Questo corso si propone di indirizzare l’allievo ingegnere allo studio del comportamento dell’elicottero con una visione interdisciplinare, quale indispensabile strumento per la comprensione dei meccanismi alla base del volo degli aeromobili ad ala rotante.
La prima parte del corso si pone come obiettivo la descrizione dei sistemi aero-meccanici che presiedono al funzionamento della macchina e l’esplicazione delle teorie aerodinamiche che consentono di calcolare le prestazioni di un elicottero data la sua configurazione, oppure di proporzionarne la configurazione in vista di specifiche prestazioni richieste.
La seconda parte del corso illustra il comportamento dinamico del rotore, partendo da modelli rappresentativi di crescente complessità ingegneristica. Vengono studiati gli equilbri del rotore isolato e dell’elicottero completo nei diversi regimi di volo. Sulla base di modelli semplificati viene anche valutata la stabilità dinamica e la risposta ai comandi. Vengono inoltre illustrate le problematiche legate al comportamento elastico della pala ed ai fenomeni vibrazionali. Si estende dunque l’analisi al comportamento aero-meccanico dell’elicottero completo. Vengono infine discusse le caratteristiche dei sistemi di stabilizzazione e controllo automatico specifici per il caso ad ala rotante.
Questo insegnamento intende inoltre presentare allo studente il linguaggio tecnico internazionale proprio del settore: il materiale didattico sarà quindi fornito prevalentemente in lingua inglese.

Capacità di valutare le prestazioni di un elicottero. Capacità di valutare gli equilibri e studiare le azioni dinamiche che caratterizzano l’elicottero. Sviluppo di una visione interdisciplinare mirata a comprendere i fenomeni fisici alla base del volo dell’elicottero. Acquisizione dei fondamenti della modellistica matematica richiesta per lo studio del comportamento dinamico dei velivoli ad ala rotante.
Quindi al termine dell’insegnamento si chiederà allo studente di:
- Saper stimare le prestazioni di un aeromobile ad ala rotante
- Essere in grado di calcolare le condizioni di equilibrio in volo verticale e traslato
- Saper valutare la stabilità dinamica di un elicottero tramite modelli matematici semplificati
- Riuscire a valutare la struttura ed il livello di approssimazione di un modello di simulazione
Ai fini dell’autonomia di giudizio e della comunicazione tecnica:
- redigere relazioni tecniche di taglio professionale
- prendere una motivata decisione progettuale (progetto preliminare)
- stimare rapidamente gli ordini di grandezza che ragionevolmente l'ingegnere si deve attendere per i valori numerici dei parametri fondamentali di funzionamento di un elicottero
- conoscere la terminologia internazionale, in particolare quella inglese.
Queste conoscenze e abilità vengono acquisite attraverso lo studio di alcuni concreti problemi, indicati nel Programma. che vengono proposti in quanto esemplari, ovvero rilevanti per le applicazioni tecniche e adatti a introdurre la gamma di metodi che nel complesso il progettista meccanico deva padroneggiare.

L’allievo che accede a questo insegnamento conosce i fondamenti dell’aerodinamica teorica e della meccanica del volo. Dispone inoltre degli strumenti di base del calcolo differenziale e integrale, della geometria analitica nel piano e nello spazio, di nozioni di base sull’algebra delle matrici (e.g. calcolo di autovalori e autovettori e loro significato nell’ambito della teoria dei sistemi lineari). È infine auspicabile la comprensione della lingua inglese parlata e scritta.

Descrizione particolareggiata dell’elicottero tradizionale (inclusi le tipologie di rotore e sistemi anticoppia non tradizionali). Sistemi di riferimento per lo studio della dinamica dell’elicottero. Vettorializzazione della trazione, piatto oscillante, passo ciclico e collettivo. Equivalenza aerodinamica tra moto di flappeggio e passo ciclico. Comandi dell’elicottero. Teoria del disco attuatore nel volo verticale e a punto fisso, valutazione della potenza indotta in hovering. Regimi di funzionamento del rotore. Parametri caratteristici del rotore (raggio, coefficiente di trazione, solidità, power loading). Trazione fornita e potenza richiesta a punto fisso. Equilibrio nel volo in hovering e nel volo in avanti. Potenza richiesta nel volo orizzontale e in salita. La velocità ottima e di durata massima. Calcolo delle limitazioni della velocità di avanzamento. Autonomia in crociera. Quota di tangenza IGE e OGE nel volo verticale e a punto fisso. Autorotazione verticale e in volo traslato. Velocità minima di discesa in autorotazione. La dinamica del rotore (modello elementare con pala rigida). La teoria dell’elemento di pala. Il modello matematico del rotore e dell’elicottero completo. Gli stati di equilibrio in hover e in volo traslato. Il modello dinamico elementare in termini di matrici di stato. Stabilità dinamica. Modi propri ed autovalori caratteristici. La risposta dinamica ai comandi (modello di ordine ridotto). Qualità di volo e normativa di riferimento. Rassegna dei codici numerici per la dinamica del volo dell’elicottero. Effetti dell’elasticità della pala sulla dinamica del rotore. Vibrazioni indotte dal rotore. Problemi aeroelastici ed aero-meccanici. La stabilizzazione automatica e il controllo del rotore, dai sistemi meccanici ai moderni sistemi di controllo: differenze ed analogie con il caso ad ala fissa.

Obiettivi dell'insegnamento

Questo corso si propone di indirizzare l’allievo ingegnere allo studio del comportamento dell’elicottero con una visione interdisciplinare, quale indispensabile strumento per la comprensione dei meccanismi alla base del volo degli aeromobili ad ala rotante.
La prima parte del corso si pone come obiettivo la descrizione dei sistemi aero-meccanici che presiedono al funzionamento della macchina e l’esplicazione delle teorie aerodinamiche che consentono di calcolare le prestazioni di un elicottero data la sua configurazione, oppure di proporzionarne la configurazione in vista di specifiche prestazioni richieste.
La seconda parte del corso illustra il comportamento dinamico del rotore, partendo da modelli rappresentativi di crescente complessità ingegneristica. Vengono studiati gli equilbri del rotore isolato e dell’elicottero completo nei diversi regimi di volo. Sulla base di modelli semplificati viene anche valutata la stabilità dinamica e la risposta ai comandi. Vengono inoltre illustrate le problematiche legate al comportamento elastico della pala ed ai fenomeni vibrazionali. Si estende dunque l’analisi al comportamento aero-meccanico dell’elicottero completo. Vengono infine discusse le caratteristiche dei sistemi di stabilizzazione e controllo automatico specifici per il caso ad ala rotante.

Prerequisiti

Aerodinamica. Meccanica del Volo.

Competenze attese

Capacità di valutare le prestazioni di un elicottero. Capacità di valutare gli equilibri e studiare le azioni dinamiche che caratterizzano l’elicottero. Sviluppo di una visione interdisciplinare mirata a comprendere i fenomeni dinamici alla base del volo dell’elicottero. Acquisizione dei fondamenti della modellistica matematica richiesta per lo studio del comportamento dinamico dei velivoli ad ala rotante.

Programma

Descrizione particolareggiata dell’elicottero tradizionale. Sistemi anticoppia non tradizionali. Vettorializzazione della trazione, piatto oscillante, Passo ciclico e collettivo. Equivalenza aerodinamica tra moto di flappeggio e passo ciclico. Comandi dell’elicottero. Teoria del disco attuatore nel volo verticale e a punto fisso, valutazione della potenza indotta in hovering. Parametri caratteristici del rotore, Power loading, raggio ottimo, coefficiente medio di portanza, angolo di calettamento a punto fisso. Trazione fornita e potenza richiesta a punto fisso. Carichi dovuti a raffica verticale. Equilibrio nel volo in hovering e nel volo in avanti. Potenza richiesta nel volo orizzontale. La velocità ottima e di durata massima. Calcolo delle limitazioni della velocità di avanzamento. Autonomia in crociera. Quota di tangenza IGE e OGE nel volo verticale e a punto fisso. Autorotazione verticale (descrizione del fenomeno). Metodo di Glauert e Lock per la valutazione della velocità di discesa. Stabilità dell’autorotazione e fasi dell’autorotazione completa. Calcolo della potenza richiesta nel volo su rampa. Velocità minima di discesa in autorotazione. Sistemi di riferimento. Tipologie di rotore. La dinamica del rotore (modello elementare con pala rigida). La teoria dell’elemento di pala (blade element). Il modello matematico del rotore e dell’elicottero completo. Gli stati di equilibrio in hover ed in volo traslato. Il modello dinamico elementare (matrici di stato). Stabilità dinamica. Modi propri ed autovalori caratteristici. La risposta dinamica ai comandi (modello di ordine ridotto). Qualità di volo e normativa di riferimento. Rassegna dei codici numerici per la dinamica del volo dell’elicottero. Effetti dell’elasticità della pala sulla dinamica del rotore. Vibrazioni indotte dal rotore. Problemi aeroelastici ed aero-meccanici. La stabilizzazione automatica ed il controllo del rotore, dai sistemi meccanici ai moderni sistemi di controllo: differenze ed analogie con il caso ad ala fissa.

Descrizioni delle attività didattiche diverse dalle lezioni in aula (ad esempio esercitazioni sperimentali o numeriche, simulazioni, progetti, relazioni, lavori di gruppo, visite esterne, ecc.). Consistenza e organizzazione delle stesse.
L’attività didattica prevede un numero di ore di esercitazione in aula pari al 30% del numero totale di ore previste per il corso, strettamente collegate alle lezioni. Durante le esercitazioni vengono proposti all’allievo problemi analoghi a quelli che si presentano nella pratica ingegneristica (dimensionamenti, interpretazione di dati di simulazione, etc.), onde svilupparne la capacità di applicare la teoria in un contesto applicativo.
Si chiede agli allievi di organizzarsi in gruppi di due /massimo tre allievi; ciascun gruppo redigerà relazioni da portare all’esame, in cui sono raccolti svolgimento e risultati delle esercitazioni. Viene fornita assistenza continua in aula da parte di un docente esercitatore.
Il materiale per le esercitazioni viene fornito dagli esercitatori. Gli esercizi sono proposti in progressione didattica e richiedono l’uso del calcolatore. Di norma per ogni ora di esercitazione in aula l’allievo deve prevedere, nell’ambito dei crediti assegnati, un lavoro personale a casa per completamenti.

Si utilizza materiale didattico apposito che non coincide con testi disponibili sul mercato. A questi si fa comunque esplicito riferimento nel materiale fornito, dove vengono consigliati testi per approfondimenti.
Lezioni: le dispense (in inglese), stampati delle diapositive utilizzate a lezione, vengono messe a disposizione agli studenti iscritti all’insegnamento sul portale della didattica.
Esercitazioni: i testi dei problemi proposti, schede tecniche, sintesi da norme e manuali, vengono forniti dagli esercitatori in aula. Vengono, in seguito, messi a disposizione anche sul portale della didattica. Gli esercitatori forniscono inoltre, in aula, tracce scritte di soluzione.

Testi di riferimento
Arra, M., L'elicottero, Hoepli, 2001.
Bramwell, A.R.S. , Done, G., Balmford, D., "Helicopter Dynamics", AIAA, 2001.

Esiste il solo esame finale, che accerta l’acquisizione delle conoscenze e delle abilità attese (v. sopra) tramite lo svolgimento di una prova scritta di 2 ore senza l'aiuto di appunti o libri.
La prova scritta consiste di 4 quesiti: 3 domande, che corrispondono ciascuna a un capitolo scelto tra quelli della teoria esposta a lezione, un esercizio analogo a uno dei problemi di calcolo del tipo svolto in esercitazione. Per le domande si richiede di esporre la teoria, dimostrandone la conoscenza. Per essere ammessi a sostenere la prova orale è necessario ottenere nella prova scritta un punteggio minimo di 18 punti su un massimo di 24.

Dopo la correzione degli scritti l’allievo viene convocato per la prova orale. Questa consiste in:
- una revisione della prova scritta in cui il docente informa l’allievo sui criteri di correzione e discute le risposte
- approfondimento orale, con il docente, volto ad accertare la capacità di sintesi delle conoscenze acquisite (max ulteriori 3 punti)
- discussione con l’esercitatore di parti delle relazioni redatte nel corso delle esercitazioni (lo studente avrà raccolto tali relazioni in un fascicolo personale da portare al momento della prova orale) (max ulteriori 3 punti).

Il superamento dell’esame per il corso 02BPIMT – Meccanica del volo dell’elicottero prevede quanto segue:
- Preparazione di un rapporto tecnico, della lunghezza massima di 10-12 pagine, che descriva in modo dettagliato un aeromobile ad ala rotante a scelta dello studente. Il rapporto dovrà contenere un numero LIMITATO di immagini. Tale relazione dovrà anche contenere un disegno a mano libera formato A4 che riproduca una vista d’insieme dell’aeromobile. Questo documento dovrà essere consegnato COMPLETO entro l’ultima lezione del corso . La valutazione del risultato prodotto sarà individuale (max 7/30).
- Redazione in aula di un elaborato scritto in risposta (forma aperta) ad una serie di quesiti tecnici specifici (2 quesiti descrittivi e 2 quesiti di tipo teorico). Lo studente NON avrà a disposizione gli appunti del corso e dovrà dimostrare confidenza e padronanza delle tematiche oggetto dell’insegnamento. La prova scritta dura 2 ore. In alternativa è possibile sostenere una prova orale dai contenuti analoghi. La valutazione del risultato prodotto sarà individuale (max 25/30).