ITTO20081003A1 - Simulazione del comportamento dinamico del moto di un rotore in autorotazione di un veicolo autogiro - Google Patents
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Description
DESCRIZIONE
del brevetto per invenzione industriale dal titolo:
“SIMULAZIONE DEL COMPORTAMENTO DINAMICO DEL MOTO DI UN ROTORE IN AUTOROTAZIONE DI UN VEICOLO AUTOGIRO”
La presente invenzione è relativa ad una simulazione del comportamento dinamico del moto di un rotore in autorotazione di un veicolo autogiro ed al relativo metodo di funzionamento.
Come è noto, i veicoli autogiro chiamati tipicamente con il termine “girocotteri” sono degli aeromobili comprendenti essenzialmente una fusoliera che si estende lungo un asse longitudinale, un rotore o ala rotante accoppiata meccanicamente alla fusoliera attraverso un mozzo per ruotare folle, ossia in autorotazione, attorno ad un asse di rotazione perpendicolare all’asse longitudinale sotto l’azione del flusso di aria che investe il rotore stesso, ed è provvisto a sua volta di un numero di pale variabile tipicamente da due a quattro.
Più in dettaglio, nei suddetti veicoli autogiro provvisti di un rotore cosiddetto “in autorotazione”, quest’ultimo anziché essere azionato da un motore di trascinamento gira folle attorno all’asse di rotazione.
Nella fattispecie, le pale del rotore generano una portanza per garantire l'autorotazione del rotore e sono strutturate in modo tale da avere una bassa incidenza rispetto al piatto del rotore, incrementata dall’incidenza positiva del piatto rispetto al piano di trazione, mentre la spinta propulsiva dell’aeromobile, ossia del veicolo autogiro, è generata da un'elica montata tipicamente sul lato posteriore della fusoliera del veicolo stesso.
Pertanto in uso, quando il disco del rotore è attraversato da un flusso di aria diretto dal basso verso l’alto, il rotore inizia a ruotare fino a raggiungere una velocità angolare di equilibrio. La rotazione del rotore genera portanza e contestualmente le asimmetrie di portanza delle pale del rotore in movimento traslatorio vengono equilibrate dal movimento di flappeggio delle pale stesse, mentre la trazione risultante risulta centrata lungo l’asse di rotazione dell’ala stessa.
È noto inoltre che negli ultimi tempi nel settore della realizzazione dei veicoli autogiro, si è manifestata l’esigenza di dover disporre di un dispositivo elettronico in grado di simulare il comportamento dinamico del moto del rotore in autorotazione, ossia dell’ala rotante del veicolo autogiro, il quale sia in grado di calcolare i parametri che caratterizzano il moto del rotore in autorotazione con una precisione elevata, e richieda contestualmente una bassa potenza di calcolo computazionale.
Scopo della presente invenzione è quindi quello di fornire metodo implementabile in un calcolatore per simulare in modo completamente automatico il comportamento dinamico del moto di un rotore in autorotazione di un veicolo autogiro, che sia in grado di soddisfare le suddette esigenze.
Secondo la presente invenzione viene realizzato un metodo implementabile in un calcolatore per simulare il comportamento dinamico del moto di un rotore in autorotazione di un veicolo autogiro come licitato nella rivendicazione 1 e preferibilmente, ma non necessariamente, in una qualsiasi delle rivendicazioni dipendenti direttamente o indirettamente dalla rivendicazione 1.
Secondo la presente invenzione viene inoltre fornito un prodotto informatico secondo quanto licitato nella rivendicazione 18.
Secondo la presente invenzione viene inoltre realizzato un dispositivo elettronico per simulare il comportamento dinamico del moto di un rotore in autorotazione di un veicolo autogiro come licitato nella rivendicazione 19.
La presente invenzione verrà ora descritta con riferimento ai disegni annessi, che ne illustrano un esempio di attuazione non limitativo, in cui:
- la figura 1 mostra schematicamente un veicolo autogiro provvisto di un rotore in autorotazione;
- la figura 2 mostra schematicamente un dispositivo elettronico strutturato per simulare il comportamento dinamico del moto di un rotore in autorotazione di un veicolo autogiro, realizzato secondo i dettami della presente invenzione;
- la figura 3 è uno schema a blocchi di un modulo di elaborazione principale compreso nel dispositivo elettronico mostrato in figura 2;
- la figura 4 è uno schema a blocchi di uno stadio di calcolo inerziale/ponderale compreso nel modulo di elaborazione principale mostrato in figura 3;
- la figura 5 mostra un diagramma di flusso delle operazioni implementate dal metodo per simulare il comportamento dinamico del moto di un rotore in autorotazione di un veicolo autogiro implementato dal dispositivo mostrato in figura 1;
- la figura 6 mostra l’insieme delle curve che riportano l’andamento di ν in funzione di η al variare di µ ; mentre
- la figura 7 è uno schema a blocchi di un modulo di simulazione del moto di un rotore in autorotazione secondo una prima possibile variante realizzativa;
- la figura 8 è uno schema a blocchi di un modulo di simulazione del moto di un rotore in autorotazione secondo una seconda possibile variante realizzativa.
Con riferimento alla figura 1 è mostrato schematicamente nel suo complesso un veicolo autogiro 1, il quale comprende una fusoliera 2 che si estende lungo un asse longitudinale X di un primo sistema di riferimento veicolo XYZ cartesiano, un rotore 3 o ala rotante che si estende a sbalzo dalla fusoliera 2 ed è atto a ruotare folle, ossia in autorotazione, attorno ad un asse di rotazione Y perpendicolare all’asse longitudinale X, sotto l’azione del flusso di aria RW che investe il rotore stesso, ed è provvisto a sua volta di due o più pale 4.
Più in dettaglio, in figura 1 è indicato il primo sistema di riferimento veicolo XYZ cartesiano, in cui l’asse X longitudinale giace su un piano verticale di mezzeria del veicolo autogiro 1, l’asse Y (ortogonale al piano di giacitura della figura) giace su un piano ortogonale al piano verticale di mezzeria e si estende perpendicolare all’asse X, mentre l’asse Z giace sul piano verticale di mezzeria perpendicolare agli assi X e Y; ed un secondo sistema di riferimento rotore XR, YR, ZRcartesiano, in cui l’asse XRgiace su un piano di giacitura rotore ortogonale al piano di mezzeria del veicolo autogiro 1 e passante sul punto CP di collegamento delle pale 4 al mozzo del rotore 3 stesso, l’asse ZRcorrisponde all’asse di rotazione del rotore ed è coassiale all’asse Z, mentre l’asse YR(ortogonale al piano di giacitura della figura) si estende ortogonale all’asse XRe ZRparallelamente all’asse Y.
Nella figura 1 sono inoltre indicate le seguenti grandezze che caratterizzano il comportamento dinamico del rotore 3 del veicolo autogiro 1, in cui: TAS (acronimo di “True Air Speed”) corrisponde ad una grandezza vettoriale V rappresentante la velocità dall’aria/vento rispetto al veicolo autogiro 1; vx, vy e vz sono le componenti del vettore velocità V=TAS rispettivamente sugli assi X, Y e Z; Ω è una grandezza scalare corrispondente alla velocità angolare di rotazione del rotore 3 del veicolo autogiro 1; T è una grandezza vettoriale corrispondente alla portanza del veicolo autogiro 1, il quale è diretto ortogonalmente al piano di rotazione delle pale 4; αv è l’angolo di attacco del veicolo autogiro 1 corrispondente all’angolo presente tra l’asse X ed il vettore velocità V proiettato sul piano di mezzeria del veicolo autogiro 1; αr corrisponde all’angolo di attacco del rotore 3 compreso tra l’asse XRed il vettore velocità V proiettato sul piano di giacitura degli assi XR,ZRcorrispondente al piatto del rotore 3; θCRrappresenta l’angolo di comando beccheggio del rotore 3 (non illustrato); mentre φCRrappresenta l’angolo di comando del rollio del rotore 3 stesso (non illustrato).
Nella trattazione che segue si ipotizza che con l’angolo di comando del beccheggio del rotore θCRnullo θCR=0, e con l’angolo di comando del rollio del rotore φCRnullo φCR=0, l’asse ZRcorrisponda all’asse Z.
In questo caso, vale la relazione αv=αr=α in cui α corrisponde all’angolo presente tra l’asse X ed il vettore velocità V=TAS proiettato sul piano di mezzeria corrispondente al piano di giacitura degli assi X e Y.
Da quanto sopra descritto vale quindi la relazione generica αr=αv+θCR,.
Nella figura 1 sono inoltre indicate: la grandezza β corrispondente all’angolo di flappeggio del rotore 3, Vicorrispondente alla velocità dell’aria spinta dal rotore verso il basso lungo l’asse di rotazione ZR, e λ corrispondente alla velocità complessiva dell’aria diretta lungo l’asse di rotazione ZR. In particolare, λ corrisponde alla differenza tra la componente della velocità V lungo l’asse ZRe una velocità indotta Vi normalizzate alla velocità periferica della pala (descritta in dettaglio in seguito).
La presente invenzione si basa essenzialmente sull’idea di simulare il comportamento dinamico del moto del rotore 3, ossia dell’ala rotante di un veicolo autogiro 1 simile al veicolo rappresentato in figura 1, attraverso un apparecchio elettronico 10 (mostrato in figura 2), il quale è strutturato in modo tale da determinare, ad ogni ciclo di simulazione, le grandezze che caratterizzano il comportamento dinamico del moto del rotore 3 in autorotazione, ed è in grado di aggiornare, tramite il blocco 20, il parametro V corrispondente alla velocità reale TAS (True Air Speed) con la quale il veicolo autogiro viene investito dall’aria/vento; la velocità angolare di rotazione Ω del rotore 3; l’angolo di attacco del rotore α.
La simulazione implementata dall’apparecchio elettronico 10 prevede inoltre di determinare in modo iterativo, sulla base delle grandezze fisiche sopra indicate, il valore della portanza T sviluppata del rotore 3 in autorotazione; il valore del momento meccanico MRGgenerato dal rotore 3 stesso; e la variazione di velocità angolare ΔΩ del rotore.
Con riferimento alla figura 2, l’apparecchio elettronico 10 comprende un dispositivo di elaborazione principale 11 corrispondente ad esempio ad un microprocessore o una qualsiasi unità di elaborazione/calcolo similare, atto ad implementare un metodo di simulazione (descritto in seguito) per fornire in uscita la portanza T sviluppata dal rotore 3 in autorotazione, il valore del momento meccanico MRGgenerato dal rotore 3 stesso, e la variazione di velocità angolare ΔΩ del rotore 3.
L’apparecchio elettronico 10 comprende inoltre preferibilmente, ma non necessariamente, un dispositivo di comando 12, ad esempio una tastiera o un qualsiasi altro tipo di dispositivo di comando similare per permettere ad un utente di impartire una serie di grandezze di inizializzazione al dispositivo di elaborazione principale 11, un dispositivo di visualizzazione 13, ad esempio un monitor collegato al dispositivo di elaborazione principale 11 per visualizzare almeno i parametri T , MRG, Ω, ΔΩ determinati dalla simulazione e preferibilmente, ma non necessariamente, un dispositivo di memoria 14 atto a memorizzare una pluralità di dati e parametri determinati attraverso le elaborazioni/calcoli implementati dal dispositivo di elaborazione principale 11 nel corso del metodo di simulazione.
Con riferimento alla figura 3, il dispositivo di elaborazione principale 11 comprende un modulo di simulazione del moto rotante di un rotore 15 di veicolo autogiro (descritto dettagliatamente in seguito) ed uno stadio di calcolo inerziale/ponderale 16, il quale, nell’esempio mostrato in figura 4, comprende a sua volta un modulo di simulazione del motopropulsore 18; un modulo di simulazione della struttura aerodinamica della fusoliera 19; un modulo di elaborazione inerziale/ponderale del veicolo autogiro 20; un modulo attuatore 21; ed un modulo di rilevamento aria 22.
In dettaglio, il modulo di simulazione del motopropulsore 18 riceve in ingresso V, ρ corrispondente alla densità dell’aria, ed una grandezza δMcorrispondente ad un valore correlato alle prestazioni del motore in termini di giri/potenza, e fornisce in uscita una grandezza vettoriale FM indicante la forza generata dal motopropulsore del veicolo autogiro 1, ed una grandezza vettoriale MM indicante il momento meccanico generato dal motopropulsore.
Per quanto riguarda invece il modulo di simulazione della struttura aerodinamica della fusoliera 19, esso riceve in ingresso i parametri V, α, β, ρ, i parametri p, q ed r corrispondenti alle tre componenti della velocità angolare del veicolo autogiro 1 proiettate sui tre assi X, Y e Z, ed un parametro δTcorrispondente all’angolo di comando del timone 10 di coda del veicolo autogiro 1. Il modulo di simulazione della struttura aerodinamica della fusoliera 19 fornisce in uscita una grandezza vettoriale FF indicante la forza aerodinamica generata dalla fusoliera 2 del veicolo autogiro 1 ed una grandezza vettoriale MF indicante il momento meccanico aerodinamico generato dalla fusoliera 2 stessa.
Per quanto riguarda il modulo attuatore 21, esso fornisce in uscita l’angolo di comando beccheggio del rotore θCRe l’angolo di comando del rollio del rotore φCRstesso su una serie di comandi impartiti al rotore 3; mentre il modulo di rilevamento aria 22 è atto a fornire in uscita ρ corrispondente alla densità dell’aria.
Per quanto riguarda invece il modulo di elaborazione inerziale/ponderale del veicolo autogiro 20, esso riceve in ingresso l’angolo di comando beccheggio del rotore θCR, l’angolo di comando del rollio del rotore φCR, la forza FM generata dal motopropulsore; il momento meccanico MM generato dal motopropulsore; la forza aerodinamica generata dalla struttura aerodinamica della fusoliera FF ; il momento meccanico MF generato dalla struttura aerodinamica della fusoliera e la portanza T generata dal rotore del veicolo autogiro.
Il modulo di elaborazione inerziale/ponderale 20 è strutturato per elaborare le grandezze sopra indicate ricevute in ingresso per fornire in uscita in funzione delle stesse i seguenti parametri: le posizioni xi, yi, zi istantanee del veicolo autogiro 1 determinate rispetto ad un sistema di riferimento terra prestabilito; le componenti vx, vy, vz della velocità del veicolo autogiro determinate rispetto al sistema di riferimento veicolo XYZ prestabilito; le componenti ax,ay,az dell’accelerazione del veicolo autogiro 1 determinate rispetto al sistema di riferimento veicolo XYZ prestabilito; gli angoli θ, φ e ψ che permettono di passare dal sistema di riferimento terra al sistema di riferimento veicolo XYZ; le componenti delle velocità angolari p, q e r rispetto al sistema di riferimento veicolo XYZ; gli angoli di attacco α e di flappeggio/imbardata β, ed il parametro V corrispondente alla velocità reale TAS.
Il modulo di simulazione del motopropulsore 18, il modulo di simulazione della struttura aerodinamica della fusoliera 19, il modulo attuatore 21, il modulo di rilevamento aria 22 ed il modulo di elaborazione inerziale/ponderale 20 non sono oggetto della presente invenzione e pertanto non verranno ulteriormente descritti se non per precisare che quest’ultimo provvede ad aggiornare, in modo noto, ad ogni ciclo di simulazione del rotore, il valore degli angoli di attacco α, ed il valore del parametro V indicante la velocità reale, sulla base dei parametri T , FM , MM, FF ed MF .
Per quanto riguarda invece il modulo di simulazione del moto rotante di un rotore 15 in autorotazione oggetto della presente invenzione, esso comprende un primo blocco di calcolo 30, il quale riceve in ingresso le grandezze V, α, aggiornate dal modulo di elaborazione inerziale/ponderale 20, la velocità angolare Ω, ed una grandezza “R” corrispondente al raggio del rotore 3, e fornisce in uscita una grandezza μ corrispondente alla velocità dell’aria/vento calcolata lungo il piatto rotore corrispondente al piano di rotazione del rotore 3 e normalizzata ad una velocità periferica VPdel rotore stesso la quale è determinata tramite la relazione VP=Ω*R.
In particolare, il primo blocco di calcolo 30 determina il parametro μ implementando la seguente relazione.
1) μ = V cos α/Ω*R.
Il modulo di simulazione del moto rotante di un rotore in autorotazione 15 comprende, inoltre, un secondo blocco di calcolo 31, il quale è atto a generare in uscita il valore di λ corrisponde alla differenza tra la componente della velocità V lungo l’asse di rotazione ZRed una velocità indotta Vi, calcolata lungo l’asse di rotazione ZRdel rotore 3, normalizzata anch’essa rispetto alla velocità periferica VPcalcolata a sua volta attraverso la relazione VP=Ω*R.
In particolare, il parametro λ corrisponde a:
2) λ= ((V senα)-Vi)/Ω*R.
Con riferimento alla figura 3, il secondo blocco di calcolo 31 comprende un primo stadio di elaborazione 32, il quale è atto a ricevere in ingresso: la grandezza α, un parametro “θ0“ corrispondente all’angolo di calettamento della pala 4 del rotore 3 sul mozzo del rotore stesso; un parametro “θ1“ corrispondente alla variazione angolare complessiva di calettamento della pala 4 del rotore 3 rispetto al mozzo del rotore 3 stesso; un parametro “a” corrispondente al coefficiente di portanza di una porzione infinitesima della pala 4 del rotore 3; un parametro “b” corrispondente al numero di pale 4 del rotore 3 (una sola delle quali mostrata nell’esempio mostrato in figura 1); un parametro “c” corrispondente alla corda media della pala 4 del rotore 3; il raggio “R” del rotore 4, la velocità angolare “Ω” del rotore 3 e la velocità V relativa del vento/aria rispetto al veicolo autogiro 1.
Il primo stadio di elaborazione 32 è atto a fornire in uscita una velocità indotta del rotore VHin condizioni di hovering, ossia in condizioni di discesa verticale “stazionaria” del veicolo autogiro 1. Nella fattispecie, il primo stadio di elaborazione 32 è atto a calcolare la velocità indotta di rotore VHin condizioni di hovering attraverso la seguente relazione:
Il secondo blocco di calcolo 31 comprende inoltre un secondo stadio di elaborazione 33, il quale riceve in ingresso la velocità indotta di rotore VHin hovering ed il parametro α, e fornisce in uscita il parametro η corrispondente alla velocità con cui il veicolo autogiro 1 viene investito dall’aria/vento proiettata sull’asse di rotazione ZRe normalizzata rispetto alla velocità indotta di rotore VH.
Il secondo stadio di elaborazione 33 è atto inoltre a fornire in uscita un parametro µ corrispondente alla velocità con cui il veicolo autogiro viene investito dall’aria/vento proiettata sul piano di rotazione del rotore 3, normalizzata rispetto alla velocità indotta di rotore VHin condizioni di hovering.
In particolare, il secondo stadio di elaborazione 33 è atto a calcolare il parametro η ed il parametro µ attraverso le relazioni:
Il secondo blocco di calcolo 31 comprende inoltre un terzo stadio di elaborazione 34, il quale riceve in ingresso i parametri η e µ e fornisce in uscita un parametro ν il quale è determinabile attraverso la relazione ν=Vi/VH.
In particolare, il terzo stadio di elaborazione 34 è atto ad elaborare η e µ in modo tale da determinare il valore del parametro ν1che soddisfa la seguente equazione di secondo grado:
È opportuno precisare che il terzo stadio di elaborazione 34 può essere strutturato per determinare il valore del parametro ν1attraverso una interpolazione di curve (mostrata in figura 6) che riportano l’andamento di ν1in funzione di η al variare di µ . In particolare, ciascuna curva rappresenta graficamente la relazione 6) di secondo grado, è associata ad un valore di µ , e rappresenta l’andamento di ν1al variare di η.
In uso, il terzo stadio di elaborazione 34 provvede quindi ad eseguire una interpolazione delle curve (mostrate in figura 6) in modo tale da determinare il valore di ν1che soddisfa l’equazione 6) sopra indicata. Nella fattispecie, con riferimento alla figura 6, una volta stabiliti i valori di η e µ è possibile tracciare una retta verticale avente ascissa η che interseca la curva associata a µ così da determinare il punto di intersezione il cui valore in ordinata corrisponde a ν1.
Il secondo blocco di calcolo 31 comprende, inoltre, un quarto stadio di elaborazione 35 ricevente in ingresso ν1e la velocità indotta di rotore VHin condizioni hovering e fornente in uscita un parametro Vi corrispondente alla velocità indotta in condizioni generiche, al variare cioè di V ed α.
In particolare, il quarto stadio di elaborazione 35 determina la velocità indotta Vi attraverso la seguente relazione:
Il secondo blocco di calcolo 31 comprende inoltre un quinto stadio di elaborazione 36 ricevente in ingresso la velocità indotta Vi, il raggio R, la velocità Ω, l’angolo α e la velocità V e genera in uscita λ, implementando la seguente relazione:
Il modulo di simulazione del moto rotante di un rotore in autorotazione 15 comprende, inoltre, un terzo blocco di calcolo 37 ricevente in ingresso i parametri λ, μ, θ0, θ1, un coefficiente di efficienza B prestabilito della pala del rotore avente un valore inferiore ad 1 compreso preferibilmente tra circa 0,95-0,96, e fornente in uscita una serie di coefficienti a0, a1, a2, b1, b2per il calcolo dell’angolo di flappeggio β.
Il terzo blocco di calcolo 37 riceve inoltre in ingresso un parametro γ=cρaR<4>/I in cui I corrisponde all’inerzia del rotore e ρ corrisponde alla densità dell’aria.
Il terzo blocco di calcolo 11 è atto a calcolare i seguenti coefficienti:
Il modulo di simulazione del moto rotante di un rotore in autorotazione 15 comprende, inoltre, un quarto blocco di calcolo 38, il quale è atto a ricevere i coefficienti a0, a1, a2, b1, b2ed è atto a fornire in uscita l’angolo di flappeggio/imbardata β.
Nella fattispecie, il quarto blocco di calcolo 38 elabora i coefficienti a0, a1, a2, b1, b2per calcolare l’angolo di flappeggio β attraverso la seguente relazione:
14) β = a0+ a1*cosψ b1*senψ a2*cos 2ψ b2*sen 2ψ.
In cui Ψ corrisponde all’angolo istantaneo di rotazione delle pale del rotore.
Da quanto sopra descritto è opportuno precisare che il calcolo dell’angolo di flappeggio β viene effettuato considerando che la zona di flusso inverso nella pala retrocedente dia un contributo positivo alla portanza T.
Il modulo di simulazione del moto rotante di un rotore in autorotazione 15 comprende inoltre un quinto blocco di calcolo 39, il quale riceve in ingresso i parametri a, b, c, λ, β, Ω, α, a0, a1, a2, b1, b2,R, μ, θ0, θ1e fornisce in uscita la portanza T del rotore calcolata lungo l’asse di rotazione ZRdel rotore 3 stesso.
In particolare, il quinto blocco di calcolo 39 è atto a calcolare la portanza T del rotore attraverso la seguente relazione:
15)
Il modulo di simulazione del moto rotante di un rotore in autorotazione 15 comprende, inoltre, un sesto blocco di calcolo 40, ricevente in ingresso la portanza T del rotore, un parametro “θR” corrispondente all’angolo di pitch del rotore, ed un parametro “φR” corrispondente all’angolo di rollio del rotore stesso, θ0e θ1.
In particolare, le tre componenti TX, TYe TZdel
vettore portanza T rispetto ai tre assi X,Y e Z del sistema di riferimento veicolo 1 sono calcolate attraverso le seguenti relazioni:
Il modulo di simulazione del moto rotante di un rotore in autorotazione 15 comprende inoltre un settimo blocco di calcolo 41, ricevente in ingresso le tre componenti TX, TYe TZdella portanza T ed il parametro RGcorrispondente alla distanza tra il baricentro del veicolo autogiro 1 ed il centro di rotazione del rotore 3, e fornente in uscita il momento meccanico MRGagente sulla pala 4 del rotore 3.
In particolare, il settimo blocco di calcolo 41 è atto a determinare il momento meccanico MRGattraverso la seguente relazione:
In cui il vettore portanza T è calcolato tramite la relazione :
Da quanto sopra descritto è opportuno precisare che il calcolo della portanza T e del momento MRGviene effettuato considerando che la zona di flusso inverso nella pala retrocedente del rotore dia un contributo positivo alla portanza T.
Il modulo di simulazione del moto rotante di un rotore in autorotazione 15 comprende, inoltre, un ottavo blocco di calcolo 42 ricevente in ingresso θ1, θ0, λ, R, Ω, μ, δ, a0, a1, a2, b1, b2e fornente in uscita la variazione ΔΩ della velocità di rotazione del rotore ed un decimo blocco di calcolo 43 ricevente la variazione ΔΩ della velocità di rotazione del rotore e fornente la velocità di rotazione Ω.
In particolare, l’ottavo blocco di calcolo 42 è atto a determinare la variazione ΔΩ della velocità Ω attraverso la seguente relazione:
Nella fattispecie l’equazione 21) può essere rappresentata in modo semplificato attraverso le seguenti relazioni:
Noti pertanto λ, μ, ed Ω calcolati durante la simulazione, l’ottavo blocco di calcolo 42 calcola ΔΩ= K F(λ,μ) Δt (dove ΔΩ, Δt sono incrementi prestabiliti aventi un valore discreto). Ad esempio l’incremento temporale Δt può essere un valore di circa 10 millisecondi.
Una volta determinata la variazione ΔΩ il modulo di simulazione del moto rotante di un rotore in autorotazione 15 è in grado di determinare attraverso un modulo integratore 43 la velocità angolare Ω del rotore 3.
Con riferimento alla figura 5, verrà di seguito descritto il metodo di simulazione del comportamento dinamico del moto di un rotore 3 in autorotazione di un veicolo autogiro 1, implementato dal modulo di simulazione 15, in cui si ipotizza che nel ciclo di calcolo iniziale della simulazione sia stata effettuata una inizializzazione dei parametri V=V0, α=α0, Ω=Ω0, In altre parole si ipotizza che la simulazione del comportamento dinamico del moto del rotore venga attuata a partire da una condizione iniziale prefissata del rotore 3 stesso.
In una prima fase, il primo blocco di calcolo 30 provvede ad elaborare i parametri V, α, ed Ω ed R così da determinare, attraverso la relazione 1), il parametro μ corrispondente alla componente della velocità dell’aria/vento V sul piano di rotazione del rotore 3 normalizzata ad una velocità periferica VPcorrispondente ad Ω*R del rotore stesso (blocco 100).
Nella medesima prima fase, il primo stadio di elaborazione 32 elabora θ0,θ1,a, b, V, c, R, ed il parametro Ω per determinare, attraverso la relazione 3) la velocità indotta di rotore VHin condizioni di hovering (blocco 110); il secondo stadio di elaborazione 33 elabora la velocità indotta di rotore VHin hovering ed il parametro α per determinare attraverso le relazioni 4) e 5) il parametro η ed il parametro µ (blocco 130); il terzo stadio di elaborazione 34 elabora i parametri η e µ e determina il parametro ν1che soddisfa l’equazione 6) (blocco 140); il quarto stadio di elaborazione 35 elabora il parametro ν1e la velocità indotta di rotore VHin hovering per determinare attraverso la relazione 7) il parametro Vi corrispondente alla velocità indotta in condizioni generiche (blocco 150); mentre il quinto stadio di elaborazione 36 elabora la velocità indotta Vi, il raggio R, la velocità Ω, l’angolo α e la velocità reale V e determina attraverso la relazione 8) il parametro λ (blocco 160).
La prima fase è seguita da una seconda fase in cui il terzo blocco di calcolo 37 elabora i parametri λ, μ, θ0, θ1, B per determinare attraverso le relazioni 9), 10), 11) 12) e 13) una serie di coefficienti a0, a1, a2, b1, b2per il calcolo dell’angolo di flappeggio/imbardata β (blocco 170).
La seconda fase è seguita da una terza fase in cui il quarto blocco di calcolo 38 elabora i coefficienti a0, a1, a2, b1, b2per determinare, attraverso la relazione 14) l’angolo di flappeggio/imbardata β (blocco 180).
A questo punto il quinto blocco di calcolo 39 elabora i parametri a, b, c, λ, β, Ω, α, a0, a1, a2, b1, b2,R, μ, θ0, θ1e determina attraverso la relazione 15) la portanza T del rotore 3 calcolata lungo l’asse di rotazione ZR(blocco 190).
Una volta determinata la portanza T, il metodo prevede che il sesto blocco di calcolo 40 elabori la portanza T stessa del rotore e gli angoli θR, φRcosì da determinare attraverso le relazioni 16), 17) e 18) le tre componenti TX,TYe TZlungo gli assi X, Y e Z (blocco 200).
A questo punto il settimo blocco di calcolo 41 provvede ad elaborare le tre componenti TX,TYe TZdella portanza T ed il parametro RGcosì da determinare attraverso il calcolo vettoriale 16) il momento MRG(blocco 210).
In questa fase il metodo è atto inoltre a determinare, attraverso la relazione 21, la variazione ΔΩ della velocità Ω (blocco 220).
A questo punto il ciclo di simulazione del comportamento dinamico del rotore provvede a fornire la portanza T(Tx,Ty,Tz) in ingresso al modulo di elaborazione inerziale/ponderale 16 che provvede ad aggiornare, sulla base della portanza T stessa e di FM , MM , FF ed MF, i parametri V, α da fornire in ingresso al primo blocco di calcolo 30. A questo punto il dispositivo di elaborazione principale 11 reitera nuovamente le fasi descritte nei blocchi 100-220.
L’apparecchio ed il metodo di simulazione sopra descritti sono estremamente vantaggiosi in quanto risultano essere precisi a fronte di una bassa potenza di calcolo computazionale.
Risulta infine chiaro che all’apparecchio ed al metodo sopra descritti possono essere apportate modifiche e varianti senza per questo uscire dall’ambito della presente invenzione definito dalle rivendicazioni allegate.
In particolare, la forma di attuazione illustrata nella figura 7 è relativa ad un dispositivo di elaborazione principale 50, il quale è simile al dispositivo di elaborazione principale 11, e le cui parti componenti verranno contraddistinte, ove possibile, con gli stessi numeri di riferimento che contraddistinguono corrispondenti parti del dispositivo di elaborazione principale 11 stesso.
In particolare, secondo la forma realizzativa mostrata in figura 7 il dispositivo di elaborazione principale 50 è in grado di implementare la simulazione del comportamento dinamico del rotore 3 in una condizione in cui la portanza del rotore 3 stesso nella zona di flusso inverso risulta essere negativa.
In questo caso il terzo blocco di calcolo 37 del dispositivo di elaborazione principale 11 è sostituito da un nono blocco di calcolo 44 del dispositivo di elaborazione principale 50, che determina i coefficienti a0, a1, a2, b1, b2per il calcolo dell’angolo di flappeggio β attraverso le seguenti relazioni:
La forma di attuazione illustrata nella figura 8 è relativa ad un dispositivo di elaborazione principale 60, il quale è simile al dispositivo di elaborazione principale 11, e le cui parti componenti verranno contraddistinte, ove possibile, con gli stessi numeri di riferimento che contraddistinguono corrispondenti parti del dispositivo di elaborazione principale 11 stesso.
In questo caso il terzo blocco di calcolo 37 del dispositivo di elaborazione principale 11 è sostituito da un undicesimo blocco di calcolo 45 che calcola la portanza T del rotore 3 attraverso la seguente relazione:
In questo caso inoltre l’ottavo blocco di calcolo 42 del dispositivo di elaborazione principale 11 è sostituito da un dodicesimo blocco di calcolo 46 che determina la variazione ΔΩ della velocità Ω attraverso la seguente relazione:
Claims (19)
- R I V E N D I C A Z I O N I 1. Metodo di simulazione del comportamento dinamico del moto di un rotore in autorotazione (3) di un veicolo autogiro (1) implementabile tramite calcolatore (11), caratterizzato dal fatto di implementare una serie consecutiva di cicli di simulazione in cui ciascun ciclo di simulazione è configurato per calcolare la portanza (T) generabile dal detto rotore in autorotazione (3) in funzione di: - un primo parametro (λ) corrispondente ad una differenza tra la velocità del vento/aria calcolata lungo l’asse di rotazione del detto rotore (3) ed una velocità indotta del veicolo (Vi); - di un secondo parametro (μ) corrispondente alla velocità del vento/aria lungo il piano di rotazione del detto rotore (3); - di una serie di parametri prestabiliti (a,b,c,θ0, θ1,B) correlati a caratteristiche meccaniche del detto rotore (3); e - di una serie di coefficienti di flappeggio (a0, a1, a2, b1, b2) correlati all’angolo di flappeggio (β) delle pale (4) del detto rotore (3).
- 2. Metodo secondo la rivendicazione 1, in cui ciascun ciclo di simulazione è configurato per calcolare l’angolo di flappeggio (β) delle pale (4) del detto rotore (3) in funzione di detti primo (λ) e secondo parametro (μ); e di detti parametri (a,b,c,θ0,θ1,B) correlati a caratteristiche meccaniche del detto rotore (3).
- 3. Metodo secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui ciascun ciclo di simulazione è configurato per calcolare una variazione (ΔΩ) di velocità angolare (Ω) del detto rotore (3) in funzione di: detti primo (λ) e secondo parametro (μ); della velocità angolare (Ω) del detto rotore (3); e di una serie di coefficienti di flappeggio (a0, a1, a2, b1, b2) correlati al detto angolo di flappeggio (β).
- 4. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui ciascun ciclo di simulazione è configurato per calcolare detta portanza (T) attraverso la seguente relazione:in cui “b” corrisponde al numero di pale del detto rotore (3); “c” corrispondente alla corda media della pala; “B” è un coefficiente prestabilito; “ρ” corrisponde alla densità dell’aria; “a1” e “b2” sono una coppia di coefficienti di flappeggio correlati all’angolo di flappeggio (β).
- 5. Metodo secondo la rivendicazione 4 in cui ciascun ciclo di simulazione è configurato per calcolare tre componenti (Tx,Ty,Tz) della detta portanza (T) rispetto ad un sistema di riferimento veicolo prestabilito (XYZ) attraverso le seguenti relazioni:
- 6. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 3, in cui ciascun ciclo di simulazione è configurato per calcolare detta portanza (T) attraverso la seguente relazione:
- in cui “a” corrisponde al coefficiente di portanza di una porzione infinitesima delle pala (4); “b” corrisponde al numero di pale; “c” corrispondente alla corda media della pala; “B” è un coefficiente prestabilito; “ρ” corrisponde alla densità dell’aria; “a1” e “b2” sono una coppia di coefficienti di flappeggio correlati all’angolo di flappeggio (β). 7. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 2 a 6, in cui ciascun ciclo di simulazione è configurato per calcolare il detto angolo di flappeggio (β) attraverso la seguente relazione:
- in cui a0, a1, a2, b1, b2sono detti coefficienti di flappeggio. 8. Metodo secondo le rivendicazioni 4 e 7, in cui ciascun ciclo di simulazione è configurato per calcolare detti coefficienti di flappeggio (a0, a1, a2, b1, b2) correlati all’angolo di flappeggio (β) attraverso le seguenti relazioni:
- 9. Metodo secondo le rivendicazioni 6 e 7, in cui ciascun detto ciclo di simulazione è configurato per calcolare detti coefficienti di flappeggio (a0, a1, a2, b1, b2) correlati all’angolo di flappeggio (β) attraverso le seguenti relazioni:
- 10. Metodo secondo la rivendicazione 8, in cui detto ciclo di simulazione è configurato per calcolare la variazione (ΔΩ) di velocità angolare (Ω) attraverso la seguente equazione:
- in cui “θ0“ corrisponde all’angolo di calettamento della pala sul rotore; “θ1“ corrisponde alla variazione angolare complessiva di calettamento della pala; a” corrisponde al coefficiente di portanza di una porzione infinitesima della detta pala (4); “δ” corrisponde ad un coefficiente di resistenza della pala; “R” è il raggio del detto rotore (3). 11. Metodo secondo la rivendicazione 9, in cui detto ciclo di simulazione è configurato per calcolare la variazione (ΔΩ) di velocità angolare (Ω) attraverso la seguente equazione:
- in cui “θ0“ corrisponde all’angolo di calettamento della pala sul rotore; “θ1“ corrisponde alla variazione angolare complessiva di calettamento della pala; a” corrisponde al coefficiente di portanza di una porzione infinitesima della detta pala (4); “δ” corrisponde ad un coefficiente di resistenza della pala; “R” è il raggio del detto rotore (3). 12. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da precedenti, in cui detto ciclo di simulazione è configurato per calcolare detto secondo parametro (μ) attraverso la seguente relazione:
- in cui α è l’angolo di attacco del detto rotore (3),V è la velocità corrisponde alla velocità reale TAS (True Air Speed) con la quale detto veicolo autogiro (1) viene investito dal vento/aria. 13. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto ciclo di simulazione è configurato per calcolare detto primo parametro (λ) in funzione di una velocità indotta al veicolo (VH) in condizioni di hovering; detta velocità indotta al veicolo (VH) essendo calcolata attraverso la seguente relazione:
- 14. Metodo secondo la rivendicazione 13, in cui detto ciclo di simulazione è configurato per calcolare un quarto parametro (η) ed quinto parametro (µ ) attraverso le seguenti relazioni:
- 15. Metodo secondo la rivendicazione 14, in cui detto ciclo di simulazione è configurato per calcolare un sesto parametro (ν1) attraverso la seguente equazione:
- 16. Metodo secondo la rivendicazione 15, in cui detto ciclo di simulazione è configurato per calcolare detta velocità indotta del veicolo (Vi) in funzione del detto sesto parametro (ν1) attraverso la seguente relazione: Vi= VH*ν1
- 17. Metodo secondo la rivendicazione 16, in cui detto ciclo di simulazione è configurato per calcolare detto primo parametro (λ) attraverso la seguente relazione: λ = (Vsen α – Vi)/ΩR.
- 18. Prodotto informatico caricabile nella memoria di un calcolatore elettronico e progettato per implementare, quando eseguito, il metodo di simulazione secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 17.
- 19. Dispositivo elettronico per simulare il comportamento dinamico del moto di un rotore in autorotazione di un veicolo autogiro comprendente almeno una pala, configurato per implementare un metodo secondo quanto rivendicato in una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 17.
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