ITTO20120821A1 - Aletta di estremita' per ali di velivolo. - Google Patents

Description

TITOLO: ALETTA DI ESTREMITÀ PER ALI DI VELIVOLO

La presente invenzione si riferisce ad alette di estremità o winglet per ali di un velivolo, atte a ridurre la resistenza indotta in modo attivo, in particolare variando il flusso agente su tale aletta in modo attivo.

La presente invenzione riguarda componenti per aeroplani civili e/o militari, ed in particolare applicabile alla zona di estremità alare generalmente denominata tip.

È noto che un'importante componente della resistenza aerodinamica che si oppone al moto di un velivolo è rappresentata dalla cosiddetta resistenza indotta, ovverosia dalla resistenza dovuta alla portanza.

Tradizionalmente, per contenere e/o ridurre tale tipologia di resistenza indotta, sono integrate dette alette di estremità, normalmente denominata winglet, poste in corrispondenza dell'estremità dell'ala, definita come tip alare.

Esistono differenti soluzioni tecniche che sfruttano il principio fisico alla base del funzionamento di una winglet, come per esempio nella domanda di brevetto internazionale WO2009155584, in cui è descritto un winglet con perimetro o profilo curvilineo al fine di minimizzare la resistenza indotta dall'ala.

Tutte le soluzioni descritte nell'arte nota, fondamentalmente, perseguono l'ottenimento di un carico aerodinamico ellittico, in particolare nella zona del tip alare, al fine di evitare la formazione di vortici d'estremità dell'ala troppo intensi. Infatti, l'intensità di tali vortici è direttamente proporzionale con l'accrescimento della resistenza indotta.

La resistenza indotta, infatti, è in massima parte generata dal fatto che il dorso di un'ala, o più in generale di una superficie portante, si trova a una pressione inferiore rispetto al ventre dell'ala stessa. Per tale ragione il flusso d'aria tende a passare dal ventre al dorso dell'ala, generando i tipici vortici di estremità con conseguente elevata dissipazione di energia per contrastare tale resistenza.

Le alette di estremità o winglet tradizionalmente sono progettate per opporsi a tale passaggio di flusso d'aria, riducendo l'intensità del vortice d'estremità e captandone l'energia residua per migliorare le prestazioni aerodinamiche dell'ala.

La funzionalità e le prestazioni di tali alette o winglet, quindi, dipendono fondamentalmente dalla forma e dal profilo della winglet stessa. La forma ed il profilo dell'aletta o winglet è tale da ottimizzare gli aspetti di carattere aerodinamico.

Il limite della winglet tradizionale consiste nel fatto che il suo progetto può essere ottimizzato rispetto ad una sola condizione di volo. Come tutti i dispositivi aerodinamici passivi, l'aletta o winglet esplica i suoi benefici in particolari condizioni di volo e disposizione del velivolo, in virtù della sua forma e profilo. Infatti, i winglet attualmente realizzati non sono in grado di adattarsi a condizioni di volo diverse da quelle per cui sono stati progettati. I winglet dell'arte nota sono dispositivi passivi, fissati in modo rigido alla struttura dell'ala del velivolo e non sono in grado di modificare, in modo attivo, il flusso aerodinamico agente su di esso al fine di ridurre tale resistenza indotta.

Sono noti studi che mostrano come il plasma possa essere pilotato al fine di controllare il flusso interagente con una superficie aerodinamica o in generale nel campo della fluidodinamica.

La presente invenzione si propone di risolvere i problemi sopracitati realizzando una aletta di estremità o winglet comprendente un sistema di controllo il quale permette, in modo attiva, di variare il flusso aerodinamico su almeno un' aletta o winglet, così da ottenere significative riduzioni di resistenza indotta. La presente soluzione permette di aumentare l'efficacia dell'aletta o winglet in un più ampio campo di condizioni di volo, oltre a quello per cui è stata progettata nella sua conformazione e profilo aerodinamico.

Un aspetto della presente invenzione riguarda un'aletta di estremità o winglet, con le caratteristiche dell'allegata rivendicazione indipendente 1.

Le caratteristiche accessorie sono riportate nelle allegate rivendicazioni dipendenti.

Le caratteristiche ed i vantaggi dell'aletta di estremità, secondo la presente invenzione, saranno chiari ed evidenti dalla seguente descrizione di diverse forme di realizzazione dell'aletta e dalle figure allegate le quali illustrano nel dettaglio:

· la figura 1 mostra un'aletta d'estremità o winglet, secondo la presente invenzione, in una vista in pianta rispetto all'ala su cui è montata;

• le figure 2A e 2B mostrano nel dettaglio la disposizione del sistema di controllo e gli attuatori in essa compresi, in particolare la figura 2A in una vista in pianta mentre, la figura 2B in una vista frontale;

• le figure 3A, 3B e 3C mostrano diverse forme di realizzazione dell'attuatore al plasma applicabili sull'aletta secondo la presente invenzione;

• la figura 4 mostra in modo schematico le interconnessioni del sistema di controllo applicato all'aletta di estremità secondo la presente invenzione.

Con riferimento alle citate figure l'aletta di estremità o winglet 2, atta ad essere applicata ad un'ala "A" di un velivolo, comprende un profilo "E" atto a ridurre la resistenza indotta, generata dalle turbolenze quali vortici di estremità, la quale grava sull'ala stessa penalizzandone le prestazioni aerodinamiche.

Il profilo "E" dell'aletta 2 è realizzato secondo i metodi classici, noti al tecnico del ramo, atti ad ottimizzare il funzionamento della stessa aletta, in predeterminate condizioni di volo, al fine di ridurre la resistenza indotta. Tale profilo "E" è simile, ad esempio, al profilo illustrato nelle figure 1, 2A e 2B.

Detta aletta 2 comprende almeno un sistema di controllo 3 atto a variare, in modo attivo, il flusso aerodinamico sulla stessa aletta o winglet. Detto almeno un sistema di controllo 3 ha un controllo attivo del flusso d'aria agente sull'aletta 2, al fine di migliorarne l'efficienza aerodinamica, ovverosia a ridurre la resistenza indotta a parità di portanza generata dal velivolo.

Detto almeno un sistema di controllo 3, comprende almeno un attuatore al plasma 31 posto su detta aletta o winglet 2, atto ad interagire con il flusso d'aria sulla superficie dell'aletta o winglet 2.

Detto sistema di controllo 3, tramite detto attuatore al plasma 31, è atto a generare e a controllare un plasma "P", preferibilmente atmosferico.

Detto almeno un attuatore al plasma 31, comprende almeno uno strato dielettrico 32 interposto fra almeno due elettrodi 33.

Nella forma di realizzazione preferita, l'attuatore 31 comprende uno strato dielettrico 32 sulle cui facce opposte è compreso almeno un elettrodo 33, come mostrato nelle figure 3A-3C.

L'eccitazione degli elettrodi con tensione elettrica, generata tramite ad esempio un generatore elettrico 34 ad elevato voltaggio, innesca un campo elettrico il quale ionizza l'aria con la conseguente generazione di plasma "P", a contatto della superficie dielettrica. L'intenso campo elettrico generatosi produce inoltre forze di massa che agiscono sul plasma "P" generato. Dette forze accelerano il plasma "P" in direzione delle linee di forza e danno origine ad una quantità di moto netta. Detta quantità di moto netta agisce sull'aria, lungo una direzione "B", raffigurata nelle figure 3A-3C tramite delle frecce.

Detto generatore 34, compreso nel sistema 3, è un generatore di tensione, preferibilmente sinusoidale. Preferibilmente, ogni attuatore 31 comprende un generatore 34.

Detto generatore 34, in una forma di realizzazione non illustrata, comprende un circuito elettrico formatore d'onda il quale realizza una forma d'onda desiderata, nel dominio del tempo e/o della frequenza.

Detto almeno un dielettrico 32, e detti elettrodi 33 consentano la generazione di plasma "P" e il controllo dello stesso plasma, ad esempio plasma atmosferico, al fine di manipolare lo strato limite del flusso d'aria sull'aletta o winglet 2.

All'attivazione dell'attuatore 31 il plasma "P" viene generato sulla superficie dell'aletta, in particolare sulla superficie interessata dal flusso d'aria, definita dal profilo "E". Normalmente il plasma così ottenuto è definito come plasma a barriera.

L'attuatore 31 è preferibilmente realizzato nella tecnologia DBD, acronimo di Dielectric Barrier Discharge.

La formazione del plasma "P" è controllata da detto attuatore al plasma 31, il quale comprende apparati elettrici atti a generare un plasma freddo atmosferico. Il plasma consente di influenzare e controllare il flusso aerodinamico attorno alle superfici dell'aletta applicata ad un velivolo.

Ai fini della presente invenzione, con il termine plasma freddo s'intende un plasma in cui le temperature raggiunte dal gas ionizzato variano tra i 40°C e i 100°C circa, e il manifestarsi del plasma stesso non è distruttivo per il materiale frapposto tra gli elettrodi.

Differenti geometrie realizzative dell'attuatore 31 consentono di modificare le linee di campo elettrico prodotte e di ottenere conseguentemente differenti campi di forza e flussi di massa associati, così da garantire la possibilità di controllo del flusso entro lo strato limite in prossimità della superficie dell'aletta 2.

Nella forma di realizzazione preferita, illustrata nelle figure 3A, 3B, detto strato dielettrico 32 è parte della stessa aletta 2. Inoltre, un primo elettrodo 33', dell'attuatore 31, è inglobato nell'aletta 2 stessa. Tale configurazione realizzativa garantisce l'inibizione alla generazione di plasma sul lato non esposto al flusso d'aria, come illustrato nelle figure.

L'attuatore 31, comprende inoltre un secondo elettrodo 33", posto in prossimità della superficie esposta al flusso d'aria, a valle del quale si genera un plasma "P".

Detto secondo elettrodo 33" può essere realizzato tramite diverse tipologie d'integrazione con detta aletta 2 .

Nella forma di realizzazione illustrata in figura 3A un secondo elettrodo "33'"' è annegato, per il suo spessore, nel dielettrico 32.

In una forma di realizzazione alternativa illustrata in figura 3B, detto secondo elettrodo 33" è posto al di sopra del dielettrico 32, ad esempio totalmente esposto al flusso d'aria. Questa soluzione è normalmente applicata nel caso in cui detto secondo elettrodo 33" sia molto sottile.

L'installazione di tale secondo elettrodo 33", al di sopra del dielettrico 32, avviene tramite tecniche di deposizione, al fine di massimizzare la semplicità installativa.

La generazione di plasma "P", tramite detto attuatore 31, può essere modulata, sia in ampiezza, ad esempio tramite una pulsazione di tipo ON/OFF, sia in frequenza.

Per la generazione del plasma "P" possono essere utilizzate altre tipologie di modulazione dell'alimentazione elettrica degli elettrodi, tramite un apposito circuito modulatore, non illustrato, operativamente connesso al generatore 34.

È possibile inoltre variare l'alimentazione degli elettrodi tramite detto generatore 34 anche per quanto riguarda la durata percentuale della fase attiva o ON rispetto alla fase di riposo o OFF.

Inoltre, la forma d'onda generata dal generatore 34 per pilotare l'attuatore 31, e la modulazione applicata sono tali da ottimizzare il funzionamento del sistema 3 e ridurne il quantitativo di energia utilizzata, al fine di agire attivamente con il flusso d'aria agente sull'aletta di estremità 2.

II sistema di controllo 3, data l'elevata risposta in frequenza dell'attuazione al plasma 31 può comprendere almeno un dispositivo di controllo attivo, ad esempio ad anello di controllo chiuso, non illustrato. Detto dispositivo di controllo permette un'attivazione automatizzata della formazione di plasma "P", da parte dell'attuatore 31, solo nei momenti in cui la generazione del plasma "P" è necessaria, in base ad una opportuna logica di attuazione pre-programmata. Detta logica di attivazione è, ad esempio, opportunamente memorizzata su un supporto di memoria non volatile ed è atta ad essere eseguita da almeno un'unità di controllo 35, ad esempio compresa nel sistema 3. Preferibilmente, il sistema 3 comprende detta almeno un'unità di controllo 35, la quale è inoltre atta a controllare l'attivazione di almeno un attuatore 31 in funzione di almeno un parametro operativo del velivolo, o di detta logica di attuazione.

Preferibilmente detta unità di controllo 35 è atta ad attivare almeno un generatore 34, atto a generare un'opportuna tensione ai capi di almeno una coppia elettrodi 33 per la generazione del plasma "P", come sopracitato.

Nella forma di realizzazione preferita, ad esempio illustrata nelle figure 2A e 2B, ogni winglet 2 comprende una pluralità di attuatori 31, ad esempio posti in modo tale che detti secondo elettrodi 33" siano posti fra loro paralleli, come illustrato in figura 2A. Preferibilmente, detto attuatore 31, ed in particolare gli elettrodi 33 sono disposti in modo tale che almeno detto secondo elettrodo 33" sia estenda sostanzialmente lungo tutta l'estensione longitudinale "L" del winglet 2, come ad esempio illustrato in figura 2A e 2B.

L'attivazione selettiva di uno o più attuatori 31 è controllata da detta unità di controllo 35, in funzione ad esempio delle condizioni di volo del velivolo.

In una forma di realizzazione preferita, ad esempio illustrata in figura 4, detta unità di controllo 35 è operativamente connessa con il sistema di controllo centrale 1 compreso nel velivolo stesso. Tale configurazione permette 1'asservimento degli attuatori al plasma 31 ai sistemi dei comandi di volo del velivolo, mediante una funzione di trasferimento tra le condizioni di volo e quelle di attivazione dell'attuatore 31 per la generazione del plasma "P" sulla winglet 2.

Quindi, il sistema di controllo 1 del velivolo, in funzione delle condizioni di volo e delle manovre svolte dal pilota stesso, è in grado di comunicare con l'unità di controllo 35 del sistema 3. L'unità di controllo 35, comunicando con il sistema di controllo 1 è in grado di determinare, tramite detta logica di attuazione, l'istante ottimale di attivazione, ed il numero, di detti attuatori 31, e la durata del periodo in cui tale almeno un attuatore deve rimanere attivo, al fine di ottenere la riduzione di resistenza indotta ed agevolare la conduzione del velivolo stesso da parte del pilota.

Infatti, su detta aletta 2 sono compresi una pluralità di attuatori 31, opportunamente disposti su detta aletta 2 e detta unità di controllo 35 è in grado di attivare selettivamente uno o più attuatori 31, anche con segnali di alimentazione dei rispettivi generatori 34 diverse, in funzione delle configurazioni di volo assunte dal velivolo.

Detta pluralità di attuatori 31 possono essere dunque asserviti al sistema dei comandi di volo del velivolo, opportunamente gestiti dal sistema di controllo centrale 1 dello stesso velivolo, così da ottenere una ottimizzazione della winglet 2 dinamica, in funzione della condizione di volo. L'ottimizzazione dinamica dell'aletta o winglet 2 permette di ottenere un incremento delle capacità di manovra mediante controllo attivo asimmetrico tra le due alette 2.

Il sistema di controllo 3, secondo la presente invenzione, attraverso una opportuna manipolazione dei contenuti energetici locali del flusso, grazie gli attuatori al plasma 31, è uno strumento estremamente efficace per il controllo delle separazioni dei flussi d'aria dell'ala "A".

L'aletta di estremità 2, oggetto della presente domanda di brevetto, sfrutta la capacità di controllare il flusso aerodinamico tramite il sistema di controllo 3, ed in particolare tramite almeno un attuatore al plasma 31, per evitare separazioni di flusso sulla superficie dell'aletta o winglet 2. L'aletta 2 risulta quindi applicabile in un campo di regimi di volo più ampio rispetto a quello di una winglet tradizionale, la quale è passiva. L'utilizzo di almeno un attuatore al plasma 31 permette di modificare la distribuzione di portanza, in maniera da avvicinarsi quanto più possibile a ad un carico aerodinamico ellittico, in funzione dell'assetto di volo e della velocità di crociera.

Infine, l'utilizzo del sistema 3 ed in particolare dell'attuatore al plasma 31, permette di incrementare l'efficienza dell'ala "A" del velivolo.

Ulteriori vantaggi portati dall'aletta 2, secondo la presente invenzione, sono di aumentare le capacità di manovra del velivolo mediante un controllo asimmetrico del flusso sulle winglet 2 applicate ognuna ad un'ala "A", migliorando l'efficacia delle superfici di controllo delle estremità alari. Infatti, è possibile controllare il sistema 3 di ogni aletta 2 in modo separato, producendo del plasma "P" in modo diverso sulle varie alette 2, in funzione delle necessità di volo.

L'aletta di estremità o winglet 2, secondo la presente invenzione, permette di integrare il sistema 3, ed in particolare gli elettrodi 33 atti a generare e controllare il plasma "P", direttamente nella struttura della winglet 2 stesso. L'integrazione del sistema 3 è svolta in modo semplice, ad esempio durante la realizzazione della stessa aletta 2.

La disposizione degli attuatori 31, ed in particolare degli elettrodi 33, è tali da controllare il flusso aerodinamico in zone diverse della winglet 2, in funzioni delle corrispondenti necessità di volo differenti.

Il Winglet 2 a controllo attivo del flusso, secondo la presente invenzione, consente di incrementare notevolmente le prestazioni di efficienza aerodinamica dell'aletta 2 e allargate le potenzialità, in termini di inviluppo di volo con comportamento ottimale, rispetto alle alette 2 dell'arte nota.

II Winglet 2 garantisce inoltre un incremento delle prestazioni di manovra nelle diverse configurazioni di volo, richiedendo contenute quantità di energia per il suo sostentamento, ad esempio qualche Watt per alcune decine di centimetri di elettrodi associati ai singoli attuatori al plasma .

L'aletta 2, secondo la presente invenzione, è applicabile a qualsiasi tipologia di velivolo.

RIFERIMENTI NUMERICI

Sistema di controllo centrale 1 Aletta di estremità o winglet 2 Sistema di controllo 3

Attuatore al plasma 31

Strato dielettrico 32

Elettrodo 33 Primo elettrodo 33'

Secondo elettrodo 33"

Generatore elettrico 34

Unità di controllo 35

Ala A

Direzione B

Profilo E

Estensione longitudinale L

Plasma P

Claims (12)

1. RIVENDICAZIONI : 1. Aletta di estremità o winglet (2) atta ad essere applicata ad un'ala (A) di un velivolo, comprendente un profilo (E) atto a ridurre la resistenza indotta, generata dalle turbolenze, la quale grava sull'ala stessa, caratterizzato dal fatto di comprendere almeno un sistema di controllo (3) atto a variare, in modo attivo, il flusso aerodinamico sulla stessa aletta o winglet (2).
2. 2. Aletta secondo la rivendicazione 1, in cui detto almeno un sistema di controllo (3) comprende almeno un attuatore al plasma (31) posto su detta aletta o winglet (2), atto ad interagire con il flusso d'aria sulla superficie dell'aletta o winglet (2).
3. 3. Aletta secondo la rivendicazione 2, in cui detto almeno un attuatore al plasma (31) comprende almeno uno strato dielettrico (32) frapposto fra almeno due elettrodi (33).
4. 4. Aletta secondo la rivendicazione 3, in cui detto almeno un attuatore (31) è realizzato nella tecnologia DBD o dielectric barrier discharge.
5. 5. Aletta secondo la rivendicazione 3, in cui detto almeno uno strato dielettrico (32) è parte della stessa aletta (2) ed un primo elettrodo (33') è inglobato nell'aletta (2) stessa.
6. 6. Aletta secondo la rivendicazione 5, in cui è compreso un secondo elettrodo (33"), posto in prossimità della superficie esposta al flusso d'aria, a valle del quale si genera un plasma (P).
7. 7. Aletta secondo la rivendicazione 6, in cui detto secondo elettrodo (33") è annegato, per il suo spessore, nel dielettrico (32).
8. 8. Aletta secondo la rivendicazione 6, in cui detto secondo elettrodo (33") è posto al di sopra del dielettrico (32), esposto al flusso d'aria.
9. 9. Aletta secondo la rivendicazione 2, in cui detto almeno un sistema (3) comprende almeno un'unità di controllo (35), atta a controllare l'attivazione di almeno un attuatore (31).
10. 10. Aletta secondo la rivendicazione 9, in cui detta unità di controllo (35) è operativamente connessa con un sistema di controllo centrale 1, compreso nel velivolo.
11. 11. Aletta secondo la rivendicazione 9 o 10, in cui sono compresi una pluralità di attuatori (31), opportunamente disposti su detta aletta (2) e detta unità di controllo (35) attiva selettivamente uno o più attuatori (31) in funzione delle configurazioni di volo assunte dal velivolo.
12. 12. Velivolo comprendente almeno due ali (A), caratterizzato dal fatto che ogni ala (A) comprende almeno un'aletta o winglet (2) secondo la rivendicazione 1.