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Guida e controllo del velivolo/Progetto dei sistemi aerospaziali integrati

01SRKMT

A.A. 2019/20

2019/20

Guida e controllo del velivolo/Progetto dei sistemi aerospaziali integrati (Guida e controllo del velivolo)

Il corso intende fornire agli allievi gli strumenti per comprendere i problemi fondamentali del controllo del velivolo. Si approfondiscono quindi innanzi tutto quelle conoscenze di dinamica del volo, non ancora in possesso degli allievi, che costituiscono la base per il progetto dei principali sistemi di controllo. Dopo lo studio della risposta del velivolo al comando ed al disturbo atmosferico, vengono fornite le nozioni fondamentali relative al controllo convenzionale che impiega metodi di progetto classici, seguendo una trattazione che fa riferimento al modello linearizzato.

Guida e controllo del velivolo/Progetto dei sistemi aerospaziali integrati (Progetto dei sistemi aerospaziali integrati)

Nella formazione dell’ingegnere aerospaziale con ampia visione sistemistica questo corso svolge la funzione di sintesi finale, a livello di visione globale di "integrazione dei sistemi aerospaziali" in quanto, non solo un singolo sistema (o sottosistema) deve essere un’armonica integrazione di equipaggiamenti, ma, a sua volta, deve integrarsi in modo ottimale con tutti gli altri sistemi e sottosistemi, sia di bordo, sia esterni al velivolo, come il sistema di supporto logistico o i sistemi di terra di gestione del traffico aereo (ATM, Air Traffic Management). In realtà oggi si sta affermando un concetto ancora più avanzato e complesso che è il cosiddetto "Sistema di Sistemi", dettato dall’esigenza di far operare in maniera integrata più sistemi, delle svariate tipologie viste, il che si potrà ottenere in modo ottimale solo se i sistemi dei vari velivoli saranno stati progettati in maniera integrata. Altro obiettivo, altrettanto importante, è quello di far acquisire agli studenti la "forma mentis" del progettista sistemista, in grado di definire e integrare sotto-sistemi e/o componenti in un sistema in grado di soddisfare i requisiti preposti; basilare per questo aspetto sarà la capacità di condurre valutazioni numeriche e l’acquisizione di una spiccata capacità di valutare ordini di grandezza e scelte di architettura. In quest’ottica appare anche estremamente importante far conoscere agli studenti la tipologia di strumenti normalmente usati dai progettisti di sistemi. Mentre la prima parte del corso inquadra la problematica della definizione integrata dei sistemi aerospaziali per gli aspetti funzionali/prestazionali, a livello di velivolo completo e dalla missione del velivolo dettati e condizionati, la seconda parte è mirata agli aspetti peculiari dei vari sistemi di bordo sia per quanto riguarda le scelte qualitative o di architettura sia per le definizioni quantitative (dimensionamento). I casi di studio che verranno trattati nel corso come applicazione della metodologia di avamprogetto copriranno sia velivoli tradizionali sia velivoli innovativi ad alta velocità.

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The course should provide the students with an overall comprehension of the basic concepts of flight dynamics and control. An important part of the course is dedicated to the fundamental of flight dynamics, which constitutes the basic knowledge for the analysis that leads to the automatic flight control system design. After the analysis of the aircraft response to pilot commands and to atmospheric disturbances, the course is dedicated to the basic concepts of the conventional classic linear control theory, applied to particularly interesting practical examples concerning civil and military aircraft.

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Within the educational growth of students in Aerospace Engineering with particular emphasis on Systems Engineering, the present course represents the final synthesis for "aerospace systems integration", as at the same time the single system (or subsystem) is considered and designed to be an harmonic integration of equipment and to be able to perfectly integrate with all other systems (or subsystems), which are both on board and outside the vehicle, like the Logistic Support System and the ground infrastructures of the Air Traffic Management, ATM. Apart from these systems, an innovative concept, the so-called System of Systems, is getting more and more attention today and it has to be seriously taken into account, as there is a growing need to make various types of systems operate together in an integrated way. A fundamental objective of the present course is therefore represented by the development of the capability of learning the Systems Engineering view and approach to design, in order to make the students able to define and integrate subsystems and/or components to form a system that meets requirements. Students will therefore learn how to size subsystems and components and how to evaluate and compare architectural layout alternatives, through the application of the typical Systems Engineering design tools. While the first part of the course focuses on issues related to the definition of integrated aerospace systems, specifically from the point of view of functions/performance, the second part of the course focuses on the peculiar features of the various subsystems, from the point of view of sizing and qualitative or architectural choices. The conceptual design methodology will be applied to different case-studies, including both traditional and high-speed innovative aircraft.

Guida e controllo del velivolo/Progetto dei sistemi aerospaziali integrati (Guida e controllo del velivolo)

Ci si aspetta che gli studenti imparino a progettare autopiloti semplici e sistemi automatici di aumento della stabilità e che nello stesso tempo acquisiscano una conoscenza generale degli obbiettivi del progetto dei moderni sistemi di controllo del volo. Gli studenti dovrebbero inoltre acquisire la capacità di modellare e progettare il sistema di controllo di sistemi dinamici lineari (e non) con l’utilizzo del software Simulink. L'esame intende quindi accertare che lo studente sia in grado di ragionare sugli argomenti trattati e di esporre le proprie considerazioni con la terminologia appropriata.

Guida e controllo del velivolo/Progetto dei sistemi aerospaziali integrati (Progetto dei sistemi aerospaziali integrati)

I risultati attesi sono di seguito riportati: o capacità di svolgere l’avamprogetto sistemistico a diversi livelli, sistema di sistemi, sistema e sottosistema; o capacità di utilizzare moderni strumenti di progettazione per le simulazioni della missione e del volo, la modellazione fisica del velivolo, il dimensionamento dello stesso e dei sottosistemi e la loro integrazione; o conoscenza dei velivoli e dei sottosistemi tradizionali e innovativi; o capacità di ricerca di informazioni su velivoli e prodotti tecnici e di relativa valutazione preliminare; o capacità di documentazione e presentazione dei risultati.

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The students are expected to acquire familiarity with concepts and methods used within the field of atmospheric flight guidance and control. The students shall acquire capabilities of designing simple Stability and Control Augmentation Systems and Autopilots, using autonomously developed codes, under the MATLAB/Simulink environment. They should also become familiar with more complex Flight Control Systems installed on modern civil and military aircraft. At the end of the course, the students should have developed the right skills to address autonomously theoretical and practical subjects related to the proposed program, but not necessarily included, within the state-of-the-art and with particular emphasis to the engineering aspects. The exam is meant to assess the abilities of the student to deal with flight control design problems, processing the information coherently and communicate results and rational effectively and with the appropriate terms.

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Expected goals achieved by the students are: o Capability of accomplishing conceptual systems design at different levels, i.e. system of systems, system and subsystem; o Learning how to use modern design software tools for mission and flight simulations, vehicle’s physical modeling, vehicle and subsystems’ sizing and integration; o Knowledge of traditional and innovative vehicles and subsystems; o Capability of understanding technical information about vehicles and related products; o Capability of reporting and presenting results.

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E’ richiesto che gli studenti conoscano gli argomenti trattati nei corsi precedenti di Meccanica del Volo e che abbiano comunque nozioni sulla modellazione matematica dei sistemi dinamici.

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Conoscenze sui sistemi aerospaziali, meccanica del volo, strutture, aerotermodinamica.

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Pre-requirements are basic courses in linear algebra, calculus, and ordinary and partial differential equations and Flight Mechanics.

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Fundamentals of aerospace systems, flight mechanics, structures, aerothermodynamics.

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Richiami ai concetti di risposta del velivolo in campo lineare: o rappresentazione stato-spazio o rappresentazione per funzioni di trasferimento o risposta al comando o risposta in frequenza Flying/handling qualities e specifiche militari Progettare nel rispetto delle normative: definizione delle specifiche Approccio classico al controllo: o controllo feedback proporzionale o reti di compensazione (compensatori Lag/Lead o di tipo PID). o controllabilità ed osservabilità o state feedback vs. output feedback Esempi di leggi di controllo nel FCS: o Stability Augmentation Systems: o Control Augmentation Systems o Autopilot Systems

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Introduzione al corso e modalità d’esame; presentazione dei temi di progetto; illustrazione dell’architettura degli stessi sistemi e di quali requisiti hanno dettato le differenti scelte di configurazione; metodologia per l’avamprogetto dei sistemi: analisi dei requisiti, analisi di trade-off, analisi di missione e del concetto operativo, analisi funzionale, definizione di architettura di sistemi Integrati, dimensionamento preliminare, modellazione matematica, stima pesi e volumi; integrazione dei requisiti a livello sistema e definizione dei requisiti dei sotto-sistemi; descrizione della procedura di schizzo (30 ore). Avamprogetto dei principali sottosistemi: Avionica, Comandi di Volo e Carrello d’atterraggio, Combustibile, Propulsivo, Antighiaccio, ECS (Environment Control System), Controllo Termico, Protezione Termica, Potenza Elettrica; dimensionamento e integrazione dei suddetti sistemi e dei principali equipaggiamenti nel modello di simulazione fisica del velivolo (modello CAD 3D); definizione dei budget di mass, di volume, di potenza termica e potenza elettrica; simulazione di volo del velivolo (30 ore).

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Aircraft response within the small disturbance theory: o longitudinal and lateral-directional dynamic analysis o state-space representation o transfer function representation o aircraft response to control o frequency analysis Flying/handling qualities and military regulations Design within regulations: specification definition Approach to classic control theory: o feedback proportional control o compensation (Lag/Lead and PID compensators). o controllability and observability o state feedback vs. output feedback Examples of FCS: o Stability Augmentation Systems: o Control Augmentation Systems o Autopilot Systems

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Module introduction, schedule and examination; introduction to the design case-studies; description of the architecture of these systems and analysis of the requirements that have determined their configuration; conceptual systems design methodology: requirements analysis, trade-off analysis, mission analysis and concept of operations, functional analysis, definition of integrated systems architecture, preliminary sizing, mathematical modeling, weight and volume estimation; requirements integration at system level and definition of subsystems requirements; description of the sketch procedure (30 hours). Conceptual design of main aircraft subsystems: Avionics, Flight Controls and Landing Gear, Fuel/Propellant and Propulsion System, Anti-ice, Environmental Control System, Thermal Control System, Thermal Protection System, Electric Power System; sizing and integration of subsystems and main equipment into the digital mock-up; definition of mass, volume, thermal and electric power budgets (30 hours).

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E’ sicuramente utile, se non indispensabile, seguire con continuità lezioni ed esercitazioni, nonostante siano disponibili autorevoli testi didattici di supporto.

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The subject is at the state-of-the-art and is very well addressed in many books for expert engineers and undergraduate students. However the students are strongly encouraged to attend classes regularly and work on tutorials according to the proposed scheduling, as to obtain constant professional tutoring.

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Guida e controllo del velivolo/Progetto dei sistemi aerospaziali integrati (Guida e controllo del velivolo)

La materia, visto il suo aspetto pratico ed applicativo, si presta allo svolgimento di esercizi per ciascuno degli argomenti trattati. Le esercitazioni occuperanno quindi poco meno della metà del tempo di didattica frontale. Soprattutto sulla parte di progetto dei sistemi di controllo del volo le esercitazioni saranno svolte al laboratorio di calcolo. Si utilizzeranno inoltre simulatori di volo numerici.

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Lavoro di progetto degli studenti suddivisi in gruppi di lavoro. I passi principali per sviluppare i temi progettuali saranno: definizione concettuale del velivolo; analisi della missione e del concetto operativo del velivolo; definizione della sua configurazione, stima delle grandezze principali di architettura a livello di sistema e realizzazione del modello di simulazione fisica del velivolo (modello CAD 3D); definizione dei sotto-sistemi e loro dimensionamento; integrazione dei sotto-sistemi nel velivolo (modello CAD 3D, "Digital Mock-up"); simulazione del volo del velivolo per validare la missione. Il lavoro sarà, come detto, portato avanti in gruppo ma con il criterio che ogni studente deve partecipare a tutte le fasi dell’esercitazione e acquisire le capacità inerenti a tutti gli aspetti trattati. L’avanzamento dei lavori dei vari gruppi sarà periodicamente oggetto di presentazioni in riunione plenaria, in modo che ogni studente, oltre a conoscere a fondo il Tema a cui partecipa, sia anche conscio delle problematiche affrontate e delle soluzioni definite da tutti gli altri gruppi di lavoro.

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The course has a strong practical approach and the students are constantly guided towards the application of theory to case-study examples. Tutorials are, thus, a very important part of the course. For this reason almost half of the course is dedicated to address, solve and analyze the case-study examples proposed within the tutorials.

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Project work design of the students that are divided into groups and each group is in charge of carrying out the system design of a specific vehicle, related to the main case-study of hypersonic flight. Project works can thus be dedicated to the design of hypersonic aircraft or reusable access and re-entry systems. Main steps of the design process are: conceptual definition of the aerospace vehicle; mission analysis and concept of operations; configuration definition, estimation of main architectural characteristics at system level and generation of the physical simulation model of the vehicle (3D CAD modeling); subsystems definition and sizing; integration of subsystems into the digital mock-up model; flight simulation to validate the mission concept. Even though the students will work in a group, each student has to participate to all phases, in order to acquire the capabilities needed to perform each step. Design reviews are planned in advanced and presentations are envisaged, in order to let the students able to learn issues related to other students team work and their proposed solutions.

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Vengono fornite le dispense complete in supporto al corso. Per approfondimenti ed ulteriore consultazione: • Robert Nelson, Flight Stability and Automatic Control, 2nd edition, McGraw-Hill Co., 1998 • Brian L Stevens Frank L Lewis, Aircraft control and simulation, Wiley-Interscience, 2003

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o Dispense del corso fornite dal docente o D.P. Raymer, Aircraft design: a conceptual approach, AIAA Education Series o M.H. Sadraey, Aircraft Design, A Systems Engineering Approach, Wiley o Hirschel, Ernst Heinrich, and Claus Weiland. Selected aerothermodynamic design problems of hypersonic flight vehicles. Vol. 229. Springer Science & Business Media, 2009. o Weiland, Claus. Aerodynamic data of space vehicles. Springer Science & Business Media, 2014

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The subject is at the state-of-the-art and is very well addressed in many books for expert engineers and undergraduate students. Supplemental notes are provided to registered students through the course web page. Reference books: • Robert Nelson, Flight Stability and Automatic Control, 2nd edition, McGraw-Hill Co., 1998 • Brian L Stevens Frank L Lewis, Aircraft control and simulation, Wiley-Interscience, 2003

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o Text and charts prepared by the teacher of the module o D.P. Raymer, Aircraft design: a conceptual approach, AIAA Education Series o M.H. Sadraey, Aircraft Design, A Systems Engineering Approach, Wiley o Hirschel, Ernst Heinrich, and Claus Weiland. Selected aerothermodynamic design problems of hypersonic flight vehicles. Vol. 229. Springer Science & Business Media, 2009. o Weiland, Claus. Aerodynamic data of space vehicles. Springer Science & Business Media, 2014

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Modalità di esame: prova orale obbligatoria;

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Modalità di esame: prova orale obbligatoria; elaborato scritto prodotto in gruppo; progetto di gruppo;

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La valutazione consiste in un tradizionale esame orale durante il quale verranno poste al candidato due o tre domande per le quali può essere richiesto anche lo svolgimento di brevi calcoli. La discussione delle esercitazioni contribuiscono alla valutazione finale. Le valutazioni sono espresse in trentesimi e l’esame è superato se la votazione riportata è di almeno 18/30. La valutazione viene fatta considerando a) la correttezza delle risposte, b) la pertinenza delle informazioni fornite, c) la capacità di rispondere in modo chiaro, preciso e razionale, motivando adeguatamente le argomentazioni prodotte. Trattandosi di un corso specialistico, la valutazione finale è fortemente influenzata dalla capacità dello studente di comunicare efficacemente concetti ingegneristici, utilizzando una terminologia adeguata all'interno di relazioni di causa-effetto razionali e logici.

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Modalità di esame: prova orale obbligatoria; elaborato scritto prodotto in gruppo; progetto di gruppo. L’esame orale verterà essenzialmente sulla valutazione dei lavori progettuali svolti durante il corso, in particolare discutendo la relazione svolta sul tema di progetto. Le discussioni sul tema progettuale affrontato dallo studente hanno la finalità di verificare l'acquisita conoscenza delle problematiche della progettazione sistemistica dei prodotti aerospaziali, e l’acquisizione dei meccanismi secondo cui si sviluppa la progettazione sistemistica. Sarà anche importante verificare dalla relazione la capacità di esprimere in maniera chiara, sintetica e razionale i risultati di un’attività tecnica.

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Exam: compulsory oral exam;

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Exam: compulsory oral exam; group essay; group project;

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The final test consist in a traditional oral exam during which the students is expected to address with theoretical and practical argumentations three different subjects. Analysis and discussion on the tutorial results can contribute to the final evaluation. The evaluation is expressed in thirtieths and the exam is passed if the score is at least 18/30. The assessment is made considering a) the correctness of the answers, b) the relevance of the information provided, c) the ability to respond clearly, precisely and rationally, adequately motivating the substantiations to the argumentation provided. As this is a specialist course, the final evaluation is strongly affected by the student capability of communicating effectively engineering concepts, using a proper terminology within rational and logical cause-effect relationships.

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The examination will focus mainly on the evaluation of the system design performed by the student during the module, on the basis of the report written by the students on the assigned design theme. The examination aims at verifying the knowledge acquired by the students on issues related to aerospace systems design and the capability of students to explain clearly, rationally and synthetically the results of their technical activity.



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