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    Massimiliano MATTEI

    Insegnamento di MECCANICA DEL VOLO

    Corso di laurea in INGEGNERIA AEROSPAZIALE-MECCANICA

    SSD: ING-IND/03

    CFU: 9,00

    ORE PER UNITÀ DIDATTICA: 72,00

    Periodo di Erogazione: Primo Semestre

    Italiano

    Lingua di insegnamento

    ITALIANO

    Contenuti

    Nella prima parte del corso (6 CFU) vengono fornite le conoscenze metodologiche di base per la valutazione preliminare delle prestazioni dei velivoli, con riferimento a diverse fasi di volo: decollo, salita, crociera, discesa, atterraggio, volo manovrato (virata e richiamata).
    Nella seconda parte del corso (3 CFU) vengono fornite le nozioni preliminari relative all’analisi della risposta, nel dominio del tempo e della frequenza, di semplici sistemi linearizzati, finalizzati alla simulazione numerica della dinamica semplificata del velivolo

    Testi di riferimento

    • V. LOSITO, Fondamenti di Aeronautica Generale, Accademia Aeronautica
    • J. D. ANDERSON, Introduction to Flight, McGraw-Hill International Edition
    • B.W. MCCORMICK, Aerodynamics, Aeronautics and Flight Mechanics, John Wiley & Sons
    • WARREN F. PHILLIPS, Mechanics of Flight, John Wiley & Sons
    • S. Chiaverini, F. Caccavale, L. Villani, L. Sciavicco, Fondamenti di Sistemi Dinamici, McGraw-Hill, Milano, 2003.
    • P. Bolzern, R. Scattolini, N. Schiavoni, Fondamenti di Controlli Automatici, McGraw-Hill, Milano, 2004.

    Sono disponibili dispense delle lezioni

    Obiettivi formativi

    Obiettivo principale della prima parte del corso (6 CFU) è quello di fornire le conoscenze metodologiche di base per la valutazione preliminare delle prestazioni dei velivoli. L'obiettivo della seconda parte del corso (3 CFU), invece, è quello di fornire allo studente gli strumenti per l'analisi, nel dominio del tempo e della frequenza, di semplici sistemi linearizzati finalizzati alla simulazione numerica della dinamica semplificata del velivolo. I risultati attesi al termine dell’insegnamento riguardano la capacità dello studente di:
    • sapere stimare le prestazioni di un velivolo ad ala fissa nelle varie fasi di volo, almeno in via preliminare
    • sapere comprendere l'effetto che alcuni parametri di progetto (es. carico alare, rapporto spinta/peso) hanno sulle prestazioni
    • avere acquisito una corretta teminologia nell'ambito della disciplina
    • avere acquisito la conoscenza degli ordini di grandezza dei valori numerici che ragionevolmente ci si deve attendere per una corretta analisi dei risultati ottenuti nei vari casi di riferimento
    • sapere valutare la rispondenza delle prestazioni ai vincoli normativi
    • sapere analizzare semplici modelli dinamici linearizzati nel dominio del tempo e della frequenza
    • utilizzare l'ambiente di simulazione Matlab/Simulink in piena autonomia

    Prerequisiti

    • Concetti di base dell’Aerodinamica degli aeromobili
    • Elementi di meccanica dei corpi rigidi
    • Algebra lineare, calcolo matriciale, nozioni sulle equazioni differenziali a derivate totali

    Metodologie didattiche

    Le lezioni frontali sono tenute dal/i docente/i del corso e hanno durata di 120 minuti.
    Il corso prevede lo svolgimento in aula di esempi numerici ed esercitazioni con l’ausilio del calcolatore in ambiente Matlab-Simulink.

    Metodi di valutazione

    Colloquio orale relativamente alla prima parte del corso (6 CFU).
    Svolgimento di un esercizio numerico + colloquio orale per la valutazione relativa alla seconda parte del corso (3 CFU).
    Ai fini della verifica dell'apprendimento, nella prova orale, saranno valutati in particolare:
    1) Capacità dell'allievo di esporre in modo chiaro gli argomenti studiati con l'utilizzo di un linguaggio tecnico appropriato
    2) Capacità di sintesi e di collegamenti tra gli argomenti trattati nel corso
    3) Capacità di analisi critica di problemi inerenti la materia in studio
    4) Conoscenza degli ordini di grandezza dei risultati numerici che ragionevolmente ci si deve attendere per una corretta analisi dei casi in studio

    Programma del corso

    Richiami al modello di atmosfera standard e principi di funzionamento dei principali strumenti a capsula - Moto rettilineo, uniforme, simmetrico, orizzontale - Volo in discesa e volo librato: effetto del vento sul volo librato - Il volo in salita: salita rapida, salita ripida – Quota di tangenza teorica e pratica - Il volo in crociera: calcolo delle autonomie di distanza e di durata - Effetto del vento sulla autonomia di distanza - Il diagramma “Carico pagante vs Autonomia” - Fattore di carico, diagramma di manovra e di raffica - La virata - La richiamata - Il decollo: calcolo approssimato della pista di decollo, pista bilanciata di decollo, aspetti normativi - L’atterraggio: calcolo approssimato della pista di atterraggio, aspetti normativi - Cenni alla stabilità statica longitudinale e latero-direzionale.
    Formalizzazione dei modelli matematici di sistemi dinamici nel tempo continuo a livello ingresso-uscita e ingresso stato uscita. Studio della risposta dei sistemi lineari nel dominio di Laplace e di Fourier. Cenni alla stabilità, controllabilità e osservabilità. Esempi di applicazione su velivoli in ambiente Matlab-Simulink.

    English

    Teaching language

    Italian

    Contents

    The course mainly provides the methodological basis for preliminary fixed-wing aircraft performance estimation. By using suitable simplifying assumptions, aircraft equations of motion will be written and solved in a closed form with reference to different flight phases/manoeuvres (cruise, climb, descent, take-off, landing, turn, pull-out). The influence that specific aircraft characteristics (e.g. weight, engine type, wing loading, etc.) and operating conditions (speed, altitude) have on performance will be emphasized through several numerical examples. Finally, basic mathematical tools for time-domain and frequency-domain response analysis of linear systems will be provided aimed at the simulation of a simplified aircraft dynamics.

    Textbook and course materials

    • V. LOSITO, Fondamenti di Aeronautica Generale, Accademia Aeronautica
    • J. D. ANDERSON, Introduction to Flight, McGraw-Hill International Edition
    • B.W. MCCORMICK, Aerodynamics, Aeronautics and Flight Mechanics, John Wiley & Sons
    • WARREN F. PHILLIPS, Mechanics of Flight, John Wiley & Sons
    • S. Chiaverini, F. Caccavale, L. Villani, L. Sciavicco, Fondamenti di Sistemi Dinamici, McGraw-Hill, Milano, 2003.
    • P. Bolzern, R. Scattolini, N. Schiavoni, Fondamenti di Controlli Automatici, McGraw-Hill, Milano, 2004.

    Lecture notes are available

    Course objectives

    The course mainly aims at providing the methodological basis for preliminary fixed-wing aircraft performance estimation as well as the basic mathematical tools for time-domain and frequency-domain response analysis of linear systems will be provided aimed at the simulation of a simplified aircraft dynamics.
    At the end of the teaching phase, the student will be required to:
    • be able to estimate the performances of fixed wing aircraft
    • have knowledge of how performance are affected by some design parameters such as wing loading or thrust to weight ratio
    • use a proper technical terminology
    • quickly estimate the orders of magnitude of numerical values that could be reasonably expected
    • understand airworthiness regulation constraints on aircraft performance
    • be able to analyze simple linear system aimed at aircraft dynamics simulation
    • have full capability in using Matlab/Simulink simulation environment

    Prerequisites

    Basic knowledge of
    the following subjects is required:
    • Linear and matrix algebra
    • Differential calculus
    • Aerodynamics

    Teaching methods

    Lessons of 120 minutes length are given by lecturers. The course provides for numerical examples carried out by means of personal computer in Matlab/Simulink environment.

    Evaluation methods

    Oral examination concerning subjects of the first module (6 CFU). A written numerical exercise + oral examination concerning subjects of the second module (3 CFU).
    In particular, oral examination will be devoted to verify:
    1) Ability of the student to present clearly the subjects using the appropriate technical language.
    2) Ability to summarize and link the topics covered in the course
    3) Capability to make a critical analysis of problems related to the subject under study
    4) Knowledge of the orders of magnitude of numerical results that can reasonably be expected for a correct analysis of the case studies

    Course Syllabus

    The International Standard Atmosphere model - Flight speed and altitude measurement - Flight at constant altitude and constant speed - Gliding flight: effect of wind on gliding performance - Climb flight phase: minimum time climb and minimum distance climb – Maximum teoretical and operating altitude - Aircraft flight envelope - Cruise flight phase: maximum range and maximum endurance - Wind effect on cruise performance - Payload vs. Range diagram - Load factor definition, manoeuvre and gust load diagram - Turning flight: steady coordinated turn - The pull-up manoeuvre - Take-off phase: airworthiness regulations requirements - Preliminary calculation of AEO take off distance - Balanced field length - Landing phase: airworthiness regulations requirements - Preliminary calculation of landing distance - Longitudinal static stability and control principles - Lateral-directional static stability principles.
    Basic mathematical model definition for time-domain and frequency-domain response analysis of linear systems. Response analysis of LTI dynamic systems in the Laplace domain and Fourier domain. System stability, controllability and observability principles - Simulation examples of a simplified aircraft dynamics in Matlab/Simulink environment.

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