Riassunto analitico
La tesi è stata svolta presso il laboratorio IDEA LAB del DIEF di Modena, con l’obiettivo di sviluppare e prototipare una coda per un elicottero birotore in configurazione side-by-side. Il contesto è quello dei VTOL e dell'Urban Air Mobility del futuro. Viene introdotto il caso in esame: migliorare la stabilità di un elicottero birotore side-by-side in scala ridotta. Si analizza il problema facendo una panoramica sul funzionamento di elicotteri e droni, ponendo particolare attenzione alla dinamica del volo, al controllo e alla stabilità. Pertanto si individua nell’introduzione di una coda la chiave per rendere l'elicottero più stabile. Nella tesi si illustrano quindi i metodi e gli strumenti adottati per il raggiungimento dell’obiettivo. Si parte con la modellazione matematica delle superfici aerodinamiche di coda in ambiente MATLAB – Simulink, da integrare nel codice di controllo dell'elicottero in esame. A differenza di un aeroplano, che presenta ali operanti in un range di angoli di attacco limitato, la modellazione matematica di queste superfici deve tenere conto del fatto che l'elicottero può muoversi in qualsiasi direzione nello spazio. Scelto il profilo alare, i coefficienti di portanza, resistenza e momento in funzione dell’angolo di attacco e del numero di Reynolds vengono ottenuti tramite i dati riportati su XFOIL, le equazioni di Viterna e quelle della lastra piana. Particolare attenzione è stata posta alla posizione del baricentro dell'elicottero, variabile con la posizione del pacco batterie. Passando alla modellazione CAD della coda, per realizzare le geometrie 3D sono state utilizzate le applicazioni CATIA integrate nella piattaforma 3DEXPERIENCE. Tale lavoro ha richiesto particolare cura per garantire la compatibilità con l’architettura generale dell'elicottero. Sfruttando le potenzialità dell’ambiente integrato, con le applicazioni SIMULIA sono state svolte le simulazioni fluidodinamiche CFD e l’analisi FEM per la verifica strutturale della coda. A questo punto si passa allo studio dei risultati. Analizzando le simulazioni ottenute dal codice MATLAB – Simulink si è potuta effettuare una prima ottimizzazione dei parametri di design della coda, come la corda e lo span delle superfici alari, ma anche la loro incidenza e la loro distanza dal baricentro dell'elicottero. A seguire, si discutono i risultati ottenuti dalle simulazioni CFD, generate per diverse velocità e angoli di attacco, con un primo modello CAD basato sui parametri ottimizzati. Una volta accertate le reali prestazioni della coda, facendo le opportune considerazioni, si sono ottenuti i parametri di design definitivi. Le componenti dell’impennaggio vengono sviluppate implementando il DFAM, considerando sia benefici che vincoli del processo e sfruttando la possibilità di realizzare geometrie cave per ottenere un alto rapporto rigidezza/peso, fondamentale in questo ambito. Si è quindi passati alla fase di prototipazione rapida in Additive Manufacturing, con processo ME-FFF. Per quanto riguarda il materiale si è scelto di adottare il PETG, per la minore fragilità e le migliori caratteristiche in termini di flessibilità, resistenza al calore e durevolezza rispetto al più comune PLA. La stampante utilizzata è una cartesiana a 3 assi, con volume di stampa 320mm x 320mm x 320mm, considerate le dimensioni dei pezzi. La tesi si conclude analizzando gli sviluppi futuri per migliorare sia la modellazione che il design della coda.
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