ITALIANO

L'insegnamento 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. Il primo modulo didattico (6 CFU) è dedicato, principalmente, allo studio della stabilità statica a comandi bloccati e liberi di un velivolo. Attraverso lo sviluppo di un modello dinamico linearizzato a 6 gradi di libertà, se ne analizzano, poi, le caratteristiche di stabilità dinamica a ciclo aperto. Vengono studiate, inoltre, alcune manovre particolari (rollio rapido, vite) che prevedono, invece, l'utilizzo di modelli dinamici non lineari che permettono di evidenziare gli effetti di accoppiamento dovuti alle coppie inerziali. Tali argomenti, oltre a risultare propedeutici per il corretto dimensionamento dei piani di coda e per il centraggio del velivolo, permettono di analizzare la rispondenza dello stesso a specifici requisiti di certificazione EASA e di Qualità di Volo. Nel secondo modulo didattico (6 CFU) 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. L'insegnamento ha caratteristiche di forte interdisciplinarità, richiedendo conoscenze di base di Aerodonamica, Meccanica del Volo e di Strutture Aeronautiche.

• B. ETKIN, Dynamics of Flight – Stability and Control, John Wiley & Sons
• J. ROSKAM, Airplane Flight Dynamics and Automatic Flight Controls, DAR Corporation
• C.D. PERKINS and R.E. HAGE, Airplane Performance, Stability and Control, John Wiley and Sons
• C. CASAROSA, Meccanica del Volo, Pisa University Press
• 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.
• Norme EASA CS 23/25 (Sub-part A/B/C)

Il principale obiettivo formativo è quello 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:
1) essere in grado di identificare i principali parametri progettuali di un velivolo (per es. W/S, T/W) sulla base dei requisiti
2) 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)
3) 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)
4) sapere valutare i pesi di progetto di un velivolo sulla base del profilo di missione assegnato
5) sapere dimensionare correttamente le superfici portanti (ala e piani di coda) e le supefici di controllo con riferimento ai requisiti assegnati
6) sapere analizzare le caratteristiche di stabilità dinamica di un velivolo e valutarne la rispondenza ai requisiti di Qualità di Volo

• Concetti di base di Aerodinamica e di Meccanica del Volo
• Concetti di base di Costruzioni Aeronautiche

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

Modulo 1: colloquio orale e discussione di un elaborato relativo alla analisi della stabilità dinamica a ciclo aperto di un velivolo assegnato alla fine del corso ad ogni studente. Modulo 2: colloquio orale e 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

Sono disponibili le dispense delle lezioni e le diapositive utilizzate in formato pdf, scaricabili dalla pagina personale del docente

Modulo 1: Stabilità statica e controllo longitudinale a comandi bloccati – Limiti di escursione del baricentro - Stabilità statica e controllo longitudinale a comandi liberi - Limiti di escursione del baricentro - Sforzi di barra e gradiente degli sforzi di barra - Stabilità statica e controllo longitudinale in volo manovrato - Limiti di escursione del baricentro - Stabilità statica e controllo latero-direzionale a comandi bloccati e liberi - Sforzi sulla pedaliera e sul comando laterale – Equazioni generali del moto del velivolo - Angoli di Eulero - Equazioni della traiettoria – Teoria delle piccole perturbazioni e linearizzazione delle equazioni del moto - Derivate di stabilità – Criteri per la stabilità dinamica - Modi propri longitudinali e latero-direzionali di un velivolo - Qualità di volo – Effetto delle coppie giroscopiche nella manovra di rollio rapido e nella vite - Risposta del velivolo a modelli discreti di turbolenza atmosferica: raffica istantanea e 1-cos - Effetto del wind shear sulla dinamica longitudinale del velivolo. Modulo 2: 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.

Italian

The course provides the basic elements of a fixed-wing aircraft conceptual design. The first part of the course (6 CFU) 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 analysed.
In the second part of the course (6 CFU) 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 equipment are made. Numerical exercises are carried out during the course to provide students with practical tools to make a conceptual design of a subsonic civil fixed-wing aircraft. Due to its strong interdisciplinary nature, the course requires basic knowledge of Aerodynamics, Flight Mechanics and Aircraft Structures.

• B. ETKIN, Dynamics of Flight – Stability and Control, John Wiley & Sons
• J. ROSKAM, Airplane Flight Dynamics and Automatic Flight Controls, DAR Corporation
• C.D. PERKINS and R.E. HAGE, Airplane Performance, Stability and Control, John Wiley and Sons
• C. CASAROSA, Meccanica del Volo, Pisa University Press
• 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.
• Certification specifications EASA CS 23/25 (Sub-part A/B/C)

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:
1) identify the main aircraft design parameters (e.g. W/S, T/W) compliant with specific requirements
2) have knowledge of the requirements effect on the main aircraft configuration characteristics (e.g. wing area, installed thrust, take-off weight)
3) be able to select the most suitable configuration options on the basis of given requirements (e.g. wing profile and wing planform parameters, engines type and position, tail configuration )
4) estimate aircraft design weight (e.g. MTOW, OEW) based on a specific mission profile
5) be able to size wing and tail areas as well as the control surfaces area on the basis of given requirements
6) be capable to analyse the aircraft dynamic stability characteristics and evaluate its compliance with Flying Qualities requirements.

Basic knowledge of the following subjects is required:
Aerodynamcs, Flight Mechanics and Aircraft Structures.

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

1st Module: Oral examination. A specific case study related to the analysis of the dynamic stability characteristics will be assigned at the end of the course to each student and discussed during the final exam. 2nd Module: Oral examination. During the course an example of a fixed-wing aircraft conceptual design will be developed and discussed by the candidate student during the final examination. Oral examination will be devoted to verifying: 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

Lecture notes and slides used during the course are available in PDF format and can be downloaded from the teacher's personal webpage

1st Module: Longitudinal static stability and control (stick-fixed) – CG range limits - Longitudinal static stability and control (stick-free) – CG range limits – Longitudinal stick control force and force gradient estimation - Static stability and control in manoeuvring flight - CG range limits - Lateral-directional static stability and control (stick-fixed and stick-free) – Lateral stick control force and pedal force estimation – 6 DOF aircraft equations of motion - Euler angles - Flight path equation – Small perturbations equations of motion - Stability derivatives – Dynamic stability criteria - Longitudinal and lateral-directional aircraft dynamic modes - Flying Qualities – Effect of inertial couplings on the rapid roll and spin manoeuvre - Aircraft response to discrete gust: sharp edge gust and 1-cos gust - Effect of wind shear on aircraft longitudinal dynamics. 2nd Module: 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 CG position estimation - Aircraft static stability analysis - Practical examples of the conceptual design process.