ELEMENTI DI INGEGNERIA AEROSPAZIALE

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Il corso e' organizzato secondo capitoli sequenziali di presentazione dei diversi argomenti propedeutici per la laurea in ingegneria aerospaziale: Introduzione al mondo aerospaziale e ambiente operativo. Configurazioni tipiche di veicoli aerospaziali. Elementi di aeromeccanica. Elementi di propulsione. Meccanica del volo stazionario e prestazioni. Velivolo tridimensionale e comandi di volo. Organi a bordo di un velivolo. Manovre e determinazione dei carichi. L'elicottero. Elementi di strutture aerospaziali. Materiali ed elementi di tecnologie.

1 Introduzione al corso e ambiente operativo – L’ambiente: attrazione gravitazionale; atmosfera terrestre, modello dell'aria tipo; principi di sostentazione.

2 Elementi di aeromeccanica – Superficie portante e profilo; caratteristiche geometriche. Flusso subsonico bidimensionale, campi di velocità e di pressione, equazione di continuità e teorema di Bernoulli; tubo di Pitot. Pressione e coefficiente di pressione sul profilo. Andamento del flusso e della pressione al variare dell’incidenza. Effetto della viscosità, sforzi tangenziali; strato limite laminare e turbolento, transizione, distacco; stallo; contributi di resistenza di attrito e di pressione. La forza aerodinamica come risultante delle azioni sul profilo; componenti di portanza e di resistenza; centro di pressione. Efficienza aerodinamica. Coefficienti aerodinamici; andamento al variare dell’incidenza, polare. L'ala di apertura finita: flusso tridimensionale, scia e vortici di estremità, resistenza indotta. Allungamento, incidenza indotta e coefficiente di resistenza indotta; curva coefficiente di portanza-incidenza e polare dell’ala finita. Teoria della quantità di moto. Polare del velivolo completo; approssimazione analitica. Momento della portanza, coefficiente di momento, centro aerodinamico dell’ala. Cenni a comprimibilità e fenomeni sonici e supersonici.

3 Configurazioni tipiche di veicoli aerospaziali – Classificazione degli aeromobili in funzione del tipo di sostentazione di propulsione. Aerostati: palloni e dirigibili. Velivoli: architetture tipiche e parti fondamentali; esempi di geometria variabile. Velivoli privi di propulsore: alianti libratori e veleggiatori, cenni a deltaplano e parapendio. Idrovolanti e anfibi. Rotodine: elicottero e parti fondamentali, configurazioni tipiche; autogiro; cenni a convertiplani e altre macchine ibride. Veicoli spaziali: lanciatori, satelliti, sonde e stazioni orbitanti.

4 Volo orizzontale rettilineo uniforme – Equilibrio, assetto. Il carico alare. Velocità minima di sostentamento. Andamento della resistenza al variare della velocità. Assetto di massima efficienza.

5 Velivolo tridimensionale e comandi di volo – Assi di riferimento. Superfici di controllo ed equilibrio dei momenti. Comandi principali di volo: equilibratore, timone ed alettoni; organi di comando in cabina. Funzione equilibrante dei comandi; casi pratici di regolazione: sbilanciamento, cambiamento di configurazione, trazione asimmetrica. Centraggio longitudinale del velivolo. Funzione di manovra dei comandi. Esigenza di stabilità dell'assetto: stabilità statica direzionale; instabilità dell'ala isolata e stabilità statica longitudinale; cenno alla stabilità laterale del velivolo, diedro ed effetto diedro.

6 Organi a bordo di un velivolo – Gli ipersostentatori: funzione, impiego e tipologie. – I diruttori: funzione e impiego. – Le alette di trim sulle superfici di controllo. – Il comando differenziato degli alettoni: necessità e funzionamento. – Le catene di comando meccaniche, aperte e chiuse; rigidezza della catena. – Compensazione dei comandi: alette di compensazione, superfici avanzate; cenno ai servocomandi. – Gli organi di atterraggio: funzioni e configurazioni; carrello principale, requisiti di deformabilità e di ammortizzazione; sistemi di frenatura a terra. – Cenni agli organi per l’ammaraggio.

7 Elementi di propulsione aeronautica – Principi di propulsione e classificazione dei propulsori. Elica: principio di funzionamento, svergolamento della pala, limitazione di velocità; regimi di funzionamento. Trazione e coppia resistente; coefficienti e rendimento. Eliche a passo variabile. Teoria della quantità di moto per l’elica, rendimento propulsivo. Cenni ai motori alternativi per impiego aeronautico. Turbogetto e motori a turbina: principio di funzionamento, elementi e rispettive funzioni. Evoluzione del turbogetto: alberi coassiali, by-pass, turbo fan. Il turboelica. Cenni allo statoreattore e ai motori a razzo.

8 Meccanica del volo stazionario e prestazioni – Potenza necessaria al volo orizzontale rettilineo uniforme: andamento con la velocità; influenza della quota e dei parametri del velivolo. Curve caratteristiche dei propulsori: trazione e potenza disponibili al variare della velocità. Velocità minima e massima di volo, quota di tangenza; inviluppo di volo. Volo in salita: equilibrio, prestazioni di salita ripida e rapida. Quota di tangenza pratica. Volo in planata: equilibrio, vincolo assetto-angolo di planata, prestazioni di angolo di planata minimo e di velocità di discesa minima. Cenni all’autonomia: consumo specifico, autonomia oraria e chilometrica.

9 Manovre e determinazione dei carichi – Volo accelerato curvo e forze di inerzia. Analisi delle manovre di richiamata e di virata corretta e non; comandi coinvolti. Fattore di carico in manovra; limitazioni fisiologiche, aerodinamiche e strutturali; diagramma n-V, velocità di manovra. Volo in aria turbolenta: stima del fattore di carico da raffica. Le specifiche della normativa. Manovra di rollio: momento smorzante e velocità limite. Manovre di decollo ed atterraggio: fasi ed analisi.

10 Funzionamento dell’elicottero – Rotore principale: azione della forza centrifuga, limitazione di velocità, articolazione delle pale. Rotore anticoppia. Comandi di volo: passo collettivo, passo ciclico e passo rotore di coda; confronto con i comandi dell’aeroplano; organi di comando in cabina. Volo a punto fisso e volo traslato. Potenza necessaria al volo, quota di tangenza. Effetto suolo. Funzionamento dell’autogiro. Discesa in autorotazione.

11 Elementi di strutture aerospaziali – La funzione strutturale. Azioni interne e sforzo: casi semplici di sollecitazioni in un'ala, in una fusoliera e negli impennaggi. Deformazione e modi tipici di deformarsi. Evoluzione degli schemi di costruzione. Funzioni dei principali elementi strutturali: longheroni, solette, anime, rivestimento, chiodatura.

12 Materiali ed elementi di tecnologie – Proprietà fisiche e caratteristiche meccaniche dei materiali da costruzione; diagramma sforzo-deformazione; rigidezza, resistenza, plasticità, duttilità, tenacità, temperatura di funzionamento. Principali prove tecnologiche. Materiali da costruzione tipici: acciai, leghe di titanio, leghe a base di alluminio e a base di magnesio; cenni alle materie plastiche e ai materiali anisotropi: legno, compositi. Trattamenti termici, di indurimento, di protezione superficiale; incrudimento. Principi di fabbricazione di elementi strutturali, lavorazioni meccaniche e tecniche di assemblaggio.

13 Introduzione al mondo aerospaziale – Le attività aeronautiche e spaziali: origini, sviluppo, attualità e futuro; la dimensione tecnico-scientifica e quella sociale. Organismi di controllo, di certificazione e di ricerca. Il lavoro nel settore aerospaziale: aspetti economici ed organizzativi.