ITTO20070468A1 - Metodo per incrementare la portanza di superfici aerodinamiche e per ridurre la resistenza all'avanzamento - Google Patents

Description

DESCRIZIONE dell'invenzione industriale dal titolo: "Metodo per incrementare la portanza di superfici aerodinamiche e per ridurre la resistenza all 'avanzamento"

DESCRIZIONE

La presente invenzione si riferisce ad un metodo per incrementare la portanza di una superficie aerodinamica di un velivolo e per ridurne la resistenza all'avanzamento di un veicolo terrestre. L'invenzione é stata concepita per essere applicata in particolare alle ali di velivoli; come si comprenderà dalla descrizione che segue, l'invenzione è però utilizzabile anche per migliorare l'efficienza aerodinamica di un velivolo in generale o anche di un veicolo terrestre.

I moderni velivoli in fase di decollo ed atterraggio richiedono la capacità di ipersostentazione, ovvero la possibilità di aumentare, vista la velocità ridotta alla quale operano in tale fasi, la normale capacità dell'ala di sostenere in volo il velivolo. Questo effetto è ottenuto tipicamente deflettendo verso il basso gli ìpersostentatori, più comunemente noti con il termine anglosassone "flaps" .

In passato, per incrementare l'efficienza dei dispositivi di ipersostentazione, su aerei caccia si é proposto di prelevare aria ad elevata pressione dal motore a reazione e soffiarla a velocità supersonica sulle superfici superiori dei flaps attraverso un condotto che corre lungo il bordo posteriore della parte fissa dell<1>ala. L'apporto di energia creato da questo getto d'aria ritarda la perdita di depressione che viene a crearsi sulla superficie superiore dei flaps quando, riducendo la velocità di volo, il flusso d'aria che scorre sopra l'ala tende a staccarsi dall'ala stessa, provocando la perdita di capacità di sostenere il velivolo.

L'utilizzazione di tale metodo, così come applicato in passato, non è possibile sui più moderni velivoli, in particolare quelli civili, i cui motori a reazione non possono fornire la richiesta quantità d'aria pressurizzata. Tale limite è intrinseco al metodo, in quanto esso implica l'utilizzo una velocità di soffiamento ampiamente supersonica, e questo, unito al fatto che la superfiele alare dei moderni velivoli, sia militari che civili , è molto grande, richiederebbe enormi quantità d'aria. In ogni caso, la portata d'aria ottenibile in questo modo sarebbe comunque insufficiente per velivoli di grosse dimensioni.

In alternativa l'aria compressa potrebbe essere fornita da un apposito compressore, il che però comporterebbe un aumento inammissibile in termini di costì, peso e consumo energetico.

La presente invenzione si prefigge quindi lo scopo di proporre un metodo perfezionato in maniera sostanziale e utilizzabile non solo per incrementare la portanza di una superficie aerodinamica di un velivolo ma anche per ridurre la resistenza di un veicolo terrestre.

Questo ed altri scopi e vantaggi, che saranno compresi meglio in seguito, sono raggiunti secondo l'invenzione da un metodo come definito nella rivendicazione 1. Secondo un altro aspetto dell'invenzione, si propone un'ala dì velivolo come definita nella rivendicazione 6. Forme di attuazione preferenziali dell'invenzione sono enunciate nelle rivendicazioni dipendenti.

In sintesi, per incrementare la portanza di un flap si invia sulla superficie superiore dì questo un getto d'aria. Secondo l'invenzione, almeno una parte dell'aria di questo getto è prelevata, tramite prese d'aria, dal flusso d'aria che fluisce su una superficie superiore della parte fissa dell'ala, a monte del flap. Tale getto viene inoltre usato anche per aspirare filetti fluidi a monte di un condotto di soffiamento. Nella forma di attuazione preferita e più efficace dell'invenzione, il getto d'aria prelevato per aspirazione dalle prese d'aria va ad aumentare l'effetto di un getto d'aria compressa soffiato attraverso un condotto di soffiamento che si apre sopra la superficie superiore della parte fissa dell'ala immediatamente a valle delle prese d'aria di aspirazione. Si ottiene così un getto combinato, comprendente l'aria aspirata ed il getto soffiato, che viene convogliato verso aperture di uscita situate sul bordo posteriore della parte fissa dell'ala, ed eiettato sulla superficie superiore del flap.

Verrà ora descritta una forma di attuazione preferita ma non limitativa dell'invenzione. Si fa riferimento ai disegni allegati, in cui:

la figura 1 è una sezione che illustra schematicamente il metodo secondo l'invenzione;

la figura 2 è una vista prospettica sezionata della parte posteriore dell'ala di un velivolo secondo 1'invenzione;

la figura 3 è una vista in pianta dall'alto secondo la freccia III in figura 2;

la figura 4 è una vista in sezione verticale secondo la traccia IV in figura 3;

le figure 5 e 6 sono viste schematiche in sezione verticale di un tradizionale dispositivo di attuazione per il flap di un'ala di aeroplano;

le figure da 7 a 10 sono viste schematiche in sezione verticale di un dispositivo per l'attuazione di un flap utilizzabile secondo 1'invenzione .

Si fa inizialmente riferimento alla figura 1, dove è schematizzato il principio sul quale è basata la presente invenzione. S è una superficie di un corpo solido che si trova in movimento relativo rispetto ad un mezzo, liquido o gassoso, in cui il corpo è immerso. Gli strati del fluido più vicini alla superficie del corpo sono detti filetti fluidi, indicati FF. Le caratteristiche dei filetti fluidi determinano lo sviluppo delle forze agenti sul corpo in movimento. In particolare, i filetti fluidi generano una forza che si oppone all'avanzamento del corpo all'interno del mezzo fluido, forza detta di resistenza e, se il corpo è di forma adeguata come le ali di un velivolo, generano una forza perpendicolare alla direzione di avanzamento dell'oggetto, forza detta di portanza. Mentre la forza di resistenza si oppone al moto di veicoli, velivoli e natanti, la forza di portanza interessa soprattutto i velivoli e le velature dei natanti. I filetti fluidi possono, in condizioni particolari, tendere a staccarsi dalla superficie sulla quale scorrono, in tal caso la resistenza all'avanzamento cresce di molto e la capacità di portanza di ali e velatura risulta grandemente compromessa. L'invenzione consente di controllare i filetti fluidi a contatto della parete solida del corpo in moto, riducendo la possibilità del loro distacco dalle superfici, ottenendo quindi un miglioramento delle capacità di generare la forza detta di portanza e una riduzione della resistenza all'avanzamento. Il controllo dei filetti fluidi avviene tramite effetto combinato di una aspirazione dei filetti fluidi al disotto della superficie S del corpo in movimento {attraverso un condotto di aspirazione CA o un'apertura o superficie perforata o presa aria tipo NACA, come descritto più avanti) e della contemporanea presenza di un getto di fluìdo di soffiamento GS a valle del punto di aspirazione e parallelo alla superficie del corpo solido.

Il condotto di aspirazione CA consente l'ingresso di filetti fluidi in un canale o condotto eiettore CE che corre perpendicolarmente alla direzione dei filetti fluidi. Un condotto di soffiamento CS mette in comunicazione il canale eiettore con 1'esterno. Preferibilmente un getto di soffiamento GS {d'aria, o di fluido qualsiasi), avente velocità superiore a quella dei filetti fluidi, viene immesso nel canale eiettore per fuoriuscire dal condotto di soffiamento. Per effetto d'attrito, il getto di soffiamento GS richiama i filetti fluidi attraverso il condotto di aspirazione e li trascina con sé attraverso il condotto di soffiamento. Dal condotto di soffiamento esce quindi un getto di soffiamento finale che lambisce la superfìcie S, con conseguente energizzazione dei filetti fluidi a valle del condotto di soffiamento.

Facendo ora riferimento alle figure 2-4, un'ala di un velivolo comprende una parte di ala principale fissa 10 con una piastra superiore 11 ed un flap 20 incernierato posteriormente alla parte fissa 10 dell'ala lungo un albero trasversale 21. In tutta la presente descrizione e nelle rivendicazioni, i termini e le espressioni indicanti posizioni ed orientamenti, quali ad esempio “posteriore" o “trasversale" si intendono riferiti alla direzione di avanzamento di un velivolo o veicolo ed alla condizione installata su di esso.

Nella parte fissa 10 dell’ala, ad un certa distanza dal suo bordo terminale posteriore, é disposto un condotto 30 per l'aria compressa prelevata da uno degli stadi a bassa pressione del compressore (non illustrato) e/o dal condotto di by-pass (non illustrato) di un motore turbo-fan a reazione. Il condotto 30 corre trasversalmente lungo l’ala ed ha preferibilmente una sezione a goccia, con una coppia di pareti 31, 32 che convergono posteriormente individuando una stretta fenditura posteriore trasversalmente allungata 33 agente da ugello eiettore, come spiegato più avanti. L'ugello eiettore 33 si apre immediatamente al di sopra di una piastra intermedia 12 distanziata sotto la piastra superiore 11.

Le piastre 11 e 12 individuano tra loro un'intercapedine 42 che termina posteriormente con un'apertura di uscita 44 stretta e trasversalmente allungata, individuata dai bordi posteriori 13 e 14 delle piastre 11 e 12. Preferibilmente le piastre li e 12 convergono posteriormente, per cui l'intercapedine 42 è rastremata verticalmente nella direzione posteriore allo scopo di accelerare ulteriormente il getto d'aria che fuoriesce dall 'apertura 44.

Nella piastra superiore 11 é formata una schiera di prese d'aria 41 trasversalmente distanziate l'una dall'altra ad intervalli predeterminati. Le prese d'aria 41 sono formate immediatamente a monte dell'ugello eiettore 33. Nella forma di realizzazione preferita illustrata nei disegni, le prese d'aria 41 sono prese cosiddette "NACA", di per sè note, aventi una sagoma a campana, come illustrato nella figura 3. In alternativa, secondo forme di attuazione meno preferite {non illustrate), le prese d'aria 41 potranno essere ad esempio fenditure o aperture di forma ancora diversa. Le prese d'aria NACA sono vantaggiose per la loro capacità di catturare ed aspirare una notevole quantità d'aria, creando perdite di resistenza trascurabili .

Il funzionamento dell'ala illustrata nelle figure 2-4 è il seguente. L'aria compressa mandata a velocità sonica attraverso il condotto 30 viene accelerata tra le pareti convergenti 31, 32 e fuoriesce ad alta velocità dall'ugello eiettore 33 immettendo nell'intercapedine 42 un getto d'aria qui denominato getto "soffiato". Per il cosiddetto effetto eiettore, questo getto soffiato ad alta velocità risucchia altra aria attraverso le prese NACA 41. L'aria complessivamente immessa nell'intercapedine 42 proviene quindi in parte dal getto soffiato dal-1 'ugello eiettore 33 ed in parte dall'aspirazione attraverso le prese NACA 41 dello strato limite della corrente che fluisce lungo la superficie superiore della piastra 11 a monte di queste prese d'aria. Si forma così un getto combinato di aria compressa (soffiata ed aspirata) che viene eiettato dall'apertura di uscita 44 sulla superficie superiore 22 del flap. Questo getto combinato impedisce il distacco dei fluidi dalla superficie superiore del flap, e quindi compensa la carenza di depressione, e quindi di portanza, dovuta alla bassa velocità relativa del flusso che scorre sull'ala durante le fasi di decollo e atterraggio.

Prove di simulazione condotte dalla Richiedente hanno dimostrato che, anche in assenza in un getto d'aria compressa attraverso il condotto 30, si verifica un certo incremento di portanza, sia pure di entità limitata, dovuto alla sola aspirazione che avviene attraverso le aperture NACA. Queste aperture effettuano sempre un'aspirazione dello strato limite dalla superficie superiore dell'ala, garantendo quindi una ipersostentazione minima anche nel caso di guasto al motore.

L’aumento della portanza si traduce favorevolmente anche in una semplificazione del meccanismo di azionamento del flap, nonché delle dimensioni del flap stesso e della carena destinata ad accogliere il meccanismo di azionamento, come si noterà paragonando le figure 5-6 alle figure 7-10. Un flap di tipo tradizionale {figure 5 e 6) viene azionato mediante un meccanismo piuttosto complesso che fa compiere al flap un movimento combinato di rotazione e di traslazione. Secondo l'invenzione, grazie all'aumento di portanza attraverso la configurazione sopra descritta, è possibile realizzare un flap 20 più corto che, vantaggiosamente, è semplicemente incernierato alla parte fìssa dell'ala (figure 7-10). Per l'azionamento del flap è previsto un martinetto 45 che fa ruotare un albero di torsione 21 tramite una leva 46. Ne consegue una riduzione di peso, di costi e una riduzione delle dimensioni della carenatura {non illustrata) che contiene il meccanismo di azionamento, il che comporta una minore resistenza aerodinamica all'avanzamento del veicolo .

Facendo nuovamente riferimento alle figure 2 e 4, quando il flap 20 viene sollevato per condizioni di voli a velocità di crociera, un suo bordo superiore ed anteriore 23 va a occludere l'uscita 44 del getto combinato dì area compressa, soffiata ed aspirata. Per evitare che le prese d'aria 41 e l'intercapedine 42 vengano intasati di sporcizia durante il volo quando l'uscita 44 è chiusa, è preferibile predisporre uno sportello 47, incernierato inferiormente alla piastra superiore 11 in 48 per chiudere le prese d'aria 41 quando un incremento di portanza non è necessario. I movimenti di sollevamento ed abbassamento dello sportello 47, che corrispondono rispettivamente alla chiusura ed apertura delle prese d'aria 41, possono essere vantaggiosamente coordinati o contemporanei ai movimenti di abbassamento e sollevamento dei flaps.

L 'invenzione è applicabile in modo particolarmente vantaggioso su velivoli a getto con motori ad elevato by-pass di qualsiasi tipo, siano essi civili o militare, che richiedono capacità di ìpersostentazione. L'invenzione può risultare particolarmente vantaggiosa su velivoli supersonici aventi ali molto sottili per i quali l'utilizzo delle classiche superfici di ipersostentazione è molto limitato .

Come già detto, l'invenzione consente di evitare, su oggetti in movimento, la separazione dei filetti fluidi dalla superficie posteriore sulla quale viene eiettato il getto d'aria supplementare. Un effetto che risulta da ciò è la diminuzione della resistenza all'avanzamento. Tale effetto consente di applicare l'invenzione anche su veicoli terrestri, per ridurne appunto la resistenza aerodinamica all'avanzamento.

Si intende che l'invenzione non è limitata alla forma di realizzazione qui descritta ed illustrata, che è da considerarsi come un esempio di attuazione; l'invenzione è applicabile a qualsiasi fluido (gassoso o liquido) ed è suscettibile di modifiche relative a forma e disposizioni di partì, dettagli costruttivi e di funzionamento. Ad esempio, le prese d'aria 41 potranno essere formate in una ulteriore piastra (non illustrata) fissata sopra la piastra superiore 11 dell'ala.

Claims (15)

1. RIVENDICAZIONI 1 . Metodo per incrementare la portanza di una superficie aerodinamica (22) dì un velivolo o ridurre la resistenza aerodinamica all'avanzamento di un veicolo terrestre, dove la superficie (22) è una seconda superficie disposta a valle di una prima superficie (il) disposta a monte con riferimento alla direzione di un flusso d'aria che fluisce sulla prima superficie verso la seconda superficie, il metodo comprendendo la fase di inviare sulla seconda superficie (22) un getto d'aria supplementare in una direzione sostanzialmente concorde alla direzione di detto flusso d'aria, caratterizzato dal fatto che almeno una parte del getto d'aria supplementare è aspirata dal flusso d'aria che fluisce sulla prima superficie (11).
2. 2. Metodo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto dì prelevare detta parte del getto d'aria supplementare attraverso prese d'aria (41) formate attraverso la prima superficie (11) o in una piastra fissata sopra questa.
3. 3. Metodo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto di inviare un getto d'aria pressurizzata a velocità elevata vicino a o immediata mente a valle di prese d'aria (41) atte a catturare aria dal flusso che fluisce sulla prima superficie (11), in modo tale per cui il getto d'aria pressurizzata richiama aria dall'esterno attraverso le prese d'aria (41).
4. 4 . Metodo secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto di prelevare aria compressa, in un velivolo con un motore a reazione, da uno degli stadi a bassa pressione del compressore e/o da un condotto di bypass del motore a reazione, immettere l'aria compressa così prelevata in un condotto (30) con pareti interne convergenti (31, 32) in modo tale da accelerare l'aria compressa verso almeno un'apertura o ugello eiettore (33) disposto vicino alle prese d'aria (41) o immediatamente a valle di queste, producendo così il getto d'aria pressurizzata che richiama aria dall'esterno attraverso le prese d'aria (41).
5. 5. Metodo secondo la rivendicazione 3 o 4, caratterizzato dal fatto che l'aria pressurizzata è inviata a velocità sonica.
6. 6. Ala dì velivolo comprendente una parte principale di ala fissa (10) con una superficie superiore (11) ed almeno un flap (20) posteriore mobile con una superficie superiore (22) , comprendente mezzi per inviare sulla superficie superiore (22) del flap un getto d'aria supplementare in una direzione sostanzialmente concorde alla direzione di un flusso d'aria che scorre sulla superficie superiore (il) della parte fissa dell'ala, caratterizzata dal fatto che comprende mezzi di presa d'aria, distribuiti trasversalmente lungo la superficie superiore (il) della parte di ala fissa (10), per catturare aria da detto flusso che scorre sulla superficie superiore (11) della parte fissa dell'ala, convogliare l'aria catturata verso una o più aperture di uscita (44) posteriori situate vicino a zone di bordo posteriore (13) della parte dì ala fissa, ed eiettare getti d'aria attraverso le aperture di uscita (44) sulla superficie superiore (22) dell'almeno un flap (20).
7. 7. Ala di velivolo secondo la rivendicazione 6, caratterizzata dal fatto che i mezzi di presa d'aria comprendono una piastra trasversalmente allungata (11) che costituisce almeno una parte della superficie superiore della parte fissa dell'ala (10) e che si estende fino in prossimità di un bordo terminale posteriore (13) della superficie superiore della parte fissa dell'ala, una pluralità di aperture o prese d'aria (41) formate nella piastra (11) e trasversalmente distanziate l'una dall'altra ad intervalli predeterminati, e dette una o più aperture di uscita (44) posteriori .
8. 8. Ala di velivolo secondo la rivendicazione 7, caratterizzata dal fatto che le prese d'aria (41) sono prese NACA aventi una sagoma a campana allargata posteriormente.
9. 9. Ala di velivolo secondo la rivendicazione 7, caratterizzata dal fatto che la piastra superiore (11) individua con una piastra intermedia sottostante (12) un'intercapedine (42) che termina posteriormente con una o più aperture strette e trasversalmente allungate costituenti dette aperture di uscita (44).
10. 10. Ala di velivolo secondo la rivendicazione 9, caratterizzata dal fatto che le piastre (il, 12) convergono posteriormente, per cui l'intercapedine (42) è rastremata verticalmente nella direzione posteriore così da accelerare l'aria nell'intercapedine verso le aperture di uscita (44).
11. 11. Ala di velìvolo secondo la rivendicazione 7, caratterizzata dal fatto che il flap (20) presenta un bordo superiore ed anteriore (23) capace di occludere le aperture di uscita (44) quando il flap è sollevato in una posizione di volo nella quale le superfici superiori (il) della parte dì ala fissa e (22) del flap sono sostanzialmente complanari.
12. 12 . Ala di velivolo secondo una qualunque delle rivendicazioni da 7 a 11, caratterizzata dal fatto che comprende mezzi dì chiusura mobili (47) associati alle prese d'aria (41) per chiuderle o aprirle.
13. 13. Ala di velivolo secondo una qualunque delle rivendicazioni da 6 a 12, caratterizzata dal fatto che comprende un condotto (30) per aria pressurizzata (30) che corre trasversalmente lungo 1’ala e presenta uno o più ugelli eiettori (33) rivolti posteriormente che si aprono vicino a o immediatamente a valle delle prese d'aria (41).
14. 14. Ala di velivolo secondo la rivendicazione 13, caratterizzata dal fatto che detti uno o più ugelli eiettori (33} sono in forma di una o più strette fenditure trasversalmente allungate.
15. 15. Ala di velìvolo secondo la rivendicazione 13, caratterizzata dal fatto che il condotto (30) ha pareti interne convergenti (31, 32) posteriormente verso detto uno o più ugelli eiettori (33).