiva, posti uno sulla superfice superiore del pacco di strati mediani 31 e l’altro posto in posizione intermedia, al di sopra del terzo strato 31 ,

due strati 33 con funzione di elettrodo con polarità negativa, posti uno contro la superfice inferiore del pacco di strati mediani 31 e l’altro posto in posizione intermedia, al di sotto del primo strato 31 ,

ove i due elettrodi intermedi 32 e 33 agiscono sia nei confronti dello strato 31 inferiore o rispettivamente superiore e sia nei confronti dello strato 31 mediano;

due strati intermedi 35 in forma di rete a fili sottili.

I vari strati sono uniti solidalmente a pacco tra loro e gli strati 35 sono annegati nel materiale elastomero degli strati mediani 31 .

Le reti a fili sottili 35 sono preferibilmente realizzate con fili sottili elasticamente flessibili e disposti (quando la rete non è sollecitata) a formare una pluralità di maglie 35m a forma di parallelogrammo con una diagonale alquanto più lunga dell’altra (si veda la Fig. 6A).

Materiali utilizzabili per realizzare gli attuatori sono: elastomeri acrilici, elastomeri siliconici, gomme naturali e gomme stireniche (styrene-butadiene). L’applicazione di differenze di potenziale opportune (1-8kV) permette di ottenere deformazioni, in fase di attuazione, di oltre il 100%.

A titolo di esempio, un attuatore di forma romboidale e lato di 3 cm, equipaggiato con 6 membrane di elastomeri acrilici, può fornire una corsa maggiore di 2cm e produrre forze maggiori di 10N, per un peso dell’attuatore stesso minore di 10g (cioè un rapporto forza/peso maggiore di 1000N/Kg). Invece, gli attuatori elettromeccanici tradizionali, in grado di fornire corse similari, presentano rapporti forza/peso minori di 100N/Kg)

Quando il mezzo attuatore 30 viene sottoposto ad una differenza di potenziale, la quale carica in modo positivo l’elettrodo superiore 32 ed in modo negativo l’elettrodo inferiore 33, o viceversa, i due elettrodi stessi vengono attratti l’uno verso l’altro determinando lo spostamento degli stessi in avvicinamento reciproco, la cui dimensione dipende soprattutto dalla differenza di potenziale elettrico applicata. Questo avvicinamento reciproco determina quindi una compressione dello strato elastomerico mediano 31 con conseguente diminuzione dello spessore di esso; come conseguenza di questa diminuzione di spessore, lo strato 31, poiché tende a mantenere inalterato il proprio volume, è costretto ad aumentare la propria superfice di base; e questa tendenza, porta ad aumentare anche la superfice dello strato a forma di rete 35, la quale si realizza mediante una deformazione della geometria della rete, nel senso di deformare la forma a i parallelogrammo delle maglie in modo tale che aumenti l’area di ciascuna di esse: vale a dire che lo strato 35 si deforma guidato dalla propria struttura, in modo che i parallelogrammi assumano una forma che tende alla forma quadrata; di conseguenza la lunghezza delle diagonali più corte dei parallelogrammi tende ad aumentare, mentre viceversa, la lunghezza delle diagonali più lunghe tende a diminuire.

Pertanto, la diminuzione di spessore che subisce il mezzo attuatore 30 dietro carica, viene trasformata in un aumento della superfice del mezzo stesso ed in particolare, per la presenza dello strato a rete 35, in un aumento di una dimensione lineare della superfice, maggiore rispetto all’altra dimensione. Si ottiene quindi un aumento anisotropo di una delle dimensioni lineati dello strato che forma il mezzo attuatore 30, che definisce la direzione operativa dell’attuatore.

Viceversa, diminuendo la differenza di potenziale applicato ai due elettrodo 32 e 33, l’elasticità intrinseca del materiale elastomero che costituisce lo strato mediano 31 tende a riprendere la forma originaria, a riposo, ed aumenta il proprio spessore e di conseguenza diminuisce la dimensione lineare operativa dell’attuatore.

In Fig. 6A è mostrata la configurazione dello strato a rete 35, allo stato di riposo (non caricato): è visibile la forma delle maglie 35m a rombo con diagonale maggiore relativamente molto maggiore rispetto alla diagonale minore.

In Fig.6B è mostrata la configurazione dello strato a rete 35, allo stato caricato con una elevata differenza di potenziale: la forma delle maglie 35m è quasi quadrata, e la porzione del mezzo attuatore di cui presenta una dimensione secondo la direzione delle diagonali minori delle maglie (in direzione orizzontale nella figura) alquanto maggiore rispetto alla Fig.6A.

Ovviamente, nella forma di attuazione illustrata in Fig.4, le prestazioni dell’attuatore vengono amplificate essendo previsti più coppie di elettrodi 32, 33 ed altrettanti strati mediani 31.

In una applicazione pratica, per azionare i mezzi attuatori 30, è previsto un accumulatore di energia elettrica. L’alimentazione prevede l’utilizzo di una batteria (300-500W/kg) al fine di ottenere un lavoro meccanico di (e.g.1000J) dipendentemente dall’applicazione, ed un frequenza di attivazione di circa 2-5Hz, di un convertitore ad alta tensione di tipo fly-back, in grado di fornire impulsi di corrente di durata predeterminata per voltaggi nell’ordine di qualche kV, di cavi per collegare la membrana elastomerica al convertitore.

La batteria può convenientemente venire disposta in una camera 20 e venire collegata, tramite cavi ad una pluralità di mezzi attuatori 30, posti nella camera stessa e/o in altre camere 20.

Ovviamente all’invenzione in oggetto potranno venire apportate numerose modifiche di natura pratico-applicativa, senza con ciò uscire dall'ambito dell'idea inventiva come sotto rivendicata.

RIFERIMENTI ALFA NUMERICI UTILIZZATI NELLE FIGURE

20 Camere

20A Camere attive (con attuatore)

20B Camere fisse

21 Parete intermedia tra due camere

22 Parete esterna

23a Semi-camera superiore

23b Semi-camera inferiore

25 Parete orizzontale

30 Mezzo attuatore lastriforme

31 Strato mediano

32 Strato esterno superiore

33 Strato esterno inferiore

35 Strato a forma di rete

35m Maglia dello strato 35

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Ala deformabile gonfiabile con capacità di modifica, dietro comando, del profilo aerodinamico, che comprende, una pluralità di camere adiacenti, unite solidalmente tra loro, gonfiabili, allineate lungo il profilo alare longitudinale, caratterizzata dal fatto che comprende almeno una camera attiva in cui è posto un mezzo attuatore a forma di lastra, basato su elastomeri elettroattivi, che attraversa la camera stessa, ove l’attivazione del mezzo attuatore determina la variazione della sua lunghezza, ed in conseguenza di ciò determina uno spostamento generale, in rotazione, della camera stessa rispetto alla camera adiacente cui è unita.
2. Ala deformabile gonfiabile secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che detta camera comprende due mezzi attuatori ad elastomeri elettroattivi disposti specularmente rispetto alla linea mediana longitudinale, ove inoltre l’attivazione dei mezzi attuatori determina la diminuzione della lunghezza di uno dei due mezzi stessi e l’aumento della lunghezza dell’altro mezzo, ed in conseguenza di ciò, una rotazione generale della camera rispetto all’altra camera.
3. Ala deformabile gonfiabile secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che detta camera è formata da due semi-camere, aventi ciascuna un mezzo attuatore ad elastomeri elettroattivi che attraversa in direzione diagonale la semi-camera stessa, i mezzi attuatori sono specularmente disposti rispetto alla linea mediana longitudinale, ove inoltre l’attivazione dei mezzi attuatori determina, in una semi-camera la diminuzione della lunghezza del mezzo stesso e nell’altra semicamera l’aumento della lunghezza, ed in conseguenza di ciò, una rotazione generale della camera rispetto all’altra camera.
4. Ala deformabile gonfiabile secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che detto mezzo attuatore è in forma di lastra flessibile comprendente almeno uno strato mediano in materiale iper-elastomerico, almeno due strati esterni con funzioni di elettrodi ed almeno uno strato intermedio in forma di rete a maglie sottili, che definisce una pluralità di parallelogrammi a forma variabile.