IT201800009411A1

IT201800009411A1 - Meccanismo di vincolo e rilascio di un carico esterno aviotrasportato

Info

Publication number: IT201800009411A1
Application number: IT102018000009411A
Authority: IT
Inventors: Luca Andrea Pernechele; Dario Guffanti
Original assignee: Aerea Spa
Priority date: 2018-10-12
Filing date: 2018-10-12
Publication date: 2020-04-12
Also published as: EP3636547B1; ES2875025T3; EP3636547A1; CY1124561T1; PL3636547T3; US20200115051A1; US11560228B2

Description

DESCRIZIONE dell’invenzione industriale dal titolo:

“Meccanismo di vincolo e rilascio di un carico esterno aviotrasportato”

TESTO DELLA DESCRIZIONE

Campo dell'invenzione

La presente invenzione si riferisce in generale ai sistemi di vincolo e rilascio di carichi aviotrasportati (BRU, Bomb Rack Unit) che vengono utilizzati in ambito aeronautico e aerospaziale per vincolare un carico esterno alla struttura del velivolo (carriage), operandone lo sgancio e quindi la separazione in sicurezza su indicazione del pilota (release o jettison).

Stato della tecnica anteriore

In accordo alle vigenti normative militari (es. MIL-STD-8591) i carichi esterni (stores) vengono vincolati con un paio di anelli (bail lugs) e quattro superfici su cui insistono altrettanti componenti strutturali che fungono da controventi. Dato che durante la fase di volo è importante che il BRU assicuri assenza di moto relativo tra il carico esterno e la struttura del velivolo, al fine di prevenire fenomeni di urti e/o sovrasollecitazioni, questa condizione viene ottenuta introducendo fra gli anelli e le aree sopracitate un predeterminato precarico. Tale precarico è specifico di ogni BRU e viene applicato in pratica con due diverse metodologie:

• Sollevando gli anelli contro i controventi che rimangono solidali con la struttura velivolo;

• Abbassando i controventi contro gli anelli, che restano solidali con la struttura velivolo;

• Avvitando degli opportuni adattatori in corrispondenza delle estremità dei controventi (swiveling pads)

Tutte le tre soluzioni progettuali sopra citate richiedono l’utilizzo di elementi caratterizzati da elevata rigidezza e resistenza strutturale, in modo da sopportare sia il precarico iniziale che le reazioni vincolari che si scambiano i controventi e gli anelli con il carico esterno in tutto l’inviluppo di volo. Tale rigidezza determina un accoppiamento dinamico fino alle alte frequenze tra il BRU e il carico esterno, con possibili criticità vibratorie. Il precarico, che si vorrebbe fosse il più alto possibile onde evitare distacchi, deve però essere tarato in funzione delle frequenze di risonanza determinate dalla interazione inerziale e dinamica di Bomb Rack e carico esterno.

Un’ulteriore considerazione riguarda eventuali asimmetrie geometriche del carico aviotrasportato (tolleranze dimensionali e di forma), che possono causare una non trascurabile difformità di reazione sui quattro punti di contatto (controventi), sia per valore totale di forza scambiata sia per pressione specifica realmente agente, che è funzione dell’area minima di contatto garantita.

Considerando le due filosofie progettuali sopra citate sono attualmente utilizzati i sistemi qui di seguito descritti.

Sistema a ganci sollevabili (soggetti a rototraslazione) e controventi fissi

Garantiscono la ripetibilità di posizionamento del carico con minimi errori di allineamento, dato che i controventi restano sempre solidali con la struttura del velivolo. Si ritiene questa la soluzione più sensibile ad errori di forma e quindi quella che garantisce la minor uniformità di precarico e pressione di contatto. In generale viene utilizzata per Bomb Racks destinati ad elicotteri o velivoli con inviluppi di volo aventi valori di accelerazione massima limitata.

Sistema a controventi traslanti e ganci rotanti

Si tratta di una soluzione particolarmente rigida e strutturalmente idonea a supportare elevati carichi di volo. Il sistema di movimentazione può essere azionato da un singolo punto operativo oppure da due punti operativi indipendenti. Essendo un sistema molto rigido, se le reazioni in volo superano il valore di precarico applicato si possono verificare distacchi fra le superfici di contatto con conseguenti fenomeni di urto, seppur con spostamenti molto ridotti. Da osservare che la zona di contatto è idealmente realizzata su una linea (in tangenza) e non su di un’area nominale di contatto.

Sistema ad adattatori filettati (swiveling pads)

Si tratta di una soluzione simile alla precedente ma che garantisce una superficie di contatto più facilmente adattabile al dorso del carico esterno appeso. Al momento dell’installazione del carico esterno è necessario operare su tutti i quattro punti operativi, con il rischio di applicare reazioni di valore diverso per ogni punto di contatto e quindi generare asimmetrie nell’orientamento del carico appeso, questo determina una scarsa ripetibilità di allineamento. Anche la durata del tempo di installazione è ovviamente maggiore rispetto alle due precedenti soluzioni.

Sintesi dell'invenzione

Lo scopo della presente invenzione è quello di coniugare la capacità di adattamento intrinseca della soluzione con adattatore filettato (swiveling pad) con la ripetibilità di allineamento e la semplicità e rapidità d’uso dei sistemi con controventi rigidi. Più in particolare, poiché un eventuale distacco accidentale del carico può derivare da sollecitazioni quasi statiche (manovre sostenute) e più frequentemente da vibrazioni a media/alta frequenza, l’invenzione si propone di rendere disponibile un meccanismo di vincolo e rilascio di un carico esterno aviotrasportato di tipo adattivo, configurato in modo da consentire un certo grado di cedevolezza nella direzione della reazione di precarico, normalmente ortogonale alle superfici di contatto, così da assicurare un isolamento vibrazionale tra il BRU e il carico aviotrasportato, ma senza tuttavia ridurre la resistenza strutturale richiesta per resistere ai carichi che si generano durante le fasi di volo.

Secondo l'invenzione questo scopo viene raggiunto grazie ad un meccanismo di vincolo e rilascio di un carico esterno aviotrasportato, comprendente almeno un supporto rigido per la sospensione del carico ed un elemento adattivo elasticamente deformabile per mantenere il carico in contatto di pressione contro il supporto, caratterizzato dal fatto che detto elemento adattivo consiste in un corpo metallico monolitico tridimensionale realizzato con un procedimento di fabbricazione additivo.

Il corpo metallico monolitico è convenientemente dotato di un comportamento flessionale ortotropo e a tale effetto esso presenta densità e inerzia variabili lungo le sue sezioni.

Preferibilmente il corpo metallico monolitico presenta comportamento elastico bistabile lineare inizialmente a bassa rigidezza sotto deformazione iniziale e successivamente ad alta rigidezza.

In una forma preferita di attuazione il corpo metallico monolitico comprende una pluralità di elementi lastriformi sovrapposti e interconnessi tramite distanziatori intermedi orientati trasversalmente agli elementi nastriformi e convenientemente disposti non simmetricamente.

Grazie a questa idea di soluzione il meccanismo di vincolo e rilascio secondo l’invenzione è efficacemente in grado di coniugare la capacità di adattamento intrinseca della soluzione con adattatore filettato (swiveling pad) con la ripetibilità di allineamento e la semplicità e rapidità d’uso dei sistemi con controventi rigidi. Le caratteristiche strutturali del corpo metallico monolitico consentono al meccanismo secondo l’invenzione di essere “flessibile” nel piano e “cedevole” in direzione ortogonale, garantendo oltre un certo valore di compressione una resistenza idonea a supportare i carichi in tutte le condizioni operative. Tali caratteristiche consentono di coniugare un determinato grado di cedevolezza con un’alta resistenza strutturale, requisiti fra loro in antitesi. Ad esempio una molla tradizionale può essere progettata in rigidezza, prevedendo poi di farla operare a pacco per ottenere un comportamento a doppia rigidezza. Non è possibile però attribuire ad un elemento elastico di forma convenzionale rigidezze flessionali ortotrope nel piano, né ottenere delle superfici di contatto ottimali. Inoltre per una molla convenzionale il rapporto fra rigidezza e ingombro non sarebbe sufficientemente elevato per gli scopi e gli effetti dell’invenzione.

Il corpo metallico monolitico del meccanismo di vincolo e rilascio secondo l’invenzione presenta una conformazione tale da risultare di facile installazione, è strutturalmente semplice e quindi estremamente affidabile, ed è in grado di deformarsi nel piano come in direzione ortogonale ma, una volta raggiunta la sua massima compressione, può sostenere carichi più elevati senza alcuna deformazione permanente. Inoltre esso è di ingombro ridotto, è estremamente leggero e la sua tecnica di produzione additiva lo rende fabbricabile in modo relativamente semplice ed economico.

Dovendo garantire la flessione su entrambi i piani ortogonali alla direzione di carico la struttura del corpo metallico monolitico è in pratica realizzata sovrapponendo a strati due o più elementi lastriformi, reciprocamente ruotati di 90° rispetto al punto di flessione e interconnessi da setti distanziatori intermedi orientati trasversalmente agli strati. Tali distanziali intermedi sono normalmente disposti non simmetricamente e in modo tale da mantenere i valori di sforzo in campo elastico, e quindi evitare deformazioni plastiche. In pratica ogni strato del corpo metallico monolitico si flette tra gli appoggi, fino ad arrivare in contatto con lo strato successivo. Oltre un certo valore di soglia gli strati agiscono in contatto diretto e quindi la struttura si comporta come un elemento rigido.

Fra gli elementi lastriformi possono essere previsti smorzatori di materiale elastomerico, e il corpo metallico monolitico può essere formato con un foro centrale dimensionato per ottenere un comportamento lineare a flessione e consentire l’inserimento di un elastomero nel caso si voglia abbinare alla flessibilità del corpo metallico un comportamento ad alta isteresi, per garantire anche un certo grado di smorzamento.

Analogamente al numero di spire per le molle, aumentando il numero di strati si ottiene una corsa maggiore prima di raggiungere il cambiamento drastico di rigidezza. Incrementando invece lo spessore degli strati si aumenta la rigidezza iniziale e quindi il carico funzionale. Inoltre realizzando strati di spessori diversi si possono introdurre aree a rigidezza variabile con frequenze proprie diverse, e l’orientamento non simmetrico dei setti garantisce un comportamento flessionale ortotropo ottimizzato.

In definitiva il corpo metallico monolitico del meccanismo secondo l’invenzione è quindi in grado di deformarsi non solo a compressione ma anche a rotazioni trasversali alla direzione di carico, annullando eventuali disallineamenti o irregolarità geometriche e garantendo una pressione uniforme sull’intera superficie preposta al contatto.

Breve descrizione dei disegni

Ulteriori caratteristiche dell’invenzione risulteranno evidenti dalla descrizione dettagliata che segue con riferimento ai disegni annessi, forniti a puro titolo di esempio non limitativo, nei quali:

- la figura 1 è una vista schematica in sezione frontale di un esempio di meccanismo di vincolo e rilascio realizzato in conformità all’invenzione,

- la figura 2 è una vista prospettica ed in maggiore scala dell’elemento metallico monolitico del meccanismo di vincolo e rilascio secondo l’invenzione,

- le figure 3, 4 e 5 sono viste schematiche in elevazione che mostrano l’elemento metallico monolitico della figura 2 in tre diverse situazioni funzionali, e

- la figura 6 è una vista schematica in elevazione di una variante dell’elemento metallico monolitico.

Descrizione dettagliata dell'invenzione Notoriamente i sistemi adibiti al trasporto in volo di carichi esterni per aeromobili e veicoli aerospaziali devono assicurare l’assenza di moti relativi tra i carichi stessi e la struttura di supporto a cui essi sono sospesi, in modo da prevenire l’insorgere di fenomeni di urto e/o di sovrasollecitazione dovuti all’applicazione di accelerazioni in concomitanza di uno o più gradi di libertà concessi al carico esterno.

Tipicamente siffatti sistemi comprendono un meccanismo includente un supporto avente due coppie di bracci di controvento rigidi contro ciascuno dei quali il carico sospeso è mantenuto in contatto di pressione tramite un elemento elasticamente deformabile.

Un esempio di un tale supporto è rappresentato schematicamente nella figura 1, in cui due bracci di controvento sono indicati con 1 e sono dotati ciascuno di un rispettivo elemento elastico adattivo, ovvero in grado di adattarsi per configurazione, forma e proprietà a variazioni operative, e la cui conformazione costituisce l’aspetto innovativo e peculiare dell’invenzione.

Riferendosi in maggiore dettaglio alla figura 2 ciascun elemento elastico adattivo consiste in un corpo metallico monolitico tridimensionale 2, ad esempio di forma generale parallelepipeda, realizzato con un procedimento di fabbricazione additivo ed avente comportamento flessionale ortotropo.

Più in particolare il corpo metallico monolitico 2 presenta densità e inerzia variabili lungo le sue sezioni e comportamento elastico bistabile lineare inizialmente a bassa rigidezza sotto deformazione iniziale e successivamente ad alta rigidezza. A tale effetto il corpo metallico monolitico 2 comprende una pluralità di elementi lastriformi 3 disposti a strati sovrapposti e interconnessi tramite distanziatori intermedi 4 orientati trasversalmente agli elementi nastriformi 3 e disposti non simmetricamente. Gli elementi lastriformi 3 di sommità e di base sono configurati per disporsi rispettivamente a contatto con il braccio di controvento 1 e con il carico aviotrasportato, costituito ad esempio da un serbatoio di carburante ausiliario non illustrato.

Grazie a tale configurazione il corpo metallico monolitico 2 è in grado, nell’impiego, di deformarsi elasticamente in almeno uno dei modi schematizzati nelle figure 3-5: pura compressione nella figura 3, flessione trasversale nella figura 4, flessione longitudinale nella figura 5.

Ciò consente al carico sospeso ai bracci di controvento 1 di annullare eventuali disallineamenti o irregolarità geometriche, garantendo una pressione uniforme sull’intera superficie di contatto e al tempo stesso la necessaria rigidezza strutturale.

Il numero degli strati sovrapposti 3 e il numero e disposizione dei relativi distanziatori 4 potranno variare in funzione delle caratteristiche di elasticità richieste a seconda del carico appeso al controvento 1, sempre in modo tale da mantenere i valori di sforzo in campo elastico, e quindi evitare deformazioni plastiche. In pratica ogni strato 3 del corpo metallico monolitico 2 è in grado di flettersi tra gli appoggi costituiti dai distanziatori 4, fino ad arrivare in contatto con lo strato successivo. Oltre un certo valore di soglia gli strati 3 agiscono in contatto diretto e quindi la struttura si comporta come un elemento rigido.

Fra gli elementi lastriformi 3 possono essere previsti smorzatori di materiale elastomerico, e il corpo metallico monolitico 2 può anche essere formato con un foro centrale (non rappresentato nei disegni) dimensionato per ottenere un comportamento lineare a flessione e consentire l’inserimento di un elastomero nel caso si voglia abbinare alla flessibilità del corpo metallico un comportamento ad alta isteresi, così da garantire anche un certo grado di smorzamento.

La figura 6 mostra un esempio di applicazione in cui il corpo metallico monolitico 2 secondo l’invenzione presenta una configurazione di tipo cuneiforme, con la quale in modo per se noto è possibile deviare la direzione di applicazione di carichi e spostamenti. In pratica il corpo cuneiforme viene precaricato entro una sua sede applicando un carico orizzontale, che produce una componente verticale. La forza con cui il cuneo è precaricato determina una deformazione elastica del corpo metallico monolitico 2.

Prove sperimentali condotte dalla Richiedente hanno confermato che l’impiego del corpo metallico monolitico 2 secondo l’invenzione produce gli effetti e vantaggi qui di seguito elencati:

- capacità di adattare le caratteristiche di rigidezza e robustezza a variazioni fortemente dinamiche delle condizioni di carico,

- costanza del precarico applicato e distribuzione di tale precarico su una superficie di ampiezza adeguata al contenimento dello sforzo associato,

- contrasto all’insorgere di eventuali eccessi di precarico nonché a fenomeni di microsaldatura (cold welding) e di micro-distacchi temporanei (gapping) tra le superfici in contatto sottoposte a forti carichi dinamici, - adattabilità alla superficie di contatto ricevente, anche in presenza di discontinuità geometriche o di condizioni di carico variabili (ad esempio spostamenti indotti da vibrazioni);

- frequenza di risonanza relativamente bassa e comunque modificabile in fase di progetto, tale da disaccoppiare la dinamica del velivolo da quella del carico esterno;

- comportamento fortemente bi-stabile, elastico lineare a bassa rigidezza nel primo tratto di deformazione, elastico lineare ad alta rigidezza nelle successive fasi di carico;

- comportamento ad alta isteresi, introducendo fra gli strati del corpo un materiale gommoso, con funzione smorzante,

- ingombro ridotto, leggerezza e fabbricazione relativamente semplice ed economica grazie all’uso di tecniche di produzione additiva.

Naturalmente i particolari di costruzione e le forme di realizzazione potranno essere ampiamente variati rispetto a quanto descritto ed illustrato, senza per questo uscire dall'ambito della presente invenzione così come definita nelle rivendicazioni che seguono.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Meccanismo di vincolo e rilascio di un carico esterno aviotrasportato, comprendente almeno un supporto rigido (1) per la sospensione del carico ed un elemento adattivo elasticamente deformabile per mantenere il carico in contatto di pressione contro il supporto, caratterizzato dal fatto che detto elemento adattivo consiste in un corpo metallico monolitico tridimensionale (2) realizzato con un procedimento di fabbricazione additivo.
2. Meccanismo di vincolo e rilascio secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto corpo metallico monolitico (2) presenta comportamento flessionale ortotropo.
3. Meccanismo di vincolo e rilascio secondo le rivendicazioni 1 o 2, caratterizzato dal fatto che detto corpo metallico monolitico (2) presenta densità e inerzia variabili lungo le sue sezioni.
4. Meccanismo di vincolo e rilascio secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1 a 3, caratterizzato dal fatto che detto corpo metallico monolitico (2) presenta comportamento elastico bistabile lineare inizialmente a bassa rigidezza sotto deformazione iniziale e successivamente ad alta rigidezza.
5. Meccanismo di vincolo e rilascio secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1 a 4, caratterizzato dal fatto che detto corpo metallico monolitico (2) comprende una pluralità di elementi lastriformi (3) sovrapposti e interconnessi tramite distanziatori intermedi (4) orientati trasversalmente agli elementi lastriformi (3).
6. Meccanismo di vincolo e rilascio secondo la rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che detti distanziatori intermedi (4) sono disposti non simmetricamente.
7. Meccanismo di vincolo e rilascio secondo le rivendicazioni 5 o 6, caratterizzato dal fatto che a detti elementi lastriformi (3) sono associati smorzatori di materiale elastomerico.
8. Meccanismo di vincolo e rilascio secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto corpo metallico monolitico (2) presenta un foro centrale.
9. Sistema di ritegno di un carico esterno per impiego aeronautico e aerospaziale, caratterizzato dal fatto che comprende un meccanismo di vincolo e rilascio secondo una o più delle rivendicazioni da 1 a 8
10. Sistema secondo la rivendicazione 9, caratterizzato dal fatto che detto supporto rigido consiste in un braccio di controvento (1).
11. Sistema secondo la rivendicazione 10, caratterizzato dal fatto che detto corpo metallico monolitico (2) presenta una generale conformazione parallelepipeda con elementi lastriformi (3) di sommità e di base rispettivamente a contatto con il braccio di controvento (1) e con il carico aviotrasportato.
12. Sistema secondo la rivendicazione 11, caratterizzato dal fatto che detto corpo metallico monolitico (2) presenta una generale conformazione cuneiforme.