Prestazioni aerodinamiche di un aeromodello: il DC-6B

Fonte: Jose Roberto Moreto e Xiaofeng Liu, Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale, San Diego State University, San Diego, CA

La galleria del vento a bassa velocità è uno strumento prezioso per studiare le caratteristiche aerodinamiche degli aeromobili e valutare le prestazioni e la stabilità degli aeromobili. Utilizzando un modello in scala di un velivolo DC-6B che ha una coda rimovibile e un bilanciamento della forza aerodinamica esterna a 6 componenti, possiamo misurare il coefficiente di portanza (C_L), il coefficiente di resistenza (C_D), il coefficiente del momento di beccheggio (C_M) e il coefficiente del momento di imbardata (C_N) dell'aeromodello con e senza coda e valutare l'effetto della coda sull'efficienza aerodinamica, stabilità longitudinale e stabilità direzionale.

In questa dimostrazione, le caratteristiche aerodinamiche dell'aereo e le prestazioni e la stabilità del volo vengono analizzate utilizzando il metodo di misurazione del bilancio aerodinamico della forza. Questo metodo è ampiamente utilizzato nelle industrie aerospaziali e nei laboratori di ricerca per lo sviluppo di aeromobili e razzi. Qui, un modello di aereo DC-6B viene analizzato in diverse condizioni di flusso e configurazioni e il suo comportamento viene analizzato quando è soggetto a cambiamenti improvvisi.

Per valutare le caratteristiche aerodinamiche, è importante determinare come cambiano i coefficienti aerodinamici rispetto all'assetto dell'aereo, cioè l'angolo di attacco, l'angolo di imbardata e l'angolo di rollio, per una determinata condizione di volo. Il bilanciamento della forza aerodinamica è un metodo ampiamente utilizzato per misurare direttamente le forze e i momenti vissuti da un modello. Dalle forze e dai momenti misurati, nonché dalla temperatura del flusso d'aria, dalla pressione statica e dalla pressione totale, è possibile ottenere i coefficienti aerodinamici per diversi angoli di attacco e di imbardata.

È possibile ottenere le caratteristiche aerodinamiche di un oggetto in scala reale testando un modello in scala ridotta, a condizione che la condizione di somiglianza dinamica sia soddisfatta e che vengano applicate le correzioni appropriate. Nel caso di un flusso costante incomprimibile, il parametro di somiglianza rilevante è il numero di Reynolds basato su una lunghezza di riferimento corretta.

Per un aereo a bassa velocità, come il DC-6B, le caratteristiche aerodinamiche possono essere misurate in una piccola galleria del vento a bassa velocità poiché è possibile abbinare il numero di Reynolds per le stesse condizioni di volo. In queste condizioni, si può ottenere la dipendenza di trascinamento e sollevamento dall'angolo di attacco, α. Questa dipendenza dall'alfa può essere utilizzata per valutare le prestazioni dell'aereo.

Una volta misurati i coefficienti aerodinamici per diverse condizioni e configurazioni, ad esempio utilizzando due diverse geometrie di coda, sipossonotrovare le derivate di stabilità (dC_M/ dα , dC_N/dβ), pendenza di sollevamento (dC_L/dα), coefficiente di portanza massima, rapporto massimo portanza-resistenza e altre caratteristiche aerodinamiche. Da questi coefficienti aerodinamici, è possibile determinare l'effetto della modifica o delle scelte di progettazione sulla stabilità e le prestazioni dell'aereo.

I derivati della stabilità indicano se l'aeromobile è stabile o instabile. Ad esempio, se l'angolo di attacco dell'aeromobile aumenta improvvisamente a causa di una raffica di vento, la risposta dell'aeromobile caratterizza la sua stabilità. Se l'angolo di attacco continua ad aumentare indefinitamente, si dice che l'aereo sia instabile. Tuttavia, se l'angolo di attacco ritorna al suo valore iniziale, l'atteggiamento prima della raffica, si dice che l'aereo sia stabile. Lo stesso vale per la stabilità direzionale; se la tendenza dell'aeromobile è quella di tornare al suo angolo di imbardata iniziale dopo un cambiamento improvviso, si dice che l'aeromobile sia direzionalmente stabile.

In questa dimostrazione verrà introdotto il bilanciamento aerodinamico della forza per le misurazioni di forza e momento in una galleria del vento. Per rimuovere i contributi dei montanti di supporto e il peso del modello, il bilanciamento sarà tarato per garantire che i risultati finali sulla forza aerodinamica e i momenti siano dovuti solo all'aeromobile. Inoltre, questa dimostrazione illustra l'effetto di una coda in un progetto di aereo convenzionale e la sua importanza nella stabilità longitudinale e laterale dell'aeromobile.

Di seguito è riportato il set-up del modello DC-6B sul bilanciamento della forza aerodinamica.

Figura 1. Modello DC-6B montato. A) Modello DC-6B all'interno della sezione di prova in galleria del vento a bassa velocità con un equilibrio aerodinamico esterno. B) Modello DC-6B montato sulla bilancia da tre punti articolati. C'è anche un motore di controllo dell'angolo di imbardata, un motore di controllo del passo e un livello elettronico per calibrare l'angolo del passo.

Figura 2. Pannello di controllo della galleria del vento a bassa velocità. L'angolo di beccheggio e l'angolo di imbardata possono essere controllati elettronicamente dal pannello durante i test con la galleria del vento in funzione.

1. Calibrazione del set-up

1. Blocca il bilanciamento esterno sul pannello di controllo della galleria del vento.
2. Installare i montanti sulla bilancia aerodinamica come illustrato nella Figura 1. I montanti sono imbullonati alla bilancia.
3. Impostare l'angolo di imbardata su zero regolando la manopola sul motore di imbardata e impostare l'angolo di inclinazione a zero utilizzando il motore di inclinazione. L'angolo di inclinazione deve essere calibrato utilizzando un livello elettronico. Le misurazioni vengono prima effettuate a diverse angolazioni con solo i montanti in posizione e nessun aeromodello. Ciò consente di sottrarre gli effetti dei montanti dell'aereo.
4. Accendere il computer e il sistema di acquisizione della forza di bilanciamento esterno. È necessario accendere il sistema almeno 30 minuti prima del test.
5. Aprire il software di controllo della misurazione.
6. Registrare la pressione e la temperatura ambiente. Assicurarsi di correggere la pressione barometrica utilizzando la temperatura locale e la gravità locale.
7. Controllare se la sezione di prova e la galleria del vento sono prive di detriti e allentare le parti, quindi chiudere le porte della sezione di prova.
8. Sblocca il saldo esterno e imposta la velocità della galleria del vento a zero.
9. Accendere la galleria del vento e il sistema di raffreddamento della galleria del vento.
10. Registra le forze e i momenti di equilibrio.
11. Imposta la pressione dinamica su 7 pollici H₂O e registra le forze e i momenti di equilibrio.
12. Utilizzare il controllo dell'imbardata per impostare l'angolo di imbardata su 5°. Regolare la pressione dinamica a 7 pollici H₂O, se necessario.
13. Registra le forze e i momenti di equilibrio. Modificare l'angolo di imbardata a 10°. Regolare la pressione dinamica a 7 pollici H₂O, se necessario.
14. Registra le forze e i momenti di equilibrio.
15. Spegnere la galleria del vento e bloccare il saldo esterno.
16. Installare il modello DC-6B con la coda accesa.
17. Calibrare l'angolo di attacco e l'indicatore di beccheggio. Calibrare l'angolo di inclinazione prima del test utilizzando un livello elettronico.
18. Sblocca il saldo esterno.
19. Impostare l'angolo di attacco premendo il naso verso l'alto o verso il basso sul pannello di controllo Figura 2. Angoli di attacco per il test α = -6°, -4°, -2°, 0°, 2°, 4°, 6°, 8°, 10°.
20. Registra le forze e i momenti di equilibrio.
21. Ripetere i passaggi da 1,19 a 1,20, aumentando in modo incrementale l'angolo di attacco fino al completamento di tutti i punti di test.
22. Riportare l'angolo di attacco, α, a zero e impostare l'angolo di imbardata. Angoli di imbardata per il test β = 0°, 5°, 10°.
23. Registra le forze e i momenti di equilibrio.
24. Ripetere i passaggi da 1,22 a 1,23 aumentando in modo incrementale l'angolo di imbardata fino al completamento di tutti i punti di prova.
25. Bloccare l'equilibrio esterno e rimuovere la coda dal modello DC-6B. Installare il cono di coda e ripetere i passaggi da 1.19 a 1.24.
26. Quando tutti i dati sono stati raccolti, spegnere il sistema di raffreddamento della galleria del vento, bloccare il bilancio esterno e spegnere la galleria del vento.

2. Test a velocità del vento diverse da zero

1. Controllare se la sezione di prova e la galleria del vento sono prive di detriti e allentare le parti e quindi chiudere le porte della sezione di prova.
2. Impostate l'angolo di inclinazione su zero.
3. Sblocca il saldo esterno.
4. Impostare la ghiera della velocità della galleria del vento su zero e accendere la galleria del vento e il sistema di raffreddamento del vento.
5. Registra le forze e i momenti di equilibrio.
6. Impostare la pressione dinamica su 7 pollici H₂O.
7. Imposta l'angolo di attacco, iniziando con α = -6°. Angoli di attacco per il test α = -6°, -4°, -2°, 0°, 2°, 4°, 6°, 8°, 10°.
8. Regola la pressione dinamica a 7 pollici H2O se necessario e registra le forze di bilanciamento e i momenti.
9. Ripetere i passaggi 2.7 - 2.8 aumentando in modo incrementale l'angolo di attacco fino a quando tutti i punti di test non vengono eseguiti.
10. Riportare l'angolo di attacco a zero e impostare l'angolo di imbardata. I seguenti angoli di imbardata devono essere testati β = 0°, 5°, 10°.
11. Regola la pressione dinamica a 7 pollici H2O se necessario e registra le forze di bilanciamento e i momenti.
12. Ripetere i passaggi 2.10 - 2.11 aumentando in modo incrementale l'angolo di imbardata fino a quando non vengono eseguiti tutti i punti di prova.
13. Diminuire lentamente la velocità dell'aria a zero, quindi bloccare il saldo esterno.
14. Rimuovere il cono di coda del modello DC-6B e installare la coda completa.
15. Ripetere i passaggi da 2.7 a 2.12.
16. Quando tutti i dati sono stati raccolti, spegnere il sistema di raffreddamento della galleria del vento, bloccare il bilancio esterno e spegnere la galleria del vento.

In questa dimostrazione sono state misurate le prestazioni e le caratteristiche di stabilità di un modello DC-6B in due configurazioni. In una configurazione, una coda di aeroplano convenzionale è stata attaccata al modello (tail-on), e nella seconda configurazione, la coda è stata rimossa e sostituita con un cono (tail-off). Per ogni configurazione, è stata determinata la variazione del coefficiente di portanza e del coefficiente di resistenza con l'angolo di attacco (Figura 3). È stata anche studiata la variazione del coefficiente del momento di intonazione e del coefficiente del momento di imbardata rispetto all'angolo di attacco e al beta (Figura 4).

I risultati mostrano gli effetti aerodinamici della coda. Nella Figura 3, sebbene la coda aumenti la portanza massima e la resistenza, nel complesso la coda diminuisce le prestazioni aerodinamiche. Quando la coda è spenta, il modello è instabile longitudinalmente e direzionalmente (Figura 4). Pertanto, la coda dell'aereo è necessaria per raggiungere la stabilità, anche se potrebbe comportare una riduzione delle prestazioni dell'aeromobile.

Figura 3. Curve di valutazione delle prestazioni per configurazioni tail-on e tail-off. A) Coefficiente di portanza vs α; B) Coefficiente di resistenza aerodinamica vs α; C) Trascina polare; e D) L/D vs α. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 4. Curve di valutazione delle prestazioni per le configurazioni tail on e tail off. A) Coefficiente del momento di beccheggio vs α; B) Coefficiente del momento di imbardata rispetto a β. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Testare un modello su piccola scala utilizzando un equilibrio aerodinamico in una galleria del vento consente di determinare le principali caratteristiche aerodinamiche di un aeromobile. Un bilanciamento a 6 componenti misura tre componenti di forza, sollevamento, resistenza e forze laterali e tre componenti di momento, beccheggio, imbardata e momenti di rollio.

Quando si raggiunge la somiglianza dinamica tra l'oggetto in scala reale e il modello, ad esempio il numero di Reynolds è lo stesso per il caso di flusso costante incomprimibile, i coefficienti aerodinamici ottenuti utilizzando il modello in scala ridotta sono applicabili all'oggetto in scala reale e le caratteristiche aerodinamiche, come le prestazioni e la stabilità statica, possono essere determinate.

Le misurazioni di forza e momenti da parte di una bilancia esterna in una galleria del vento hanno diverse applicazioni. Questo metodo è ampiamente utilizzato nell'industria aerospaziale; tuttavia, è stato applicato con successo nella ricerca e nello sviluppo in molte aree, ad esempio nell'ingegneria navale, nell'industria automobilistica e nell'ingegneria civile.

Ci sono diverse applicazioni nell'ingegneria navale. Ad esempio, le barche a vela e le barche da regata sono significativamente influenzate dalle forze aerodinamiche e il loro effetto sulla nave deve essere considerato per ottimizzare le prestazioni. Per la progettazione di navi a bassa velocità, le forze aerodinamiche dovrebbero essere considerate per ridurre il consumo di carburante e migliorare le prestazioni complessive.

Un altro settore che beneficia dei test in galleria del vento è l'industria automobilistica. Il test in galleria del vento viene utilizzato per determinare le forze di resistenza, le forze laterali e i momenti vissuti da un'auto. Questa è ora una pratica standard per lo sviluppo di nuove auto poiché questa tecnica porta a progetti più competitivi ed efficienti.

I test in galleria del vento per le misurazioni della forza non si limitano all'ottimizzazione delle prestazioni. Nella moderna industria dell'ingegneria civile, i test in galleria del vento vengono utilizzati per aumentare la sicurezza. Ci sono grattacieli alti e sottili che sono soggetti a forti raffiche di vento. Queste raffiche di vento generano carichi elevati che devono essere contabilizzati nella progettazione degli edifici per evitare il collasso dell'edificio. Questo vale anche per i ponti, che devono essere testati nelle gallerie del vento per garantire la sicurezza.

Elenco dei materiali: