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    Massimiliano MATTEI

    Insegnamento di DINAMICA E PROGETTO GENERALE DEI VELIVOLI

    Corso di laurea magistrale in INGEGNERIA AEROSPAZIALE

    SSD: ING-IND/03

    CFU: 12,00

    ORE PER UNITÀ DIDATTICA: 96,00

    Periodo di Erogazione: Annualità Singola

    Italiano

    Lingua di insegnamento

    ITALIANO

    Contenuti

    Il Corso fornisce agli allievi gli strumenti per l’analisi della dinamica del volo e per la progettazione concettuale di un velivolo ad ala fissa sulla base delle specifiche di missione e delle vigenti norme di certificazione. La prima parte del corso è dedicata allo studio della stabilità statica e dinamica a ciclo aperto dei velivoli ad ala fissa. Tali argomenti risultano propedeutici per il corretto dimensionamento dei piani di coda e per il centraggio del velivolo.
    Nella seconda parte del corso vengono forniti gli elementi per definire la configurazione preliminare di un velivolo sulla base del profilo di missione e delle prestazioni richieste: dalla scelta della forma in pianta dell'ala e dei piani di coda, al loro dimensionamento, dal dimensionamento della fusoliera e del carrello, alla scelta e al dimensionamento del propulsore. E’ infine fornita una panoramica degli impianti di bordo e degli equipaggiamenti. E’ previsto lo svolgimento di esercitazioni in aula volte alla progettazione concettuale di un velivolo subsonico dell’aviazione civile. Il corso ha caratteristiche di forte interdisciplinarità, richiedendo conoscenze di base di aerodinamica e di meccanica del volo.

    Testi di riferimento

    • B. ETKIN, Dynamics of Atmospheric Flight, John Wiley & Sons
    • C.D. PERKINS & R.E. HAGE, Airplane Performance, Stability and Control, John Wiley & Sons
    • B. N. PAMADI, Performance, Stability, Dynamics and Control of Airplanes, AIAA Education Series
    • D.P. RAYMER, Aircraft Design: a Conceptual Approach, AIAA Education Series, 4th Ed., 2006
    • J. ROSKAM, Airplane Design: Parts I through VIII, DAR Corporation, 1997.
    • E. TORENBEEK, Synthesis of Subsonic Airplane Design Desig Kluwer Academic Publisher 1982
    • D. STINTON, The Design of the Airplane, Second Edition, AIAA Educational Series, 2001.
    • V. LOSITO, Fondamenti di Aeronautica Generale, Pubblicazione dell’Accademia Aeronautica, Pozzuoli, 1983
    • Norme EASA CS 23/25 (Sub-part A/B/C)

    Sono disponibili dispense delle lezioni

    Obiettivi formativi

    Il Corso si propone di fornire agli allievi gli strumenti per l’analisi della dinamica del volo e per la progettazione concettuale di un velivolo ad ala fissa sulla base delle specifiche di missione e delle vigenti norme di certificazione.
    I risultati attesi al termine dell’insegnamento riguardano la capacità dello studente di:
    • essere in grado di identificare i principali parametri progettuali di un velivolo (per es. W/S, T/W) sulla base dei requisiti
    • essere in grado di valutare l'influenza che i requisiti stessi hanno sulle caratteristiche generali della configurazione di un velivolo ad ala fissa (per es. peso al decollo, superfice alare, spinta installata)
    • sapere effettuare le scelte progettuali più appropriate per il velivolo specifico in studio (per es. scelta del profilo e della forma in pianta dell'ala, tipologia e posizione dei propulsori, configurazione dei piani di coda)
    • sapere valutare i pesi di progetto di un velivolo sulla base del profilo di missione assegnato
    • sapere dimensionare correttamente le superfici portanti (ala e piani di coda) e le supefici di controllo con riferimento ai requisiti assegnati
    • sapere analizzare le caratteristiche di stabilità dinamica di un velivolo e valutarne la rispondenza ai requisiti di Qualità di Volo

    Prerequisiti

    • Concetti di base di Aerodinamica e di Meccanica del Volo
    • Concetti di base di Costruzioni Aeronautiche
    • Nozioni di base per l’analisi della risposta nel dominio del tempo e della frequenza di sistemi lineari e stazionari

    Metodologie didattiche

    Lezioni frontali in aula tenute dal/i docente/i del corso con durata di 120 minuti. Il corso prevede lo svolgimento in aula di esempi numerici ed esercitazioni con l’ausilio del calcolatore.

    Metodi di valutazione

    Colloquio orale con discussione di un elaborato sviluppato durante il corso che prevede lo sviluppo di una progettazione concettuale di un velivolo ad ala fissa
    Ai fini della verifica dell'apprendimento, nel colloquio 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

    Stabilità statica e controllo longitudinale a comandi bloccati e liberi - Stabilità statica e controllo longitudinale in volo manovrato - Stabilità statica e controllo latero-direzionale a comandi bloccati e liberi - Equazioni generali del moto del velivolo - Calcolo delle Derivate di stabilità - Moti caratteristici longitudinali e latero-direzionali - Qualità di volo – Effetti delle coppie giroscopiche nel rollio rapido - Risposta del velivolo a modelli discreti di turbolenza atmosferica.
    Le fasi della progettazione di un velivolo – Norme di Aeronavigabilità - Progettazione concettuale del velivolo - Stima del peso massimo al decollo in relazione alla configurazione, al carico pagante e al profilo di missione - Analisi di sensitività del peso alle specifiche di progetto - Dimensionamento del rapporto spinta/peso e del carico alare - Influenza di T/W e W/S sulle prestazioni del velivolo: autonomie, prestazioni al decollo e all’atterraggio - Volo in crociera - Prestazioni in manovra - Progettazione concettuale e dimensionamento di massima delle superfici aerodinamiche fisse e mobili - Scelta dei profili e della forma in pianta dell’ala - Scelta, dimensionamento e posizionamento del propulsore - Configurazione della fusoliera - Carrelli per l’atterraggio - Principali impianti di bordo - Stima del peso delle parti di un velivolo e della loro posizione - Relazioni tra la stabilità del velivolo e i parametri di progetto - Definizione del ciclo di progetto concettuale complessivo con esempi applicativi.

    English

    Teaching language

    Italian

    Contents

    The course provides the basic elements of a fixed-wing aircraft conceptual design. The first part of the course is mainly dedicated to aircraft static stability and control concepts and stability derivatives definition. Aircraft six degrees of freedom rigid body equations of motion are studied and open-loop aircraft dynamic stability concepts are presented. All the analyses are made in the light of airworthiness criteria. Specific aircraft manoeuvres (roll, spin) involving nonlinear dynamics due to inertial cross coupling are analyzed.
    In the second part of the course a preliminary analysis of possible mission requirements (range, payload, cruise altitude/speed, take-off and landing distance, etc.) is made. Additional design requirements related to civil airworthiness regulations are also presented and discussed. Methods for maximum take-off weight estimation, wing loading and thrust (or power) to weight ratio selection are studied. The problem of aircraft compliance to static stability and balancing requirements is then discussed with methods for the selection of wing planform/profile, empennages configuration, control surfaces and propulsion system. Methods for a preliminary sizing of the fuselage and landing gears are also presented. Some considerations concerning the proper choice of on board systems, avionics and other equipments are made. Numerical exercises are carried out during the course in order to provide students with practical tools to make a conceptual design of a subsonic civil fixed-wing aircraft.

    Textbook and course materials

    • B. ETKIN, Dynamics of Atmospheric Flight, John Wiley & Sons
    • C.D. PERKINS & R.E. HAGE, Airplane Performance, Stability and Control, John Wiley & Sons
    • B. N. PAMADI, Performance, Stability, Dynamics and Control of Airplanes, AIAA Education Series
    • D.P. RAYMER, Aircraft Design: a Conceptual Approach, AIAA Education Series, 4th Ed., 2006
    • J. ROSKAM, Airplane Design: Parts I through VIII, DAR Corporation, 1997.
    • E. TORENBEEK, Synthesis of Subsonic Airplane Design Desig Kluwer Academic Publisher 1982
    • D. STINTON, The Design of the Airplane, Second Edition, AIAA Educational Series, 2001.
    • V. LOSITO, Fondamenti di Aeronautica Generale, Pubblicazione dell’Accademia Aeronautica, Pozzuoli, 1983
    • Certification specifications EASA CS 23/25 (Sub-part A/B/C)

    Lecture notes and slides are available

    Course objectives

    The course is aimed at providing the basic elements of a fixed-wing aircraft conceptual design in the light of airworthiness criteria.
    At the end of the teaching phase, the student will be required to:
    • identify the main aircraft design parameters (e.g. W/S, T/W) compliant with specific requirements
    • have knowledge of the requirements effect on the aircraft configuration main characteristics (e.g. wing area, installed thrust, take-off weight)
    • be able to select the most suitable configuration options on the basis of given requirements (e.g. wing profile and wing panform parameters, engines type and position, tail configuration )
    • estimate aircraft design weight (e.g. MTOW, OEW) based on a specific mission profile
    • be able to size wing and tail areas as well as the control surfaces area on the basis of given requirements
    • be capable to analyze the aircraft dynamic stability characteristic and evaluate its compliance with Flying Qualities requirements.

    Prerequisites

    Basic knowledge of the following subjects is required:
    Aerodynamcs, Flight Mechanics and Aircraft Structures.
    Time and frequency domain response of linear systems.

    Teaching methods

    Lessons of 120 minutes length are given by lecturers. The course provides for numerical examples and exercises carried out by means of personal computer during the lessons in the classroom

    Evaluation methods

    Oral examination. During the course an example of a fixed-wing aircraft conceptual design will be developed and it will be discussed by the candidate student during the final examination.
    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

    Longitudinal static stability and control (stick-fixed and stick-free) - Static stability and control in manoeuvring flight - Lateral-directional static stability and control (stick-fixed and stick-free) - 6 DOF aircraft equation of motion - Stability derivaties - Longitudinal and lateral-directional aircraft dynamic modes - Flying Qualities – The rapid roll manoeuvre: effect of inertial couplings - Aircraft response to discrete gust.
    The aircraft design phases - Airworthiness regulations (EASA CS-23/25) - Aircraft conceptual design principles - Aircraft maximum take-off weight estimation based on assigned mission profile and payload - Sensitivity analysis - Wing loading and thrust to weight ratio selection - Wing loading and thrust to weight ratio effect on aircraft high speed and low speed performance - Cruise flight phase - Manoeuvring flight - Preliminary sizing of aerodynamic surfaces (wing, tail and control surfaces) - Wing aerodynamic profile and wing planform parameters selection - Engine type and installation selection - Engine thrust sizing: the rubber engine concept - Fuselage configuration definition - Landing gear selection and sizing - On-board systems characteristics selection - Aircraft weight breakdown estimation - Aircraft c.g. position estimation - Aircraft static stability analysis - Practicale examples of the conceptual design process.

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