Studio per lStudio per l’’installazione di installazione di

un sistema un sistema ““FlyFly--ByBy--WireWire”” su su

di un ultraleggerodi un ultraleggero

Candidato Candidato RelatoreRelatore

Emanuele PasquinoEmanuele Pasquino Prof. Ing. Luca PiancastelliProf. Ing. Luca Piancastelli

ALMA MATER STUDIORUM ALMA MATER STUDIORUM –– UNIVERSITAUNIVERSITA’’ DI BOLOGNADI BOLOGNA

FACOLTAFACOLTA’’ DI INGEGNERIADI INGEGNERIA

CORSO DI LAUREA IN INGEGNERIA MeccanicaCORSO DI LAUREA IN INGEGNERIA Meccanica

Sede di BolognaSede di Bologna

ELABORATO FINALE DI LAUREA IN DISEGNO TECNICO INDUSTRIALEELABORATO FINALE DI LAUREA IN DISEGNO TECNICO INDUSTRIALE

Scopo di questa tesi Scopo di questa tesi èè ll’’applicazione ad applicazione ad un ULM (Ultra Light Machine un ULM (Ultra Light Machine ––Ultraleggero) di grande diffusione quale Ultraleggero) di grande diffusione quale lo Storch CL, prodotto dalla lo Storch CL, prodotto dalla FLYSYNTHESIS s.r.l., di un sistema di FLYSYNTHESIS s.r.l., di un sistema di controllo del volo di tipo Flycontrollo del volo di tipo Fly--ByBy--Wire.Wire.

SCOPO DELLA TESI:SCOPO DELLA TESI:

Generalmente i Generalmente i comandi presenti nellcomandi presenti nell’’abitacoloabitacolosono i seguenti:sono i seguenti:

��leva di leva di controllo del rolliocontrollo del rollio che muove gli che muove gli alettonialettoni((clochecloche))

��colonna di colonna di controllo del beccheggiocontrollo del beccheggio che muove i che muove i timoni di profondittimoni di profonditàà

��pedalipedali di guida per ldi guida per l’’imbardataimbardata che muovono il che muovono il timonetimone

Alcuni velivoli leggeri come quello oggetto di Alcuni velivoli leggeri come quello oggetto di questa tesi usano una leva di controllo sia per il questa tesi usano una leva di controllo sia per il rollio che per il beccheggio; i pedali per rollio che per il beccheggio; i pedali per ll’’imbardataimbardata

I I sistemi di controllo del volosistemi di controllo del volo (FCS) (FCS) sono classificati come segue:sono classificati come segue:

Controllo meccanicoControllo meccanico

��ÈÈ il piil piùù semplicesemplice

��Utilizzato nei Utilizzato nei piccoli aeromobilipiccoli aeromobili in cui le in cui le forze forze aerodinamiche non sono troppo elevateaerodinamiche non sono troppo elevate

��Vengono Vengono utilizzateutilizzate una serie di parti una serie di parti meccaniche come meccaniche come barre, cavi, puleggebarre, cavi, pulegge e a e a volte volte catenecatene per per trasmettere le forzetrasmettere le forzeapplicate ai comandi nel cockpit applicate ai comandi nel cockpit alle alle superfici di controllosuperfici di controllo

Controllo idromeccanicoControllo idromeccanicoComplessitComplessitàà e peso dei sistemi di controllo meccanici e peso dei sistemi di controllo meccanici aumentano considerevolmente allaumentano considerevolmente all’’aumentare di dimensioni aumentare di dimensioni e prestazioni delle prestazioni dell’’aeromobile.aeromobile.

La forza idraulica supplisce a questi limiti.La forza idraulica supplisce a questi limiti.

Con lCon l’’utilizzo dei sistemi di controllo idraulico, dimensione e utilizzo dei sistemi di controllo idraulico, dimensione e prestazioni dellprestazioni dell’’aeromobile sono limitati non piaeromobile sono limitati non piùù dalla forza dalla forza del pilota bensdel pilota bensìì dal budget economico a disposizione.dal budget economico a disposizione.

Un sistema di controllo idromeccanico Un sistema di controllo idromeccanico èè composto di due composto di due parti:parti:

�� circuito meccanicocircuito meccanico�� circuito idraulicocircuito idraulico

Controllo di tipo FlyControllo di tipo Fly--ByBy--WireWire

Elimina complessitElimina complessitàà, fragilit, fragilitàà e peso del e peso del circuito meccanico del sistema circuito meccanico del sistema idromeccanico e lo sostituisce con un circuito idromeccanico e lo sostituisce con un circuito elettrico.elettrico.

I controlli del cockpit ora operano su I controlli del cockpit ora operano su trasduttori di segnale che generano i comandi trasduttori di segnale che generano i comandi appropriati.appropriati.

I comandi vengono elaborati da una centralina I comandi vengono elaborati da una centralina elettronica.elettronica.

Con questa configurazione, Con questa configurazione, il sistema di il sistema di controllo deve simulare la controllo deve simulare la ““sensibilitsensibilità”à”..La centralina elettronica comanda i La centralina elettronica comanda i dispositivi elettrici per il dispositivi elettrici per il force feedbackforce feedbackin modo tale da in modo tale da garantiregarantire la sensazione la sensazione di forza appropriata sui comandi di forza appropriata sui comandi manuali.manuali.

LL’’ultima evoluzione ultima evoluzione èè il sistema di il sistema di controllo controllo FlyFly--ByBy--Wire digitaleWire digitale che che aumenta la flessibilitaumenta la flessibilitàà in quanto i in quanto i computer digitali possono ricevere computer digitali possono ricevere input da ogni sensore del velivoloinput da ogni sensore del velivolo

I computer ricevonoI computer ricevono le le posizioniposizioni e le e le forzeforze dai dai comandicomandi del pilota del pilota e dai sensorie dai sensori delldell’’aereo ed aereo ed elaborano le equazioni differenzialielaborano le equazioni differenziali che che governano i controlli del volo governano i controlli del volo per esplicitare le per esplicitare le intenzioni del pilota.intenzioni del pilota.

Il programma utilizzato dai computer digitali Il programma utilizzato dai computer digitali permette ai disegnatori di progettare permette ai disegnatori di progettare precisamente le caratteristiche di handling.precisamente le caratteristiche di handling.

Inoltre Inoltre il software può prevenire situazioni di il software può prevenire situazioni di volo pericolose impedendo ai piloti di superare i volo pericolose impedendo ai piloti di superare i limiti predefiniti (inviluppo delllimiti predefiniti (inviluppo dell’’aereo).aereo).

Un tipo piUn tipo piùù recente di sistema di controllo recente di sistema di controllo del volo, chiamato del volo, chiamato IFCS (Intelligent Flight IFCS (Intelligent Flight Control System)Control System), , èè una estensione dei una estensione dei moderni sistemi di controllo del volo Flymoderni sistemi di controllo del volo Fly--ByBy--Wire digitali.Wire digitali.

Lo scopo dellLo scopo dell’’IFCS IFCS èè quello di quello di compensare compensare in maniera intelligente i possibili problemi in maniera intelligente i possibili problemi dovuti a danneggiamenti o dovuti a danneggiamenti o malfunzionamenti durante il volomalfunzionamenti durante il volo, come , come ll’’uso automatico della spinta e luso automatico della spinta e l’’avionica avionica per compensare gravi malfunzionamenti per compensare gravi malfunzionamenti come la perdita del circuito idraulico, del come la perdita del circuito idraulico, del timone, degli alettoni, di un motore o altro.timone, degli alettoni, di un motore o altro.

Dispositivi per il Dispositivi per il ““force feedbackforce feedback””

Nei Nei sistemi di controllo meccanicisistemi di controllo meccanici le le forze forze agenti sulle superfici di controlloagenti sulle superfici di controllo vengono vengono trasmesse attraverso i meccanismi e possono trasmesse attraverso i meccanismi e possono essere essere ““sentitesentite”” dal pilota.dal pilota.

Il Il sistema di controllo idromeccanico non ha sistema di controllo idromeccanico non ha questo tipo di sensibilitquesto tipo di sensibilitàà..

I I dispositivi per il force feedbackdispositivi per il force feedback vengono vengono utilizzati per simulare questa sensibilitutilizzati per simulare questa sensibilitàà..

I piloti avranno la I piloti avranno la sensazione di essere alla sensazione di essere alla guida di un velivolo con un sistema di guida di un velivolo con un sistema di controllo meccanicocontrollo meccanico..

Joystick con force feedback Joystick con force feedback disponibile in commerciodisponibile in commercio

Schematizzazione Schematizzazione 3D utilizzata3D utilizzata

Fasi dello studio per lFasi dello studio per l’’installazioneinstallazione

Fase 1: analisi della struttura del velivoloFase 1: analisi della struttura del velivolo

Fase 2: analisi dei componenti necessariFase 2: analisi dei componenti necessari

Fase 3: posizionamento degli attuatori Fase 3: posizionamento degli attuatori e modifiche necessariee modifiche necessarie

Fase 1: analisi della struttura del velivoloFase 1: analisi della struttura del velivolo

Schematizzazione 3D della cabina di pilotaggioSchematizzazione 3D della cabina di pilotaggio per poter per poter individuare lo spazio a disposizioneindividuare lo spazio a disposizione per il posizionamento per il posizionamento dei dispositivi necessari per il Flydei dispositivi necessari per il Fly--ByBy--WireWire

Fase 2: analisi dei componenti necessariFase 2: analisi dei componenti necessari

Schematizzazione Schematizzazione servoattuatoreservoattuatore

Vista 3D della frizione Vista 3D della frizione elettromagneticaelettromagnetica

Attuatore elettricoAttuatore elettrico tipo Servomech ATL20 tipo Servomech ATL20 con motore a corrente continua a 24Vcon motore a corrente continua a 24V

Possibili attacchi anteriori:

•forcella

•snodo sferico

•perno forato

Attuatore a vite trapezia con riduttore a vite senza fine.

Funzionamento in tiro e in spinta.

Funzionamento preciso e silenzioso, giochi assiali ridotti.

Motore elettrico

CC 24V

Frizione elettromagnetica con innesto a dentiFrizione elettromagnetica con innesto a denti

Fase 3: posizionamento degli attuatori Fase 3: posizionamento degli attuatori e modifiche necessariee modifiche necessarie

Si sono rese Si sono rese necessarie alcune necessarie alcune modifichemodifiche alla struttura interna del alla struttura interna del velivolo nonchvelivolo nonchéé ad alcuni elementi ad alcuni elementi della catena cinematica dei comandi della catena cinematica dei comandi per poter permettere un adeguato per poter permettere un adeguato posizionamento degli attuatoriposizionamento degli attuatori

Pedale originalePedale originale

Pedale modificatoPedale modificato

EE’’ stata aggiunta stata aggiunta una flangia per il una flangia per il

collegamento collegamento allall’’attuatore che attuatore che èè

stato posizionato al stato posizionato al di sotto del pianaledi sotto del pianale

Pedaliera comando ruotino anteriore e timonePedaliera comando ruotino anteriore e timone

EE’’ stato necessario stato necessario modificare il modificare il pianale forandolo pianale forandolo in corrispondenza in corrispondenza della flangia sul della flangia sul pedalepedale

Risultato finale del Risultato finale del posizionamento posizionamento delldell’’attuatore per il attuatore per il comando del comando del ruotino anteriore e ruotino anteriore e del timonedel timone

Prima modifica al pianalePrima modifica al pianale

Astine comando ruotino anteriore

Flange movimento cavi bowden e astine ruotino

Vista generale pedaliera

Il Il comando di timone e ruotino anteriorecomando di timone e ruotino anteriore èè stato stato ricavato dalla ricavato dalla pedaliera nella sua conformazione originalepedaliera nella sua conformazione originale, cos, cosìì da poter da poter mantenere mantenere il tradizionale comando meccanico e il tradizionale comando meccanico e la posizione la posizione centrale per evitare problemi di collegamento con il ruotino.centrale per evitare problemi di collegamento con il ruotino.

Comando stabilatoreComando stabilatore

Comando stabilatore originaleComando stabilatore originale

Comando stabilatore modificatoComando stabilatore modificato

E’ stata aggiunta una flangia per il collegamento dell’attuatore, il resto dell’albero rimane uguale all’originale per mantenere il comando meccanico sul lato opposto alla flangia

Flangia per collegamento Flangia per collegamento cavi bowden stabilatorecavi bowden stabilatore

Comando stabilatore completo di cloche per il controllo meccanico

Vista del comando stabilatore e del relativo attuatore da sotto il pianale

Seconda modifica al pianaleSeconda modifica al pianale

EE’’ stato necessario chiudere una delle tasche per stato necessario chiudere una delle tasche per permettere di ancorare lpermettere di ancorare l’’attuatore nella maniera migliore.attuatore nella maniera migliore.In alternativa, nel caso fosse necessario distribuire in In alternativa, nel caso fosse necessario distribuire in modo diverso i pesi allmodo diverso i pesi all’’interno del velivolo, si potrebbe interno del velivolo, si potrebbe predisporre solamente una trave trasversale per predisporre solamente una trave trasversale per ancorare lancorare l’’attuatore.attuatore.

Comando cloche visto da sotto il pianale

Alloggiamento per cloche

Comando cavi bowden stabilatore

Astine per collegamento cloche all’albero di comando alettoni

Il Il comando stabilatorecomando stabilatore èè stato stato ricavato dal comando clochericavato dal comando cloche nella nella sua conformazione originale dividendolo in sua conformazione originale dividendolo in comando alettonicomando alettoni e e comando stabilatorecomando stabilatore

I due I due comandicomandi, originariamente accoppiati, sono stati , originariamente accoppiati, sono stati sdoppiati per sdoppiati per evitare problemi di collegamento con i servoattuatorievitare problemi di collegamento con i servoattuatori. Sul tubo . Sul tubo comando comando èè stata creata una flangia comando per il collegamento stata creata una flangia comando per il collegamento con il servoattuatore. La sua posizione non con il servoattuatore. La sua posizione non èè limitata da alcun limitata da alcun fattore, in quanto i cavi bowden sono molto flessibili.fattore, in quanto i cavi bowden sono molto flessibili.

Comando alettoni e flapperoneComando alettoni e flapperone

LL’’albero comando alettoni albero comando alettoni rimane quello originale rimane quello originale

andando a collegare i due andando a collegare i due attuatori alle flange attuatori alle flange

previste originariamentepreviste originariamente

Per il comando Per il comando flapperone si potrflapperone si potràà

modificare lmodificare l’’astina di astina di collegamento originale collegamento originale

e collegarla e collegarla allall’’attuatore o attuatore o

scegliere un attacco a scegliere un attacco a forcella per collegare forcella per collegare

direttamente direttamente ll’’attuatore alla flangiaattuatore alla flangia

Albero di comando alettoni

Astine collegamento alettoni all’albero di comando

Astina collegamento comando flapperone

Come giCome giàà evidenziato, nel caso di questi due comandi, evidenziato, nel caso di questi due comandi, alettoni e flapperone, lalettoni e flapperone, l’’albero rimane quello originario albero rimane quello originario senza dover apportare particolari modifiche strutturali.senza dover apportare particolari modifiche strutturali.

A bordo verrA bordo verràà installato un joystick dotato di installato un joystick dotato di force feedback opportunamente tarato ed una force feedback opportunamente tarato ed una base adeguatamente dimensionata per porre base adeguatamente dimensionata per porre il comando in una posizione simile a quella il comando in una posizione simile a quella del comando meccanico che va a sostituiredel comando meccanico che va a sostituire

AllAll’’interno della base si potrinterno della base si potràà alloggiare parte alloggiare parte delldell’’hardware necessario al sistema Flyhardware necessario al sistema Fly--ByBy--

Wire consentendo cosWire consentendo cosìì facile accessibilitfacile accessibilitàà per per la manutenzione e flessibilitla manutenzione e flessibilitàà per eventuali per eventuali

aggiornamenti softwareaggiornamenti software

In una zona agevole da raggiungere In una zona agevole da raggiungere verrverràà infine posizionato il comando che infine posizionato il comando che permette di interrompere lpermette di interrompere l’’erogazione di erogazione di corrente alle frizioni elettromagnetiche corrente alle frizioni elettromagnetiche

coscosìì da poter byda poter by--passare il Flypassare il Fly--ByBy--Wire e Wire e poter governare lpoter governare l’’aereo in modalitaereo in modalitàà

““manualemanuale”” meccanicamente attuata.meccanicamente attuata.

RISULTATO FINALERISULTATO FINALE

CONCLUSIONICONCLUSIONILa conversione dellLa conversione dell’’ultraleggero Storch in un ultraleggero Storch in un velivolo Flyvelivolo Fly--ByBy--Wire Wire èè sicuramente possibile.sicuramente possibile.

EE’’ necessaria la sostituzione dei comandi di volo previsti per unonecessaria la sostituzione dei comandi di volo previsti per uno dei dei piloti con servoattuatori comandati da un joystick con forcepiloti con servoattuatori comandati da un joystick con force--feedback feedback collegato al sistema integrato di controllo del volo.collegato al sistema integrato di controllo del volo.

Vengono utilizzati componenti esistenti anche se Vengono utilizzati componenti esistenti anche se èè necessario sceglierli necessario sceglierli in maniera molto accurata in particolar modo per ciò che riguardin maniera molto accurata in particolar modo per ciò che riguarda a attuatori e frizione elettromagnetica.attuatori e frizione elettromagnetica.

Viene garantito un adeguato grado di sicurezza in caso di avarieViene garantito un adeguato grado di sicurezza in caso di avarie..

Vi Vi èè una elevata semplicituna elevata semplicitàà costruttiva poichcostruttiva poichéé le modifiche da effettuare le modifiche da effettuare sono poche e facili da effettuare.sono poche e facili da effettuare.

In tal modo vengono contenuti peso e costi.In tal modo vengono contenuti peso e costi.