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Appunti delle Lezioni di Disegno e Progettazione Aeronautica
(prof. Luigi Mascolo)
Unit 1 Soluzioni costruttive tipiche
1.1 Funzione, disegno e forma di una fusoliera
La fusoliera il corpo vero e proprio dellaereo e come tale deve
assolvere molteplici funzioni tra le
quali alloggiare la cabina di pilotaggio, il carico utile e gran
parte degli impianti di bordo. Inoltre deve
costituire lelemento strutturale che collega le ali con gli
organi di stabilit e controllo posti sugli impennaggi
di coda. Se assolve solo alla prima funzione detta carlinga
altrimenti detta trave di coda.
Il disegno di una fusoliera pu incidere notevolmente sulle
prestazioni del velivolo poich dal punto
di vista aerodinamico la sua resistenza rappresenta il 25 50%
della resistenza parassita totale dellaereo.
Pertanto si pu ritenere che la forma ideale da conferire alla
fusoliera sia quella della del cosiddetto corpo
aerodinamuco (in inglese stream-line) cio quella forma che,
assecondando landamento della corrente
(evitando cio separazioni di flusso) ed eliminando discontinuit
e cambiamenti repentini di sezione,
comporta, a parit di area frontale o di volume, una minore
resistenza aerodinamica.
Longitudinalmente la fusoliera di un velivolo da trasporto pu
essere considerata un corpo fusiforme
costituito da un tratto centrale di forma cilindrica che separa
una parte prodiera a forma ogivale (forebody)
e una poppiera (afterbody). La parte anteriore viene modificata
per permettere linstallazione della cabina
di pilotaggio, mentre la forma di quella posteriore dipende
dallesigenze di accessibilit e di carico del
materiale da trasportare e dalla necessit di far assumere al
velivolo gli angoli di seduta ottimali nelle fasi di
decollo e atterraggio.
UNITA 1 1
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Appunti delle Lezioni di Disegno e Progettazione Aeronautica
(prof. Luigi Mascolo)
Il rapporto tra la lunghezza complessiva L ed il diametro D
della pi grande sezione trasversale della
fusoliera si chiama rapporto di finezza o finezza e viene
variato agendo sulla lunghezza della parte
centrale lasciano immutate la lunghezza della
prua e dellafterbody. La finezza un parametro
aerodinamico fondamentale in quanto legata
al coefficiente di resistenza della fusoliera.
Questultimo pu dirsi composto da due fattori:
il primo la resistenza dattrito legata al
superficie bagnata del corpo, quindi cresce con
la lunghezza L, il secondo la resistenza di
pressione che invece legata allarea massima
della sezione trasversale, e che pertanto
aumenta allaumentare del diametro D della
sezione. Complessivamente la resistenza della
fusoliera diminuisce allaumentare del rapporto
(L/D) fino ad un certo valore (circa 3), dopo il quale un
ulteriore aumento della finezza comporta un
aumento del CD poich la resistenza di pressione non dipende
dalla lunghezza del tratto centrale che invece
comporta ad un aumento della superficie bagnata e quindi della
resistenza di attrito. Questo significa che
esiste un valore di ottimo del rapporto di finezza che rende
minimo il coefficiente di resistenza CD, tuttavia le
moderne fusoliere, per motivi di carattere strutturale legati
allingombro minimo necessario, hanno un
rapporto di finezza maggiore di quello di ottimo (vedi grafico).
In particolare se si vuole ottenere la minima
resistenza per unit di superficie maestra si ricorre a fusi
tozzi [L/D~3] se invece si vuole ottenere la minima
resistenza per unit di volume si utilizzano fusi slanciati
[L/D~6]. In campo aeronautico si possono
presentare entrambi i casi. Infatti se occorre carenare un
oggetto di determinato ingombro frontale, si
sceglier il fuso di minima resistenza, riferito al cerchio
circoscritto alloggetto; se invece si vuole ottenere un
corpo di determinato volume interno, il fuso migliore, da
ricercarsi, con riferimento al volume stesso, tra i
fusi slanciati. Per questi motivi le gondole motrici risultano
tozze mentre le fusoliere sono allungate.
Forma e dimensioni della fusoliera variano a seconda della
categoria di appartenenza del velivolo,
nonch delle prestazioni richieste. Le sezioni trasversali pi
usate negli aerei civili sono le seguenti:
Sezione rettangolare o rettangolare con cappottatura a calotta,
ormai in disuso (fig. a e b) ;
Sezione ovalizzata, impiegata per piccoli aerei da trasporto
persone (fig. c);
Sezione a lobi circolari, usato nei grossi aerei da trasporto
(fig. e);
Sezione circolare, ottima sotto ogni aspetto la pi comune (fig.
d);
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Appunti delle Lezioni di Disegno e Progettazione Aeronautica
(prof. Luigi Mascolo)
Trasversalmente la forma della sezione della fusoliera deve
obbedire a diverse ragioni, la pi importante
delle quali quella di alloggiare il carico utile, per cui un
volta che lo si determinato, si cerca di alloggiarlo
utilizzando la minima sezione frontale.
Inoltre poich per i velivoli operanti ad alta quota le
fusoliere devono essere pressurizzate, si ricorre ad una
sezione circolare [in fig. la (1)], che facendo lavorare il
fasciame a trazione e non a flessione permette di
assorbire la pressurizzazione nel modo meno gravoso.
Nel caso dei velivoli civili, la sezione pi diffusa oltre a
quella circolare e quella lobata [in fig. la (2)]. Ad essa
si
ricorre, ad esempio, quando la capacit della stiva della
sez. circolare (1) insufficiente, e quindi anzich ricorrere alla
sezione circolare di raggio maggiore (3), si
pu utilizzare la sezione lobata (2) che a parit di carico
sicuramente pi conveniente dal punto di vista
della resistenza aerodinamica. La sezione lobata (2) rispetto a
quella circolare (1) presenta oltre che un
maggiore capacit per unit di lunghezza anche un miglioramento
dellaerodinamica dellintersezione ala-
fusoliera, per contro richiede pavimenti lavoranti, quindi pi
pesanti e di difficile costruzione ed pi gravoso
lassorbimento dei carichi legati alla pressurizzazione.
Il diametro della fusoliera e quindi la
larghezza sfruttabile per la cabina
passeggeri fornisce il numero di sedili che
possono essere affiancati per ogni fila.
Le FAR 25 limitano a 3 il numero di sedili
che possono essere disposti da ciascun lato
di un corridoio. Pertanto le cabine con pi
di 6 posti affiancati per fila, devono almeno
avere due corridoi con inevitabile perdita di
spazio utile.
3
Nella foto una sezione di fusoliera di un AIRBUS A 300
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Appunti delle Lezioni di Disegno e Progettazione Aeronautica
(prof. Luigi Mascolo)
I corridoi sempre secondo la normativa FAR 25
devono avere larghezza non inferiori a
determinati limiti (ricavabile dalla figura a lato)
mentre il passo tra una fila e la successiva
varia tra 0,8 e 0,9m.
Esistono anche delle relazioni empiriche che
legano il diametro della fusoliera Df al numero
di passeggeri Nf che vi possono alloggiare:
Nei grossi i velivoli da trasporto a fusoliera larga, detti
"wide-body aircraft" si sacrificano le condizioni dettate
dalla pressurizzazione e si dispongono i passeggeri su pi piani.
Si tratta di aerei di linea con diametri della
fusoliera che superano i 6 metri, una larghezza che consente
l'allestimento di 7-10 posti adiacenti per ogni
fila su doppio corridoio. Gli aerei "wide-body" vengono
utilizzati per tratte medio-lunghe ed hanno una
capienza che varia tra i 200 e i 600 passeggeri, mentre il
"narrow-body" pi grande pu trasportare al
massimo 280 passeggeri. Di seguito sono riportate le sezioni di
fusoliera del glorioso Boeing 747 (ai pi noti
come Jumbo Jet) e quella del recentissimo Airbus A 380 velivolo
double deck (cio a doppio ponte) che
con le sue 560 tonnellate ed i suoi 656
passeggeri della versione pi capiente,
attualmente il velivolo di linea in servizio
pi grande al mondo.
Chiaramente, nel caso di piccoli
velivoli e di quelli militari non esistono
regole generali per la forma trasversale
della fusoliera, non essendovi le
stringenti motivazioni del carico utile, e
pertanto essa determinata
essenzialmente da motivi di ingombro e pu assumere le forme pi
svariate.
Nella pagina seguente sono riportate le sezioni di fusoliera
relative ad alcuni tra i pi diffusi velivoli
commerciali utilizzati dalle principali compagnie di trasporto
aereo.
4
corridoi) 2 a (fusoliereN0,60 + 1,1 = D
corridoio) 1 a (fusoliereN0,52 + 0,6 = D
ff
ff
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Appunti delle Lezioni di Disegno e Progettazione Aeronautica
(prof. Luigi Mascolo)
McDonnel Douglas 80 Fokker F 28
Airbus A 310 Lockheed Tristar
Boeing 737 Boeing 767-400
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(prof. Luigi Mascolo)
1.2 Struttura delle fusoliere
Dal punto di vista costruttivo, le fusoliere, si possono
distinguere in :
Fusoliere a struttura reticolare o a traliccio (utilizzate negli
aerei leggeri ed ultraleggeri);
Fusoliere a semiguscio ( attualmente impiegate nei moderni
velivoli);
Fusoliere a guscio (utilizzate solo in casi particolari);
Fusoliere miste o a falso guscio.
1.2.1 Fusoliere a struttura reticolare o a traliccio
Nella struttura reticolare (o a traliccio) la fusoliera
costituita da una serie di elementi longitudinali,
verticali e trasversali, detti aste che si intersecano in punti
detti nodi, che devono assorbire le
sollecitazioni derivanti dai i carichi aerodinamici agenti sulle
superfici del rivestimento.
In particolare, le sollecitazioni durante il volo, sono
assorbite da quattro travi principali che hanno
correnti in comune. Le due travi che reagiscono agli sforzi
verticali costituiscono le fiancate, le rimanenti due,
che reagiscono agli sforzi orizzontali, costituiscono il fondo e
il cielo della struttura. Questultima pu essere
costruita con aste ( o tubolari) quadrati o tondi, in
acciaio o lega leggera di alluminio, collegati tra
loro con opportuni attacchi, oppure, saldati se si
tratta di acciaio. Si ottiene in tal modo una
sezione di una fusoliera di forma poligonale.
Nei primi aeroplani il traliccio era realizzato in
legno e rivestito in tela e successivamente fu
introdotto quello metallico realizzato con aste di
acciaio saldate nei nodi o con tubolari in lega leggera di
alluminio. I vantaggi della struttura reticolare stanno
nella sua semplicit costruttiva, soprattutto da quando si
introdotta la saldatura ossiacetilenica come
mezzo di unione delle aste (inizialmente i nodi venivano
realizzati con metodi molto complessi infilando i tubi
in apposite pipe che venivano poi rivettate tra loro).
Chiaramente la saldatura dei tubi aeronautici
maggiormente impiegata nel caso di tubolari in acciaio e solo
eccezionalmente per quelli di alluminio, che in
questo caso deve essere ricotto.
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Appunti delle Lezioni di Disegno e Progettazione Aeronautica
(prof. Luigi Mascolo)
Il rivestimento delle strutture reticolari di solito effettuato
con una sottile lamiera di duralluminio1,
per intero o in parte. In questo ultimo caso, il duralluminio
posizionato solo nelle parti prodiere ed in
prossimit dei motori, mentre il resto in tela o in sottili fogli
di compensato.
Nell'interno della fusoliera, una o pi ordinate (intendendo con
questo termine il quadrilatero
formato da quattro montanti giacenti in uno stesso piano
trasversale) vengono controventate a croce di
Sant'Andrea o a "K", mediante aste saldate, o cavi d'acciaio con
tenditori.
Uno dei vantaggi delle strutture reticolari la possibilit di
applicare i carichi concentrati in
corrispondenza dei nodi mentre la stessa struttura assolutamente
incompatibile con i carichi derivanti dalla
pressurizzazione della cabina e questo ne spiega l utilizzo solo
nei piccoli aeroplani (leggeri ed ultraleggeri )
che non raggiungono quote elevate. Nelle seguente tabella
vengono riassunti vantaggi e svantaggi derivanti
dallutilizzo di fusoliere con struttura reticolare rispetto a
quelle a guscio e semiguscio:
FUSOLIERE con STRUTTURA RETICOLARE o a TRALICCIO
VANTAGGI SVANTAGGI
maggiore leggerezza;
maggiore semplicit costruttiva;
nei nodi possibile ancorare carichi concentrati.
non consentono lassorbimento di grossi carichi
aerodinamici;
non si possono realizzare fusoliere pressurizzate;
non permettono forme di alta penetrazione;
hanno una minore resistenza agli agenti atmosferici.
Dal punto di vista strutturale, a seconda dellorientamento delle
aste, le fusoliere con struttura a
traliccio possono essere di tipo PRATT o di tipo WARREN:
Struttura a traliccio TIPO PRATT Nella struttura di tipo PRATT
abbiamo quattro aste
longitudinali (dette longheroni), il diametro delle quali
decrescente procedendo dal muso verso la coda, laddove
le sollecitazioni sono minori. Ad esse quali vengono poi
collegate le aste verticali e quelle diagonali (dette
tiranti)
costituendo, lungo la fusoliera, una serie di gabbie
disposte in serie una dietro laltra in modo di realizzare
una struttura detta a cannocchiale.
1 Con il termine duralluminio viene identificato lAvional 2014,
lega leggera a base di alluminio, rame e magnesio.
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Appunti delle Lezioni di Disegno e Progettazione Aeronautica
(prof. Luigi Mascolo)
Struttura a traliccio TIPO WARREN Nella struttura di tipo WARREN
le quattro aste
longitudinali sono unite reciprocamente da altre aste in
diagonale in modo da formare una serie di elementi
triangolari alternati in grado di sopportare sollecitazioni
sia di compressione che di trazione a seconda della
direzione del carico applicato.
La struttura di tipo Warren rispetto a quella Pratt risulta,
a parit di peso, pi rigida, costituita da un numero
minore di elementi e quindi presenta una migliore
ripartizione degli sforzi.
Struttura GEODETICA
Struttura geodetica(fusoliera di Vickers Wellington)
Una struttura interessante, che ormai non trova pi
applicazione, la struttura geodetica. In essa quattro
correnti longitudinali assorbono gli sforzi assiali e quelli
derivanti dalla flessione, mentre una doppia schiera di
geodetiche inclinate di 45, rispettivamente tese e
compresse, e costituenti un complesso autostabile, assorbe
gli sforzi di taglio e di torsione. In corrispondenza
dellattacco dei longheroni dellala e degli impennaggi sono
disposte opportune ordinate per assorbire e trasmettere al
complesso geodetico gli sforzi ivi concentrati. Il
rivestimento
ha solo funzione di forma ed eseguito in tela. Le strutture
cos formate, permettono di ottenere forme penetranti
senza ricorrere a soprastrutture pesanti e ingombranti,
consentendo unelevata utilizzazione dello spazio interno.
Per contro esse sono di realizzazione complessa, vista la
notevole quantit di aste fra loro differenti in lunghezza e
curvatura, e dando linconveniente di richiedere un
rivestimento in tela.
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Appunti delle Lezioni di Disegno e Progettazione Aeronautica
(prof. Luigi Mascolo)
1.2.2. Fusoliere con struttura a guscio e semiguscio
Nel caso delle strutture a guscio e semiguscio, la fusoliera
costituita da elementi longitudinali detti
correnti, da elementi trasversali dette ordinate, sulle quali
poggiano i correnti, e dal rivestimento.
In particolare nelle strutture a guscio, utilizzate solo in casi
particolari, il rivestimento esercita sia
funzioni di forma che di resistenza e pertanto deve essere
rigido e resistente; in quelle a semiguscio,
attualmente impiegate nei moderni velivoli, il rivestimento,
irrigidito da correntini pi piccoli destinato solo
a sopportare gli sforzi di torsione, le ordinate hanno compiti
di forma e raccolta dei carichi concentrati,
mentre la resistenza alla flessione affidata a tre o quattro
robusti correnti (tipo longherone).
Struttura a GUSCIO Nelle strutture a guscio la resistenza alla
flessione affidata
tutta al rivestimento, solidale con numerosi correntini
equidistanti o infittiti in prossimit delle zone critiche.
Nella
sua concezione fondamentale, priva dei longheroni
(correnti di maggiori dimensioni), in quanto il fasciame
(rivestimento) dimensionato in modo da sopportare tutti i
carichi. La forma della fusoliera a guscio normalmente
circolare, ellittica o a forma duovo e per tale motivo si
presta allimpiego dei materiali compositi.
Nelle costruzioni metalliche i correnti sono per lo pi
costituiti da profilati aventi sezione a "Z" od a "C" mentre
le
ordinate, solitamente alleggerite da fori, hanno la
medesima sezione oppure sono a "doppia C".
Le strutture a guscio si utilizzano solo in casi particolari,
ad
esempio nel campo degli alianti, dei galleggianti, dei
serbatoi esterni, e presentano i seguenti vantaggi:
consentono di ottenere svariate forme aerodinamiche
permettono la realizzazione di fusoliere pressurizzate
hanno una ottima resistenza agli agenti atmosferici
Al contrario risultano pesanti e costose e non essendoci
nodi non vi la possibilit di punti di ancoraggio per carichi
concentrati.
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(prof. Luigi Mascolo)
Struttura a SEMIGUSCIO Nelle strutture a semiguscio i carichi,
vengono assorbiti in
parte dal rivestimento e in parte dalla struttura. In
particolare gli elementi longitudinali (longheroni e
correnti), sono destinati ad assorbire gli sforzi
longitudinali
derivanti dalle sollecitazione di flessione, il rivestimento
destinato ad assorbire gli sforzi tangenziali derivanti
dalle
sollecitazioni di taglio e torsione mentre le ordinate hanno
funzione di forma e fungono da appoggio per i correnti.
Inoltre esse devono raccogliere i carichi concentrati da
trasmettere al rivestimento, e raccogliere dal rivestimento
i
carichi aerodinamici da trasmettere al guscio. Pertanto si
hanno due tipologie di ordinate, quelle di forma e quelle di
forza. Mentre le prime sono pi semplici ed in genere
vengono realizzate in lamiera piegata con sezione a C, L, Z,
le seconde , costituite da lamiere lavorate a macchina,
hanno la forma pi svariata a seconda del tipo carico che
devono raccogliere (es. attacco ala-fusoliera, attacco
deriva-impennaggi, attacco carrello, .). Le strutture a
semiguscio si prestano alla realizzazione in lamiera e
pertanto vengono in genere realizzate in lega leggera di
alluminio.
I longheroni differiscono dai correnti per la forma e per
dimensioni e perch, quando presenti, sono in numero
discreto (in genere 4-5). Si pu avere infatti, come accade
per i velivoli da trasporto, una struttura priva di
longheroni
che viene detta a correntini (fig. centrale).
Chiaramente le strutture a semiguscio presentano gli stessi
vantaggi di quelle a guscio, riducendone in parte gli
svantaggi. Si pu, in tal modo, realizzare una fusoliera
pressurizzata con guadagno di peso rispetto ad una
equivalente struttura a guscio e ci giustifica il largo
utilizzo
di tali strutture nei moderni velivoli.
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Appunti delle Lezioni di Disegno e Progettazione Aeronautica
(prof. Luigi Mascolo)
1.2.3 Fusoliere miste e a falso guscio
Tra i velivoli da turismo di piccole dimensioni molto diffusa
una terza tipologia strutturale:
la fusoliera mista o a falso guscio . Dal punto di vista o
strutturale, per questa tipologia di velivoli non
pressurizzati, vi una grossa differenza tra la parte anteriore
della fusoliera e quella posteriore.
Infatti le accentuate finestrature, necessarie per permettere
una buona visibilit ai piloti, gli attacchi
dellala e del carrello (nel caso questultimo non sia supportato
dallala) comportano, a differenza della parte
posteriore, soluzioni strutturali molto irregolari.
Per questo motivo nelle fusoliere miste, la struttura della
parte anteriore della fusoliera una
struttura reticolare, mentre nella parte posteriore, molto pi
regolare, abbiamo una struttura a guscio. Il
risultato una fusoliera di buona finezza, con buone
caratteristiche di resistenza.
Le fusoliere a falso guscio posseggono una struttura reticolare
interna che resiste alle sollecitazioni di
flessione e di taglio, mentre il rivestimento esterno,
irrigidito da ordinate e correnti, o da una lamiera
ondulata, reagisce alla torsione. La struttura reticolare
realizzata da elementi di lamiera, stampati ad
omega ed accoppiati per saldatura a punti. Il rivestimento in
lamiera liscia, irrigidito internamente da lamiera
ondulata, attaccato a mezzo di viti allossatura reticolare.
Queste strutture ibride non sono generalmente vantaggiose, perch
di solito pesano di pi delle
corrispondenti a guscio, e consentono una minor utilizzazione
dello spazio interno.
Si riportano di seguito, dopo una breve descrizione, i
particolari strutturali inerenti la fusoliera del
velivolo ultraleggero P 92 Echo prodotto dalle Costruzioni
Aeronautiche- Tecnam di Capua (CE).
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Appunti delle Lezioni di Disegno e Progettazione Aeronautica
(prof. Luigi Mascolo)
Costruzioni Aeronautiche TECNAM P92 Echo Il P92-Echo un velivolo
biposto
ultraleggero avanzato, con sedili
affiancati, a doppio comando e
ala alta controventata. Tutte le
strutture portanti sono metalliche
in lega di alluminio rispondenti
agli standard internazionali di
aero-navigabilit. Lelevata
stabilit e manovrabilit,
leccellente visibilit, lo rendono
ideale per le scuole di volo.
Struttura della cabina
Trave di coda
La parte anteriore della fusoliera
(cabina) costituita da un
struttura a traliccio in tubi di
acciaio al cromo-molibdeno, con
pannellatura in lega leggera. Nella
struttura a traliccio si distinguono
gli attacchi per la semiala (1), per
il carrello principale (4), per il
castello motore (5). La cabina
viene quindi collegata attraverso
gli attacchi (2) ad una trave di
coda realizzata con struttura a
semiguscio in lega leggera. In essa
sono distinguibili le ordinate, i
correnti e gli attacchi per il piano
di coda orizzontale (2) che per nel
caso del P92 tutto mobile
(stabilatore).
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Appunti delle Lezioni di Disegno e Progettazione Aeronautica
(prof. Luigi Mascolo)
1.3 Dettagli progettativi delle fusoliere (finestrini,
parabrezza, aperture)
Uno dei principali problemi nel dimensionamento della fusoliera,
quello generato dalla presenza
delle aperture (finestrini, portelli,..). Infatti una struttura
sottile in presenza di aperture riduce notevolmente
la propria rigidezza torsionale e pertanto nel calcolo delle
aperture occorrer prevedere opportuni rinforzi
interni, realizzati con elementi profilati che costituiscono un
vero e proprio telaio intorno allapertura stessa.
a) Finestrini
I finestrini della fusoliera possono essere di forma
rettangolare fra
30x40 e 40x50 cm oppure di oppure forma circolare (obl di
diametro
di 50 cm) e sono progettati secondo i criteri fail-safe
ovvero
realizzati con materiali a pi strati per resistere ai forti
sbalzi di
temperatura e ai carichi da pressurizzazione. Nei velivoli con
cabina
pressurizzata sono normalmente costituiti da due pannelli di
materiale
acrilico montati mediante guarnizioni di gomma e sono a doppio
vetro
per maggior sicurezza e per diminuire lappannamento della
superficie
trasparente a causa dellumidit della cabina.
b) Parabrezza
I finestrini della cabina di pilotaggio devono sempre garantire
al pilota una visione estesa, chiara e non
distorta. Nonostante ci per motivi di natura aerodinamica, luso
di superfici interamente piane limitato alla
parte anteriore del parabrezza. I vetri impiegati,
opportunamente fissati alla struttura, sono antiproiettile
sugli aerei militari, mentre in quelli civili devono resistere
allurto di
un uccello di 2-3 Kg alla velocit di 500-600 Km/h.
Per evitare lappannamento si usano intercapedini di aria,
mantenuta
secca con luso di sostanze igroscopiche. In condizioni
atmosferiche
avverse possibile impiegare opportuni accorgimenti
(tergicristalli,
liquidi antighiaccio) e sugli aerei non pressurizzati possibile
aprire
parte della finestratura. Questa dovr comunque essere posta in
una
zona di depressione in moda da evitare lingresso in cabina
di
pioggia, grandine o fastidiose correnti daria. Anche nel caso
dei grossi velivoli da trasporto, una parte della
finestratura, quella laterale, apribile in modo che possano
essere effettuate in sicurezza le operazioni di
atterraggio anche quando la visione impedita per un qualsiasi
motivo.
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Appunti delle Lezioni di Disegno e Progettazione Aeronautica
(prof. Luigi Mascolo)
Per non compromettere la capacit di
penetrazione delle fusoliere, la finestratura deve
produrre la minima resistenza possibile. Un primo
esempio in proposito, fu quello del Republic
Rainbow , in cui labitacolo piloti era munito di un
parabrezza quasi verticale, carenato da una
finestratura trasparente che completava la forma
a fuso nella parte prodiera: in caso di scarsa
visibilit poteva essere fatta scomparire
telescopicamente ai due lati della fusoliera.
c) Aperture
Per le porte , al pari dei finestrini, non essendo inserite in
pannelli lavoranti, deve essere prevista una
opportuna struttura di riquadro. Inoltre a causa delle notevoli
sollecitazioni cui sono sottoposte per effetto
dei carichi da pressurizzazione, le porte dei moderni velivoli
commerciali, sono costruite con dimensioni
leggermente superiori al vano da chiudere.
In tal modo la pressione stessa della cabina tiene in
sede la porta anche nellipotesi in cui i ganci di tenuta
dovessero cedere. Lapertura di una simile porta non
pu che avvenire verso linterno ed avviene con
sistema idraulico.
Le vigenti norme impongono sia il numero e che la
dimensione delle porte. In particolare esse impongono
che gli apparecchi siano forniti di uscite di sicurezza, in
numero tale da consentire una completa evacuazione
dellapparecchio in 30 secondi, o, se vi sono pi di 30
posti, di permettere levacuazione di un passeggero al
secondo.
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Appunti delle Lezioni di Disegno e Progettazione Aeronautica
(prof. Luigi Mascolo)
Unit 2 Carichi e Sollecitazioni
2.1 Carichi agenti sulla fusoliera
La fusoliera di un velivolo viene sollecitata, in volo, da forze
di diversa natura ed origine, che possiamo
cos sintetizzare:
Forze aerodinamiche trasmesse dallala;
Forze aerodinamiche derivanti e trasmesse dagli impennaggi di
coda;
Forze di trazione dei propulsori eventualmente montati sulle
ali;
Forze dinerzia generate, durante le manovre del velivolo, dalle
masse a bordo;
Pressioni aerodinamiche che agiscono sul rivestimento;
Carichi da pressurizzazione dovuti alla differenza tra pressione
interna ed esterna.
Ad esse si aggiungono le sollecitazioni meccaniche generate dal
carrello durante le manovre al suolo. Le
forze aerodinamiche dellala e della coda si trasmettono alla
fusoliera attraverso opportuni attacchi, cos come le
forze di trazione dei propulsori eventualmente montati sulle
ali.
In tutti i casi in cui la fusoliera ospita notevoli carichi,
particolarmente importante la determinazione
delle forze dinerzia generate durante le manovre del velivolo.
Infatti mentre in condizioni di volo rettilineo tali
forze coincidono con il peso delle relative masse, quando laereo
subisce, per una causa interna od esterna,
unaccelerazione, le forze dinerzia crescono proporzionalmente
alla stessa ed il calcolo delle strutture deve
tenerne conto. Ci avviene moltiplicando tutti i carichi agenti
per il coefficiente di contingenza o fattore di carico
(n), solitamente desunto dal regolamento in base alla categoria
di appartenenza del velivolo.
Le notevoli dimensioni trasversali della fusoliera permettono
comunque di affrontare la sua costruzione
senza particolari difficolt dal punto di vista statico a
differenza di quanto pu accade nellala dove il vincolo
aerodinamico dello spessore crea gravissimi problemi.
Le sollecitazioni locali dovute alle pressioni aerodinamiche
esercitate sul rivestimento hanno importanza
solo quando la fusoliera ricoperta in tela, caso oggi assai
raro, mentre di gran lunga pi importanti sono le
sollecitazioni dovute allimpiego di cabine pressurizzate, che
come pi volte detto condizionano nella scelta della
forma della sezione della fusoliera.
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Appunti delle Lezioni di Disegno e Progettazione Aeronautica
(prof. Luigi Mascolo)
Infatti, come si vedr in dettaglio nel successivo
paragrafo 2.3, la parte di fusoliera pressurizzata
(cabina passeggeri e di pilotaggio nonch il
comparto bagagli) viene mediamente sottoposta,
per effetto della pressione differenziale (p tra
interno ed esterno), ad un carico di circa mezzo kg
per ogni cm2,valore non da poco poich significa
che su un fazzoletto di cm 10x10 agiscono 50 kg.
Tale struttura deve essere quindi dimensionata come un
recipiente sotto pressione e ci condiziona fortemente
nella scelta della forma della sezione, perch, come noto, la
sezione circolare privilegiata in quanto la parete
sottoposta, in senso trasversale, solo a sforzo normale di
trazione.
2.2 Sollecitazioni
I carichi agenti sulla fusoliera di un velivolo generano le
seguenti sollecitazioni, alle quali occorre fare
riferimento nel dimensionamento strutturale:
Flessione nel piano verticale dovuta sia ai carichi aerodinamici
agenti sugli impennaggi orizzontali,
che alle forze dinerzia generate delle masse a bordo in
particolari manovre di volo (si pensi ad
esempio a quella di richiamata);
Flessione nel piano orizzontale dovuta ai carichi aerodinamici
agenti sugli impennaggi verticali cui si
accompagna spesso una torsione attorno allasse
longitudinale;
Torsione dovuta ai carichi non simmetrici rispetto allasse
longitudinale. Ad esempio si manifesta
durante la manovra di virata che viene eseguita mediante il
movimento asincrono degli alettoni
disposti lungo le semiali;
Sollecitazioni di flessione nel piano verticale trasmesse dal
carrello durante le fasi di decollo e
atterraggio e che sono sempre dovute alle masse della fusoliera
e degli oggetti in essa contenuti.
La struttura della fusoliera costituisce una parte notevolmente
complessa e costosa soprattutto a causa
della presenza di numerose aperture (finestrini, obl,porte,) e
degli attacchi ( ala, fusoliera,) con relativi
elementi di introduzione dei carichi.
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Infatti una struttura sottile in presenza di aperture riduce
notevolmente la propria rigidezza torsionale e
pertanto nel calcolo delle aperture occorrer prevedere opportuni
rinforzi interni, realizzati con elementi profilati
che costituiscono un vero e proprio telaio intorno allapertura
stessa.
La complicazione costruttiva e la variet dei carichi agenti
rendono il dimensionamento delle strutture
della fusoliera piuttosto complicato, calcolo che richiede
conoscenze tecniche e matematiche che esulano dai
limiti di questo corso.
Di seguito, pertanto, si espongono solo alcune considerazioni di
massima sulle sollecitazioni generate
dai carichi agenti sui piani di coda sulla fusoliera nellipotesi
che questultima possa essere considerata come
una trave incastrata allaltezza del baricentro del velivolo
Il carico aerodinamico agente sul piano di coda
orizzontale (in fig. deportanza) pu essere
schematizzato come un carico concentrato applicato
allestremit della fusoliera. Poich questultima
supposta incastrata in corrispondenza del baricentro ne
deriva un sollecitazione di Taglio T costante lungo la
stessa pari a PC ed un momento flettente Mf variabile
linearmente dal valore nullo allestremit al valore
massimo in corrispondenza dellincastro.
Diagramma del Taglio Diagramma del Momento flettente
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Analogamente il carico aerodinamico generato dal piano
di coda verticale (in fig. devianza) pu essere
schematizzato come un carico concentrato applicato
allestremit della fusoliera. Pertanto dar luogo ad una
sollecitazione di Taglio T = costante = PV , nel piano
orizzontale, ed un momento flettente Mf, che varia
linearmente dal valore nullo allestremit al valore
massimo in corrispondenza dellincastro.
Da notare, che in questo caso, poich la deriva non
simmetrica rispetto allasse di fusoliera, nascer anche un
momento torcente Mt.
Diagramma del Taglio Diagramma del Momento flettente
La parte anteriore del fusoliera pu essere ancora vista come una
mensola o trave incastrata in
corrispondenza degli attacchi alari e sollecitata da carichi
verticali verso il basso, pari al peso in volo orizzontale
o alle forza dinerzia in manovra.
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2.3 Pressurizzazione della cabina
Per cabina pressurizzata si intende quella parte dellaereo in
cui la pressione atmosferica interna
superiore a quella dell'ambiente circostante. Questo avviene
grazie all'utilizzo di pompe e alla tenuta stagna
dell'intera cabina che, isolandola dall'esterno, impedisce la
fuoriuscita dei gas e la depressurizzazione.
La necessit di una cabina pressurizzata dovuta al fatto che, per
motivi di economicit di servizio e per
evitare quanto pi possibile perturbazioni atmosferiche tipiche
della troposfera, il volo degli aerei (perlomeno
quelli classici di linea) avviene a quote superiori ai 6.000
metri dove l'aria molto rarefatta e non vi sufficiente
ossigeno per mantenere in vita una persona. Pertanto se la
struttura dellaereo non fosse a tenuta stagna la
pressione all'interno della fusoliera scenderebbe molto
velocemente a dei valori incompatibili con la vita umana.
Dunque necessario che nelle zone adibite ai passeggeri vi siano
condizioni il pi possibile simili a quelle che si
hanno a livello del mare e per ottenere ci, durante l'ascesa
dell'aereo, buona parte della fusoliera deve essere
pressurizzata.
La parte della fusoliera che normalmente viene
pressurizzata la cabina di pilotaggio, la cabina
passeggeri con relativi servizi (toilettes, cucina,
guardaroba,..) e la stiva. Non risulta, invece, mai
pressurizzato il vano del carrello anteriore.
Nei velivoli passeggeri se la stiva non fosse pressurizzata,
tutto il pavimento, oltre ai carichi che gi deve
sostenere (peso dei passeggeri e dei sedili,) dovrebbe
sopportare la differenza di pressione fra la cabina
pressurizzata e stiva a pressione inferiore. Non un carico
trascurabile, potrebbe trattarsi di una pressione pari
a circa mezzo kilogrammo per centimetro quadrato, ovvero
circa
53.060 Pascal, pari alla differenza di pressione fra le quote
di
10.000m (normale altitudine di crociera) e 2.000m (quota in
genere tenuta all'interno delle cabine pressurizzate). Per
questo
motivo preferibile pressurizzare tutto il "cilindro" di
fusoliera
invece che dividere il cilindro, con una superficie piana, e
pressurizzarne solo la parte superiore. Anche nel caso dei
velivoli
cargo (cio senza passeggeri) l'intera fusoliera, pur essendo
di
fatto una stiva, viene pressurizzata. Infatti in tal caso
dovrebbe
essere pi robusta (e quindi pi pesante) solo la parete che
divide la cabina di pilotaggio dal resto . Poich in genere i
velivoli
cargo derivano dalle versioni passeggeri, risulterebbe
antieconomico riprogettare la parete per pressurizzare il
solo cockpit, senza poi contare che spesso i cargo non sono
aerei appositamente costruiti, ma sono degli aerei
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(prof. Luigi Mascolo)
passeggeri usati che vengono convertiti al ruolo cargo smontando
tutti i sedili e facendo qualche altra
modifica.
Alla luce di quanto detto, si capisce come lassorbimento dei
carichi dovuti alla pressurizzazione sia
fondamentale nel dimensionamento strutturale della fusoliera. La
resistenza della struttura alla pressurizzazione
non infatti illimitata, ogni aereo ha una caratteristica
pressione differenziale (differenza tra la pressione interna
e
quella esterna), che solitamente oscilla tra 7.5 e 9.0 psi
( ovvero tra 0,53 e 0,63 kg/cm2).
Ovviamente Le fusoliere devono essere progettate e
testate per resistere a differenze maggiori. Infatti, in caso
di
avaria dell'impianto, due o pi valvole di sicurezza devono
avere il tempo di scaricare tranquillamente all'esterno
l'eccesso di pressione. Ad esempio, secondo le normative
americane FAR, un velivolo da trasporto, per essere
omologato, deve avere una cabina in grado di resistere,
nelle
condizioni di massimo carico aerodinamico, a un pressione
interna pari al massimo differenziale moltiplicato per il
fattore
1.33, di reggere alla penetrazione in cabina di un porzioni
di
un motore e allapertura accidentale di un finestrino o di un
portello e al cedimento di pavimenti e paratie in caso di
depressurizzazione improvvisa.
La pressurizzazione sollecita a tal punto le strutture
che, a volte, il disegno corretto o sbagliato di un piccolo
particolare pu fare la differenza. Basti pensare ai
drammatici
incidenti che coinvolsero i D.H. 106 Comet, legati a
repentine
depressurizzazioni dovute al cedimento per fatica delle
cellule.
Per mantenere la pressione allinterno della cabina
entro un range adatto sia ai passeggeri che alla struttura
della fusoliera (la pressione all'interno della cabina non
deve
essere eccessivamente maggiore di quella esterna), gli impianti
di pressurizzazione, ormai quasi tutti automatici
e controllati da un regolatore di pressione (pressure
controller), comandano l'apertura e la chiusura di apposite
valvole di efflusso ad apertura variabile (outflow valves)
situate sulla fusoliera ed in grado di scaricare in breve
tempo all'esterno un eventuale eccesso di pressione.
20
de Havilland DH.106 Cometera un avveniristico quadrimotore di
linea a getto ad ala bassa prodotto dall'azienda britannica de
Havilland Aircraft Company nei primi anni 50. Il Comet detiene il
primato di essere stato il primo aereo di linea a getto della
storia ad entrare in servizio operativo. Tra le varie tecnologie
impiegate per la prima volta su un velivolo dalle dimensioni del
Comet vi furono il sistema di pressurizzazione (che raggiungeva
valori doppi rispetto ai precedenti aerei di linea, garantendo la
possibilit di raggiungere quote pi elevate) e l'impiego di un
adesivo epossidico per l'incollaggio delle parti metalliche,
conosciuto come REDUX. Emblematici furono gli incidenti che
colpirono il Comet, fino a provocarne la disintegrazione in volo,
legati a repentine depressurizzazioni dovute al cedimento per
fatica di alcuni componenti strutturali.Tali incidenti misero in
rilievo la necessit di progetti pi accurati e limportanza delle
strutture fail safe. La resistenza a fatica viene incrementata con
la scelta di materiali adeguati e un'attenta progettazione delle
parti, evitando pericolose concentrazioni di sforzi. Si sono poi
sviluppate tecniche di fabbricazione particolari, quali la
fresatura
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(prof. Luigi Mascolo)Appunti delle Lezioni di Disegno e
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