Aerospace Engineering - Impianti e Sistemi Aerospaziali

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POLITECNICO DI MILANO - DIPARTIMENTO DI SCIENZE E TECNOLOGIE AEROSPAZIAL I IMPIANTI E SISTEMI AEROSPAZIALI – Dispense del corso, versione 201 9 INDICE GENERALE Queste dispense possono essere liberamente scaricate dal sito internet del Politecnico di Milano. La vendita è vietata. 1 IMPIANTI E SISTEMI AEROSPAZIALI INDICI POLITECNICO DI MILANO - DIPARTIMENTO DI SCIENZE E TECNOLOGIE AEROSPAZIAL I IMPIANTI E SISTEMI AEROSPAZIALI – Dispense del corso, versione 201 9 INDICE GENERALE Queste dispense possono essere liberamente scaricate dal sito internet del Politecnico di Milano. La vendita è vietata. 2 Premessa L’insegnamento di Impianti e sistemi aerospaziali ha la finalità di approfondire la conoscenza delle macchine volanti sia in campo atmosferico che extraatmosferico iniziata nell’insegnamento di Istituzioni di ingegneria aerospaziale. Nell’insegnamento verranno esaminati i principali sistemi utilizzati dai velivoli e dai veicoli aerospaziali per garantirne il loro funzionamento. Oltre agli aspetti descrittivi, verranno indagati i principi di funzionamento dei vari sistemi e per alcuni di essi i criteri di dimensionamento di massima applicabili. Le presenti dispense coprono tutti gli argomenti trattati nell’insegnamento fornendo indicazioni bibliografiche per il loro approfondimento. Indici 1. CONSIDERAZIONI GENERALI 1.1 Introduzione 1.2 Classificazione degli impianti 1.3 Affidabilità 1.4 Caratteristiche degli impianti imbarcati. 1.5 Filosofia di progetto 1.6 Schemi funzionali 1.7 Scelta dei componenti 1.8 Analisi di funzionamento 1.9 Norme di impiego e manutenzione 1.10 Bibliografia 2. ASPETTI ENERGETICI 2.1 Introduzione 2.2 Dimensionamento degli impianti per la distribuzione di energia 2.3 Energie utilizzabili a bordo 2.4 Tra sferimento di energia meccanica 2.5 Curve Caratteristiche 3. ELEMENTI DI MECCANICA DEI FLUIDI 3.1 Introduzione 3.2 Caratteristiche principali dei fluidi 3.2.1 Densità 3.2.2 Peso specifico 3.2.3 Pressione 3.2.4 Viscosità 3.2.5 Tensione di vapore 3.2.6 Infiammabilità 3.2.7 Comprimibilità 3.2.8 Resistenza all’aria 3.2.9 Stabilità 3.2.10 Corrosione 3.3 Equazione di stato e modulo di comprimibilità 3.4 Modulo di comprimibilità effettivo POLITECNICO DI MILANO - DIPARTIMENTO DI SCIENZE E TECNOLOGIE AEROSPAZIAL I IMPIANTI E SISTEMI AEROSPAZIALI – Dispense del corso, versione 201 9 INDICE GENERALE Queste dispense possono essere liberamente scaricate dal sito internet del Politecnico di Milano. La vendita è vietata. 3 3.5 Idrostatica: il principio di Pascal 3.6 Equazione di continuità 3.7 Conservazione dell’energia 3.8 Moto stazionario di un fluido incomprimibile 3.9 Fluido in quiete 3.10 Perdite di carico distribuite 3.11 Componenti discreti 3.11.1. Orifizio 3.11.1.1 Orifizio con flusso turbolento 3.11.1.2 Orifizio di lunghezza finita 3.1 1.1.3 Orifizio con flusso laminare 3.11.2 Allargamenti - Restringimenti 3.11. 3. Curve 3.11.4 . Diramazioni 3.12 Colpo d’ariete 3.13 Collegamento di componenti 3.14 Reti idrauliche 3.15 Bibliografia 4. IMPIANTO IDRAULICO 4.1 Introduzione 4.2 Generalità sugli impianti idraulici 4.2.1 Generazione 4.2.2 Distribuzione e collegamento 4.2.3 Utenze 4.2.4 Accessori 4.3 Pompe idrauliche 4.3.1 Pompa a pistoni 4.3.2 Pompa a pistoni assiali 4.3.3 Pompa a pistoni radiali 4.3.4 Pompa a pistoni in linea 4.3.5 Pompa a palette ad eccentrico 4.3.6 Pompa ad ingranaggi 4.4 Regolazione della pressione 4.4.1 Regolazione tramite valvola regolatrice 4.1.2 Regolazione tramite retroazione sulla pompa 4.5 Tubi 4.6 Valvole 4.6.1 Valvola distributrice 4.6.2 Valvole di esclusione 4.6.3 Valvola di non ritorno 4.6.4 Valvola di sicurezza 4.6.5 Valvola di sequenza 4.6.6 Valvola riduttrice di pressione 4.6.7 Valvola a spola o a navetta 4.6.8 Valvole regolatrici di portata 4.7 Servovalvole 4.8 Martinetti POLITECNICO DI MILANO - DIPARTIMENTO DI SCIENZE E TECNOLOGIE AEROSPAZIAL I IMPIANTI E SISTEMI AEROSPAZIALI – Dispense del corso, versione 201 9 INDICE GENERALE Queste dispense possono essere liberamente scaricate dal sito internet del Politecnico di Milano. La vendita è vietata. 4 4.9 Motori 4.10 Accumulatori 4.11 Serbatoi 4.12 Filtri 4.13 Scambiatori di calore 4.14 Guarnizioni 4.15 Esempi di circuiti idraulici di bordo 4.16 Simboli grafici per componenti idraulici 4.17 Bibliografia 5. IMPIANTO ELETTRICO 5.1. Introduzione 5.2. Tipi di alimentazione 5.3. Scelta d el tipo di impianto 5.4. Generazione di corrente elettrica 5.4.1 Impianto primario in continua 5.4.3 Impianto primario in alternata 5.5. Controllo della frequenza 5.6. Conversione AC/DC e DC/AC 5.7. Distribuzione dell'energia 5.8 Cavi 5.9 Collegamenti e connettori 5.10. Motori elettrici 5.11. Organi di manovra e protezione 5.12 Accumulatori 5.13 Illuminazione 5.14 Cariche elettrostatiche 5.15 Impianti fotovoltaici 5.1 6 Esempi di impianti elettrici 5.16 .1 Airbus A340 5.16 .2 McDonald Douglas MD11 5.17 Bibliografia 6. IMPIANTO PNEUMATICO 6.1 Introduzione 6.2 Generazione 6.2.1 Compressori volumetrici 6.2.2 Turbocompressori 6.3 Compressore 6.4 Regolazione 6.5 Utenze 6.6. Esempi di impianti pneumatici 6.7 Bibliografia 7. IMPIANTO COMBUSTIBILE 7.1 Introduzione 7.2 Collocazione dei serbatoi 7.3 Tipi di serbatoi POLITECNICO DI MILANO - DIPARTIMENTO DI SCIENZE E TECNOLOGIE AEROSPAZIAL I IMPIANTI E SISTEMI AEROSPAZIALI – Dispense del corso, versione 201 9 INDICE GENERALE Queste dispense possono essere liberamente scaricate dal sito internet del Politecnico di Milano. La vendita è vietata. 5 7.4 Rifornimento 7.5 Architettura interna dei serbatoi 7.6 Misure di quantità di combustibile 7.7 Misure sulla linea di mandata 7.8 Rete di distribuzione combustibile 7.9 Scelta della pompa 7.10 Crossfeed 7.11 Esempi di impianti combustibile 7.12 Bibliografia 8. ORGANI D’ATTERRAGGIO 8.1 Introduzione 8.2 Configurazioni generale del carrello 8.3 Pneumatici 8.4 Ruote 8.5 Freni 8.6 Sistemi anti -bloccaggio delle ruote e sistema autofrenante 8.7 Ammortizzatore: tipologie e pr incipio di funzionamento 8.8 Ammortizzatore: stima della corsa 8.9 Retrazione ed estrazione 8.10 Sistemi non convenzionali 8.11 Macchine prova carrello 8.12 Bibliografia 9. IMPIANTO DI PRESSURIZZAZIONE E CONDIZIONAMENTO 9.1 Introduzione 9.2 Condizioni di benessere 9.3 Pressurizzazione 9.4 Condizionamento 9.5 Schema base 9.6 Evoluzione dello schema 9.7 Regolazione della temperatura 9.8 Ciclo a vapore 9.9 Distribuzione 9.10 Impianto ausiliario per l'ossigeno 9.11 Esempi di impianti di condizionamento 9.11.1 Canadair 200 9.11.2 Airbus A310 9.11.3 Ciclo a vapore 9.12 Bibliografia 10. SISTEMI DI PROTEZIONE ATMOSFERICA 10.1 Introduzione 10.2 Meccanismo di formazione del ghiaccio 10.3 Effetti della formazione di ghiaccio 10.4 Metodo di calcolo per la form azione di ghiaccio su profili 10.5 Sistemi per la prevenzione della formazione di ghiaccio 10.6 Sistemi per l a rimo zione del ghiaccio POLITECNICO DI MILANO - DIPARTIMENTO DI SCIENZE E TECNOLOGIE AEROSPAZIAL I IMPIANTI E SISTEMI AEROSPAZIALI – Dispense del corso, versione 201 9 INDICE GENERALE Queste dispense possono essere liberamente scaricate dal sito internet del Politecnico di Milano. La vendita è vietata. 6 10.7 Sistemi per la protezione anti -fulmine 10.8 Bibliografia 11. SISTEMI D’EMERGENZA 11.1 Introduzione 11.2 Sistemi di a llarme 11.3 Sistemi anti -incendio 11.3.1 Incendi durante il volo 11.3.2 Incendi conseguenti all’atterraggio di emergenza 11.4 Inibizione di esplosione dei serbatoi 11.5 Ossigeno di emergenza 11.6 Fonti energetiche di emergenza 11.7 Sedili ad attenuazione d’energia e arredi interni 11.8 Evacuazione degli occupanti 11.9 Registratore dati di volo 12. COMANDI DI VOLO 12.1 Introduzione 12.2 Comandi diretti 12.3 Servocomandi idraulici 12.4 Fly -By -Wire 12.5 Attuatori: stato dell’arte e sviluppi futuri 12.6 Comandi di volo degli elicotteri 12.7 Bibliografia 13. STRUMENTI DI NAVIGAZIONE 13.1 Introduzione 13.2 Bussola magnetica 13.3 Strumenti basati su misure di pressione 13.3.1 Altimetro 13.3.2 Variometro 13.3.3 Anemometro 13.4 Strumenti giroscopici 13.4.1 Ge neralità sui giroscopi 13.4.2 Orizzonte artificiale 13.4.3 Indicatore di virata 13.4.4 Girodirezionale 13.4.4 Girobussola 13.5 Bibliografia 14. AVIONICA 14.1 Introduzione 14.2 Comunicazioni 14.2.1 Campo elettromagnetico 14.2.2 Componenti di un impianto di comunicazione 14.2.3 Modulazione di portanti 14.3 Radar 14.3.1 Tipi di radar POLITECNICO DI MILANO - DIPARTIMENTO DI SCIENZE E TECNOLOGIE AEROSPAZIAL I IMPIANTI E SISTEMI AEROSPAZIALI – Dispense del corso, versione 201 9 INDICE GENERALE Queste dispense possono essere liberamente scaricate dal sito internet del Politecnico di Milano. La vendita è vietata. 7 14.4 Navigazione 14.4.1 Radiogoniometri e ADF 14.4.2 VOR e DME 14.4.3 TACAN 14.4.4 Sistemi iperbolici 14.4.5 GPS e DGPS 14.4.6 ILS 14.4.7 MLS 14.4.8 Radioaltimetro 14.4.9 Navigaz ione Doppler 14.4.10 Navigazione inerziale 14.5 Bibliografia 15 . SISTEMI ELETTRONICI DI BORDO 15.1 Generalità 15.2 Rappresentazione di grandezze fisiche 15.3 Elaborazione analogica 15.4 Calcolatori digitali 15.4.1 Sistemi numerici 15 .4.2 Elementi costruttivi fondamentali (Hardware) 15.4. 3 I programmi (Software) 15.5 Sistemi di acquisizione dati 15.5 .1 Segnali digitali 15.5 .2 Segnali analogici 15.5 .3 Acquisizione dati 15.6 Bus di trasmissione dati 15.7 Circuiti logici 15.8 Bibliografia 16. AFFIDABI LITÀ 16.1 Introduzione 16.2 Richiami di teoria delle probabilità 16.3 Affidabilità di componenti e di sistemi 16.3.1 Guasti per usura 16.3.2 Guasti casuali 16.3.3 Combinazione di guasti 16.3.4 Tempo medio fra i guasti 16.4 Affidabilità e sicurezza dei sis temi 16.4.1 Modelli affidabilistici in serie e in parallelo 16.4.2 Modelli affidabilistici misti 16.4.3 Modello binomiale 16.5 Esempi numerici 16.6 Valutazione dell’affidabilità 16.7 Affidabilità logistica 16.8 Manutenibilità 16.9 Efficacia di sistema 16.10 Bibliografia POLITECNICO DI MILANO - DIPARTIMENTO DI SCIENZE E TECNOLOGIE AEROSPAZIAL I IMPIANTI E SISTEMI AEROSPAZIALI – Dispense del corso, versione 201 9 INDICE GENERALE Queste dispense possono essere liberamente scaricate dal sito internet del Politecnico di Milano. La vendita è vietata. 8 17. IMPIANTI PER VEICOLI SPAZIALI 17.1 Generalità 17.1.1 Lancio 17.1.2 Condizioni extraatmosferiche 17.1.3 Prossimità della terra 17.1.4 Effetti sui materiali 17.1.5 Effetti sull’uomo 17.1.5.1 Ridistribuzione della circolazione sanguigna. 17.1.5.2 Atrofia muscolare 17.1.5.3 Problemi vestibolari 17.1.5.4 Decalcificazione 17.1.5.5 Radiazioni 17.1.6 Particolarità degli impianti. 17.2. Generazione di potenza elettrica 17.2.1 Batterie 17.2. 2 Turbine a gas 17.2.3 Celle a combustibile 17.2.4 Celle solari 17.2.5 Generatori a radioisotopi 17.2.6 Generatori nucleari 17.2.7 Accumulatori 17.3. Controllo di assetto 17.4. Controllo termico 17.5 Bibliografia POLITECNICO DI MILANO - DIPARTIMENTO DI SCIENZE E TECNOLOGIE AEROSPAZIALI IMPIANTI E SISTEMI AEROSPAZIALI – Dispense del corso , versione 201 9 Capitolo 1 – Considerazioni generali Queste dispense possono essere liberamente scaricate dal sito internet del Politecnico di Milano. La vendita è vietata. 1.1 Capitolo 1 Considerazioni generali POLITECNICO DI MILANO - DIPARTIMENTO DI SCIENZE E TECNOLOGIE AEROSPAZIALI IMPIANTI E SISTEMI AEROSPAZIALI – Dispense del corso , versione 201 9 Capitolo 1 – Considerazioni generali Queste dispense possono essere liberamente scaricate dal sito internet del Politecnico di Milano. La vendita è vietata. 1.2 1.1 Introduzione Un sistema , nella sua accezione più generica, è un insieme di entità connesse tra di loro tramite reciproche relazioni visibili o definite dal suo osservatore. Impianto è una struttura artificiale, costruita per scopi tecnici complessi. Per impianto si intende quindi un sistema ottenuto dall'unione di un certo numero di com- ponenti connessi fra loro attraverso collegamenti in grado di trasportare materia , energia , informazioni o altro ed in grado, nel suo complesso, di soddisfare ad una qualche finalità. Impianto e sistema sono praticamente sinonimi, il primo mette però in evidenza gli aspetti hardware e il secondo gli aspetti più legati alle connessioni logiche e d al controllo. In un velivolo, di qualsiasi categoria esso sia, sono necessari un certo numero di impianti; il loro numero, la loro complessità, la loro importanza ai fini dell'utilizzo della macchina sarà maggiore o minore secondo la classe del velivolo. Saranno così ridotti al minimo gli impianti di un aliante, esasperati al massimo gli impianti di un velivolo da combattimento. Con la definizione sopra data di impian to può essere inquadrato praticamente qualsiasi sot- tosistema del sistema velivolo; quello che meglio specifica la natura dell'impianto è il fatto di essere costituito da componenti separati e ben distinti, uniti da elementi di trasporto ben sepa- rati e dist inti e la possibilità di intervenire con organi di comando, regolazione e controllo. Per lo studio di un sistema occorre quindi innanzi tutto conoscere le caratteristiche di fun- zionamento dei vari componenti e poi stabilire le relazioni fra di loro in mod o da costituire il sistema che soddisfa agli scopi voluti. L'importanza degli impianti è evidenziata dall'incidenza che essi hanno su un velivolo in termini di percentuale di peso o di costo. Queste percentuali, molto variabili in funzione della classe del velivolo, possono arrivare al 40% - 60% del peso a vuoto del velivolo. Tradizionalmente l'insieme velivolo viene scomposto in tre grandi componenti: struttura , propulsori ed impianti ; questo ha delle motivazioni storiche, ma anche di competenza e meto- dol ogie di approccio nel progetto. I propulsori potrebbero anche essere considerati componen- ti dell'impianto di propulsione, ma vengono sempre studiati in modo autonomo e preliminare data la loro importanza fondamentale sulle prestazioni del velivolo. Fig. 1.1 – Esempio di impianti di un velivolo POLITECNICO DI MILANO - DIPARTIMENTO DI SCIENZE E TECNOLOGIE AEROSPAZIALI IMPIANTI E SISTEMI AEROSPAZIALI – Dispense del corso , versione 201 9 Capitolo 1 – Considerazioni generali Queste dispense possono essere liberamente scaricate dal sito internet del Politecnico di Milano. La vendita è vietata. 1.3 Esclud endo quindi il gruppo di propulsione, i principali impianti di bordo dei velivoli sono: • IDRAULICO • PNEUMATICO • ELETTRICO • APU • COMANDI DI VOLO • COMBUSTIBILE • CARRELLI D’ATTERRAGGIO • PROTEZIONE ATMOSFERICA • PRESSURIZZAZIONE • CONDIZIONAMENTO • ANTIINCENDIO • STRUMENTI DI BORDO • AVIONICA Impianti a naloghi sono presenti anche sui veicoli spaziali, differenziandosene principal- mente per le condizioni nelle quali devono trovarsi ad operare. 1.2 Classificazione degli impianti Un a prima classificazione degli impianti può essere fatta in base alla loro finalità: impianti destinati a compiere una ben precisa funzione (ad esempio: condizionamento, antighiaccio, ecc.) o destinati a fornire energia ad altri impianti (ad esempio: idrauli co, elettrico, ecc.). Gli impianti destinati a fornire energia hanno alcune caratteristiche in comune anche se uti- lizzano tipologie di energia molto diverse fra loro; dato che sono al servizio di un certo nume- ro di altri impianti, attraverso questi i vari sistemi risultano in definitiva interconnessi fra loro. I vari sistemi possono però nella maggioranza dei casi essere esaminati singolarmente per- ché possiedono comandi, regolazioni e controlli indipendenti fra loro; occorre comunque verificare la possibil ità di eventuali interferenze nel funzionamento di un sistema per effetto di altri sistemi. Un altro aspetto fondamentale di classificazione è nell'importanza dell'impianto sulla sicu- rezza del velivolo o sulla riuscita della missione. Si possono così ricon oscere: • impianti primari : un loro guasto può compromettere la sicurezza del velivolo e/o delle persone trasportate; • impianti secondari : un loro guasto può degradare il comportamento della macchina e far abortire la missione, ma non ne compromette la sicur ezza; • impianti ausiliari : un loro guasto può degradare la missione o creare dei disagi, ma consen- te ugualmente di eseguire la missione. Esempi di questi tre campi possono essere: POLITECNICO DI MILANO - DIPARTIMENTO DI SCIENZE E TECNOLOGIE AEROSPAZIALI IMPIANTI E SISTEMI AEROSPAZIALI – Dispense del corso , versione 201 9 Capitolo 1 – Considerazioni generali Queste dispense possono essere liberamente scaricate dal sito internet del Politecnico di Milano. La vendita è vietata. 1.4 • comandi di volo; • impianto di condizionamento ; • impianto di intrattenimento passeggeri. La classificazione precedente vale per una messa fuori uso completa dell’impianto , in real- tà si deve tenere anche conto del tipo di guasto che può avere effetti più o meno rilevanti. Questo tipo di analisi viene svolta tramite la teoria dell’affidabilità analizza ndo scientifi- camente gli aspetti legati ai guasti e alle loro conseguenze. Mentre l e strutture vengono pro- gettate per garantire un certo margine di sicurezza rispetto ai carichi previsti , i sistemi devono essere progetta ti in modo da garantire una determinata affidabili tà in funzione dell’effetto del guasto dei singoli componenti del sistema (oltre ovviamente a soddisfare il compito loro assegnato) . 1.3 Affidabilità L'affidabilità è una teoria statistica che permette di det erminare la probabilità di verificarsi di un guasto in sistemi complessi partendo da dati relativi ai singoli componenti. Le relazioni stabilite dalla teoria dell'affidabilità permettono di analizzare l'effetto di ridon- danze attive e passive e quindi di p rogettare impianti che raggiungano l'affidabilità voluta. Con metodologie dello stesso tipo è anche possibile fissare modalità e intervalli di ispezio- ne e manutenzione tali da mantenere il livello di affidabilità richiesto. Rimandando ad un successivo ap profondimento della teoria dell'affidabilità si anticipano alcune definizioni fondamentali: • Affidabilità è l’abilità di un componente (o di un sistema) di funzionare correttamente sotto ben precise condizioni d'uso per un certo periodo di tempo. ▪ “Correttamente ” significa non solo funzionare, ma anche rispettare le prestazioni che il sistema deve fornire, rimanendo nelle tolleranze previste. ▪ “Sotto ben precise condizioni d’uso ” significa che il sistema deve essere utilizzato entro i limiti previsti nella sua progettazione. ▪ “Per un certo periodo di tempo ” mette in evidenza il fatto che con l’uso il sistema può degradare e non si può pretendere che abbia una durata infinita. • Avaria è la perdita parziale o totale di funzionalità; un'avaria può essere: avaria da usura : graduale decadimento delle proprietà fino a scende re sotto i limiti di tolleranza ; avaria ca- suale : cambiamento brusco delle proprietà. • Vita di un'unità è il tempo per i l quale un componente (o sistema) può essere utilizzato, eventualmente ricorrendo a manutenzioni. • Tempo di vita (T) è una variabile aleatoria legata ad una funzione che esprime la probabili- tà che si verifichi un guasto prima dell'istante t. Dalla stessa f unzione discendono una definizione probabilistica dell'affidabilità (p), della durata media di buon funzionamento o tempo medio prima dell'avaria (MTBF = mean time between failure), del tasso di avaria. L'avaria di un componente può influenzare in modi di versi la funzionalità di un siste ma; se, ad esempio, si ha un sistema composto da due componenti in serie, l'avaria di un componente determina l'avaria di tutto il sistema; se un sistema è composto da due componenti in paralle- lo, l'avaria di un componente non provoca l'avaria dell'intero sistema. Ragionamenti di questo POLITECNICO DI MILANO - DIPARTIMENTO DI SCIENZE E TECNOLOGIE AEROSPAZIALI IMPIANTI E SISTEMI AEROSPAZIALI – Dispense del corso , versione 201 9 Capitolo 1 – Considerazioni generali Queste dispense possono essere liberamente scaricate dal sito internet del Politecnico di Milano. La vendita è vietata. 1.5 tipo, posti su basi teoriche derivate dalla teoria della probabilità, permettono di ottenere valori di affidabilità per un sistema partendo dall'affidabilità dei singoli componenti. I metodi dell’affidabilità possono essere usati sia in fase di analisi per convalidare un de- terminato sistema, sia in fase di progetto per determinare le specifiche di affidabilità dei sin- goli componenti e le ridondanze necessarie a raggiungere l'affidabilità volu ta. Legata all’affidabilità è anche lo studio dei vari aspetti che riguardano la manutenzione e la sua organizzazione. 1.4 Caratteristiche degli impianti imbarcati. Gli impianti installati a bordo di veicoli aerospaziali non rappresentano , dal punto di vista dei concetti fondamentali su cui si basano , particolari novità rispetto agli impianti utilizzati nelle macchine terrestri o in campo civile, eccezione fatta per alcune applicazioni tipiche. Ciò nonostante occorre tenere conto a livello di studio e pr ogettazione del campo specifico di impiego e al particolare ambiente nel quale devono operare. Il peso è ovviamente una caratteristica essenziale per qualsiasi componente installato a bordo di un velivolo o di un veicolo spaziale. Nel caso degli impianti o ccorre tenere conto del fatto che in molti casi un aumento dell'efficienza e dell'affidabilità di un componente ne in- crementa il peso; una ricerca esasperata di alto rendimento può quindi giocare un ruolo nega- tivo in componenti a funzionamento discontinuo o eccezionale, per componenti di uso fre- quente o continuo è d'altra parte opportuno un aumento dell'efficienza anche a scapito di un aumento del peso , se questo può essere compensato da guadagni di peso nei generatori di potenza e nelle linee di alimentazi one. Il volo in quota porta come conseguenza alla riduzione di pressione , temperatura e densità dell'ambiente operativo; sono inoltre possibili variazioni notevoli di umidità . Il valore di pressione e le sue variazioni influenzano il funzionamento di diver se tipologie di impianti, ma possono avere anche influen ze particolari come ad esempio provoca re il pas- saggio di umidità attraverso i contenitori dei componenti elettrici. La temperatura alla quale si trovano a dover operare i vari componenti può avere del le escursioni molto elevate; si può andare da temperature ambientali dell'ordine dei -60°C ai +70°C, la temperatura in zone vicine ai motori può essere attorno ai 100 -150°C a regime, ma di -50°C all'avviamento in zone fredde. Queste variazioni di temperatu ra hanno influenza sul modo di funzionare di componenti e sulle caratteristiche dei fluidi impiegati nei vari impianti. È necessario una verifica del funzionamento di tutti gli impianti per tutte le condizioni di pressione e temperatura alle quali si possono trovare ad operare. La densità è importante per quanto riguarda la capacità di smaltimento di calore, esigenza presente in tutti i componenti che, per quanto ottimizzati, non potranno mai avere un rendi- mento del 100%. L'umidità può variare sensibil mente con la quota e le condizioni meteorologiche . Si può andare da aria praticamente secca ad ambienti con umidità relativa del 100% ; di queste varia- zioni sono particolarmente sensibili i componenti elettrici. I vari componenti devono esse re in grado di resistere e di fu nzionare correttamente anche di fronte alle accelerazioni corrispondenti ai fattori di contingenza del velivolo e a fattori locali ed alle vibrazioni locali che possono indurre accelerazioni assai elevate. Gli stessi problemi sono esaspera ti per gli impianti dei veicoli spaziali, problemi che varia- no sensibilmente anche con le varie fasi di volo; ad esempio, durante il lancio vi saranno POLITECNICO DI MILANO - DIPARTIMENTO DI SCIENZE E TECNOLOGIE AEROSPAZIALI IMPIANTI E SISTEMI AEROSPAZIALI – Dispense del corso , versione 201 9 Capitolo 1 – Considerazioni generali Queste dispense possono essere liberamente scaricate dal sito internet del Politecnico di Milano. La vendita è vietata. 1.6 problemi legati alle accelerazioni ed alle vibrazioni, durante il volo orbitale ci saranno pro- blemi legat i alla microgravità , vi saranno problemi legati al fatto di essere in un ambiente privo di aria e quindi con pressione nulla e impossibilità di scambio termico diverso dall’irraggiamento. Altra particolarità degli impianti è data dalla possibilità di inter venire in modo più o meno semplice con operazioni di manutenzione e riparazione, questa possibilità è ovviamente diffi- coltosa o addirittura impossibile nel caso di veicoli spaziali. 1.5 Filosofia di progetto Il progetto degli impianti di bordo si inquadra nel discorso più generale di progetto dell'in- tero velivolo. Storicamente gli impianti non avevano grande influenza sul comportamento del velivolo e venivano quindi progettati in modo indipendente, inserendosi in un progetto gene- rale e strutturale già sviluppato. Al giorno d’oggi, soprattutto per la grossa influenza dell’avionica sul comportamento del velivolo, il progetto degli impianti viene sviluppato fin dalle prime fasi del progetto del velivolo. In generale nello sviluppo di qualsiasi progetto si possono riconoscere tre fasi: Progetto concettuale: • si stabiliscono la configurazione generale ed i parametri più significativi dell’oggetto della progettazione; • vengono usati algoritmi semplici, dat i statistici e ricerche parametriche; • è possibile che vengano presentate più soluzioni. Progetto preliminare • vengono analizzate le varie configurazioni presentate utilizzando tecniche di analisi anche complesse; • viene scelta e ottimizzata la configurazione scelta. Progetto di dettaglio • vengono sviluppat i tutti i disegni costruttivi e di montaggio; • viene sviluppato un prototipo ed eseguiti test. La schematizzazione precedente focalizza il fatto che nel progetto dei sistemi o impianti di bordo, come del resto in tutti i processi di progettazione, si segue una tecnica di successive approssimazioni per cui, partendo da specifiche iniziali si affina sempre più il progetto fino ad arrivare ad una definizione completa dei componenti utilizzati, a schemi di montaggio, a norme di impiego e di manutenzione. I div ersi impianti possono in grande misura essere sviluppati in modo indipendente, ma in realtà sono soggetti a interferenze fra loro. Si parla così di impianto elettrico, impianto idrau- lico, impianto di condizionamento, impianto antighiaccio, ecc.; in realtà tutti gli impianti per funzionare richiedono energia, e questa può essere distribuita in varie forme (elettrica, idrauli- ca, pneumatica) e quindi già attraverso questo derivano forti interazioni fra i diversi sistemi. Differenze fondamentali nel progetto d egli impianti, rispetto ad esempio al progetto strut- turale, consiste nella preferenza all’impiego di componenti già costruiti. Si fa il massimo uso possibile di componenti sviluppati da ditte specializzate; se possibile si utilizzano componenti POLITECNICO DI MILANO - DIPARTIMENTO DI SCIENZE E TECNOLOGIE AEROSPAZIALI IMPIANTI E SISTEMI AEROSPAZIALI – Dispense del corso , versione 201 9 Capitolo 1 – Considerazioni generali Queste dispense possono essere liberamente scaricate dal sito internet del Politecnico di Milano. La vendita è vietata. 1.7 già collaud ati e certificati, altrimenti occorre sviluppare nuovi componenti anche se , nella maggioranza dei casi , questi derivano da elementi già collaudati e certificati adattati alle specifiche richieste. Tutto il processo di sviluppo del progetto avviene, come gi à detto, attraverso successive approssimazioni, questo può comportare la revisione di tutti gli stadi del progetto. Anche se si può dividere il progetto in alcune fasi fondamentali: scelta dello schema funzionale, dimen- sionamento e scelta dei componenti, a nalisi del funzionamento, definizione dell'installazione, ecc., non occorre dimenticare che a qualsiasi punto del progetto possono insorgere validi motivi per rivedere il progetto sin dalle sue fasi iniziali. Le necessità di iterazione e revisione del pro getto possono avere diverse origini: • revisione di scelte già operate per introdurre modifiche più o meno importanti al fine di correggere punti deboli del progetto scoperti a posteriori; • variazioni delle specifiche del progetto; • variazioni delle condizioni al contorno di funzionamento . Il progetto dell'impianto può essere visto come un'attività durante la quale, forniti dei dati e fissate delle condizioni al contorno, si determina l'uscita richiesta. I dati di progetto sono costituiti da specifi che, generalmente imposte dall'esterno, che fis- sano: • le operazioni che devono essere compiute dall'impianto; • le prestazioni che debbo no essere fornite dall'impianto; condizioni cioè sia qualitative che quantitative. Le condizioni al contorno sono dei vi ncoli che vengono imposti dall'esterno sulla realizza- zione dell'impianto e vengono a loro volta influenzate dalle scelte operate nella realizzazione dell'impianto che può porre condizioni vincolanti per altri componenti del progetto generale. Mentre le spe cifiche ben difficilmente possono essere modificate, salvo revisioni molto pro- fonde dell'intero progetto, le condizioni al contorno possono essere motivo di contrattazione con i responsabili delle altre componenti del progetto che le hanno imposte. Non oc corre poi dimenticare che anche in campo aerospaziale esistono vincoli economici ben precisi che occorre rispettare; aspetto che diventa sempre più rilevante. L'uscita del progetto è costituita dai disegni, dalle relazioni di convalida, ecc., da tutto quel materiale che consente cioè la costruzione, l'installazione, l'uso, la manutenzione e la valuta- zione dell'impianto stesso. E' molto difficile fare una distinzione netta per definire se alcuni parametri fanno parte del- le specifiche o delle condizioni al c ontorno, come pure è difficile a volte distinguere fra uscita e condizioni al contorno. Abbandonando lunghe disquisizioni filosofiche possibili, possiamo considerare le specifiche distinte in due parti, specifiche vere e proprie e limitazioni ai gradi di l ibertà concessi al progettista, e l'uscita in due parti, prodotto del progetto e condizionamen- ti che il progetto impone al resto del progetto generale. Si deve tener conto del fatto che le specifiche di certi impianti non sono completamente de- finibili a p riori. Esistono cioè diversi casi, e gli impianti per la distribuzione dell'energia come l'impianto idraulico e l'impianto elettrico ne sono gli esempi più evidenti, nei quali all'inizio del progetto le specifiche non possono essere che generiche perché le necessità di energia potranno essere completamente definite solo dopo aver terminato il progetto di tutti gli altri POLITECNICO DI MILANO - DIPARTIMENTO DI SCIENZE E TECNOLOGIE AEROSPAZIALI IMPIANTI E SISTEMI AEROSPAZIALI – Dispense del corso , versione 201 9 Capitolo 1 – Considerazioni generali Queste dispense possono essere liberamente scaricate dal sito internet del Politecnico di Milano. La vendita è vietata. 1.8 impianti. Anche le specifiche potranno quindi essere soggette a revisione ed ad affinamento attraverso successive approssimazioni. Vediamo di chiarire con alcuni esempi i tipi di informazioni che possono pervenire come ingresso per lo sviluppo del progetto di un impianto. Per un impianto combustibile le specifiche iniziali possono contenere: • volume (o massa) del combustibile da trasportare; • portata e pressione del combustibile ai motori. Possono essere definiti vincoli come: • volume disponibile nelle varie zone del velivolo; • escursioni del baricentro possibili. Fra queste condizioni , le specifiche ben difficilmente potranno essere alterate durante lo sviluppo del progetto generale; in pratica potrebbero essere cambiate solo in presenza di grossi errori nella valutazione iniziale del peso, che potrebbero consentire di trasportare più combustibile ed aumentare così l'autonomia, o con cambiamento radicale della scelta dei motori. Per un impianto di pressurizzazione le specifiche potrebbero essere: • quota cabina massima; • gradienti di quota ammissibili; con le condizioni al contorno: • quant ità di aria spillabile dal compressore; • volume della cabina; • numero di passeggeri; • quota di tangenza, quota di crociera. Per un impianto elettrico le specifiche potrebbero essere: • tensione nominale; • potenza necessaria nelle varie fasi del volo. Di queste specifiche in realtà la seconda è ben difficilmente definibile all'inizio del proces- so di progettazione dell'impianto perché non sono inizialmente definiti gli assorbimenti di tutte le utenze elettriche usate nei vari impianti. Per ognuno degli impianti è possibile una caratterizzazione ben precisa delle specifiche che fissano compiti e prestazioni dell'impianto stesso. Queste saranno poi accompagnate da speci- fiche generali che riguardano prestazioni dal punto di vista di affidabilità, manutenibilità, ecc . L'uscita del progetto sarà espressa con: • schemi funzionali; • elenchi di componenti; • elenco ed identificazione dei collegamenti; • disegni di montaggio; • disegni esecutivi degli elementi di montaggio; POLITECNICO DI MILANO - DIPARTIMENTO DI SCIENZE E TECNOLOGIE AEROSPAZIALI IMPIANTI E SISTEMI AEROSPAZIALI – Dispense del corso , versione 201 9 Capitolo 1 – Considerazioni generali Queste dispense possono essere liberamente scaricate dal sito internet del Politecnico di Milano. La vendita è vietata. 1.9 • norme di impiego; • norme di impiego in condizioni di avaria; • norme di manutenzione. Dovranno inoltre essere prodotti: • analisi di funzionamento in condizioni statiche e di transitorio; • analisi di funzionamento in condizioni di avaria; • analisi di affidabilità. 1.6 Schemi funzionali Il primo passo del progetto consiste nella stesura di uno schema funzionale dell'impianto in grado di soddisfare alle specifiche richieste. Uno schema funziona- le consiste in un disegno nel quale sono definite attravers o dei blocchi le funzioni svolte da com- ponenti o insiemi di componenti; inizialmente lo schema sarà costituito da rettangoli nei quali è descritta a parole la funzione del blocco e da linee che mostrano le relazioni fra i vari bloc- chi, le linee cioè di tra smissione di energia o informazione scambiati fra i vari blocchi. Proce- dere nel progetto significa dettagliare sempre più lo schema sino ad arrivare ad un disegno nel quale ogni blocco corrisponde ad un singolo componente fisico ed ogni linea di comunicazi o- ne corrisponde ad una tubazione o ad un conduttore elettrico. Fig. 1.2 Schema funzionale a blocchi POLITECNICO DI MILANO - DIPARTIMENTO DI SCIENZE E TECNOLOGIE AEROSPAZIALI IMPIANTI E SISTEMI AEROSPAZIALI – Dispense del corso , versione 201 9 Capitolo 1 – Considerazioni generali Queste dispense possono essere liberamente scaricate dal sito internet del Politecnico di Milano. La vendita è vietata. 1.10 Nel disegno dello schema det- tagliato finale si può ricorrere, ed è conveniente farlo, a simboli normalizzati in grado di descrive- re la funzione del singolo compo- nente. A livello di schema di princi- pio, e spesso anche per quanto riguarda lo schema di detta glio, è possibile ignorare inizialmente tutti gli aspetti quantitativi e quindi costruire lo schema sce- gliendo la classe dei componenti, anche senza selezionare il compo- nente necessario in un determina- to punto dell'impianto. Già dallo schema funzionale si ricava una massa di informazioni utili per il successivo passaggio ad un progetto di dettaglio, tipicamente un'identificazione di tutte le connessioni topologiche fra i vari componenti e quindi ad esempio liste di tubazioni e conduttori. 1.7 Scelta dei componenti Una volta definiti la tipologia dei componenti necessari ad adempiere alla funzione richie- sta dall'impianto si può procedere ad un dimensionamento dell'impianto stesso. Il dimensionamento richiede valutazioni analitiche che portano a determin are le specifiche richieste per i singoli componenti. Per quanto possibile i componenti vengono scelti da cata- loghi o da norme di unificazione. Già a livello di dimensionamento preliminare può evidenziarsi la necessità di introdurre modifiche a livello di schema funzionale, ad esempio perché si determina che una certa fun- zione può essere più convenientemente svolta da due macchine in parallelo piuttosto che da un'unica macchina di potenza doppia. La scelta dei componenti completa l’elenco di quelli necess ari per assemblare un determi- nato impianto; questo elenco nato come semplice elenco di componenti , si amplierà con indicazione delle caratteristiche che questi devono avere e si concluderà con una scelta di componente completamente identificata (con identi ficazione a livello di componente norma- lizzato, di specifiche tecniche o addirittura di indicazione di fornitore). Fig. 1.3 Schema con simboli normalizzati POLITECNICO DI MILANO - DIPARTIMENTO DI SCIENZE E TECNOLOGIE AEROSPAZIALI IMPIANTI E SISTEMI AEROSPAZIALI – Dispense del corso , versione 201 9 Capitolo 1 – Considerazioni generali Queste dispense possono essere liberamente scaricate dal sito internet del Politecnico di Milano. La vendita è vietata. 1.11 Un'analoga operazione di elencazione deve essere eseguita a livello di collegamenti. I col- legamenti saranno identificati in modo più o meno complesso a seconda del tipo di collega- mento. # DA A Lunghezza TIPO [m] 1 B 1 T 0.30 MIL --------- 2 B 2 n1 3.00 MIL --------- 3 n1 I1 1 0.40 MIL --------- 4 I1 2 F1 1 0.10 MIL --------- 5 F1 2 n2 3.00 MIL --------- 6 n2 L1 1 10.00 MIL --------- 7 n2 L2 1 10.00 MIL --------- 8 n2 L3 1 10.00 MIL --------- 9 L1 2 T 10.00 MIL --------- 10 L2 2 T 10.00 MIL --------- 11 L3 2 T 10.00 MIL --------- 12 n1 I2 1 0.40 MIL --------- 13 I2 2 F2 1 0.10 MIL --------- 14 F2 2 Radio a 0.30 MIL --------- 15 Radio b T 3.00 MIL --------- 16 n1 I3 1 0.40 MIL --------- 17 I3 2 F3 1 0.10 MIL --------- 18 F3 2 M 1 1.00 MIL --------- 19 M 2 T 3.00 MIL --------- Fig. 1.5 Elenco co llegamenti per lo schema di fig. 1.3 Per i collegamenti meccanici e per le tubazioni rigide sono importanti i disegni di montag- gio; per tubazioni flessibili sono importanti le caratteristiche dei tubi e dei loro terminali; per i collegamenti elettrici si usano normalmente cavi multiconduttori ed è quindi indispensabile identificare e caratterizzare i singoli conduttori e tutti i terminali dei connettori di cui fanno parte. # Sigla Denominazione Caratteristiche Marca 1 B Batteria 12V - 40Ah - 2 I1 Interruttore Al Gh45 3 I2 Interruttore Al Gh45 4 I3 Interruttore Al Gh45 5 F1 Fusibile 20A - 6 F2 Fusibile 10A - 7 F3 Fusibile 5A (ritardato) - 8 L1 Lampada 50W verde - 9 L2 Lampada 50W bianca - 10 L3 Lampada 50W rossa - 11 Radio Radio UHF 40W RUHF210 12 M Motore 20W AB 23A65 Fig. 1.4 Elenco componenti per lo schema di fig. 1.3 POLITECNICO DI MILANO - DIPARTIMENTO DI SCIENZE E TECNOLOGIE AEROSPAZIALI IMPIANTI E SISTEMI AEROSPAZIALI – Dispense del corso , versione 201 9 Capitolo 1 – Considerazioni generali Queste dispense possono essere liberamente scaricate dal sito internet del Politecnico di Milano. La vendita è vietata. 1.12 Per tutti i componenti occorre studiare l'installazione e questo comporta fra l'altro il dise- gno di componenti meccanici per il montaggio (staffe, distanziatori, supporti, ecc.). 1.8 Analisi di funzionamento Una volta definito lo schema e scelti i componenti si può procedere ad analisi di funziona- mento dell'impianto. Queste analisi devono dimostrare l'efficacia dell'impia nto, la rispondenza cioè alle specifiche, in tutte le condizioni di impiego previste. Il problema può essere affrontato con modelli matematici , ma occorre comunque una con- valida con impianti sperimentali, reali o in similitudine. Per impianti molto compl essi ed articolati il problema può diventare di notevole complessi- tà, fortunatamente molte volte è possibile analizzare parti dell'impianto separatamente ridu- cendo così le dimensioni del problema. 1.9 Norme di impiego e manutenzione Fa parte del progetto dell'impianto emanare delle norme di impiego e di manutenzione. Le norme di impiego sono indispensabili per un corretto utilizzo di un impianto. Più è complesso e versatile un impianto e più deve essere documentato il modo di impiega rlo, devono essere descritte le manovre da eseguire per un utilizzo corretto, devono essere descrit- te le manovre da non eseguire, come comportarsi in caso di avaria, ecc. Le norme di manutenzione fissano gli intervalli di manutenzione, le modalità di ispe zione, di smontaggio e sostituzione dei vari componenti. 1.10 Bibliografia Ian Moir & Allan Seabridge; Aircraft Systems; Longman Scientific & Technical. Donald H Middleton; Avionic Systems; Longman Scientific & Technical. http://www.smartcockpit.com/ http://www.airliners.net/ http://www.enac.gov.it/Home POLITECNICO DI MILANO - DIPARTIMENTO DI SCIENZE E TECNOLOGIE AEROSPAZIALI IMPIANTI E SIS TEMI AEROSPAZIALI – Dispense del corso, versione 201 9 Capitolo 2 – Aspetti energetici Queste dispense possono essere liberamente scaricate dal sito internet del Politecnico di Milano. La vendita è vietata. 2.1 Capitolo 2 Aspetti energetici POLITECNICO DI MILANO - DIPARTIMENTO DI SCIENZE E TECNOLOGIE AEROSPAZIALI IMPIANTI E SIS TEMI AEROSPAZIALI – Dispense del corso, versione 201 9 Capitolo 2 – Aspetti energetici Queste dispense possono essere liberamente scaricate dal sito internet del Politecnico di Milano. La vendita è vietata. 2.2 2.1 Introduzione Un impianto è costituito da componenti uniti fra di loro tramite collegamenti nei quali av- viene un trasferimento di potenza esprimibile attraverso il prodotto di due grandezze, una in- tensiva ed una estensiva. Le grandezze che definiscono la potenza dipendono dal particolare impianto (tabella 2.1): Se si considera l’accoppiamento fra un generatore di potenza ed un utilizzatore, in condi- zioni di equilibrio la potenza fornita dal generatore deve essere uguale a quella assorbita dall’utilizzatore; se il generatore fornisce potenza a più utilizzatori la potenza fornita deve es- sere uguale alla somma di quelle assorbite dagli utilizzatori. In un impianto che distribuisce potenza è opportuno controllare il valore di uno dei due pa- rametri che la definiscono. Se il genera tore alimenta più utilizzatori, per evitare interferenza fra il funzionamento dei vari componenti, il parametro da controllare deve essere quello che definisce il potenziale. Si considerino i circuiti in figura 2.1 con due lampade di uguale resistenza: Fig. 2.1 – Alimentazione di circuito elettrico Nel circuito alimentato a corrente costante: quando l’interruttore viene chiuso, la corrente si ripartisce fra le due lampade, la tensione ai capi delle lampade dimezza; la potenza assorbita quindi dimezza e si ripartisce fra le due lampade, l’accensione della seconda lampada provoca quindi una riduzione della luminosità della prima. Nel circuito alimentato a tensione costante: quando l’interrut tore viene chiuso la corrente assorbita, e quindi la potenza, raddoppia, ma non esiste interferenza fra le due utenze. Meccanica Velocità Forza F v W * Meccanica Velocità angolare Coppia C W * Z Elettrica Tensione Corrente I V W * Idraulica Pressione Portata volumetrica Q p W * Pneumatica Entalpia specifica Portata massica m h W  * Tabella 2.1 - Grandezze che definiscono la potenza V I I POLITECNICO DI MILANO - DIPARTIMENTO DI SCIENZE E TECNOLOGIE AEROSPAZIALI IMPIANTI E SIS TEMI AEROSPAZIALI – Dispense del corso, versione 201 9 Capitolo 2 – Aspetti energetici Queste dispense possono essere liberamente scaricate dal sito internet del Politecnico di Milano. La vendita è vietata. 2.3 Analogamente nel caso di potenza idraulica (Fig. 2.2): se il circuito è alimentato a portata costante l’apertura del rubinetto provoca la distribuzione della portata fra i due cilindri, se le masse da sollevare sono uguali que- sto provoca un rallentamento n el moto del primo pistone; se le masse sono diverse la portata si dirigerà solo verso il cilindro con carico mi- nore, mentre l’altro cilindro tenderà a scendere. Nel caso di alimentazione a pres- sione costante questo non capiterà e le portate dipenderanno d alla veloci- tà con la quale si muovono i pistoni. Per un impianto distributore di potenza occorre quindi fissare il va- lore della grandezza che deve essere controllata (rispettivamente tensione o pressione nei casi precedentemente visti) e stabilire il valo re massimo di potenza che l’impianto deve fornire. Occorre comunque sempre tener conto del fatto che quando viene fissato il valore della grandezza da mantenere costante, ne viene fissato un valore nominale ; sono sempre possibili degli scostamenti dal valo re nominale e i componenti devono essere dimensionati in modo da poter funzionare senza problemi in tutto il campo dei valori ammissibili entro una tolleranza prefissata. Altro aspetto importante è nel fatto che la sezione di generazione deve essere proget tata per poter fornire la potenza massima richiesta, ma la potenza fornita è normalmente minore e pari a quanto richiesto dagli utilizzatori in un particolare istante. La scelta del valore della grandezza controllata potrebbe essere ottimizzata di volta in volta in funzione della particolare applicazione , ma in pratica in base a questo valore devono essere progettati tutti i componenti e quindi se si vuole ricorrere a componenti reperibili sul mercato è necessario adattarsi ai valori standardizzati per i qu ali sia stata sviluppata la componentisti- ca. La definizione della potenza massima che deve essere fornita dai generatori potrebbe essere ottenuta semplicemente sommando la potenza massima assorbita da tutte le utenze collegate; questo porta normalmente ad un surdimensionamento dei generatori perché ben difficilmente in un impianto complesso tutte le utenze sono utilizzate contemporaneamente ed alla massima potenza. Mentre in campo civile normalmente questo viene risolto fissando un coefficiente di utiliz- zo ricavato da esperienza, in campo aerospaziale si procede usualmente ad una analisi accura- ta delle utenze effettivamente utilizzate nelle varie fasi di volo, tenendo conto della possibilità di avere più generatori, di avere delle riserve di energia da utili zzare per eventuali momenti picco o per emergenza. Fa parte della definizione della potenza da installare anche lo studio delle condizioni di avaria con la possibilità di definire utenze a vari livelli di importanza e di esclusione in alcune condizioni di classi di utenze non strettamente necessarie. Fig. 2.2 – Alimentazione di circuito idraulico Q p POLITECNICO DI MILANO - DIPARTIMENTO DI SCIENZE E TECNOLOGIE AEROSPAZIALI IMPIANTI E SIS TEMI AEROSPAZIALI – Dispense del corso, versione 201 9 Capitolo 2 – Aspetti energetici Queste dispense possono essere liberamente scaricate dal sito internet del Politecnico di Milano. La vendita è vietata. 2.4 2.2 Dimensionamento degli impianti per la distribuzione di energia Gli impianti per la distribuzione di energia devono essere dimensionati in modo da fornire in qualsiasi condizione di volo la potenza richi esta; la potenza viene fornita mantenendo co- stante il potenziale (tensione per impianti elettrici e pressione per gli impianti idraulici): l'im- pianto dovrà quindi essere dotato di organi di regolazione tali da mantenere costante il poten- ziale al variare de lla potenza assorbita per tutto il campo previsto di funzionamento. Questa filosofia di progetto permette di dimensionare le utenze per un ben preciso valore nominale del potenziale (tensione elettrica o pressione che sia) e tende ad limitare l’interferenz a nell’impiego contemporaneo di diverse utenze. È comunque possibile disporre sia per gli impianti elettrici che per quelli idraulici di riser- ve di energia (batterie o accumulatori) utilizzabili sia come riserva di emergenza che come fonte per sopperire a punte di assorbimento. Per il dimensionamento di un impianto per la distribuzione di energia occorre disporre di un elenco di tutte le utenze con specificato per ognuna di esse l'assorbimento di potenza ed il tempo di funzionamento. Una pura somma di tut te le potenze assorbite dagli utilizzatori porterebbe sicuramente ad un sovradimensionamento dell'impianto; esistono infatti utenze sicuramente non utilizzabili contemporaneamente. È possibile giungere ad un'ottimizzazione della potenza da installare nei g eneratori mediante un'analisi dell'impiego delle varie utenze. Questa analisi può essere compiuta dividendo l'impiego del velivolo in un certo numero di fasi significative, ad esempio: stazionamento a terra, avviamento dei motori, rullaggio, decol- lo, salita alla quota di crociera, crociera, discesa, coda d’attesa, atterraggio. 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 0 50 100 150 200 250 300 350 Te mpo [min] Corrente [A] Fase 1 Fase 2 Fase 3 Fase 4 Fase 5 Fig. 2.3 – Potenza richiesta in varie fasi di impiego POLITECNICO DI MILANO - DIPARTIMENTO DI SCIENZE E TECNOLOGIE AEROSPAZIALI IMPIANTI E SIS TEMI AEROSPAZIALI – Dispense del corso, versione 201 9 Capitolo 2 – Aspetti energetici Queste dispense possono essere liberamente scaricate dal sito internet del Politecnico di Milano. La vendita è vietata. 2.5 Per ognuna di queste fasi è possibile determinare le utenze utilizzate e costruire un isto- gramma che riporti la potenza assorbita in funzione del tempo di impiego. Si avrà così una curva discendente la quale mostra per la particolare fase la potenza massima necessaria ed il tempo per il quale devono essere forniti vari livelli di potenza. Esaminando queste curve e il loro inviluppo è possibile determinare la potenza da installa- re; in questo si potrà tener conto anche del fatto che per tempi brevi un generatore è in grado di fornire potenze più alte di quelle previste per un funzionamento continuo, della possibilità di dispo rre di accumulatori e di altre considerazioni. La precedente fig. 2.1 riporta delle ipotetiche di curve di assorbimento di energia elettrica per 5 diverse fasi. Da queste si potrebbe ad esempio ipotizzare l’impiego di un generatore da 30 A alla tensione n ominale scelta, utilizzando una batteria in grado di fornire 10 A per 10 minuti per soddisfare il picco di potenza richiesto dalla fase 1. In questa fase di studio occorre anche tenere conto del fatto che spesso si dispone di più generatori e questo porta ad una ripartizione del carico su più macchine. A questo livello oc- corre prendere decisioni determinate dal livello di affidabilità richiesto dall'impianto; in caso di guasto di un generatore si può infatti, in funzione dall'affidabilità richiesta, richied ere anco- ra la fornitura dell'intera potenza oppure può essere accettabile un funzionamento degradato con potenza inferiore. Ad esempio disponendo di quattro generatori un sovradimensionamento del 33% porta ad un impianto che in caso di guasto di un genera tore permette ancora l'erogazione della potenza massima. 2.3 Energie utilizzabili a bordo In molte zone di un velivolo è necessario disporre di energia, in modo controllato; questo è necessario per molte attività, ad esempio per il movimento delle super fici di controllo del ve- livolo, per la retrazione e l'estensione del carrello, per azionare pompe, per necessità di illumi- nazione, di riscaldamento, di alimentazione di apparecchiature elettroniche, ecc. La struttura di un impianto per la distribuzione di energia è schematizzabile come nella fig.2.4, ossia è costituita da un gruppo di generazione (spesso collegato ai propulsori stessi), uno di regolazione delle grandezze fisiche in uscita (siano esse pressioni, portate, tensioni o altro) ed una rete di dist ribuzione che porta l’energia alle varie utenze. GEN ER AZ ION E REGOLAZIONE DISTRIBUZIONE UTENZE Fig. 2.4 Generazione e distribuzione energia POLITECNICO DI MILANO - DIPARTIMENTO DI SCIENZE E TECNOLOGIE AEROSPAZIALI IMPIANTI E SIS TEMI AEROSPAZIALI – Dispense del corso, versione 201 9 Capitolo 2 – Aspetti energetici Queste dispense possono essere liberamente scaricate dal sito internet del Politecnico di Milano. La vendita è vietata. 2.6 Le tipologie di energia utilizzabili in funzione del tipo di impianto sono mostrate nella fi- gura 2.2. Elettrica Pneumatica Idraulica Meccanica Comandi � � � Carrello � � � � Combustibile � � Luci � Ambiente � � Antighiaccio � � Strumenti � � Avionica � Tab. 2.2 - Principali utenze e tipi di energie necessarie Dalla tabella precedente si vede come sarà indispensabile su qualsiasi velivolo un impianto elettrico e, se le potenze in gioco diventano più rilevanti, un impianto idraulico e un impianto pneumatico per la distribuzione di energia. 2.4 Trasferimento di energia meccanica Per quanto riguarda l' energia meccanica i sistemi utilizzabili sono diversi: x trasmissioni meccaniche; x motori a combustione interna; x motori elettrici; x motori idraulici. x motori pneumatici Le trasmissioni meccaniche consentono il trasferi mento di energia meccanica dalla sorgen- te primaria all'utilizzatore. Il loro utilizzo è normalmente limitato a piccole potenze per l'ec- cessivo peso e complicazione. Un esempio tipico di impiego di trasmissione meccanica è co- stituita dai comandi di volo con venzionali dove le leve di controllo a disposizione del pilota sono collegate meccanicamente alle superfici mobili tramite cavi o leveraggi; in questo caso l’energia trasferibile non supera il lavoro che può essere compiuto dal pilota. I motori a combusti one interna costituiscono la fonte primaria di energia in tutti i velivoli (tranne che negli alianti), ma non si prestano ad un utilizzo diffuso e localizzato per i problemi che porrebbero in termini di installazione, alimentazione, affidabilità e controll abilità; è evi- dente come sarebbe complicato avere a bordo decine di piccoli motori con potenze anche irri- sorie e funzionamento discontinuo o eccezionale. La potenza distribuita a bordo, di qualunque forma sia, viene comunque ottenuta per trasformazione di energia prelevata dai propulsori dei velivoli o delle APU (Auxiliar Power Unit; motore utilizzato dalla maggioranza dei velivoli per fornire potenza alle utenze con velivolo fermo a terra) in energia elettrica o idraulica. L'energia elettrica si presta mol to bene alla distribuzione ed al suo controllo, inoltre prati- camente in tutti i velivoli è presente un impianto elettrico per soddisfare ad altre esigenze; la POLITECNICO DI MILANO - DIPARTIMENTO DI SCIENZE E TECNOLOGIE AEROSPAZIALI IMPIANTI E SIS TEMI AEROSPAZIALI – Dispense del corso, versione 201 9 Capitolo 2 – Aspetti energetici Queste dispense possono essere liberamente scaricate dal sito internet del Politecnico di Milano. La vendita è vietata. 2.7 trasformazione di energia elettrica in energia meccanica richiede motori che per avere dimen- sioni e pesi contenuti devono essere motori rotativi con elevato numero di giri. L'uso di motori elettrici per applicazioni nei quali il lavoro meccanico viene svolto attraverso rotazioni a bassa velocità o attraverso spostamenti richiede l'impiego di riduttori , con aggravio in termini di pe- so. L'energia idraulica può essere distribuita con relativa semplicità, permette di realizzare motori rotativi e, con maggiore semplicità, motori lineari. A pari potenza impegnata le dimen- sioni ed i pesi dei motori idraulici risultano decisamente inferiori a quelle dei motori elettrici. Il controllo dell'energia è molto semplice dal punto di vista on/off, ed è possibile, anche se più delicato, un controllo di tipo continuo. L’ energia pneumatica per il trasferimento di energia meccanica ha scarso impiego in cam- po aeronautico dato che per motivi di sicurezza occorre avere impianti a pressione decisamen- te inferiore di quella utilizzata negli impianti idraulici. Il suo impiego è d’altra parte diffuso in campo industriale perché co nsente di realizzare impianti più semplici; infatti utilizzando l’aria come fluido di lavoro non è necessaria una linea di ritorno e anche le tenute hanno esigenze meno stringenti. Praticamente in tutti i velivoli sono presenti impianti per la distribuzion e di energia sia in forma elettrica che idraulica; scartato infatti l'impiego di motori a combustione interna, gli al- tri due metodi visti vengono impiegati. Infatti, anche se per porre a disposizione localmente energia meccanica è più conveniente in termin i di peso ed ingombro l'energia idraulica, esiste comunque la necessità di altre forme di energia (ad esempio energia luminosa, energia termi- ca, alimentazione di apparecchiature) per le quali è necessario disporre di energia elettrica. Disponendo di entram be le fonti di energia sarà necessario ripartire nel modo più economi- co possibile i carichi fra l'impianto idraulico e quello elettrico. In linea di massima sarà conveniente utilizzare l'energia idraulica nei motori di potenza più elevata, specialmente se quello che viene richiesto è una forza elevata con velocità moderata, e l'energia elettrica dove sono richieste potenze più modeste, specialmente se quello che viene richiesto è una coppia moderata con velocità angolare elevata. Occorre poi tener conto an che dell'incidenza delle linee di trasporto; così, anche se dal punto di vista della trasformazione di energia potrebbe essere più conveniente adottare energia idraulica, in un motore che si trova in una zona dove non esistono altri utilizzatori di energia idraulica può globalmente convenire l'impiego di un motore elettrico. Esiste tuttavia una tendenza moderna a passare al velivolo tutto elettrico, questo è dovuto al fatto che il maggior impiego dell’energia idraulica è nei comandi di volo e, con lo svilu ppo delle tecniche di controllo automatico del velivolo ed il miglioramento delle prestazioni dei motori elettrici, può risultare conveniente tale struttura. 2.5 Curve Caratteristiche Il comportamento di molti componenti può essere definito attraverso l’ uso di curve caratte-