IT202000010369A1 - Velivolo plurimotore simulante un monomotore via hardware e software - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

Della Domanda di Brevetto per Invenzione Industriale dal Titolo:

?Velivolo plurimotore simulante un monomotore via hardware e software?

La presente invenzione riguarda il settore aeronautico ed in particolare quello dei velivoli ad ala fissa, provvisti di motori elettrici, ad esempio completamente elettrici o ibridi. Pi? in particolare riguarda un velivolo plurimotore in grado di emulare, a tutti i fini pratici della conduzione del volo e grazie a specifico hardware e software, diverse configurazioni, sia monomotore che plurimotore.

STATO DELL?ARTE

Il contesto della Aviazione Generale (GA) ?, ad oggi, sostanzialmente suddiviso fra velivoli monomotori (Single Engine, SE) e plurimotori (Multi Engine, ME). Un aeroplano ME ha tipicamente prestazioni superiori ed ?, soprattutto, pi? sicuro grazie alla minor possibilit? di perdere interamente la potenza propulsiva. Tuttavia, un aeroplano multimotore ? generalmente pi? costoso da operare e manutenere. Inoltre, esso richiede un training specifico per affrontare situazioni di emergenza in cui, a causa del guasto di uno dei motori, vi sia una situazione di spinta asimmetrica.

Per questi motivi, la maggior parte dei velivoli per uso sia ricreativo sia addestrativo ? in configurazione SE. Per contro, i velivoli SE sono meno sicuri dei velivoli ME a causa della presenza di un solo motore. Infatti, un eventuale malfunzionamento dell?unico motore ? causa di buona parte degli incidenti in questo settore.

US20180305033 riguarda un metodo per gestire spinte non bilanciate causate da guasti ai motori in un aeroplano dotato di un sistema a propulsione distribuita.

US20100305826 descrive un sistema per gestire automaticamente modalit? di controllo dei motori in un velivolo plurimotore.

EP2701976 A1 descrive un piano di limitazione della potenza massima per il controllo di un?asimmetria propulsiva.

SOMMARIO DELL?INVENZIONE

La Richiedente, alla luce del suddetto stato dell?arte, si ? posta l?obiettivo di fornire un velivolo in grado di conciliare i vantaggi delle due configurazioni, con l?obiettivo di aumentare la sicurezza del volo e consentire una nuova modalit? di addestramento per la qualifica dei piloti sia su velivoli monomotori, sia su velivoli plurimotori, mantenendo basso il costo delle operazioni, sfruttando le potenzialit? della propulsione elettrica o ibridoelettrica.

Secondo un aspetto dell?invenzione, viene fornito un velivolo ad elica ad ala fissa plurimotore comprendente una pluralit? di motori elettrici propulsivi, in cui detti motori elettrici propulsivi sono in un numero pari maggiore di due e sono disposti in modo simmetrico rispetto al piano longitudinale del velivolo, il velivolo comprendendo anche una centralina configurata per fornire potenza differenziale ai motori in modo tale da generare un angolo di sbandata (beta) in condizioni di volo in salita per simulare un comportamento di un velivolo monomotore, oppure

in cui detti motori elettrici propulsivi sono in un numero dispari maggiore di quattro e sono disposti in modo simmetrico rispetto al piano longitudinale del velivolo, in cui un motore elettrico propulsivo ? disposto in corrispondenza del piano longitudinale del velivolo (ad esempio sul muso o in corrispondenza della coda), il velivolo comprendendo anche una centralina configurata per correggere l?angolo di deriva (?) generato dalla presenza del motore sul muso del velivolo con uno dei motori esterni per simulare un comportamento di un velivolo plurimotore.

In forme di realizzazione, il velivolo ha un numero di motori pari, in cui detta centralina, al fine di simulare un comportamento di un velivolo monomotore in salita, ? configurata per fornire ad uno dei motori propulsivi pi? lontani dal piano longitudinale del velivolo una potenza inferiore a quella fornita all?altro dei motori propulsivi pi? lontani dal piano longitudinale del velivolo.

In forme di realizzazione, il velivolo ha un numero di motori pari, in cui detta centralina ? configurata in modo da generare una resistenza non simmetrica al fine di simulare un comportamento di un velivolo monomotore in discesa,

nel caso di eliche ripiegabili, chiudendo solo alcune delle eliche associate ai motori propulsivi, oppure,

nel caso di eliche a passo variabile, gestendo il passo delle eliche in modo differenziale, oppure

gestendo la potenza in maniera differenziale.

In forme di realizzazione, la distanza tra due motori elettrici propulsivi montati su ogni semiala ? uguale alla distanza tra il piano longitudinale del velivolo e ognuno dei motori elettrici propulsivi pi? vicini al piano longitudinale del velivolo.

In forme di realizzazione, in caso di guasto ad un motore elettrico o ad un?elica, oppure di una collisione con un oggetto esterno, la centralina ? configurata per ridurre la spinta su un lato del velivolo e/o per aumentare la spinta sull?altro lato del velivolo per mantenere l?angolo di deriva (?) pari a zero.

In forme di realizzazione, il velivolo comprende anche un pacco batterie e, opzionalmente, un sistema di generazione di potenza per caricare il pacco batterie.

In forme di realizzazione, il velivolo comprende anche un?unit? inerziale cooperante con detta centralina.

In forme di realizzazione, la centralina ? configurata per simulare guasti a scopo di training e/o per simulare un funzionamento tipico dei motori a reazione e/o per simulare un funzionamento tipico di un motore termico.

In forme di realizzazione, il velivolo comprende due centraline in una configurazione cooperante, in cui una prima centralina ? collegata ad un primo gruppo di motori elettrici propulsivi ed una seconda centralina ? collegata ad un secondo gruppo di motori elettrici propulsivi ed in cui la prima e la seconda centralina sono collegate tra loro.

In altre forme di realizzazione, il velivolo comprende due centraline in una configurazione ridondante, in cui una prima centralina ? collegata a tutti i motori elettrici propulsivi e la seconda centralina ? collegata a tutti i motori elettrici propulsivi ed in cui la prima e la seconda centralina sono collegate tra loro.

BREVE DESCRIZIONE DELLE FIGURE

La presente invenzione diverr? pi? chiara dalla seguente descrizione dettagliata, data a titolo esemplificativo e non limitativo, da leggersi con riferimento alle annesse Figure, in cui:

- Fig. 1 mostra schematicamente una configurazione propulsiva secondo una prima forma di realizzazione;

- Fig. 2 mostra schematicamente una configurazione propulsiva secondo una seconda forma di realizzazione;

- Fig. 3 mostra schematicamente una configurazione propulsiva secondo una terza forma di realizzazione;

- Fig. 4 mostra schematicamente un?architettura propulsiva del velivolo del tipo Ibrido-Elettrico Serie;

- Fig. 5 mostra un esempio di connessioni logiche e di potenza di una centralina EPMS;

- Fig. 6a mostra una configurazione cooperante di due centraline EPMS; - Fig. 6b mostra una configurazione ridondante di due centraline EPMS; - Fig. 7 mostra uno schema a blocchi della logica di controllo in modalit? monomotore nel caso di operazioni normali;

- Fig. 8 mostra uno schema a blocchi della logica di controllo in modalit? monomotore nel caso di condizioni di emergenza;

- Fig. 9 mostra uno schema a blocchi della logica di controllo in modalit? plurimotore nel caso di operazioni normali; e

- Fig. 10 mostra uno schema a blocchi della logica di controllo in modalit? plurimotore nel caso di condizioni di emergenza.

DESCRIZIONE DETTAGLIATA

Come detto sopra, la presente invenzione riguarda un velivolo che concilia i vantaggi della configurazione monomotore con quelli della configurazione plurimotore, aumentando la sicurezza del volo e mantenendo basso il costo delle operazioni.

Il velivolo secondo la presente invenzione ? un velivolo ad elica ad ala fissa con una pluralit? di motori propulsivi. Secondo forme di realizzazione, i motori propulsivi sono in numero pari maggiore di due. Preferibilmente, i motori propulsivi sono disposti in una configurazione simmetrica rispetto al piano longitudinale di simmetria del velivolo.

In Figura 1 viene mostrato, a titolo esemplificativo, un velivolo 10 con una configurazione propulsiva secondo una prima forma di realizzazione. Tale configurazione, che verr? descritta in maggiore dettaglio nel seguito, comprende sei motori propulsivi EM1-EM6 montati sull?ala (tre per ogni semiala), simmetricamente rispetto al piano longitudinale del velivolo 10. In Figura 2 viene mostrato, sempre a titolo esemplificativo, un velivolo 10 con una configurazione propulsiva secondo una seconda forma di realizzazione. Tale configurazione, comprende quattro motori propulsivi EM1-EM4 montati, simmetricamente rispetto al piano longitudinale del velivolo 10, sull?ala posteriore del velivolo dotato di stabilizzatori anteriori. In Figura 3 viene mostrato, sempre a titolo esemplificativo, un velivolo 10 con una configurazione propulsiva secondo una terza forma di realizzazione. Tale configurazione, comprende undici motori propulsivi, di cui uno (M1) centrale, due sugli stabilizzatori posteriori e otto sull?ala (pi? precisamente, per ogni semiala, tre con eliche traenti sul bordo anteriore e uno con eliche spingenti sul bordo posteriore).

Vantaggiosamente, secondo una forma di realizzazione, il velivolo 10 secondo la presente invenzione ha una propulsione completamente elettrica, con una o pi? batterie (pacco batterie BP) che alimentano i motori elettrici propulsivi EM.

Secondo un?altra forma di realizzazione, il velivolo 10 ha una propulsione ibrido-elettrica. In Figura 4 viene mostrata schematicamente la logica ibridoelettrica. In Figura 4 viene mostrato un pacco batterie BP (a sua volta comprendente una o pi? batterie) per alimentare i motori elettrici propulsivi EM ed un sistema di generazione di potenza PGS con serbatoio di combustibile per caricare il pacco batterie BP. In Figura 4 viene anche mostrata un?unit? di controllo EPMS. A titolo esemplificativo, il sistema PGS comprende un motore termico ed un generatore elettrico oppure celle a combustibile.

Grazie all?architettura con pi? motori elettrici propulsivi EM, secondo l?invenzione viene fornito un velivolo plurimotore 10 in grado di simulare, grazie ad hardware e software specificatamente progettati, le modalit? monomotore SE e plurimotore ME. Secondo l?invenzione ? quindi possibile effettuare l?addestramento di un pilota per il conseguimento (o il mantenimento) dell?abilitazione alla guida sia di velivoli plurimotore, sia di velivoli monomotore, utilizzando un velivolo che ? operativamente un plurimotore ME, e quindi maggiormente sicuro.

Tuttavia, secondo l?invenzione, viene garantito che un pilota/allievo abilitato per un monomotore non si ritrovi mai, in nessuna situazione, a volare con una configurazione sbandata tipica dei plurimotori nel caso in cui uno o pi? motori non fossero operativi per qualsiasi motivo. La presente invenzione si basa su un?architettura logica di hardware e software atta ad effettuare detta simulazione durante il volo, ed ? indipendente dal numero di motori elettrici EM, unit? di generazione della potenza PGS, numero di centraline EPMS che realizzano la simulazione e da come queste sono strutturate e collegate. ? anche indipendente dalla configurazione generale del velivolo.

I motori elettrici propulsivi EM sono gestiti da una centralina EPMS che permette di effettuare quanto sopra. In linea di principio ? sufficiente una configurazione con due motori elettrici per il volo normale, ma non in situazione di emergenza. Infatti, in caso di guasto di un?unit? propulsiva, ad esempio nel caso di collisione con un volatile, il velivolo 10 sarebbe irrimediabilmente condizionato a volare in modo sbandato. Viceversa, aumentando il numero di motori propulsivi EM aumenta la complessit? del sistema, ma aumenta anche la sicurezza generale.

Come ? noto, un motore elettrico, se ben raffreddato, ? in grado di sostenere una potenza massima non continuativa molto superiore (anche del 150%) a quella nominale per alcuni minuti. Secondo forme di realizzazione preferite della presente invenzione, questa propriet? viene sfruttata in caso di emergenza. Ad esempio, su un velivolo con quattro motori elettrici in cui uno sia fuori uso, i rimanenti 3 dovranno fornire il 133% di potenza per avere l?equivalente potenza complessiva del velivolo senza malfunzionamenti.

Secondo forme di realizzazione, la gestione dei motori elettrici propulsivi ? interamente demandata ad una sola centralina. Tuttavia, una tale configurazione ? intrinsecamente poco sicura in quanto, in caso di un malfunzionamento alla singola centralina, si ha una totale perdita di potenza. Secondo forme di realizzazione preferite vengono previste almeno due centraline ridondanti o cooperanti che si prenderanno carico di tutti i motori elettrici propulsivi o di una parte di esse. Tali centraline, denominate Energy and Propulsion Management System (EPMS), sono responsabili della totale gestione del pacco batterie BP, del sistema PGS (Power Generation System), e di ogni motore elettrico EM singolarmente. Le centraline EPMS sono preferibilmente configurate per gestire scarica e carica delle batterie BP e la modalit? di impiego del sistema PGS, se presente.

Preferibilmente, le centraline EPMS sono configurate per comunicare fra loro e con la Suite Avionica di bordo sia per quanto riguarda gli input da parte del pilota, sia per notifiche al pilota e controllo degli attuatori da parte del pilota automatico.

Preferibilmente, ogni centralina EPMS ? responsabile di un certo numero di motori elettrici propulsivi, i quali sono comunque disposti in modo che, nel caso di guasto o malfunzionamento di una delle due centraline EPMS, il momento di imbardata da loro generato sia zero (Equazione 1).

(1) Secondo forme di realizzazione, le centraline EPMS incorporano una piattaforma inerziale (IMU, Inertial Measurement Unit) dotata ad esempio di MEMS (Micro Electro-Mechanical Systems), essenziale per mantenere a zero l?angolo di deriva (sideslip) ? quando necessario. L?informazione sull?angolo di deriva potrebbe eventualmente anche arrivare dalla suite avionica di bordo, sfruttandone la piattaforma inerziale o il virosbandometro. Secondo forme di realizzazione, le eliche sono ripiegabili. Secondo altre forme di realizzazione, le eliche hanno passo variabile, in modo da poter minimizzare la resistenza generata in caso di guasto di un motore elettrico propulsivo. Le centraline EPMS sono configurate per identificare un possibile guasto o malfunzionamento e gestirlo nel modo corretto. Esempi di guasti o malfunzionamenti possono essere, ad esempio, uno o pi? tra:

comunicazione persa con la Suite Avionica;

comunicazione persa o guasto dell?altra centralina EPMS;

problema interno dovuto ad hardware o software;

uno o pi? motori elettrici bloccati o malfunzionanti, o un?elica danneggiata, o connessione elettrica interrotta, confrontando corrente e velocit? di rotazione dei motori;

batterie almeno parzialmente malfunzionanti; e

sistema PGS guasto o malfunzionante.

Secondo la presente invenzione, le centraline EPMS sono configurate per rilevare una situazione di guasto applicare le appropriate azioni correttive e comunicarle al pilota.

Secondo forme di realizzazione, le unit? EPMS includono un sistema di monitoraggio di vita ed utilizzo (Health and Usage Monitoring System, HUMS) per il pacco batterie BP, il sistema PGS, i motori elettrici propulsivi EM e i sistemi elettronici, che registra i parametri con valori anomali ai fini manutentivi.

Il velivolo 10 secondo la presente invenzione ha un livello di sicurezza del velivolo aumentato in quanto la possibilit? di una perdita totale di potenza ? molto bassa se paragonata a quella di un velivolo tradizionale, specie se monomotore SE. La perdita totale di potenza in un velivolo secondo la presente invenzione pu? avvenire solo in caso di guasti multipli.

Preferibilmente, secondo la presente invenzione ? possibile selezionare la modalit? di volo monomotore SE e plurimotore ME. Secondo forme di realizzazione, il pilota ha a disposizione sul display di bordo (MFD, Multi-Function Display) la possibilit? di scegliere la modalit? SE o ME solamente a terra prima di iniziare il rullaggio. Per evitare errate interpretazioni, il display di bordo preferibilmente presenta una chiara lettura della modalit? di volo selezionata e, in base a questa, presenta informazioni appositamente concepite per rappresentare in modo adeguato la tipologia di velivolo scelto. Secondo forme di realizzazione, il velivolo 10 della presente invenzione ha la possibilit? di scegliere la migliore strategia di gestione dell?energia a seconda della missione da volare.

Il velivolo dell?invenzione, preferibilmente, ha due manette, una per ogni lato propulsivo, normalmente bloccate fra loro. La loro posizione non ? legata in modo diretto ai giri dei motori elettrici, ma alla potenza richiesta dal pilota in percentuale su quella totale, prevedendo anche un segmento per la richiesta di potenza non-continuativa. Infine, il sistema pu? prevedere un "Panic Button" che consentir? al software di gestire automaticamente l?uscita da una vite incidentale utilizzando la gestione differenziale dei motori.

Nel seguito sono descritte in maggiore dettaglio le varie modalit? di funzionamento.

Modalit? monomotore SE

Come ? noto, la differenza di pilotaggio principale fra un velivolo SE e uno plurimotore ME ? che in una condizione di volo generica di un velivolo SE non corrisponde a un equilibrio di forze simmetrico, a causa del momento imbardante indotto dalla rotazione dell?elica, che genera un angolo di deriva ? non nullo. Per correggere questa tendenza, un velivolo monomotore di tipo noto o la sua coda sono progettati in modo da mantenere questo angolo a zero nella condizione nominale di crociera, ma in altre condizioni, come quelle di applicazione di potenza di salita o di discesa, questo implica che il velivolo voli leggermente sbandato, e il pilota debba intervenire con un?azione sul timone verticale per correggere questa tendenza.

Secondo la presente invenzione, questa caratteristica pu? essere simulata dalle centraline EPMS ad esempio agendo in maniera differenziale sui motori pi? esterni (ossia pi? lontani dal piano longitudinale del velivolo) per ottenere una potenza propulsiva di salita attraverso una distribuzione di trazione non simmetrica. Ad esempio, se il pilota chiede il 100% di potenza, ad un motore esterno viene richiesta una potenza minore del 100% (ad esempio il 95%) mentre gli altri opereranno al 100% della potenza. In discesa le centraline EPMS faranno in modo che si chiudano solo alcune eliche, lasciandone una o pi? aperte in modo da generare una distribuzione di resistenza non simmetrica.

Tali parametri di gestione dei motori propulsivi sono determinati con le prove di volo per ogni specifica condizione, e rimangono costanti una volta determinati per evitare che le centraline EPMS seguano un segnale proveniente dalla piattaforma inerziale IMU nel momento in cui il pilota corregge la sbandata, finendo per generare un circolo vizioso ed una divergenza di controllo.

Una ulteriore caratteristica del sistema ? preferibilmente quella di simulare la risposta in virata di un monomotore, tenendo in considerazione il diverso effetto giroscopico della configurazione, gestendola con una erogazione di potenza differenziata.

Inoltre, pu? essere simulata la modalit? di funzionamento di un motore termico tradizionale, introducendo via software ritardi ed altre caratteristiche nella erogazione della potenza e la diminuzione di quest?ultima con l?aumento di quota (cosa che non avviene con un motore elettrico). Le due manette sono bloccate insieme per tutto il tempo e nel caso di un involontario settaggio differenziale il sistema considerer? la maggiore fra le due.

In caso di guasto, il velivolo della presente invenzione ? configurato in modo tale da evitare che un Pilota in Comando (PIC) o un allievo (SPIC) con abilitazione SE possa ritrovarsi a volare in condizione di spinta non simmetrica. Di conseguenza, si tiene conto dei seguenti scenari:

i. guasto a motore elettrico o elica, collisione con oggetto esterno: per tutte queste situazioni, il risultato ? simile, ossia una riduzione di spinta su un lato del velivolo. La centralina EPMS gestir? questa situazione grazie ai dati provenienti dalla sua unit? inerziale IMU, gestendo in modo differenziale la potenza fornita ai singoli motori elettrici per mantenere ? pari a zero. Nel caso in cui questo non sia sufficiente (motori alla temperatura critica o al massimo valore di potenza disponibile, o nel caso di fallimento di tutti i motori su un lato), l?EPMS comander? gli attuatori del timone verticale e degli alettoni del pilota automatico per conseguire l?obiettivo;

- guasto centralina EPMS: questo avr? conseguenze sulla massima potenza disponibile, in quanto solo parte del sistema propulsivo sar? disponibile, ma il volo sar? comunque simmetrico grazie alla disposizione dei motori rimanenti;

- problema Hardware o Software della centralina EPMS: nel caso in cui la logica di gestione del sistema presenti malfunzionamenti, o la comunicazione fra i vari attori venga persa, si avvier? una logica di funzionamento degradata che assegner? un valore di potenza uguale a tutti i motori e direttamente proporzionale alla posizione delle manette, garantendo il volo simmetrico.

- danno strutturale minore: in caso di un danno minore o superficiale potrebbe generarsi una resistenza aerodinamica asimmetrica; questa situazione sarebbe gestita dal sistema come nel caso di guasto al motore. Per ogni diversa condizione, allarmi grafici e/o vocali avvertiranno il pilota, intimandogli di atterrare appena possibile e per aver sempre chiara la situazione presente.

Modalit? plurimotore ME

La configurazione ME ? pi? semplice, in quanto non c?? necessit? di simulare effetti propulsivi indesiderati. Secondo forme di realizzazione, le manette possono venire sbloccate ed utilizzate in maniera indipendente l?una dall?altra per addestramento o altri scopi: il pilota ha completa autorit? sulla dinamica del velivolo.

Un pilota abilitato ME deve essere in grado di gestire una situazione di spinta asimmetrica causata dal guasto di un motore. Tuttavia, in situazioni di emergenza, la possibilit? di ridurre il carico di lavoro di un pilota ha sempre un impatto positivo. Di conseguenza, secondo la presente invenzione viene adottata la stessa strategia di emergenza che in modalit? SE, a meno che il pilota non decida di scavalcarla.

Modalit? opzionale di simulazione motore a getto

Una modalit? di funzionamento opzionale per entrambe le configurazioni SE e ME ? quella di simulare il comportamento di un motore a getto tramite il software delle centraline EPMS. Questo implica in primo luogo un ritardo nella erogazione della potenza come avviene nei motori a reazione (spool-up time), forzando l?allievo ad effettuare avvicinamenti ad alti regimi di rotazione, mostrando parametri dei motori fittizi, opportunamente definiti, sul PFD (Primary Flight Display) e consentendo di simulare gli aerofreni con l?utilizzo differenziale (ma simmetrico) di alcuni motori, fino al limite di invertirne il senso di rotazione, e gli inversori di spinta una volta a terra.

Modalit? opzionale di aumento del confort

Per entrambe le modalit? SE e ME ? prevista una modalit? di aumento del comfort. Questa prevede che le centraline utilizzino i motori in modo differenziale per la soppressione delle dinamiche indesiderate (come il dutchroll), il coordinamento automatico della virata e una gestione del sistema il pi? silenziosa e priva di vibrazioni possibile.

Modalit? training

In addestramento, l?istruttore di volo ? seduto al fianco dell?allievo in molti voli. Grazie alla presente invenzione sar? in grado di iniettare guasti e malfunzionamenti attraverso il MFD (Multi Function Display) all?interno dei sistemi avionici e propulsivi per meglio addestrare gli allievi alla migliore azione da intraprendere.

Nelle Figure 6a e 6b sono rappresentati gli schemi di funzionamento di due centraline EPMS1 e EPMS2 in configurazione cooperante e ridondante, rispettivamente nel caso, meramente esemplificativo, di un velivolo con sei motori elettrici propulsivi M1-M6.

Come mostrato in Figura 6a, la prima centralina EPMS1 ? connessa al motore propulsivo EM1 pi? esterno della semiala destra oltre che a quello centrale M5 e quello interno M4 della semiala di sinistra. All?opposto, la seconda centralina EPMS2 ? connessa al motore propulsivo esterno M6 della semiala sinistra oltre che a quello centrale M2 e quello interno M3 della semiala destra. Tutti i motori sono ad una distanza l l?uno dall?altro. I motori interni M3, M4 (ossia pi? vicini alla fusoliera) sono ad una distanza l dal piano longitudinale del velivolo 10. Ogni centralina EPMS ? collegata all?altra centralina, oltre che al pacco batterie BP e al sistema PGS.

Nella configurazione ridondante di Figura 6b, ogni centralina EPMS1 EPMS2 ? collegata a tutti i motori propulsivi EM1-EM6. In aggiunta, ogni centralina ? collegata all?altra centralina, oltre che alle batterie BP e al sistema PGS.

Le centraline potranno interfacciarsi fra loro e con i motori elettrici EM secondo una delle due suddette configurazioni o in altri modi, dipendentemente dalla scelta attuata dal produttore del velivolo e da altri parametri imposti. Un esempio schematico di come ? collegata la singola centralina EPMS1 con gli altri impianti ? in Figura 5. Analogo discorso per la seconda centralina EPMS2.

La centralina EPMS1 ? preferibilmente collegata con l?altra centralina EPMS2, con l?unit? inerziale IMU, con il pacco batterie BP, con il sistema PGS (se presente), con i controllori dei motori elettrici propulsivi, con l?interfaccia del pilota e la suite avionica. Vantaggiosamente pu? essere collegata con i sistemi di monitoraggio della salute e dell'utilizzo HUMS.

In Figura 7 ? mostrato, a titolo esemplificativo, un possibile schema logico di retroazione per il funzionamento della generica centralina EPMS. Dato un ingresso di riferimento (?0; ?0) (con ? angolo di deriva e ? angolo di rollio) dipendente dalla modalit? di funzionamento in uso e dalla situazione di volo specifica, questo ? confrontato e retroazionato con i valori misurati degli angoli di deriva e rollio (?M; ?M) provenienti dall?unit? inerziale IU. Dati input e parametri di funzionamento, il software di controllo della centralina agir? per annullare l?errore fra angoli di riferimento e angoli misurati, a seconda che questo sia contenuto all?interno di una certa gamma o meno. Questa gamma di valori, nella Figura 7 chiamato "tol", sar? funzione dei parametri aerodinamici, inerziali e propulsivi del velivolo, nonch? dell?attuale stato di salute dei motori elettrici. Lo stato di salute istantaneo dei motori elettrici ? ottenibile ad esempio attraverso il valore di temperatura del singolo motore e dalla corrente elettrica richiesta da questi, confrontabile con valori di corrente tabulata in funzione di numero di giri e tensione applicata. Nel caso in cui la corrente assorbita sia effettivamente distante da quella nominale, questo potrebbe essere indicazione che il motore o l?elica hanno subito un guasto: ad esempio, con un?elica danneggiata i valori di corrente sarebbero molto pi? bassi dei nominali, mentre con un motore bloccato questi sarebbero molto pi? alti. Due scenari sono quindi possibili:

- nel caso in cui l?errore sia all?interno della tolleranza istantanea toI, la centralina EPMS agisce solo sull?azionamento dei singoli motori, gestendoli in modo da annullare l?errore;

- se al contrario l?errore supera la tolleranza toI, ? necessario che la centralina imponga non solo un?azione sui motori, ma anche una deflessione delle superfici di controllo aerodinamiche. Questo ? rappresentato da ?R e ?A. La regolazione dei singoli motori, cos? come quella delle superfici di controllo, sar? comunque risultato di una interazione fra il controllo imposto dal pilota con la programmazione della centralina. Quest?ultima dovr? quindi conoscere posizione istantanea delle superfici di controllo per evitare interferenze o fenomeni indesiderati. La logica preferenziale prevede che, come per molti autopiloti, per una azione limitata da parte del pilota sui comandi quest?ultimo effetto si vada a sommare algebricamente con l?azione imposta sugli stessi dalla EPMS, mentre per un azionamento che interessi angoli di deflessione elevati il pilota abbia il controllo. L?unit? di controllo inclusa nella EPMS pu? essere un controllore progettato con tecnica PID, LQR o altra tecnica di retroazione.

La presente invenzione ? adattabile a diversi tipi di velivoli, in diverse configurazioni. Nelle Figure 1-3 sono illustrate tre fra le grandi quantit? di possibili combinazioni.

In Figura 1 ? presentato un velivolo in configurazione di tipo convenzionale con un?architettura propulsiva di tipo Ibrido-Serie. Presenta un totale di sei motori elettrici traenti, uniformemente posizionati sull?ala, tre per ogni semiala, due centraline EPMS1 e EPMS2 collaboranti, un pacco batterie BP ed un sistema di generazione di potenza PGS per la ricarica del pacco batterie BP. Come mostrato schematicamente in Figura 1, ? chiaro che, nel caso in cui si abbia un guasto ad una delle due centraline, sono comunque garantiti il volo simmetrico e met? della potenza continuativa nominale. In particolare, il momento di imbardata rispetto al baricentro rimane pari a zero, come mostrato di seguito:

Con tre motori non operativi il velivolo ha a disposizione rispetto alla situazione di normale operativit? il 50% della potenza continuativa o il 75% sfruttando la non continuativa.

In Figura 2 ? presentata una configurazione "Canard" elettrico, con quattro motori posizionati sull?ala, una sola centralina EPMS e un pacco batterie. Sebbene sconsigliata, la configurazione con una singola unit? EPMS ? comunque in grado di garantire ogni caratteristica descritta sopra. L?evidente svantaggio ? la totale perdita di potenza in caso di guasto della centralina coinvolta, vista l?assenza di una seconda; tuttavia tale configurazione potrebbe essere sfruttata, ad esempio, su velivoli di dimensioni ridotte.

In Figura 3 ? mostrata una terza possibile configurazione: un velivolo elettrico con un totale di tre centraline EPMS collaboranti e undici motori elettrici propulsivi. Anche in questo caso, in seguito al guasto di una o addirittura di due centraline EPMS ? comunque garantito un momento di imbardata pari a zero grazie alla disposizione dei motori e ai loro collegamenti alle centraline. Nel caso di guasto ad uno o pi? motori, il volo simmetrico sar? garantito come gi? descritto. Da notare in particolare in questa configurazione il numero dispari di motori elettrici: infatti, uno (EM1) ? situato nel muso del velivolo ed ? di dimensioni diverse rispetto agli altri. In tal caso in configurazione di volo SE, l?angolo di deriva ? verr? fisicamente generato dalla presenza del motore dispari, mentre in modalit? ME la simmetria sar? garantita correggendo questa tendenza con uno dei motori esterni, al contrario di quanto fatto in una configurazione con motori pari.

Nel seguito ? presentata, a titolo esemplificativo, una logica di funzionamento della centralina EPMS. Calcoli e riferimenti sono stati effettuati come esempio per il velivolo presentato in Figura 1, ma possono essere estesi a qualsiasi configurazione. In Tabella 1 ? presentato un riassunto delle principali caratteristiche del velivolo in esame.

Tabella 1

Risolvendo per il velivolo esempio le equazioni dell?equilibrio del velivolo ? possibile determinare i valori caratteristici degli angoli di volo e le potenze differenziali da dover assegnare per far s? che la simulazione del velivolo SE sia efficace. In Tabella 2 sono riportati alcuni punti di funzionamento caratteristici.

Tabella 2

I valori sono funzione della velocit? di volo, quindi anche della forza esercitata della singola elica, e delle derivate di stabilit? e controllo del velivolo. Lo sbilanciamento per la creazione del momento di imbardata pu? essere attuato sia agendo su un singolo motore (ad esempio il 10% di potenza in meno sul motore 1), sia su due ( 5% sul motore 1, 5% sul motore EM6). L?ultima modalit? consente di lasciare inalterata la potenza totale.

Come ? evidente dai risultati precedenti, l?angolo di sbandata indotto con la simulazione di velivolo SE dipende fortemente dalla velocit? di volo: infatti, mantenendo uno sbilanciamento del 10%, a bassa velocit? l?angolo di sbandata ? maggiore rispetto che ad alta velocit?. Questo comportamento riflette perfettamente quello di un velivolo monomotore reale. Inoltre, ? possibile notare come l?angolo di rollio indotto (e quindi la conseguente necessaria deflessione degli alettoni) sia di un ordine di grandezza inferiore all?angolo di imbardata, anche in questo caso rispecchiando la dinamica di un velivolo reale. Infine, la dinamica longitudinale del velivolo risulta inalterata, a patto che la potenza fornita sia costante.

In Figura 7 ? presentato lo schema a blocchi della logica di controllo in modalit? Single Engine nel caso di operazioni normali, mentre in Figura 8 lo stesso in condizioni di emergenza. Allo stesso modo, nelle Figure 9 e 10 sono presentate le strategie per il velivolo in configurazione Multi Engine in caso di normale operativit? o di emergenza. Naturalmente quello illustrato nelle Figure ? solo un esempio di una pluralit? di alternative.

Il simbolo ?T ? riferito al settaggio di manetta quando le due leve di comando sono unite, mentre ?T1 e ?T2 sono riferiti al settaggio della manetta destra e sinistra.

Claims (10)

RIVENDICAZIONI

1. Un velivolo (10) ad elica ad ala fissa plurimotore comprendente una pluralit? di motori elettrici propulsivi (EM1-EM6; EM1-EM4; EM1-EM11), in cui detti motori elettrici propulsivi (EM1-EM6; EM1-EM4) sono in un numero pari maggiore di due e sono disposti in modo simmetrico rispetto al piano longitudinale del velivolo, il velivolo comprendendo anche una centralina (EPMS) configurata per fornire potenza differenziale ai motori (EM) in modo tale da generare un angolo di sbandata (?) in condizioni di volo in salita per simulare un comportamento di un velivolo monomotore, oppure

in cui detti motori elettrici propulsivi (EM1-EM11) sono in un numero dispari maggiore di quattro e sono disposti in modo simmetrico rispetto al piano longitudinale del velivolo, in cui un motore elettrico propulsivo (EM1) ? disposto in corrispondenza del piano longitudinale del velivolo, il velivolo (10) comprendendo anche una centralina (EPMS) configurata per correggere l?angolo di deriva (?) generato dalla presenza del motore sul muso del velivolo con uno dei motori esterni (EM2, EM7) per simulare un comportamento di un velivolo plurimotore.

2. Il velivolo (10) della rivendicazione 1 con numero di motori pari, in cui detta centralina (EPMS), al fine di simulare un comportamento di un velivolo monomotore in salita, ? configurata per fornire ad uno dei motori propulsivi pi? lontani dal piano longitudinale del velivolo una potenza inferiore a quella fornita all?altro dei motori propulsivi pi? lontani dal piano longitudinale del velivolo.

3. Il velivolo (10) della rivendicazione 1 o 2 con numero di motori pari, in cui detta centralina (EPMS) ? configurata in modo da generare una resistenza non simmetrica al fine di simulare un comportamento di un velivolo monomotore in discesa,

nel caso di eliche ripiegabili, chiudendo solo alcune delle eliche associate ai motori propulsivi, oppure,

nel caso di eliche a passo variabile, gestendo il passo delle eliche in modo differenziale, oppure

gestendo la potenza in maniera differenziale.

4. Il velivolo (10) della rivendicazione 1, 2 o 3, in cui una distanza tra due motori elettrici propulsivi montati su ogni semiala ? uguale alla distanza tra il piano longitudinale del velivolo e ognuno dei motori elettrici propulsivi pi? vicini al piano longitudinale del velivolo.

5. Il velivolo (10) di una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui in caso di guasto ad un motore elettrico o elica, oppure di una collisione con un oggetto esterno, detta centralina (EPMS) ? configurata per ridurre la spinta su un lato del velivolo e/o per aumentare la spinta sull?altro lato del velivolo per mantenere l?angolo di deriva (?) pari a zero.

6. Il velivolo (10) di una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente anche un pacco batterie (BP) e, opzionalmente, un sistema di generazione di potenza (PGS) per caricare il pacco batterie (BP).

7. Il velivolo (10) di una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente anche un?unit? inerziale (IMU) cooperante con detta centralina (EPMS).

8. Il velivolo (10) di una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detta centralina (EPMS) ? configurata per simulare guasti a scopo di training e/o per simulare un funzionamento tipico dei motori a reazione e/o per simulare un funzionamento tipico di un motore termico.

9. Il velivolo (10) di una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente due centraline (EPMS1, EPMS2) in una configurazione cooperante, in cui una prima centralina (EPMS1) ? collegata ad un primo gruppo di motori elettrici propulsivi (EM1, EM4, EM5) ed una seconda centralina (EPMS2) ? collegata ad un secondo gruppo di motori elettrici propulsivi (EM2, EM3, EM6) ed in cui la prima e la seconda centralina (EPMS1, EPMS2) sono collegate tra loro.

10. Il velivolo (10) di una qualsiasi delle rivendicazioni 1-8, comprendente due centraline (EPMS1, EPMS2) in una configurazione ridondante, in cui una prima centralina (EPMS1) ? collegata a tutti i motori elettrici propulsivi (EM1-EM6) e la seconda centralina (EPMS2) ? collegata a tutti i motori elettrici propulsivi (EM1-EM6) ed in cui la prima e la seconda centralina sono collegate tra loro.