La meccanica del volo racchiude lo studio delle prestazioni statiche e dinamiche del velivolo ed è, quindi determinante per un ingegnere aerospaziale al fine di apprendere la teoria e le tecniche per valutare la stabilità, la controllabilità e le qualità di volo di un velivolo. La meccanica del volo, pertanto, è uno dei pilastri fondanti per la corretta progettazione di un velivolo e dei suoi sottosistemi nonché per la definizione di prove idonee a identificarne/verificarne le caratteristiche di volo.
L’insegnamento della meccanica del volo si propone di fornire conoscenze ingegneristiche sulle equazioni che governano il moto vario del velivolo con particolare enfasi alla correlazione con gli aspetti aerodinamici attraverso metodi esatti o approssimati. La trattazione, infatti, è finalizzata alla comprensione di come le scelte progettuali (geometriche e aerodinamiche) possano influenzare la controllabilità e le qualità di volo del velivolo.
A valle della trattazione teorica, saranno proposti esempi pratici che permettono allo studente di concretizzare i concetti appresi in esempi di soluzioni operative. Il ricorso ad esempi concreti mira a sviluppare il senso critico e la riflessione su come le scelte progettuali siano frutto di un compromesso tra requisito operativo e funzionale.
Le nozioni teoriche acquisite nell'insegnamento dovrebbero permettere all’allievo di identificare, in relazione alla meccanica del volo, la soluzione progettuale migliore. Quindi al termine dell’insegnamento si chiederà allo studente di aver acquisito una capacità di progettazione aeromeccanica del velivolo, mediante l’integrazione delle conoscenze acquisite in questo insegnamento con le informazioni raccolte nei corsi seguiti durante il percorso di studi aerospaziale.
Fondamentale sarà dimostrare di aver acquisito una buona capacità di comunicazione tecnica in modo da potersi interfacciare con tutte le discipline aeronautiche e una sufficiente autonomia nell’individuare e affrontare correttamente gli aspetti progettuali critici.
Flight mechanics includes the study of static and dynamic performance of the aircraft and, hence, it is crucial for an aerospace engineer in order to learn the theory and techniques for evaluating the stability, controllability and flying qualities of an aircraft. Flight mechanics, therefore, is one of the founding pillars for the correct design of an aircraft and its subsystems as well as for the definition of tests suitable for identifying/verifying its flight characteristics.
The teaching of flight mechanics aims to provide engineering knowledge on the equations governing the motion of the aircraft with particular emphasis on the correlation with the aerodynamic aspects through exact or approximate methods. The discussion, in fact, is aimed at understanding how the design choices (geometric and aerodynamic) can influence the controllability and flight qualities of the aircraft.
Following the theoretical discussion, practical examples will be proposed which allow the student to implement the concepts learned in operational examples. The use of actual examples aims to develop a critical sense and understanding on how design choices are the result of a trade-off between operational and functional requirements.
The theoretical notions acquired in the course should allow the student to identify the best design solutions in relation to flight mechanics. Therefore, at the end of the course, the student will be asked to have acquired an aeromechanical design capacity of the aircraft, through the integration of the knowledge acquired in this course with the information from courses of the aerospace academic path.
It will be essential to demonstrate to have gained good technical communication skills in order to be able to interface with all aeronautical disciplines and sufficient autonomy in identifying and correctly tackling the critical design aspects.
Al termine dell’insegnamento, dal punto di vista della conoscenza e capacità di comprensione, gli studenti saranno in grado di:
• conoscere le problematiche connesse con la stabilità statica e dinamica di un velivolo ad ala fissa;
• conoscere le problematiche connesse con la controllabilità di un velivolo ad ala fissa;
• conoscere le basi teoriche per la definizione di un database aerodinamico preliminare;
• analizzare la configurazione di un velivolo ad ala fissa che abilita determinate qualità di volo e pilotaggio;
• conoscere i principali aspetti aerodinamici, geometrici e di massa che possano influenzare le prestazioni e le qualità di volo.
Per quanto attiene invece l’applicazione pratica delle conoscenze acquisite, gli studenti saranno in grado di:
• eseguire il dimensionamento preliminare di un velivolo ad ala fissa che soddisfi determinati requisiti di stabilità statica e dinamica;
• valutare il database aerodinamico di un velivolo sia con metodi approssimati che con codici numerici;
• valutare l’effetto di modifiche geometriche, aerodinamiche e di massa per suggerire proposte di miglioramento delle qualità di volo;
• definire il dimensionamento delle superfici aerodinamiche di controllo affinché siano soddisfatti determinati requisiti di controllabilità.
The aim of the course is to develop the student's ability to understand the problems of the aircraft's aeromechanical design, according to its mission, identifying the main problems and evaluating possible solutions. The theoretical knowledge acquired, together with the design aspects that are dealt with in the course, should allow the student to identify, in a scientifically correct way, in relation to the mechanics of the flight, the best design solution. Therefore at the end of the course the student will be asked to have acquired an aeromechanical design capability of the aircraft, by integrating the knowledge acquired in this course with the information collected in the courses followed during the 1st level degree.
It will be essential to demonstrate that it has acquired a good technical communication capacity so as to be able to interface with all aeronautical disciplines and sufficient autonomy in identifying the project aspects to be explored, in order to deal with any aeronautical project in the right way.
Nozioni fondamentali della Meccanica Applicata, dell’Aerodinamica e del calcolo delle prestazioni del velivolo. Inoltre, conoscenza degli strumenti di base del calcolo algebrico, algebra lineare, differenziale ed integrale. È anche richiesta una buona conoscenza della lingua inglese, che permetta la lettura di testi tecnici e scientifici in lingua inglese.
The student who accesses the teaching must have previously acquired the basic notions of Applied Mechanics, Aerodynamics and the calculation of the performance of the aircraft. Furthermore, he must have the basic tools of algebraic, differential and integral calculus. It is also necessary that he acquired the notions of the matrix algebra. A good knowledge of English is also required, which allows the reading of technical and scientific texts in English.
- I modulo (18 h) - Riferimento inerziale e riferimento velivolo. Equilibrio e stabilità statica longitudinale. Equilibrio e stabilità statica latero-direzionale. Metodi per la determinazione delle derivate aerodinamiche relative alla stabilità statica.
- II modulo (20 h) Virata e richiamata. La raffica. Diagramma di manovra e di raffica. Sforzo di barra e trim. Aletta compensatrice, correttrice e servomotrice. Determinazione della posizione del fuoco a comandi bloccati e liberi per via teorica e sperimentale. Effetto dell'attrito. Requisiti del comando longitudinale. Limiti del centro di gravità.
- III modulo (20 h) - Le equazioni generali del moto. La linearizzazione delle equazioni con le ipotesi delle piccole perturbazioni. Equazioni in forma adimensionalizzata. Metodi sperimentali e teorici nella determinazione delle derivate aerodinamiche e di controllo per definire un database aerodinamico completo.
- IV modulo (22 h) Dinamica longitudinale: la soluzione del sistema; diagrammi di Argand; diagrammi di stabilità; luogo delle radici; tipi di traiettoria; flying/handling qualities; opinion plot. Cenni sul moto longitudinale a comandi liberi. Risposta al comando longitudinale a gradino. Dinamica latero-direzionale: la soluzione del sistema; diagrammi di Argand; diagrammi di stabilità; luogo delle radici; tipi di traiettoria; flying/handling qualities; opinion plot. Risposta al comando laterale a gradino.
Recalls and integrations of Flight Mechanics [30 hours]. Equilibrium and longitudinal static stability. Turn and curved motions in the plane of symmetry and outside of it: the standard and not standard turn. The pitchup. The real atmosphere not in quiet: The gust, maneuver and gust diagram. Compensation tab, trim tab and servomotor tab. Determination of the position of the neutral point in fixed and free commands situations theoretically and experimentally. The requirement of speed stability. The moment of hinge and the requirement of the stability of the command. Stick force and friction effect; the requirements of the longitudinal control: instinctivity, trimmability, sensitivity. The curved motion in the symmetry plane; manoeuvre point for locked and free controls: elevator angle for g and stick force for grequirements. Overview of the static and dynamic balancing problems of the control surfaces. Forward limit position of the center of gravity with and without "ground effect".
Introduction to the helicopter flight mechanics [6 hours]: Terminology. Flight controls. The aerodynamics of the rotor. Performance and flight regimes, necessary and available powers. Climb performance and maximum altitude.
Unsteady motion of the aircraft [24 hours]. Inertial reference and body reference frames: body axes, wind axes, stability axes. The general equations of unsteady motion; the equations of forces in wind axes; the equations of forces and moments in body axes. The linearization of the equations with the hypotheses of small perturbations. Equations in an adimensionalized form. Longitudinal motion: the solution of the system, Argand diagrams. Diagrams of stability, root loci, types of trajectory. Longitudinal motion with free controls: the solution of the system. Equations of latero-directional motion: the solution of the system, Argand diagrams. Kinematic and navigation equations.
Experimental and theoretical methods in the determination of aerodynamic derivatives. [12 hours] The aerodynamic derivatives in the state variables in unsteady longitudinal motion conditions; the control derivatives in the elevator angle. The aerodynamic derivatives of the unsteady latero-directional motion; control derivatives in rudder and aileron angles. The autorotation.
Recalls to the concepts of aircraft response to external linear input [8 hours]. Response to the step elevator angle and to the step aileron controls. Response characteristics of the aircraft to external input: Iso Opinion Plot and Flying / handling qualities.
Alle ore di lezione si alternano le esercitazioni in aula. In linea di massima alle ore di lezione corrisponde un numero di ore di esercitazione in aula pari al 20% del totale, cioè circa 16 ore di esercitazione, distribuite durante l'insegnamento, strettamente collegate alle lezioni, durante le quali all’allievo vengono proposti problemi atti a sviluppare la sua capacità di applicare la teoria nel contesto dei problemi pratici.
Classroom exercises alternate with class time. Generally speaking, there are a number of classroom hours equal to 20% of the total, ie about 15 hours of practice, distributed during the course, strictly linked to the lessons, during which the student is asked to solve problems, with the aim to develop its ability to apply theory in the context of practical problems.
The text of the exercises is provided in advance to the students. The teacher explains the procedure for the exercise in the classroom and, subsequently, the exercise is uploaded to the portal. The exercises are proposed in order to follow the progressive teaching and simply require the use of pocket calculators. Logically the same exercises can be done more completely by making simple programs in Matlab. Normally for each hour of classroom exercise the student must provide the same time of personal work at home for completions.
Il docente fornirà copia degli appunti scritti durante le lezioni che sono trattati in modo esaustivo su vari libri indicati a lezione dal docente.
Esercitazioni: i testi dei problemi proposti vengono forniti dagli esercitatori in aula e vengono messi a disposizione anche sul portale della didattica. Gli esercitatori forniranno gli appunti degli svolgimenti scritti durante le esercitazioni.
Lista dei testi utilizzati:
- Bernard Etkin, Dynamic of Atmospheric Flight
- Robert Nelson, Flight Stability and Automatic Control, 2nd edition
- J. Roskam, Airplane Flight Dynamics and Automatic Flight Controls
- Perkins, Airplane performance stability and control
- Cook, Flight Dynamics Principles
There is currently no textbook. The teacher will provide a copy of the notes written during the lessons. There are several books that cover all the topics of the course and will be indicated in class by the teacher. Various other texts, in Italian and English, are available for further study and will also be indicated by the teacher.
Tutorials: the texts of the proposed problems are provided by the classroom exercisers and are also made available on the teaching portal. The trainers also provide, in the classroom, the written traces of the solution.
Main texts that may be consulted:
- Bernard Etkin, Dynamic of Atmospheric Flight, Wiley & Sons
- Marcello R. Napolitano, Aircraft Dynamics, Wiley & Sons
- Robert Nelson, Flight Stability and Automatic Control, 2nd edition, McGraw-Hill Co.
Slides; Dispense; Esercizi risolti;
Lecture slides; Lecture notes; Exercise with solutions ;
Modalità di esame: Elaborato scritto prodotto in gruppo; Prova scritta in aula tramite PC con l'utilizzo della piattaforma di ateneo;
Exam: Group essay; Computer-based written test in class using POLITO platform;
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La verifica dell’apprendimento consiste nell’esame finale (non sono previsti esoneri) che accerta il grado di raggiungimento degli obiettivi di apprendimento e quindi l’acquisizione delle conoscenze e le capacità di comprensione e di applicazione pratica delle stesse.
La verifica è costituita da:
1) una prova scritta che consta di domande a risposta multipla ed esercizi il cui voto massimo è 28/30;
2) un elaborato da consegnare al docente e relativo ad un compito assegnato dal docente da svolgere in gruppo il cui voto massimo è 4/30.
La prova scritta (in aula) della durata di 80 minuti deve essere svolta senza l'aiuto di appunti o libri, utilizzando solamente una calcolatrice non programmabile. Le domande corrispondono ciascuna a un argomento scelto tra quelli della teoria esposta a lezione, gli esercizi si rifanno a problemi del tipo di quelli svolti ad esercitazione. Per l’esercizio si chiede di fornire procedimento e risultati numerici al fine di dimostrare la capacità di individuazione della soluzione. Non sono previste penalizzazioni per le risposte errate.
L’elaborato viene svolto dagli studenti suddivisi in gruppi di lavoro la cui composizione è concordata tra studenti e docente. Lo svolgimento avviene durante tutto l’insegnamento, in autonomia e con l’ausilio di qualsivoglia risorsa informatica / bibliografica. A tal proposito il docente fornisce i software necessari e gli algoritmi utili per la preparazione dell'elaborato.
L’esame finale si ritiene superato se la somma dei punteggi delle due suddette prove è almeno 18/30. La lode è assegnata per punteggio complessivo di almeno 31/30.
Gli studenti e le studentesse con disabilità o con Disturbi Specifici di Apprendimento (DSA), oltre alla segnalazione tramite procedura informatizzata, sono invitati a comunicare anche direttamente al/la docente titolare dell'insegnamento, con un preavviso non inferiore ad una settimana dall'avvio della sessione d'esame, gli strumenti compensativi concordati con l'Unità Special Needs, al fine di permettere al/la docente la declinazione più idonea in riferimento alla specifica tipologia di esame.
Exam: Group essay; Computer-based written test in class using POLITO platform;
The verification of learning consists of only the final exam that ascertains the acquisition of the expected knowledge. In order to verify in a rigorous way the achievement of the learning objectives and therefore the acquisition of knowledge and the ability to understand and apply them, the exam is divided into different tests: a written test and a subsequent interview (in case of positive result of the written test). The written test must be carried out without the aid of notes or books, using only a non-programmable calculator and consists of some questions, ie questions of theory and exercises. The questions correspond each to a topic chosen from those of the theory exposed in class, the exercises to a simple problem, of the type of those performed during tutorials. For the questions it is required to expose the theory, demonstrating its knowledge. For the exercise, it is requested to provide a numerical procedure and results in order to demonstrate the ability to identify the solution. The written test is considered passed with a minimum score of 18 points out of 30. The positive mark of the written test cannot be refused, but during the written test it is possible to retreat.
After the correction of all the written papers, the students are summoned to examine they work, see the solution and to make a reservation for the oral exam (mandatory) on one of the days established on the basis of the number of students and the availability of the examination commission. The positive mark of the written test does not guarantee passing the exam.
In addition to the message sent by the online system, students with disabilities or Specific Learning Disorders (SLD) are invited to directly inform the professor in charge of the course about the special arrangements for the exam that have been agreed with the Special Needs Unit. The professor has to be informed at least one week before the beginning of the examination session in order to provide students with the most suitable arrangements for each specific type of exam.