Conversione di ultraleggero in UAV per uso agricolo

ALMA MATER STUDIORUM – UNIVERSITA’ DI BOLOGNA
SECONDA FACOLTA’ DI INGEGNERIA
CORSO DI LAUREA IN INGEGNERIA AEROSPAZIALE
Sede di Forlì
ELABORATO FINALE DI LAUREA IN DISEGNO ASSISTITO DAL CALCOLATORE
STUDIO DI MASSIMA DELLA CONVERSIONE
DI UN ULTRALEGGERO IN AEROPLANO
SENZA PILOTA PER USO AGRICOLO E PER
IL CONTROLLO DEL TERRITORIO.
Candidato
Massimiliano Fiorindo
Relatore
Prof. Ing. Luca Piancastelli
SCOPO DELLA TESI:
Scopo di questa tesi è la trasformazione di un
ULM (Ultra Light Machine – Ultraleggero) di
grande diffusione quale lo Storch CL,
prodotto dalla
FLYSYNTHESIS
s.r.l. , in UAV (Unmanned Aerial Vehicle –
velivolo senza pilota), pensato per usi agricoli
o di controllo del territorio.
Presentazione degli studi effettuati per la
collocazione in cabina della strumentazione e
degli equipaggiamenti e per il sistema di
irrigazione.
Lo studio per la conversione dell’ultraleggero Storch CL nello Storch
Blind Farmer, versione senza pilota ideata per scopi agricoli, è stato
affrontato seguendo una linea basata su questi punti chiave:
- Identificazione delle attrezzature indispensabili e la loro integrazione nel
velivolo, utilizzando il più possibile componenti esistenti,
- Completa sostituzione dei comandi di volo, previsti per il pilota, con
servoattuatori lineari comandati dal sistema integrato di controllo,
- la semplicità costruttiva,
- il contenimento dei costi.
Poiché l’UAV oggetto dello studio non dovrà percorrere grandi distanze e
nemmeno effettuare particolari manovre di volo, si è preferito focalizzare
l’attenzione sulla semplicità d’uso piuttosto che sulle prestazioni.
FASI DEL PROGETTO
PASSO 1: Analisi della struttura disponibile.
PASSO 2: Studio del posizionamento delle
installazioni rispettando le limitazioni di
centraggio del velivolo.
PASSO 3: Assemblaggio dei componenti e
modifiche da apportare per una corretta
integrazione delle installazioni.
PASSO 4: Progettazione del sistema di
irrigazione.
PASSO 1: Analisi della struttura disponibile
Per prima cosa ho disegnato in 3D la fusoliera in composito dello Storch.
Considerando la cellula completamente vuota, ho potuto studiare il
problema dal punto di vista del posizionamento degli equipaggiamenti e
del loro ingombro in fusoliera, in maniera molto semplice e diretta.
PASSO 2: Posizionamento delle installazioni
rispettando le limitazioni di centraggio del velivolo.
Ai fini di ottenere una certa stabilità longitudinale, il centro di gravità del
velivolo deve essere compreso in un intervallo che va da 400 a 497 cm dal
bordo d’attacco dell’ala.
PASSO 2: Posizionamento delle installazioni
rispettando le limitazioni di centraggio del velivolo.
Tenuto conto di queste limitazioni, ho ritenuto opportuno posizionare il
serbatoio per liquidi, quali fertilizzanti o pesticidi, nella parte bassa della
fusoliera, nelle vicinanze del centro di gravità.
Tale serbatoio, in base alla sua geometria, conterrà circa 140 litri, sarà
appoggiato e fissato alla fusoliera, ma potrà essere estratto con poche e
semplici manovre.
PASSO 2: Posizionamento delle installazioni
rispettando le limitazioni di centraggio del velivolo.
Tubo di passaggio liquido dal
serbatoio all’impianto d’irrigazione
Scavo per albero
comando alettoni
Appoggi sagomati sul
fondo della fusoliera
Scavo per comando
stabilatore
PASSO 2: Posizionamento delle installazioni
rispettando le limitazioni di centraggio del velivolo.
Al fine di facilitare le operazioni di manutenzione e di rimozione del
serbatoio, si potrà creare uno sportello incernierato e rimuovere una parte
del fianco della fusoliera.
Il tratteggio giallo indica la
parte di fiancata coperta
dallo sportello laterale nella
configurazione originale
Zona di creazione dello sportello
incernierato per facilitare la
rimozione del serbatoio
Parte di fusoliera da
asportare per facilitare le
operazioni di manutenzione
PASSO 2: Posizionamento delle installazioni
rispettando le limitazioni di centraggio del velivolo.
Al di sopra del serbatoio ho realizzato un pianale orizzontale, con lo
scopo fornire una base per i vari componenti, il tutto seguendo i contorni
della cellula, per utilizzare al meglio lo spazio disponibile.
PASSO 3: Assemblaggio dei componenti e modifiche da
apportare per una corretta integrazione delle installazioni.
Le mie valutazioni si sono concentrate sull’accoppiamento tra i comandi
di volo e i servoattuatori lineari per la movimentazione delle superfici e
sulle modifiche da apportare, il tutto cercando di mantenere il più
possibile la configurazione originale; i doppi comandi di quest’ultima
sono stati ridotti al singolo gruppo di controlli.
PASSO 3: Assemblaggio dei componenti e modifiche da
apportare per una corretta integrazione delle installazioni.
Vediamo ora una serie d’immagini che rappresentano lo studio
d’ingombro nell’abitacolo della configurazione UAV dello Storch CL.
Vista A
Vista C
Vista F
Vista E
Vista D
Vista B
VISTA PIANALE (IN TRASPARENZA)
Vista A
(IN TRASPARENZA)
Vista B
(IN TRASPARENZA)
Vista C
(IN TRASPARENZA)
Vista D
(IN TRASPARENZA)
Vista E
(IN TRASPARENZA)
Vista F
(IN TRASPARENZA)
Comando timone e
ruotino anteriore
Carrucole per cavi
freno e acceleratore
Servoattuatori
comando timone e
ruotino anteriore
Servoattuatore per
comando flapperone
Servoattuatori per
comandare il freno e
l’acceleratore
Servoattuatore per
comando alettoni
Pompa benzina
per decollo e di
caricamento
Comando
alettoni
Sistema integrato di
controllo PICCOLO
Fermacavo per cavo
bowden del trim
Pompa serbatoio
agricolo
Filtro benzina
Spazio ricavato sul
serbatoio per movimento
comando alettoni
Servoattuatore
comando trim
Servoattuatore
comando stabilatore
Comando
stabilatore
Serbatoio agricolo
Spazio ricavato sul
serbatoio per movimento
comando stabilatore
Comando timone e ruotino anteriore
Struttura di supporto
servoattuatori
Vista in
cabina
Servoattuatore comando
timone e ruotino anteriore
Assieme comando timone e
ruotino anteriore
Vista esplosa assieme comando timone e ruotino anteriore
Supporto centrale tubi
di comando
Supporto Angolari
per sostegno
struttura comando
Tubo comando timone e
ruotino anteriore saldato
Supporto Angolari
per sostegno
struttura comando
Boccole per attacco tubo
di comando ad angolari
Il comando di timone e ruotino anteriore è costituito, come si può vedere,
da due tubi di comando in acciaio, da quattro boccole in nylon, da un
supporto centrale in nylon e da due supporti angolari in alluminio
anodizzato.
Il comando di timone e ruotino anteriore è stato ricavato dalla pedaliera
(nella fotografia vediamo la sua conformazione originale) andando ad
eliminare l’appoggio per i piedi e aggiustando la dimensione del tubo di
comando. La posizione centrale è stata mantenuta per evitare problemi di
collegamento con il ruotino anteriore.
Il comando di timone e ruotino anteriore è stato ricavato dalla pedaliera
(nella fotografia vediamo la sua conformazione originale) andando ad
eliminare l’appoggio per i piedi e aggiustando la dimensione del tubo di
comando. La posizione centrale è stata mantenuta per evitare problemi di
collegamento con il ruotino anteriore.
Flange movimento
cavi bowden e
astine ruotino
Vista generale
pedaliera
Astine comando
ruotino anteriore
Il tubo di comando è a sua volta composto da una flangia comando per il
collegamento dei cavi bowden di timone, delle astine per il ruotino e dei
servoattuatori lineari che ne comandano il movimento, da una piastrina di
rinforzo e dal tubo comando, il tutto saldato e verniciato.
Piastrina
di rinforzo
Tubo
comando
Flangia collegamento
bowden, astine e
servoattuatori
Allo scopo di ridurre l’ingombro sul pianale e facilitare il collegamento tra
servoattuatori e flange di comando bowden e astine ruotino, si può
utilizzare un supporto metallico o composito.
(Dimensioni, forma e materiale possono essere variati a discrezione del progettista, il mio è
semplicemente un esempio di applicazione del principio di riduzione degli ingombri sul pianale.)
Comando stabilatore
Servoattuatore
comando stabilatore
Assieme comando
stabilatore
Vista esplosa assieme comando stabilatore
Supporto per
snodo sferico
Snodo
sferico
Snodo
sferico
Comando
stabilatore
saldato
Il comando stabilatore completo è costituito dal comando stabilatore
saldato, da due supporti in metallo e da due snodi sferici.
Il comando stabilatore è stato ricavato dal comando cloche (nella
fotografia vediamo la sua conformazione originale) dividendolo in
comando alettoni e comando stabilatore.
Il comando stabilatore è stato ricavato dal comando cloche (nella
fotografia vediamo la sua conformazione originale) dividendolo in
comando alettoni e comando stabilatore.
Astine per collegamento
cloche all’albero di
comando alettoni
Comando cloche visto
da sotto il pianale
Alloggiamento
per cloche
Comando cavi
bowden stabilatore
Il comando stabilatore è stato ricavato dal comando cloche (nella
fotografia vediamo la sua conformazione originale) dividendolo in
comando alettoni e comando stabilatore.
Astine per collegamento
cloche all’albero di
comando alettoni
Comando cloche visto
da sotto il pianale
Alloggiamento
per cloche
Comando cavi
bowden stabilatore
I due comandi, originalmente accoppiati, sono stati sdoppiati per evitare
problemi di collegamento con i servoattuatori. Il tubo comando è stato
accorciato in base alle esigenze ed è stata creata una flangia comando
per il collegamento con il servoattuatore. La sua posizione in cabina non
è limitata da alcun fattore, in quanto i cavi bowden sono molto flessibili.
Vista esplosa assieme comando stabilatore saldato
Vista esplosa assieme comando stabilatore saldato
Flangia comando
per collegamento
con servoattuatore
Piastrina
rinforzo
Tubo
comando
Boccola
d’attacco
Comando cavi
bowden stabilatore
Boccola
d’attacco
Il comando stabilatore saldato è composto da una flangia comando per il
collegamento con il servoattuatore, da una piastrina di rinforzo, da due
boccole per l’attacco del comando agli snodi sferici, dal comando per i
cavi bowden dello stabilatore e dal tubo comando, il tutto in acciaio
saldato e verniciato.
Comando alettoni e flapperone
Vista in
cabina
Servoattuatore
comando flapperone
Servoattuatore
comando alettoni
Albero di comando
alettoni e flapperone
Vista esplosa assieme comando alettoni e flapperone
Piastrina attacco
aste alettoni
Piastrina attacco
servocomando per
flapperone
Piastrina
attacco tubo
all’ordinata
Piastrina attacco
tubo al pianale
Flangia
collegamento al
servocomando
alettoni
Tubo albero di
comando alettoni
in tre pezzi
L’albero di comando alettoni è composto da una flangia per il
collegamento con il servoattuatore, da una piastrina di attacco al pianale,
da una piastrina di attacco all’ordinata, da una piastrina per il
collegamento con il servoattuatore per il comando di flapperone, da tre
pezzi di tubo e da due piastrine per il collegamento dell’albero con le
astine degli alettoni, il tutto in acciaio saldato e verniciato.
Al comando alettoni e flapperone (nella fotografia vediamo la sua
conformazione originale) sono state apportate solo piccole modifiche di
aggiustamento. Il tubo comando è stato accorciato in base alle esigenze
ed è stata creata una flangia per il collegamento con il servoattuatore. È
stata mantenuta la posizione centrale rispetto al pianale, così da non
andare a modificare la parte di collegamento tra il comando alettoni e le
superfici in questione.
Astine collegamento alettoni
all’albero di comando
Albero di comando
alettoni
Astina collegamento
comando flapperone
Il comando alettoni e flapperone completo è costituito dall’albero di
comando alettoni. Il flapperone non è altro che l’alettone abbassato per il
duplice scopo di controllo e ipersostentazione. La leva in cabina per
l’azionamento del flapperone e l’astina di collegamento tra essa e l’albero
di comando alettoni, sono state sostituite da un servoattuatore lineare.
Nelle fotografie vediamo la parte superiore del comando alettoni e
flapperone che è rimasta invariata rispetto la configurazione originale.
Astine collegamento
alettoni al
corrispettivo comando
Albero di
torsione alettoni
Comando trim
Vista in
cabina
Pompe carburante
PICCOLO
Filtro carburante
Servoattuatore
comando trim
fermabowden
Il comando trim (nella fotografia vediamo la sua conformazione originale)
è stato completamente sostituito da un semplice fermabowden, una
piastrina metallica che permette di fissare il cavo bowden nella posizione
desiderata. Non servono leve in quanto il cavo verrà agganciato
direttamente sull’attuatore lineare.
Cavo bowden trim
Leva comando trim
Comando gas e freno
Vista in
cabina
Servoattuatore freno
Servoattuatore gas
Carrucola per cavo gas e freno
Il comando gas e freno (nella fotografia vediamo la sua conformazione
originale) è stato completamente sostituito da due semplici carrucole che
permettono di far scorrere i cavi d’acciaio preposti a tale scopo. Non
servono leve in quanto il cavo verrà agganciato direttamente
sull’attuatore lineare.
Manette freni
destro e sinistro
Manetta
acceleratore
PASSO 4: Progettazione del sistema d’irrigazione.
L’irrigatore esterno deve essere rigido e leggero. La struttura è stata
pensata per essere realizzata in fibra di carbonio.
PASSO 4: Progettazione del sistema d’irrigazione.
Montante
anteriore fusoliera
Castello
alare
Punto d’attacco
superiore anteriore
Tubo irrigatore
Struttura a
traliccio
Punto d’attacco
superiore posteriore
Punto d’attacco
inferiore
Risultato finale
Struttura
carrello
principale
Storch Blind Farmer
UAV ideato partendo dall’ULM Storch CL prodotto dalla Flysynthesis s.r.l.
Risultato finale