introduzione all`elicottero. rotori, prestazioni di volo

.
INTRODUZIONE
ALL’ELICOTTERO.
ROTORI,
PRESTAZIONI DI VOLO
.
.
Corso di Laurea in Ingegneria Aerospaziale
Università degli Studi di Napoli Federico II
.
Dott. Ing. Giovanni Di Giorgio
Seminario dell’Ing. Di Giorgio nell’ambito del Corso di Aerodinamica dell’Ala Rotante,
A.A. 2014-2015 , Prof. Renato Tognaccini , Prof. Carlo de Nicola
Indice
• IL VOLO VERTICALE, I ROTORI E L’ELICOTTERO
- Introduzione – Il volo verticale, i rotori e l’elicottero
- Le configurazioni dell’elicottero
- I sistemi dell’elicottero
- I rotori applicati agli elicotteri
• LE PRESTAZIONI DELL’ELICOTTERO
- Potenza totale richiesta, Regimi di Potenza disponibile, Prestazioni
fondamentali
- Analisi di missione
- Autorotazione del rotore e manovra di autorotazione dell’elicottero
A.A. 2014-2015. Seminario Introduzione all’Elicottero. Rotori, Prestazioni di volo.
2
IL VOLO VERTICALE,
I ROTORI E L’ELICOTTERO
INTRODUZIONE
A.A. 2014-2015. Seminario Introduzione all’Elicottero. Rotori, Prestazioni di volo.
3
Definizioni dai regolamenti e normativa civile
ENAC, Ente Nazionale per l’Aviazione Civile
Regolamento Tecnico
rif. www.enac.gov.it
TITOLO PRIMO - GENERALITÀ
CAPITOLO A
TERMINOLOGIA NORMATIVA
Elicottero. Aerogiro che trae la propria sostentazione e propulsione principalmente dalla forza
prodotta da uno o più rotori azionati da motore ed aventi asse praticamente verticale.
Aerogiro. Aerodina che trae la propria sostentazione da uno o più rotori.
FAA, Federal Aviation Administration
Department of Transportation
from Current Federal Aviation Administration Regulation
rif. www.faa.gov
Title 14: Aeronautics and Space
PART 1 – DEFINITION AND ABBREVIATIONS
§ 1.1 General definitions.
Helicopter means a rotorcraft that, for its horizontal motion, depends principally on its enginedriven rotors.
A.A. 2014-2015. Seminario Introduzione all’Elicottero. Rotori, Prestazioni di volo.
4
L’elicottero ed il volo verticale
L’elicottero può sostenere il volo traslato con velocità molto basse, fino alla condizione di
volo a punto fisso rispetto al suolo, ‘hover’, eseguibile per intervalli di tempo significativi.
L’elicottero può, inoltre, effettuare il
decollo e l’atterraggio verticale.
Tali caratteristiche gli conferiscono
la capacità di eseguire missioni
particolari e per certi
aspetti uniche.
A.A. 2014-2015. Seminario Introduzione all’Elicottero. Rotori, Prestazioni di volo.
5
Alcune problematiche tecniche fondamentali
dell’ala rotante
•
Contrasto della coppia di reazione rotore/fusoliera
•
Soluzioni costruttive e configurazioni dei rotori e dell’aeromobile tali da
risolvere, in termini di stabilità e controllo nelle condizioni di volo in
avanzamento, gli effetti dovuti all’asimmetria nella distribuzione di carico
tra l’area del rotore interessata dalla pala avanzante e l’area del rotore
interessata dalla pala retrocedente
•
Contenimento dei fenomeni di vibrazione dovuti alla natura dei carichi
generati dal/i rotore/i
•
Capacità di esecuzione in sicurezza della manovra di autorotazione
A.A. 2014-2015. Seminario Introduzione all’Elicottero. Rotori, Prestazioni di volo.
6
Alcune problematiche tecniche fondamentali
dell’ala rotante
•
A.A. 2014-2015. Seminario Introduzione all’Elicottero. Rotori, Prestazioni di volo.
I rotori degli elicotteri operano
in un ambiente aeromeccanico
complesso
7
Particolari caratteristiche richieste agli elicotteri
e direttamente correlate al progetto del rotore
Per l’elicottero:
- Basso carico sul disco
- Downwash contenuto
- Capacità di volare in hover
per tempi significativi
I velivoli S/VTOL a getto sono caratterizzati da elevati
valori del parametro Carico sul disco (Disk loading)
A.A. 2014-2015. Seminario Introduzione all’Elicottero. Rotori, Prestazioni di volo.
8
Il parametro ‘Carico sul disco’ degli aeromobili V/STOL
Riprendendo la definizione di Carico sul Disco (‘Disk
Loading’, pari al rapporto tra la spinta verticale e l’area
della superficie sulla quale la spinta stessa è prodotta),
valgono le seguenti considerazioni:
A.A. 2014-2015. Seminario Introduzione all’Elicottero. Rotori, Prestazioni di volo.
-
per gli elicotteri, il carico sul disco è dunque pari al
rapporto tra la spinta prodotta dal rotore e l’area del
disco rotore; nel caso di un elicottero, viste le
dimensioni significative del rotore principale, il carico
sul disco è relativamente basso rispetto ad un velivolo
con propulsione a getto verticale: in quest’ultimo
caso, vista l’area contenuta dell’ugello di scarico, il
sistema di produzione della spinta è ad alto carico sul
disco.
-
In conclusione, una più alta efficienza di produzione
della spinta è particolarmente indicata per aeromobili
come gli elicotteri, per i quali è richiesta l’esecuzione
del volo a punto fisso rispetto al suolo (definito con il
termine hover) per tempi significativi.
-
Una condizione di carico sul disco maggiore configura
invece un velivolo con velocità di crociera decisamente
superiori rispetto a quelle degli elicotteri ed adatto al
trasporto di un opportuno carico pagante e per un
raggio di missione significativo.
9
La classificazione
tipica e storica degli
Aeromobili V/STOL
e gli elicotteri
Rif. NASA TM-81280
A.A. 2014-2015. Seminario Introduzione all’Elicottero. Rotori, Prestazioni di volo.
10
Aeromobili V/STOL e gli elicotteri
Le scelte di progetto preliminare ed il ruolo dell’aerodinamica
•
L’aeromobile dovrà avere rotori? Eliche? Ducted fans? Propulsori a getto?
•
Come dovranno essere configurati sia i motori sia gli organi/dispositivi di
generazione della portanza?
•
E’ necessario dotare l’aeromobile di motori dedicati esclusivamente alle
fasi di volo verticale e di motori dedicati esclusivamente alle fasi di volo in
avanzamento?
•
Come verrà effettuato il controllo dell’aeromobile durante le fasi di
transizione dal volo verticale al volo in avanzamento? Quali sono i fattori e
le variabili della potenza richiesta durante le fasi di transizione?
A.A. 2014-2015. Seminario Introduzione all’Elicottero. Rotori, Prestazioni di volo.
11
Aeromobili V/STOL e gli elicotteri
Considerazioni preliminari sulla fase di volo a punto fisso
•
•
•
•
•
Le fasi di volo a punto fisso (hover) o a bassa velocità, particolarmente in prossimità del suolo,
sono di particolare interesse e sono state oggetto, a partire dai primi velivoli V/STOL, di studi
specifici per quanto riguarda la messa punto di tecniche analitiche di stima e di intense prove di
volo.
La configurazione del velivolo ed i sistemi di propulsione condizionano notevolmente
fenomenologie e modalità di risposta dei velivoli.
Relativamente a tali fasi, per gli aspetti aerodinamici, di prestazione e di propulsione sono di
particolare importanza i seguenti fenomeni:
a) effetti indotti dal sistema di propulsione;
b) sensibilità a raffica;
c) caratteristiche di stallo dell’ala e relazione spinta/resistenza aerodinamica.
Per comprendere ed introdurre una delle fenomenologie elencate, per i velivoli ad ala fissa con
propulsione a getto è particolarmente insidioso il cosiddetto fenomeno di ingestione dei flussi di
gas caldi di scarico in prossimità del suolo, possibile in particolari combinazioni di altezza rispetto
al suolo stesso, di velocità di discesa e di configurazione del velivolo. Per effetto dell’ingestione di
gas caldi si può infatti avere perdita sensibile della spinta o stallo del compressore.
Per gli aspetti di dinamica e stabilità del velivolo sono di particolare importanza i seguenti aspetti:
a) necessità di sistemi SCAS (Stability and Control Augmentation System)
b) potenza disponibile adeguata in termini sia di rapidità di risposta ai comandi e sia di quantità.
A.A. 2014-2015. Seminario Introduzione all’Elicottero. Rotori, Prestazioni di volo.
12
La classificazione
recente degli
Aeromobili V/STOL
e gli elicotteri
A.A. 2014-2015. Seminario Introduzione all’Elicottero. Rotori, Prestazioni di volo.
13
Velivoli con propulsori a getto orientabile
Controllo del volo verticale e fasi di transizione
Le caratteristiche di controllo e stabilità
durante le fasi di transizione dal volo
verticale al volo in avanzamento sono
fondamentali
A.A. 2014-2015. Seminario Introduzione all’Elicottero. Rotori, Prestazioni di volo.
14
Aeromobili VTOL, convertiplani Tilt Rotor
Controllo in modalità elicottero
- Modalità elicottero
- Conversione
- Modalità aeroplano
A.A. 2014-2015. Seminario Introduzione all’Elicottero. Rotori, Prestazioni di volo.
15
L’ELICOTTERO, I ROTORI
ED IL VOLO VERTICALE
1.1
LE CONFIGURAZIONI DEGLI ELICOTTERI
A.A. 2014-2015. Seminario Introduzione all’Elicottero. Rotori, Prestazioni di volo.
16
Coppia di reazione rotore/fusoliera e configurazioni principali degli elicotteri
La rotazione imposta all’assieme rotore tramite un albero collegato (mediante un sistema
di trasmissione) al motore installato in fusoliera comporta la presenza di una coppia di
reazione che pone fusoliera e rotore in moto di reciproca ed opposta rotazione.
Il disegno della configurazione costruttiva di un elicottero è ovviamente condizionato
dall’azione di contrasto nei confronti di tale fenomeno; adottando una classificazione degli
elicotteri secondo il tipo, il numero e la disposizione dei rotori, le configurazioni
fondamentali risultano essere le seguenti:
·
·
·
·
con singolo rotore principale e con rotore di coda anticoppia;
con due rotori controrotanti in tandem;
con due rotori controrotanti coassiali;
con due rotori controrotanti ‘side by side’.
Nel primo caso, la coppia di reazione rotore/fusoliera è contrastata dal rotore anticoppia di
coda, mentre nei rimanenti casi è cancellata dalla mutua azione dei due rotori controrotanti.
A.A. 2014-2015. Seminario Introduzione all’Elicottero. Rotori, Prestazioni di volo.
17
Configurazioni principali
Configurazione elicottero con due rotori
controrotanti in tandem
Configurazione elicottero (convenzionale) con
rotore principale e rotore anticoppia di coda
Configurazione elicottero con due rotori
controrotanti coassiali
A.A. 2014-2015. Seminario Introduzione all’Elicottero. Rotori, Prestazioni di volo.
18
Configurazioni principali
Seminario Introduzione all’Elicottero. Rotori, Le Prestazioni.
19
Altre configurazioni
X2, Elicottero in
configurazione composta
Elicottero in configurazione
NOTAR
Rif.
NASA TP-3675
Seminario Introduzione all’Elicottero. Rotori, Le Prestazioni.
20
Alcune comparazioni tra differenti configurazioni
Rif.
NASA TP-3675
A.A. 2014-2015. Seminario Introduzione all’Elicottero. Rotori, Prestazioni di volo.
21
L’ELICOTTERO, I ROTORI
ED IL VOLO VERTICALE
1.2
I SISTEMI DEGLI ELICOTTERI
A.A. 2014-2015. Seminario Introduzione all’Elicottero. Rotori, Prestazioni di volo.
22
I sistemi dell’elicottero
L’elicottero è un aeromobile complesso, costituito dall’integrazione
di particolari sistemi
Rotore principale & Comandi
Pale, Ass. Testa Rotore,
Comandi Rotanti
Motore
destro
Motore
destro
Rotore anticoppia di coda
Fusoliera
A.A. 2014-2015. Seminario Introduzione all’Elicottero. Rotori, Prestazioni di volo.
Fusoliera
23
I sistemi dell’elicottero
Il Rotore principale dell’elicottero genera le forze aerodinamiche necessarie per
la sostentazione ed il controllo
Il Rotore anticoppia di coda genera la spinta laterale necessaria per contrastare
la coppia di reazione rotore principale/fusoliera
I motori generano la potenza per la rotazione dei rotori, attraverso il sistema di
trasmissione
Il sistema di Trasmissione trasmette ai rotori la potenza in uscita dai motori,
riducendo inoltre la velocità di rotazione degli alberi di potenza dei motori (migliaia
di giri/min) fino ai valori tipici di rotazione dei rotori (centinaia di giri/min)
La fusoliera contiene i motori ed il sistema completo di trasmissione in appositi
alloggiamenti, la cabina passeggeri ed il carico pagante, la cabina di pilotaggio.
Gli Impianti e l’avionica (impianto elettrico, impianto combustibile, impianto di
condizionamento; strumentazione di volo e di navigazione, sistemi di missione)
A.A. 2014-2015. Seminario Introduzione all’Elicottero. Rotori, Prestazioni di volo.
24
Il Sistema Rotore/Trasmissione/Motore
Fonte NASA TM-104000
A.A. 2014-2015. Seminario Introduzione all’Elicottero. Rotori, Prestazioni di volo.
25
Turboshaft engine
Rif.
FAA-H-8083-21
A.A. 2014-2015. Seminario Introduzione all’Elicottero. Rotori, Prestazioni di volo.
26
Sistema trasmissione
Rif. NASA TM-104000
A.A. 2014-2015. Seminario Introduzione all’Elicottero. Rotori, Prestazioni di volo.
27
I comandi rotanti,
variazione passo collettivo
A.A. 2014-2015. Seminario Introduzione all’Elicottero. Rotori, Prestazioni di volo.
28
Rotore di coda ed equilibrio intorno all’asse velivolo z
A.A. 2014-2015. Seminario Introduzione all’Elicottero. Rotori, Prestazioni di volo.
29
L’ELICOTTERO, I ROTORI
ED IL VOLO VERTICALE
1.3
I ROTORI APPLICATI AGLI ELICOTTERI
A.A. 2014-2015. Seminario Introduzione all’Elicottero. Rotori, Prestazioni di volo.
30
Volo in avanzamento
Nel volo in avanzamento dell’elicottero, la velocità del flusso relativo risultante che
investe il generico elemento di pala è funzione sia della posizione radiale sia della posizione nel
giro di rotazione (posizione in azimuth) dell’elemento stesso; in altri termini, la velocità di
traslazione si somma (o si sottrae) alle velocità lineari dovute alla rotazione della pala. Ne
scaturisce una condizione di asimmetria che non si riscontra nel volo puramente verticale e che
comporta l’insorgere di problemi di dinamica e di aerodinamica tipici soltanto degli aeromobili
dotati di ala rotante.
A.A. 2014-2015. Seminario Introduzione all’Elicottero. Rotori, Prestazioni di volo.
31
Volo in avanzamento
Il moto di flappeggio delle pale
•
Restando inalterata la forza centrifuga lungo il giro di rotazione completo,
l’asimmentria di portanza (già identificata da De la Ciervia) viene contrastata
inserendo una cerniera di flappeggio che consenta alla pala, in pratica, di sollevarsi
o abbassarsi, quindi di flappeggiare.
•
La pala avanzante, per il flappeggio verso l’alto, è sottoposta ad una diminuzione
dell’angolo di incidenza dovuta alla componente di velocità relativa verticale verso
il basso; al contrario, la pala retrocedente, per il flappeggio verso il basso, è
sottoposta ad un aumento dell’angolo di incidenza causato dalla componente di
velocità verticale relativa verso l’alto;
•
Pertanto, si può concludere che le suddette variazioni di incidenza dovute al moto
di flappeggio, consentono di eliminare i momenti di rollio ed alleviano la
condizione di carico alla radice delle pale.
A.A. 2014-2015. Seminario Introduzione all’Elicottero. Rotori, Prestazioni di volo.
32
Volo in avanzamento
Il moto di anticipo/ritardo delle pale
•
Le differenti velocità relative del flusso che interessano la pala avanzante e la pala
retrocedente nel volo in avanzamento, oltre a comportare gli effetti descritti sulla
portanza, implicano l’insorgere di una condizione analoga per la resistenza
aerodinamica.
•
E’ presente un’altra causa che contribuisce, in misura maggiore, all’oscillazione
della pala nel piano di rotazione: l’insorgere delle forze di Coriolis in conseguenza
del moto di flappeggio delle pale rotanti.
•
L’inserimento delle cerniere di anticipo-ritardo fornisce un grado di libertà per
l’oscillazione, con conseguente annullamento dell’elevato momento flettente che
si avrebbe alla radice della pala se essa fosse collegata rigidamente al mozzo.
A.A. 2014-2015. Seminario Introduzione all’Elicottero. Rotori, Prestazioni di volo.
33
Classificazione dei rotori applicati agli elicotteri
•
In configurazioni recenti il collegamento
tra il mozzo e le pale è costituito da un
unico componente di tipo elastomerico
(uno per ogni pala), realizzato mediante
strati sovrapposti di un elastomero e di
un metallo; tale soluzione tecnica è la
più avanzata.
Il componente elastomerico, indicato
nella pratica tecnica anche con il
nome di cuscinetto elastomerico
(elastomeric bearing), è una cerniera
che consente i tre gradi di libertà di
passo, flappeggio e ritardo.
A.A. 2014-2015. Seminario Introduzione all’Elicottero. Rotori, Prestazioni di volo.
34
Classificazione dei rotori applicati agli elicotteri,
alcune proprietà
Momento di controllo di beccheggio e
momento di controllo di rollio (per unità di
flappeggio) per rotori con eccentricità della
cerniera di flappeggio
Flappeggio del rotore hingeless,
eccentricità equivalente
A.A. 2014-2015. Seminario Introduzione all’Elicottero. Rotori, Prestazioni di volo.
35
Testa Rotore principale e Comandi Rotanti,
Mozzo completamente articolato
A.A. 2014-2015. Seminario Introduzione all’Elicottero. Rotori, Prestazioni di volo.
36
Moto di variazione passo collettivo delle pale
A.A. 2014-2015. Seminario Introduzione all’Elicottero. Rotori, Prestazioni di volo.
37
Inclinazione assieme piatto oscillante
A.A. 2014-2015. Seminario Introduzione all’Elicottero. Rotori, Prestazioni di volo.
38
Cerniera di flappeggio delle pale
A.A. 2014-2015. Seminario Introduzione all’Elicottero. Rotori, Prestazioni di volo.
39
Cerniera di anticipo/ritardo delle pale
A.A. 2014-2015. Seminario Introduzione all’Elicottero. Rotori, Prestazioni di volo.
40
Assi e piani fondamentali
A.A. 2014-2015. Seminario Introduzione all’Elicottero. Rotori, Prestazioni di volo.
41
L’ELICOTTERO, I ROTORI
ED IL VOLO VERTICALE
1.4
IL SISTEMA ROTORE NEL SISTEMA ELICOTTERO
A.A. 2014-2015. Seminario Introduzione all’Elicottero. Rotori, Prestazioni di volo.
42
Analisi preliminare: flusso di calcolo in volo livellato
dall’equilibrio dell’elicottero al calcolo della trazione
A.A. 2014-2015. Seminario Introduzione all’Elicottero. Rotori, Prestazioni di volo.
43
Analisi preliminare, andamento tipico dei parametri fondamentali
per un elicottero ipotetico in configurazione convenzionale
A.A. 2014-2015. Seminario Introduzione all’Elicottero. Rotori, Prestazioni di volo.
44
Analisi preliminare,
andamento tipico dell’angolo
di incidenza locale e
della trazione
Valori ottenuti dall’analisi di
equilibrio in volo livellato
(Elicottero ipotetico, WG = 50000, b = 4,
in configurazione convenzionale)
A.A. 2014-2015. Seminario Introduzione all’Elicottero. Rotori, Prestazioni di volo.
45
Volo in avanzamento, limitazioni
Rif.
NASA TN D-3936
A.A. 2014-2015. Seminario Introduzione all’Elicottero. Rotori, Prestazioni di volo.
46
LE PRESTAZIONI
DELL’ELICOTTERO
A.A. 2014-2015. Seminario Introduzione all’Elicottero. Rotori, Prestazioni di volo.
47
LE PRESTAZIONI
DELL’ELICOTTERO
2.1
Potenza totale richiesta, Regimi di Potenza disponibile,
Prestazioni fondamentali
A.A. 2014-2015. Seminario Introduzione all’Elicottero. Rotori, Prestazioni di volo.
48
Prestazioni dell’elicottero in configurazione convenzionale
(con rotore principale e rotore anticoppia di coda)
Motore/i
Potenza disponibile al banco
Perdite di installazione
(Consumi combustibile)
Rotore principale
Rotore anticoppia di coda
Fusoliera
(Sistemi ausiliari)
Caratteristiche
aerodinamiche
(Potenza richiesta
sostanzialmente
costante e di bassa entità)
A.A. 2014-2015. Seminario Introduzione all’Elicottero. Rotori, Prestazioni di volo.
Condizioni ambientali
e di volo
Sistema di Trasmissione
Limitazioni
di potenza
Limitazioni
strutturali
Potenza
disponibile
e consumi
Potenza
richiesta
totale
49
Prestazioni fondamentali
• Velocità massima in volo livellato
• Autonomie di volo
(massima autonomia oraria,
massima autonomia chilometrica)
• Prestazioni nel volo in salita
(Ratei di salita,
Quota massima di tangenza in hover
Quota massima di tangenza)
• Prestazioni in missioni di volo
• Prestazioni in autorotazione
A.A. 2014-2015. Seminario Introduzione all’Elicottero. Rotori, Prestazioni di volo.
50
Regimi di Potenza disponibile del motore
•
Potenza di decollo massima disponibile, con due motori operativi:
impiegabile con limite di 5 minuti;
•
Potenza massima continua disponibile, con due motori operativi:
impiegabile senza limitazioni di tempo;
•
Potenza massima continua disponibile OEI (one engine inoperative):
impiegabile senza limitazioni di tempo, con un motore non
funzionante;
•
Potenza di contingenza disponibile OEI (one engine inoperative):
impiegabile con limite di 2,5 minuti, con un motore non
funzionante.
A.A. 2014-2015. Seminario Introduzione all’Elicottero. Rotori, Prestazioni di volo.
51
Limitazioni dal motore e limitazioni dal
sistema trasmissione
• le potenze erogabili dai motori possono superare i limiti di resistenza
strutturale della trasmissione;
• i limiti di potenza imposti dalla trasmissione possono, in generale,
costituire i fattori limitanti alle quote basse;
• invece, con l’aumento di altitudine, il decadimento delle prestazioni del
motore (e l’invariabilità della resistenza strutturale della trasmissione)
consente al pilota di poter sfruttare a pieno la potenza disponibile.
A.A. 2014-2015. Seminario Introduzione all’Elicottero. Rotori, Prestazioni di volo.
52
Il sistema elicottero completo,
la Potenza totale richiesta
(PRP)
(Prc)
(PAUX)
(ηt)
la potenza richiesta del rotore principale,
la potenza richiesta del rotore di anticoppia di coda,
la potenza richiesta dei sistemi ausiliari di bordo
il coefficiente che introduce le perdite di trasmissione (essenzialmente
perdite per attrito tra ingranaggi; in genere, (ηt) assume valori compresi
tra 1,03 e 1,04).
A.A. 2014-2015. Seminario Introduzione all’Elicottero. Rotori, Prestazioni di volo.
53
Il sistema elicottero completo,
le Potenze richieste dal rotore principale e dal rotore di coda
(PRP) la potenza richiesta
del rotore principale
Potenza indotta
Potenza di profilo
Potenza parassita
(Prc)
la potenza richiesta del rotore
di anticoppia di coda
Potenza indotta
Potenza di profilo
A.A. 2014-2015. Seminario Introduzione all’Elicottero. Rotori, Prestazioni di volo.
54
Il sistema elicottero completo,
la Potenza totale richiesta e relative componenti
ISA sea level, no wind
A.A. 2014-2015. Seminario Introduzione all’Elicottero. Rotori, Prestazioni di volo.
55
Il sistema elicottero completo,
Potenza totale richiesta; condizioni estratte da un modello matematico di un elicottero
ipotetico e rappresentativo del tipo biturbina leggero
Weights
Main Rotor
.
Max Gross Weight for take-off
3000 kg
.
Tip Speed (100%), ΩR
221 m/s
.
Min Gross Weight for flight
2200 kg
.
No. of blades
4
(with fuel reserve, flight crew)
.
Fuel capacity
300 kg
Transmission (dual engine)
Power Plant (2 engines)
.
Maximum Continuous Power
670 kW
.
Number of Engines, N
2
.
Transmission loss factor TRLF
1,04
.
Maximum Continuous Power,
850 kW
(0ft pressure altitude, OAT=+15°C)
A.A. 2014-2015. Seminario Introduzione all’Elicottero. Rotori, Prestazioni di volo.
56
Il sistema elicottero completo, Torque/Airspeed Curves
Condizioni estratte da un modello matematico di un elicottero ipotetico e rappresentativo del tipo biturbina leggero
Weights
Main Rotor
.
Max Gross Weight for take-off
3000 kg
.
Tip Speed (100%), ΩR
221 m/s
.
Min Gross Weight for flight
2200 kg
.
No. of blades
4
(with fuel reserve, flight crew)
.
Fuel capacity
300 kg
Transmission (dual engine)
Power Plant (2 engines)
.
Maximum Continuous Power
670 kW
.
Number of Engines, N
2
.
Transmission loss factor TRLF
1,04
.
Maximum Continuous Power,
850 kW
(0ft pressure altitude, OAT=+15°C)
A.A. 2014-2015. Seminario Introduzione all’Elicottero. Rotori, Prestazioni di volo.
57
La Velocità massima in volo livellato
La Velocità massima in volo livellato è
determinata dal confronto tra
la Potenza disponibile (e le limitazioni di
potenza della trasmissione)
e
la Potenza totale richiesta,
fissate le condizioni di peso
dell’elicottero e le condizioni ambientali
Al lato:
Vmax, Velocità massima in corrispondenza
del regime di Potenza Massima Continua
(MCP, Maximum continuous power
rating)
ISA sea level, no wind
A.A. 2014-2015. Seminario Introduzione all’Elicottero. Rotori, Prestazioni di volo.
58
Autonomie di volo
(massima autonomia oraria)
VBE, Velocità di
autonomia oraria
massima
Fissato il peso e le condizioni
ambientali,
la
massima
autonomia oraria si ottiene in
corrispondenza del valore
minimo di potenza richiesta
ISA sea level, no wind
A.A. 2014-2015. Seminario Introduzione all’Elicottero. Rotori, Prestazioni di volo.
59
Autonomie di volo
(massima autonomia chilometrica)
VBR, Velocità di massima
autonomia chilometrica
Fissato il peso e le condizioni
ambientali,
la
massima
autonomia chilometrica si
ottiene in corrispondenza del
valore minimo del rapporto
potenza richiesta/velocità
ISA sea level, no wind
A.A. 2014-2015. Seminario Introduzione all’Elicottero. Rotori, Prestazioni di volo.
60
Prestazioni in volo traslato in salita
A.A. 2014-2015. Seminario Introduzione all’Elicottero. Rotori, Prestazioni di volo.
61
Prestazioni in volo traslato in salita
Si definisce quota di tangenza
teorica la quota, per un
determinato peso, alla quale la
velocità di salita è nulla, ovvero la
quota
massima
(teorica)
raggiungibile per il peso fissato.
Si definisce la quota di tangenza
pratica la quota, per un
determinato peso, alla quale la
massima velocità di salita è di 100
ft/min (nel senso che la massima
velocità di salita è ‘ridotta’ a 100
ft/min).
A.A. 2014-2015. Seminario Introduzione all’Elicottero. Rotori, Prestazioni di volo.
62
LE PRESTAZIONI
DELL’ELICOTTERO
2.2
Analisi di missione
A.A. 2014-2015. Seminario Introduzione all’Elicottero. Rotori, Prestazioni di volo.
63
Analisi di missione
• Analizzare e verificare la capacità di un elicottero di eseguire una determinata
missione nell’ambito di determinati vincoli e requisiti
Missione
e
Requisiti di missione
Configurazione
elicottero
- Condizioni ambientali
Esempi:
- Range mission (con carico pagante assegnato)
- Carico pagante massimo (su tratta assegnata)
- Tempo max di permanenza in volo
A.A. 2014-2015. Seminario Introduzione all’Elicottero. Rotori, Prestazioni di volo.
Analisi di missione
Metodologia classica:
suddivisione missione
completa in n segmenti
Risoluzione (in funzione della
missione):
- Velocità tratto i (i=1,…,n)
- Quota di volo tratto i (i=1,…,n)
- Peso totale elicottero al decollo
- Altri parametri
64
Analisi di missione. Esempio di un profilo di missione estratto da un modello
matematico di un elicottero ipotetico e rappresentativo del tipo biturbina leggero
Weights
.
.
Main Rotor
Max Gross Weight for
3000
take-off
kg
Min Gross Weight for
2200
flight
kg
.
Tip Speed (100%), ΩR
221 m/s
.
No. of blades
4
(with fuel reserve, flight
crew)
.
Fuel capacity
300
kg
Transmission (dual engine)
.
.
Maximum
Continuous
Power Plant (2 engines)
670
Power
kW
Transmission loss factor
1,04
TRLF
.
Number of Engines, N
2
.
Maximum Continuous
850 kW
Power,
(0ft pressure altitude,
OAT=+15°C)
A.A. 2014-2015. Seminario Introduzione all’Elicottero. Rotori, Prestazioni di volo.
65
Analisi di missione
Diagramma carico pagante/distanza
Diagramma Carico pagante/Distanza
per un elicottero biturbina intermedio
1000
Payload
- ISA condition, no wind
- Altitude of flight: 5000 ft
750
(kg)
500
250
0
100
A.A. 2014-2015. Seminario Introduzione all’Elicottero. Rotori, Prestazioni di volo.
200
300
Range
(nm)
66
Analisi di missione,
risultati finali di un processo di simulazione ed ottimizzazione multi-obiettivo
Light utility multi-role helicopter:
- Maximum take-off gross weight: 3175 kg
- single main rotor (four blades)
- anti-torque tail rotor (two blades)
A.A. 2014-2015. Seminario Introduzione all’Elicottero. Rotori, Prestazioni di volo.
Rif.
Di Giorgio G. , Longo M. . ‘Application of Genetic Algorithms to Helicopter Flight
Test Planning and Mission Analysis. Verification for a Light Utility Helicopter’.
Presented at 22° Symposium of Society of Flight Test Engineers , European
Chapter, Tolouse, France (2011)
67
LE PRESTAZIONI
DELL’ELICOTTERO
2.3
Autorotazione del rotore
e manovra di autorotazione dell’elicottero
A.A. 2014-2015. Seminario Introduzione all’Elicottero. Rotori, Prestazioni di volo.
68
Autorotazione del rotore
L’autorotazione del rotore si
fonda sul concetto di trarre forza
motrice e sostentatrice da
un’opportuna l’inclinazione della
forza risultante aerodinamica in
maniera tale da presentare una
componente lungo la verticale
che contrasti il peso ed una
componente diretta in avanti
che sia motrice-autorotativa
(autorotative force, e che
pertanto fa aumentare la
velocità di rotazione).
Si comprende che la scelta della
legge di svergolamento della
pala è effettuata anche in base
alle caratteristiche autorotative
che si richiedono all’elicottero.
A.A. 2014-2015. Seminario Introduzione all’Elicottero. Rotori, Prestazioni di volo.
Rif. FAA-H-8083-21
69
Alcune considerazioni sulla manovra di autorotazione
Fissato il peso dell’elicottero, la
relazione
consente una prima stima del
rateo di discesa in funzione della
velocità
di
avanzamento,
ottenendo un andamento tipico
così come rappresentato al lato (i
valori di Vda sono espressi con il
segno positivo). Si ottengono
facilmente sia il rateo minimo che
l’angolo minimo di discesa; in
corrispondenza di quest’ultimo si
ottiene la massima distanza
percorribile in autorotazione (max
glide distance).
A.A. 2014-2015. Seminario Introduzione all’Elicottero. Rotori, Prestazioni di volo.
70
Diagrammi Altezza-Velocità e manovra di autorotazione
Rif.
NASA TN D-4536
Nell’ambito delle ipotesi fissate dalla Nota NASA TN D-4536,
si ottiene la seguente relazione per il parametro hlo:
A.A. 2014-2015. Seminario Introduzione all’Elicottero. Rotori, Prestazioni di volo.
71
Bibliografia
• Anderson S.B., ‘Historical Overview of V/STOL Aircraft Technology’. NASA TM-81280 (1981)
• Alastair K.C., Fitzpatrick E.W.H., ‘Helicopter Test and Evaluation’. AIAA, Virginia (2002)
• FAA-H-8083-21, ‘Rotorcraft flying handbook’. (2000)
• Coleman C.P., ‘A Survey of Theoretical and Experimental Coaxial Rotor Aerodynamic Research’.
NASA TP-3675, (1997)
• Di Giorgio G., ‘Teoria del volo dell’elicottero. Aerodinamica - Meccanica del volo’. Seconda Edizione.
Aracne, Roma (2009)
• Johnson W., ‘Helicopter theory’, Dover, New York (1994)
• Pegg R. J., ‘An investigation of the helicopter heght-velocity diagram showing effect of density
altitude and gross weight’. NASA TN D-4536 (1968)
• Prouty R.W., ‘Helicopter Performance, Stability, and Control’. Krieger Publishing Company, Florida
(1990)
• Scheiman J., Kelley H. L., ‘Comparison of flight-mesasured helicopter rotor blade chordwise
pressure distributions with static two domensional airfoil characteristic‘. NASA TN D-3936
A.A. 2014-2015. Seminario Introduzione all’Elicottero. Rotori, Prestazioni di volo.
72