ITPI20090079A1 - Ala di elevato allungamento con forma in pianta curva per aeromobili operanti in regime transitorio - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

Campo tecnico a cui l’invenzione si riferisce

L’invenzione riguarda le ali di aeromobili operanti a velocità crociera in regime di alto subsonico (in linguaggio tecnico definito anche come regime transonico).

Corrispondente stato dell’arte e problema tecnico di riferimento La velocità di crociera dei velivoli, commerciali e non commerciali, viene fissata in base ad un giusto compromesso tra tempi di percorrenza e consumi, nel rispetto dei limiti di resistenza delle strutture portanti e, nel caso dei velivoli commerciali, con riferimento alla produttività della macchina (velocità commerciale).

Questo compromesso porta, nella maggioranza delle situazioni, a stabilire velocità di crociera che si mantengono ben al di sotto della velocità del suono corrispondente alla quota di volo, con un margine dell’ordine del 10÷20%, in modo da evitare l’aumento repentino della resistenza aerodinamica: per ogni configurazione alare progettata viene definito il cosiddetto Mach di Drag Rise = MDR, e si fa in modo di far volare il velivolo con numeri di Mach minori del MDR.

Dato un profilo, si definisce numero di Mach Critico (a cui corrisponde la velocità critica) il numero di Mach del flusso asintotico M0=V0/a0(in cui a0e’ la velocità del suono misurata alla quota presa in esame) tale che sul profilo si raggiunga in qualche punto la condizione sonica, ovvero Mach= 1 (Fig.1) La sua importanza à ̈ notevole poiché indica che, per valori del numero di Mach leggermente superiori al numero di Mach Critico, il profilo si trova immerso in un flusso d’aria “misto†, in parte subsonico e in parte sonico, si trova cioà ̈ ad operare in regime transonico. Il campo di velocità della vena fluida che lambisce il profilo in condizioni transoniche à ̈ fortemente instabile. Infatti, superato il Mach Critico, le superfici portanti in genere vengono violentemente scosse a causa della formazione di una “bolla supersonica†e di un’onda d’urto. A causa degli effetti dissipativi e di comprimibilità’ associati allo stato del campo aerodinamico, buona parte dell’energia della vena fluida che raggiunge ed attraversa l'onda d’urto si trasforma in calore e si produce la cosiddetta Resistenza d’Onda, che à ̈ tutt’altro che trascurabile nel computo della resistenza totale del velivolo (Fig.2).

A valle dell’onda d’urto (che può essere pensata come una parete fluida permeabile di spessore trascurabile rispetto alle dimensioni del profilo alare) la vena fluida rallenta bruscamente e di conseguenza si modifica repentinamente la distribuzione delle pressioni attorno al profilo.

Come appena spiegato, l’onda d’urto à ̈ tipicamente accompagnata da una drastica variazione delle pressioni di natura aerodinamica nella direzione delle sezioni alari (corde dei profili), che in certe condizioni può essere motivo di separazione della vena fluida a valle dell’onda d’urto stessa, ed e’ causa di un forte aumento della resistenza di forma (dovuta essenzialmente al cambiamento della distribuzione delle pressioni) del corpo immerso nella corrente fluida (in questo caso le ali medesime).

Oltre che produrre un aumento della resistenza, le onde d’urto possono essere causa di fenomeni non stazionari dovuti alla interazione tra la dinamica vibrazionale delle strutture portanti delle superfici aerodinamiche e la disposizione ed intensità delle onde d’urto stesse in corda. Tali fenomeni possono produrre criticità per la stabilita’ aeromeccanica e le qualità di volo (direttamente legate “comfort†per i passeggeri) dell’intero aeromobile.

I fenomeni fisici su descritti sono tanto più importanti quanto intense sono le onde d’urto che si generano sulle superfici delle ali (l’intensità’ di un’onda d'urto e’ legata al salto di pressione che si produce tra monte e valle dell’onda d’urto stessa).

Affinché si verifichino le condizioni critiche sopra descritte, associate alla formazione di onde d’urto, à ̈ necessario che in una gran parte dell’ala la vena fluida raggiunga contemporaneamente una velocità pari alla velocità del suono relativa alla quota di volo a cui opera l’aeromobile (cioà ̈ localmente dovrà verificarsi la condizione Numero di Mach=1).

Da un punto di vista aerodinamico, oltre che dalla forma dei profili (i migliori dal punto di vista delle prestazioni vengono detti profili supercritici), un parametro di progetto da cui dipende fortemente la formazione delle onde d’urto sulle ali e’ l’angolo di freccia (a cui e’ legata la cosiddetta forma in pianta delle ali): in genere un aumento dell’angolo di freccia ritarda il raggiungimento delle condizioni critiche locali in quanto consente di ridurre la componente di velocità ortogonale al bordo d’attacco dell’ala, che à ̈ la responsabile della generazione delle forze aerodinamiche sul profilo (Fig.3). Infatti, le particelle di fluido che investono le ali vengono accelerate solo secondo una direzione contenuta nel piano in cui e’ massima la curvatura dei profili (piano grosso modo perpendicolare al bordo di attacco delle ali) e non secondo la direzione parallela al bordo di attacco dell’ala stessa. L’ala a freccia permette quindi di aumentare il numero di Mach Critico in quanto le onde d’urto iniziano a , a parità di altre condizioni, per valori maggiori velocità di volo rispetto ad un’ala il cui bordo d’attacco perpendicolare alla direzione di volo.

Nelle configurazioni dei moderni velivoli da trasporto di medie e grandi dimensioni o di aviazione generale, caratterizzati da un angolo di freccia delle ali uniforme in apertura, il raggiungimento del valore di Mach=1 sulle ali (condizione critica locale), avviene praticamente in contemporanea lungo tutta la semiapertura alare (dalla sezione di radice fino alla sezione di estremità): per questo motivo la velocità di crociera viene in genere limitata in modo da garantire che lo sviluppo delle onde d’urto (che necessariamente si accompagna a numeri di Mach di crociera prossimi a 1) non sia causa di un aumento indesiderato della resistenza all’avanzamento (e quindi un aumento del consumo di carburante a parità’ della lunghezza di tratta da percorrere) e non sia inoltre particolarmente violento da causare criticità aeromeccaniche (instabilita’ dinamiche delle superfici portanti) all’interno dell’inviluppo di volo del velivolo. Dunque, il problema tecnico a cui fa riferimento questo documento, che la soluzione costruttiva proposta affronta e risolve, non consiste soltanto in un semplice innalzamento del Mach Critico per ali di elevato allungamento, ma nella modifica delle modalità (rallentamento e gradualità) con cui vengono raggiunte e si instaurano le condizioni critiche sulla superficie delle ali nel loro assieme.

Vantaggi dell'invenzione

Nell’ala oggetto dell’invenzione, a causa del progressivo aumento dell’angolo di freccia, crescente a partire dalla sezione di radice fino alla sezione di estremità, la componente di velocità ortogonale ai bordo d’attacco dell’ala diminuisce progressivamente (in una comune ala a freccia essa resta invece costante): questo ha come conseguenza che il numero di Mach della corrente fluida “utile†che investe l’ala decresce progressivamente dalla radice fino alla estremità alare (Fig.4).

In virtù della sua particolare forma in pianta (angolo di freccia non costante in apertura), l’ala oggetto dell’invenzione impedisce il raggiungimento simultaneo delle condizioni critiche locali (Numero di Mach Locale=1) lungo tutta l’apertura alare, permettendo pertanto di innalzare la velocità di crociera dell’aeromobile.

La precedente osservazione implica che, anche quando sulle sezioni dell’ala poste in prossimità della fusoliera vengono raggiunte le condizioni critiche, la restante parte dell’ala continuerà ad essere prevalentemente in regime subsonico e in questa zona dell’ala non si verificheranno quei rapidi ed estesi fenomeni di instabilità e di aumento della resistenza che sono tipici delle ali a freccia convenzionali anche se supercritiche. Nelle Figure 5a, 5b, 5c e 5d, vengono riassunti sinteticamente i risultati di una analisi fluidodinamica comparativa eseguita considerando due ali (la prima a freccia e la seconda curva) aventi la stessa semiapertura (30 m) e la stessa superficie in pianta (Fig. 7a). Le due semiali prese in esame hanno una superficie in pianta pari a circa 190 m<2>ed un allungamento alare pari a circa 9,5. Nelle figure citate e’ visibile come si modifichi la distribuzione del numero di mach locale e del coefficiente di pressione per effetto della forma delle ali. L’onda d’urto presente sull’ala curva risulta meno estesa rispetto all’onda d’urto presente sull’ala a freccia. Per quanto detto le condizioni criticità di un’ala di elevato allungamento con forma in pianta curva (velocità del suono raggiunta in ampie porzioni dell’ala) si verificheranno per valori di velocità di volo superiori rispetto ad un’ala a freccia convenzionale: questo fatto comporta per il velivolo la possibilità di operare a velocità di crociera superori a quelle attualmente consentite dall’uso di ali di elevato allungamento convenzionali.

Lo studio comparativo preliminare già citato ha mostrato che, simulando condizioni di volo di crociera uguali a quelle a cui operano i piu’ moderni velivoli da trasporto commerciale, l’ala con forma in pianta curva produce valori di resistenza aerodinamica più bassi di almeno il 5% (Fig. 6a, 6b, 6c, 6d) rispetto ad un’ala a freccia di pari allungamento.

Oltre che dal punto di vista prettamente aerodinamico, le condizioni operative di un velivolo avente le ali con forma in pianta curva, possono presentare migliorie anche dal punto di vista strutturale. Infatti, alla minore intensità delle onde d’urto che si formano su un’ala curva si accompagna una riduzione dell’accoppiamento aeroelastico tra i modi naturali di vibrare (flessionali e torsionali) dell’ala (tipicamente coinvolti nel raggiungimento delle condizioni di instabilta’ dinamica delle ali - flutter) e la posizione in corda delle onde d’urto medesime (che durante le oscillazioni delle superfici alari tende a modificarsi con una conseguente modifica del campo di pressione e quindi delle azioni flettenti e torcenti in ala). In altri termini, il fatto che le onde d’urto risultino meno estese nel caso di un’ala curva riduce il rischio di innesco di fenomeni aeroelastici dinamici alle alte velocità, particolarmente per la tenuta strutturale delle ali, e di conseguenza rende possibil realizzare strutture portanti delle ali curve (a parità di altre condizioni: materiali impiegati, disegno di dettaglio degli elementi strutturali, ecc...) con tecnologie tradizionali e con una non trascurabile riduzione del peso cosa che si riflette in positivo sulle prestazioni aeromeccaniche del velivolo nel suo assieme. Infatti e’ noto come una riduzione del peso strutturale comporti una diminuzione del consumo specifico di carburante del'aeromobile.

Descrizione di alcuni modi per realizzare l’Invenzione con riferimento ai disegni

Nei disegni allegati (Fig.7b, Fig.7c) si riporta una vista di assieme dell’ala curva oggetto della invenzione al variare di alcuni parametri geometrici:

Fio. 7b: ala curva realizzata con curvatura costante o crescente dalla radice alla estremità.

Fio. 7c: ala curva realizzata con una parte a freccia costante ed una parte a curvatura costante o crescente.

Claims (5)

1. SET DI RIVENDICAZIONI EMENDATO SENZA SEGNI 1 Un'ala transonica ad elevato allungamento alare comprendente : • Una sezione di radice; • Una sezione di estremità; • Un bordo di attacco ed un bordo di uscita che congiungono la sezione di radice con la sezione di estremità ; • Caratterizzato dal fatto che il bordo di attacco à ̈ realizzato in modo tale da presentare una curvatura in pianta che aumenta o rimane costante dalla sezione di radice alla sezione di estremità, in modo tale da aumentare progressivamente dalla sezione di radice verso la sezione di estremità l'angolo (As*) formato dalla direzione (Vo) di avanzamento dell'ala e la perpendicolare (Vo cos(As*)) alla curva che descrive il bordo di attacco dell'ala stessa ed in cui il bordo di uscita presenta una curvatura nello stesso verso di curvatura del bordo di attacco.
2. 2. Un'ala transonica, in accordo alla rivendicazione 1, in cui il bordo di attacco e/o il bordo di uscita presentano a scelta: • Una curvatura costante; • Una curvatura variabile.
3. 3. Un'ala transonica, in accordo alla rivendicazione 2, in cui il bordo di attacco e/o il bordo di uscita presentano una curvatura costituita da almeno una porzione rettilinea e almeno una porzione curva.
4. 4. Un'ala transonica, in accordo alla rivendicazione 1 in cui sono previste superfici di controllo mobìli del tutto simili a quelli adottate su ali di elevato allungamento tradizionali e con superfici di estremità fisse usate per la riduzione della resistenza indotta (winglets).
5. 5. Un velivolo comprendente un'ala come da una o più rivendicazioni precedenti dalla 1 alla 4.