Università degli Studi di Genova Facoltà di Ingegneria

1. Università degli Studi di GenovaFacoltà di Ingegneria Candidati Federico Attene – Paolo Bertocchi Studio aerodinamico preliminare di un UAV ad ala battente Relatore Chiar.mo Prof. Alessandro Bottaro Tesi per il conseguimento della Laurea in Ingegneria Meccanica Anno Accademico 2010/2011

2. Specifiche operative richieste • Decollo: a mano • Velocità massima: > 15 m/s • Autonomia: > 30 minuti • Hovering: auspicabile • Quota di operazione: 0 – 3000 m Peso equipaggiamenti: • Avionica: 120 g (esclusi motori e servo attuatori) • Payloads: 50 g • Batterie LiPo: 170 g (energia totale: 30Wh) • Totale: 340 g mtot = 1 kg

3. Studio aerodinamico preliminare Considerazioni energetiche e definizione della geometria di massima Simulazioni su ali battenti

4. Il volo battuto in natura • Durante il battito d’ali verso il basso (downstroke), viene prodotta sia portanza che spinta. • L’ala flessibile consente di ottimizzare il battito delle ali atto al mantenimento della portanza durante la fase del colpo verso l’alto (upstroke). L F T

5. Considerazioni energetiche e geometria di massima

6. Considerazioni energetiche e geometria di massima Potenza indotta, necessaria al sostentamento del velivolo Potenza parassita, dovuta alla resistenza del corpo Potenza di profilo, dovuta alla resistenza delle ali

7. Considerazioni energetiche e geometria di massima • Modello del disco attuatore: è il modello teorico di riferimento nello studio delle ali rotanti (es. rotori di elicotteri, eliche marine, ecc.). • Si assume che le ali battenti siano assimilabili ad un disco attuatore (avente spessore infinitesimo) contenuto in un volume di controllo, sul quale viene effettuato un bilancio di quantità di moto. Potenza indotta

8. Considerazioni energetiche e geometria di massima • Contributo di potenza dovuto alla resistenza del corpo. • Il termine parassita è di utilizzo in ambito aeronautico, in un velivolo si riferisce a tutto ciò che non partecipa alla creazione di portanza. Potenza parassita

9. Considerazioni energetiche e geometria di massima Potenza parassita • La fusoliera del velivolo è stata considerata di forma ellissoidale, tale geometria presenta un buon comportamento aerodinamico. • L’area della superficie frontale, determinata facendo riferimento ad una relazione empirica che riguarda i volatili, è funzione della massa.

10. Considerazioni energetiche e geometria di massima Potenza di profilo • Termine che tiene conto della resistenza dovuta alle ali. • Da risultati presenti in letteratura, facenti riferimento a dati sperimentali, si è determinato che in prima approssimazione tale contributo è indipendente dalla velocità di avanzamento.

11. Considerazioni energetiche e geometria di massima

12. Considerazioni energetiche e geometria di massima • Derivando l’espressione della potenza meccanica e uguagliando a zero si trova la velocità di minima potenza. • La velocità di minima potenza (Vmin) non dipende da AR. • Vogliamo che la velocità di crociera corrisponda alla velocità di minima potenza.

13. Considerazioni energetiche e geometria di massima L’aspect ratio è ancora un’incognita!

14. Considerazioni energetiche e geometria di massima

15. Considerazioni energetiche e geometria di massima

16. Verifica autonomia di volo

17. Considerazioni energetiche e geometria di massima

22. Simulazioni su ali battenti • Hanno lo scopo, noto il dimensionamento di massima, di testare diversi tipi di ala. • Più in dettaglio, permettono di comprendere il legame esistente tra frequenza, ampiezza del battito e velocità di crociera.

23. Simulazioni su ali battenti • Le simulazioni sono state svolte con un codice basato sul metodo a pannelli,che si basa sulla risoluzione dell’equazione di Laplace. • Valgono le ipotesi di fluido inviscido e irrotazionale. • I risultati, nell’ambito delle ipotesi, consentono comunque di avere un’idea quantitativa e qualitativa del problema studiato. • La scia viene modellata attraverso rilascio di singolarità (tipo vortici e/o doppiette).

24. Simulazioni su ali battenti • Apertura alare (b/2) = 0,6 m • AR = 8 • c = 0,15 m • Frequenza = 3 Hz, 5 Hz, 7 Hz • Angolo massimo di semiapertura = 15°, 30°, 40° • Velocità di avanzamento = 10 m/s , 15m/s , 20m/s , 25m/s Ala rettangolare

25. Simulazioni su ali battenti Scelta del profilo alare NACA 4415 SELIG 1223

26. Simulazioni su ali battenti

27. Simulazioni su ali battenti Spinta vs Tempo (f = 3 Hz)

28. Simulazioni su ali battenti Portanza vs Tempo (f = 3 Hz)

29. Simulazioni su ali battenti NACA 4415 SELIG 1223

30. Simulazioni su ali battenti NACA 4415 SELIG 1223

31. Simulazioni su ali battenti • Apertura alare (b/2) = 0,6 m • AR = 8 • c (alla radice) = 0,19 m • Frequenza = 3 Hz, 5 Hz, 7 Hz • Angolo massimo di semiapertura = 15°, 30°, 40° • Velocità di avanzamento = 10 m/s , 15m/s , 20m/s , 25m/s Ala ellittica

32. Simulazioni su ali battenti Ala ellittica

33. Simulazioni su ali battenti Ala ellittica

34. Simulazioni su ali battenti Ala ellittica Ala rettangolare

35. Simulazioni su ali battenti Ala ellittica Ala rettangolare

36. Conclusioni e sviluppi futuri Il presente studio ci ha consentito di valutare: • Geometria di massima • L’operare a 3000 m piuttosto che al livello del mare, non comporta sostanziali differenze di dispendio energetico da parte dell’UAV. • Il comportamento del battito dell’ala rigida in rapporto a diversi valori di frequenza, angolo di semiapertura e velocità di crociera. • Buone prestazioni del profilo SELIG • L’ala ellittica non apporta miglioramenti nel volo battuto rispetto all’ala rettangolare Possibili sviluppi futuri: • Simulazione del battito d’ali con un’ala flessibile • Simulazione dello svergolamento dinamico nel colpo d’ali verso il basso • Prototipo da testare in galleria del vento