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Volo in telemetria
Modello Piper in scala 1/4
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  Il volo, sotto descritto, fu' un'esperienza per testare una strumentazione telemetrica autocostruita che sarebbe poi servita per verificare i dati di progetto di un ultraleggero tramite un aeromodello rc in scala 1:33 che lo riproduceva in scala esatta.
Per verificare i dati di progetto e quindi essere sicuri della vericità dei dati raccolti  tramite la telemetria, furono misurate le caratteristiche aerodinamiche di un Piper scala 1:4 per poi verificarle e confrontarle con i dati di progetto del Piper full scale noti.

La strumentazione e le relazioni di volo furono realizzate da mio fratello Michelangelo.

Buona lettura! Occhiolino 


Per migliorare la progettazione di aeroplani in scala reale si è voluto utilizzare l’esperienza aeromodellistica che abbinata ad una telemetria ed ad uno studio sistematico dei risultati ottenuti, fornisse indicazioni dinamiche, aerodinamiche e quant’altro di interessante impossibili da ricavare con i metodi attualmente in uso (prove statiche a terra, gallerie del vento, simulazioni computerizzate etc.);

La telemetria ha messo in luce aspetti del volo, caratteristiche del modello, influenza dello stile di pilotaggio , che non potevano essere apprezzati dalla semplice osservazione dell’aeromodello da terra.

Le prove effettuate hanno come obbiettivo la misura delle seguenti caratteristiche aerodinamiche riferite all’aeromodello sopra descritto:

  •  Velocità di stallo con e senza flap / con e senza motore
  •  Velocità minima di volo con e senza flap
  • Forza resistente all’avanzamento dell’aeromodello
  • Potenza necessaria all’avanzamento
  • Angolo d’attacco massimo con e senza flap (angolo tra la direzione del vento e la direzione di portanza nulla dell’ala)
  • Regimi di salita massimi (rateo di salita)


    Risultati e commenti

Per una migliore comprensione per chi non conosce i parametri aerodinamici si può immaginare che Cl sia forza portante e quindi per Clmax si intende la forza di portanza massima dell’ala dopo la quale avviene solitamente lo stallo ad una prefissata velocità con angoli d’attacco diversi.

Altro parametro importante è la forza resistente (resistenza all’avanzamento dell’aeromodello), definita dal parametro Cd.

Il Cd si può immaginare come forza resistente, importante è sapere come esso sia influenzato dalla forza portante(Cl), il legame tra le due è solitamente racchiuso in un grafico che si chiama polare del velivolo.

Al fine di non commettere imprecisioni diciamo che la forza portante è Fl =0.5*r*S*V^2*Cl , ed la forza resistente Fd=0.5*r*S*V^2*Cd (Newton=0.5*1.2K/m^3*Superfice-ala*Velocità^2*Cl)

Da un’accurata osservazione dei dati si è visto che una causa che abbassa di molto il Clmax è l’interferenza del flusso di aria che esce dall’elica.

Nelle misure della velocità minima è emerso che il Clmax è stato di 1.3, ma in molte prove è stato di circa 0.7 ovvero quasi la metà, quindi non sempre è stato raggiunto.

In realtà è accaduto che più c’era differenza, tra la velocità dell’aria che usciva dall’elica, e quella del modello, più si abbassava il Clmax.

La velocità dell’aria che usciva dall’elica si è potuta ricavare dai giri motore moltiplicati per il passo dell’elica.

Da tutte le prove di stallo con il motore un po’ sostenuto, ovvero in presenza di una grande differenza tra corrente aria e flusso dopo elica (circa 50 km/h di velocità), il Clmax è sempre stato basso, e questo si è potuto riscontrare oltre che dai calcoli anche dalla misura dell’angolo d’attacco, (fornito dal sensore a bandierina sul bordo ala) nel momento dello stallo con un valore molto basso circa 8 gradi ed un Cl di 0.7.

Gli stalli ottenuti con motore a basso regime con differenze piccole di velocità tra corrente aria e flusso dopo l’elica(dell’ordine di 6 km/h ), hanno sempre superato il valore di Cl = 1. Inoltre il modello è riuscito a volare per grandi tratti a Cl di 1.2-1.3 senza stallare con angoli d’attacco dell’ordine di 15-16 gradi o più.

       Ecco un esempio estratto dalla registrazioni in telemetria.

I grafici si riferiscono al volo n° 7 e n° 14, il tempo è espresso in minuti e frazioni di minuti, l’intervallo e di 0.2 minuti ovvero 12 sec.

Lo stallo dell’ aeromodello si riscontra da un salto dell’angolo d’orizzonte che sale in maniera repentina.

 

Nei grafici dell’angolo d’attacco per un valore uguale a zero si intende che l’ala non ha portanza.

 

 

Nei grafici dell’orizzonte per un valore uguale a zero si intende che la direzione di portanza nulla dell’aereo è perpendicolare alla gravita terrestre.

 

 

 
 
   

Stallo con motore

Velocità di stallo =52 Km/h a 8000 rpm circa

96Km/h di Velocità aria dopo l’elica

Differenza delle velocità 96-52=44Km/h

Da calcoli Clmax = 0.7

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Velocità media =42 Km/h a 4000 rpm circa

48 Km/h di Velocità aria dopo l’elica

Differenza delle velocità 48-42=6Km/h

Da calcoli Cl medio =1.1

 

 


Nel caso dell’aeromodello in questione 1 mq. di superficie alare ed 11 kg di peso con un’ apertura alare di 2.7m ed elica Menz 17-8 (misura in pollici diametro-passo), gli stalli si sono verificati intorno ai 50-54 Km/h di velocità con il motore a regime elevato, ed a 37-40 Km/h di velocità con il motore a regime molto basso, ovvero una differenza di 10-11 Km/h, fra i due modi di stallare.

Differenza di Clmax da 1.3 a 0.7

 

 

Il fatto che troppo motore peggiora il Clmax, sembra contrastare con la normale logica, che un fluido a maggiore energia sia meglio di un fluido a bassa energia nei riguardi di un Clmax più alto, si pensi ad esempio che per aumentare l’efficienza dei flaps si inserisce dell’aria tramite delle fessure per aumentare la portanza.

Quello che occorre tenere presente, è che l’aria che esce da un elica non è ordinata, ma è a grumi e molto turbolenta,infatti nelle gallerie del vento dopo le eliche, l’aria passa per una serie d’elementi che ne stabilizzano il flusso.

Se consideriamo due flussi a velocità diverse lo strato che li separa non è dritto ma con molti ricircoli, questa è la situazione tra l’aria che esce dall’elica e quella circostante.

 

Un flusso disordinato ad alta energia non è utile ma dannoso. Dalla figura si evince la possibilità di far stallare prima il piano di quota causando un pitch-up.

Dall’osservazione dei dati emerge quindi che il decollo (per un modello simile all’aeromodellino), è in una situazione in cui non si può disporre del Clmax, poiché il motore è al massimo e la velocità di decollo bassa.

Evidente l’importanza di decollare ad una velocità di circa il 20% superiore a quella di stallo ideale. Un’altra cosa che ha influenzato il Clmax ma in maniera molto ridotta rispetto alla precedente causa, è il modo d’azionamento del piano di profondità, il quale se azionato con oscillazioni di comando (ovvero in modo nervoso) provoca diminuzioni del Clmax dell’ordine di 0.2-0.3.

 

 

Nelle prove inoltre è stato interessante notare la proporzionalità che c’è stata tra l’angolo d’attacco e il comando di profondità.

Molte oscillazioni nel comando di profondità si sono ripercosse sull’angolo d’attacco.

Inoltre si può prevedere l’avvenire di uno stallo in volo livellato o semi livellato soltanto dalla posizione del comando di cabrata, che si deve dare per bilanciare tale situazione (questo se non si dispone di uno strumento di velocità).

 

 

 


Il pilota di modelli radiocomandati potrebbe, per non andare in stallo, dare più motore quando sente che il comando del cabra è arrivato ad un certo limite.

Nel grafico della profondità, il comando positivo s’intende a cabrare, questo per poterlo confrontare direttamente con l’angolo d’attacco. Ecco un esempio estratto dalla registrazione in telemetria in cui è evidente la corrispondenza.

 

 

 

 

                      Volo a bassa velocità

                                Volo a velocità normale 80 Km/h

 

 



Nel caso del modello, si vede come per il volo livellato, la possibilità di entrare in stallo con motore a basso regime, si ha dopo i 5 gradi positivi di comando di cabrata. Un altro esempio di volo a bassa velocità, circa 45 km/h, si vede la corrispondenza tra comando di cabra e angolo d’attacco, ed il forte angolo d’attacco, volo n°14 (qui a sinistra) con un intervallo di tempo pari a 30 secondi.

Si nota come nelle anse di bassa velocità, si è costretti a cabrare per mantenere la situazione di volo, (vedi comando di profondità) e conseguente salita dell’angolo di attacco. In questo caso, la velocità è fornita da un sensore ad elica posto sotto l’ala. Per testare la veridicità della strumentazione, la velocità è stata controllata anche da un tubo di Pitot collegato a dei sensori di pressione. Inoltre la pressione presa dai fori sul cilindro esterno del tubo di Pitot, (ovvero la presa di pressione statica) è servita per l’ altezza della quota dell’ aeromodello.

Da calcoli Cl =1.4 picco registrato nell’ansa di destra 37Km/h.

 

 

                   I piloti in blu, i tecnici in verde, hostess rosa.

 

 

Il fattore scala Reynolds

In seguito si vedrà come un aeromodello in scala ridotta è molto utile per la previsione dei comportamenti di un aereo a grandezza naturale, e di come tra aeromodello ed aereo esiste un legame anche a Re diverso.

 

 

 

 

Il profilo del Piper è molto simile al profilo Naca 4412; nelle figure sotto si può apprezzare la somiglianza.

 

 

Da prove fatte dal Naca sul Clmax, sulla serie di profili 44 riportiamo un quadro riassuntivo dato dal testo “ Theory of wing sections H ABBOTT ”, nel quale occorre guardare la linea 12, riferita al profilo 4412

 

 

                             
                                    Theory of wing sections H ABBOTT



Sempre nello stesso quadro è stato inserito un punto blu che è il Clmax ricavato dalla telemetria dello aeromodello radiocomandato

Il modello in telemetria vola circa ad un Re = 0.3x10E6, che corrisponde alla velocità di 40 Km/h, ed una corda alare di 0.4m, ad aria standard entro i 500 metri d’altezza.

Nel grafico in basso, per visualizzare meglio come Clmax varia con Re, sono stati riportati i punti di Cl Max presi dal quadro in alto.

Si vede come il punto blu, sembra essere la naturale tendenza del Clmax a bassi Re, questo evidenzia la bontà dell’esperimento.

In rosso, sul grafico, si è voluta fare una linea di minimo Clmax, partendo dal punto di minimo Clmax riscontrato sull’aeromodello, è certo che tale curva perde di bontà a Re grandi poiché mancano i punti.

 

 

  


Questo significa che al di sotto della riga rossa, è impossibile o quasi entrare in stallo ma al di sopra occorre prestare attenzione; evidenziando che comunque un ottimo pilotaggio non può andare sopra la riga blu-nera.

Volendo utilizzare i dati in funzione del modello a scala reale, con una corda di 1.6m ed una velocità di stallo di 80-90 Km/h perciò circa Re=2.8x10E6, con un peso di 600Kg ed una superficie alare di 16 mq., ad un Clmax (Max) =1.5 ed un Cl Max (minimo garantito) =1.1 , ecco che, la velocità minima garantita sarebbe di 88 Km/h (Cl Max1.1senza flap) ma un ottimo pilota potrebbe volare anche a 75Km/h (Cl Max1.5senza flap).

Per quanto riguarda la resistenza d’avanzamento le prove fatte hanno permesso la misura soltanto a Cl bassi (planate veloci circa 80-100 km/h.

 

 

                                                                                                                                



La polare gialla è solo indicativa poiché mancano punti a Cl oltre lo 0.3 .

La resistenza d’avanzamento è influenzata dal modo in cui si aziona il piano di quota , anche qui una guida nervosa aumentata la resistenza d’avanzamento.

Queste caratteristiche si sono potute valutare dalle planate in cui l’unica forza propulsiva era la proiezione del peso . Dalle prove in galleria del vento, si è riscontrato che Re non ha importanza sulla resistenza a Cl piccoli perciò il Cd di 0.035 a Cl di 0.2 può essere un dato direttamente utilizzabile per il Piper vero .

                                                                                                                                       

 

 

                       Comando tranquillo

 

                             Comando nervoso

 

 

L’intervallo nei due grafici è lo stesso e sono riferiti al volo n° 7 l’intervallo e di 12 sec. sono evidenti le differenze , la definizione per tutti grafici è di 7 punti/sec.

Parlando di numeri riferiti all’ aeromodello in telemetria, di 1 mq. di superficie alare, ed 11 kg di peso, ed apertura alare di 2.7m, a 122 km/h la forza resistente è stata di 2.6Kg con una potenza necessaria per l’avanzamento di 1.18 Cv (nel caso di planate la potenza è fornita dalla diminuzione dell’energia potenziale nell’unita di tempo).

Mentre a 84 km/h la forza resistente è stata di 1.7 Kg con una potenza di 0.50 Cv . Per utilizzare i dati delle planate sono state utilizzate solo quelle planate in cui la perdita di quota era simile a quella che si poteva ricavare da calcoli basati sulla traiettoria e lo spazio percorso in termini di velocità per tempo .

I tratti di planata stabili sono stati utilizzati per il calcolo.

Un confronto con un aeroplano simile (scala reale di cui sotto le caratteristiche)

 

                            
                               FairChild 2w2

 

 

 

L’allungamento di quest’aeroplano è di 7.14 contro 7.29 dell’ aeromodello usato in telemetria, ed il rapporto (area frontale fusoliera) / (area ala) vale per il Fairchild 2w2 di 0.058 mentre per l’aeromodello in telemetria è di 0.055. Quest’ultimo parametro è importante poiché il Cd è sempre riferito alla superficie dell’ala. La scala del modello è di circa ¼ rispetto Fc_2w2.

Come si può notare il rapporto più alto delle aree e soprattutto la non carenatura del motore fa sì che il Cd a bassi Cl sia di 0.07 quasi il doppio del Cd dell’aeromodello agli stessi Cl che vale 0.04 circa la metà.

Nel rapporto Naca T.N.340 è messo in evidenza come una carenatura motore faccia migliorare moltissimo l’aerodinamica. La polare del vero Piper potrebbe essere la linea rossa , passante per il Cd 0.04 a Cl 0.3 e non più alta di Cl Max di 1.5, punti trovati in telemetria , la curva è stata tracciata somigliante alla polare del Fc_2w2 e quasi coincidente ai Cl alti , dato che il Cd indotto a Cl alti è molto più grande del Cd0 (coefficiente di resistenza a portanza nulla).

 

 


Il modello in telemetria del Piper scala ¼


Interessante notare come anche in una scala più grande con pilota a bordo lo stallo o il Clmax non arrivi sempre al massimo , infatti i punti sono sparpagliati. Sempre parlando di numeri sulla base di quanto detto, ipotizzando un possibile confronto tra il Piper vero e Fc_2w2 , con una potenza di 100 Cv ed un rendimento dell’elica del 80% (ottimale), aeroplani con 16 mq. di ala la velocità del Piper sarebbe di 198 Km/h mentre quella del Fc_2w2 sarebbe di 165 Km/h ovvero con 33 Km/h di differenza.

 

Salite rapide

Nelle salite con il motore al massimo regime il pilota ha trovato difficoltà ad impostare correttamente la traiettoria. In molte prove è accaduto che l’angolo di rampa impostato troppo elevato ne invalidasse la prova , poiché nella salita diminuiva la velocità con un conseguente stallo del modello quando si scendeva al di sotto dei 50 Km/h.

 

  

In questa registrazione di una rampa di salita in cui non si è trovata la condizione giusta, si vede come la velocità diminuisce fino al punto in cui il modello si siede, ed il motore al massimo contribuisce a sostenere il peso dell’aereo. Notare il picco di comando a picchiare, e la velocità che dopo è tornata ad aumentare. Dal comando dato a destra sugli alettoni si vede come il modello tendeva a cadere a sinistra. La bravura del pilota ha recuperato una situazione critica. Occorre considerare che l’aeromodello si trovava ad una distanza almeno 150 m (vedi quota). Tempo fra le linee rosse 7.5 sec.

  

 

  



E’ risultato che le velocità ottimali di salita rapida sono intorno ad una velocità 85 Km/h con un angolo di traiettoria di circa 15° con velocità di salita 6.33m/s. La potenza che il complesso motore elica fornisce(riferita alla salita sopra descritta) è stata di 1.4CV con una spinta utile di 4.4 Kg (calcolo basato sul Cd trovato in planata e su principi energetici). Da non confondere con la potenza del motore perché occorre considerare il rendimento d’elica e le interazioni con la naca motore.

 

 

In questa registrazione il tempo è di 12 sec volo N 3(registrazioni sotto riportate). Si può calcolare direttamente l’angolo della traiettoria togliendo dall’angolo di orizzonte l’angolo di attacco , circa 20°-5°=15°. Questo è un esempio di come si devono scegliere i tratti di registrazione per ottenere dei risultati più precisi.

 

        



I tratti da considerare sono veramente rari poiché occorre che l’aeromodello non sia in virata e che dalla stessa manovra sia passato un po’ di tempo, almeno 5 sec.

Inoltre occorre che l’aeromodello sia in una situazione di regime stabile, o perlomeno quanto più similmente tale.

Il pilota per quanto bravo, è in una situazione un po’ critica e per controllare se l’aeromodello è in stallo o prossimo allo stesso, controlla se reagisce ai comandi di alettone (notare il continuo controllo sul comando degli alettoni). Inoltre data la quota era difficile sentire se il motore era in moto . Il salto di quota è nell’intervallo di 248-170=78 m in 12 sec.

Con una velocità media di 80 Km/h .

L’angolo di attacco misu-rato all’estremità dell’ala, dalla bandierina risente delle oscillazioni date agli alettoni dal pilota.

Nel riquadro rosso e riportato il comando degli alettoni.

 

  

 

Flap e Atterraggio.

 

    


Con i flap deflessi al massimo 40°, il Clmax è stato media-mente di 1.9-2. L’aeromodello è riuscito a volare per alcuni tratti a velocità di 32 Km/h.

Con i flap la velocità minima si è abbassata di circa 8Km/h. La registrazione accanto riguarda un volo con i flap a 40°. Per dare un idea di come si presen-tano le registrazioni si è voluto mettere un tempo di intervallo di 1,5 minuti .

Questo anche se potrebbe sembrare un tempo breve in realtà per il pilota aeromodellista non lo è. Lo spazio percorso mediamente con 80 km/h di velocità è di 2Km. Il pilota in uno sazio del genere è obbligato ad effettuare almeno 4 virate e 4 tratti da 500m. Questo per mantenere la visibilità dello aeromodello entro i 250m.

In questa registrazione data la bassa velocità 2 virate e un atterraggio.

  

  

 

Il volo con sole già basso ha impedito al sensore dei giri di leggere correttamente i giri dell’elica . La linea rossa è la corretta lettura.

Si vede come i flap aiutano il pilota, poiché porta spesso la velocità sotto i 40 Km/h,(velocità che non sarebbe possibile senza l’uso dei flap). Il pilota perciò se si comporta cosi significa che sente dei margini di manovra ampi. Il modello con i flap abbassati per essere centrato durante il volo doveva avere il piano di profondità a picchiare di –7.5° ( linea grigia).

Il modello tocca terra intorno ai 25Km/h (occorre considerare l’effetto suolo).

I voli in telemetria sono stati 14, con una durata media di 5 minuti per ognuno.

 

La pagella dell’aeromodello Piper j3-cub

 

Max velocità in volo livellato

122 KM/h

Max velocità d’ascesa

6.3-6.6 m/s

Minima velocità di volo senza flap

39-42 Km/h

Minima velocità di volo con flap

30-32 Km/h

Forza resistente a 84km/h

1.7 Kg

 

 

Dati dell’ aeromodello

Peso al decollo (con attrezzatura e miscela)

11     Kg

Apertura alare

2.70  m

Corda alare

0.4    m

Corda flap

0.07  m

Lunghezza flap

0.43  m

Corda alettoni

0.09  m

Apertura piano di profondità

0.75  m

Corda piano di profondità

0.30  m

Parte mobile superficie

40    %

Pianta piano di profondità

Ellittica

Altezza fusoliera

0.33  m

Larghezza fusoliera

0.16  m

Distanza bordo ala bordo profondità

0.95  m

Lunghezza fusoliera ogiva-timone

1.7    m

Posizione del baricentro dal bordo ala

0.12  m

Elica

Menz 17-8 (Pollici)

Allungamento alare

7.29

Motore

Supertigre G20/23

 

 

Michelangelo Antonelli 6/4/2001