Punto e) F.A.Q. Domande più frequenti

1. Spiegare cosa si intende per progettare una struttura aeronautica.

Progettare una struttura o una sua parte, aeronautica e non, significa creare degli elementi di forma e dimensioni tali da garantire, nel modo migliore possibile, il corretto funzionamento della stessa.

Significa cioè stabilire quali possono essere i carichi che deve sopportare in sicurezza, il materiale più idoneo, la forma e le dimensioni, ecc.. Durante tutta la vita dell’aeromobile si ha una continua ricerca di riprogettazione cercando di ottimizzare la struttura (diminuendone per esempio il peso e le dimensioni).

2. Cosa vuol dire verificare una struttura?

Verificare una struttura è molto più semplice che progettarla in quanto la struttura o l’elemento strutturale esiste, ha forme e dimensioni date ed è noto il materiale con cui è fatto.

Si tratta quindi essenzialmente di ricavare le tensioni (s ,t e la tensione ideale s_id) in modo che essa in qualsiasi punto non abbia a rompersi in qualsiasi condizione di impiego (s_id< k).

Più difficile da determinare è che la struttura sia priva di deformazioni permanenti, in qualsiasi condizione di impiego (Norme), e che sia perfettamente reimpiegabile.

3. Qual è la funzione delle Normative nazionali e internazionali(FAR, JAR, OACI) nell’ambito di un progetto aeronautico?

Le Normative stabiliscono dei valori minimi di sicurezza a cui devono sottostare gli aeromobili. Per esempio stabiliscono le condizioni minime (velocità verticale, atterraggio su più punti o su tre punti, ecc.) da garantire in fase di atterraggio; stabilisce quali sono i fattori di carico e le velocità (minime) che deve sopportare un aeromobile in sicurezza. Da queste limitazioni si posso per esempio derivare i carichi a cui la struttura deve resistere.

4. Definire il fattore di carico

Il fattore di carico n rappresenta una misura adimensionale dell’accelerazione del velivolo. Le accelerazioni possono essere dovute a fattori volontari quali quelle generate durante le manovre o involontarie come quelle generate dalle raffiche.

Esistono dei fattori di carico secondo i tre assi corpo x, y, z, così definiti:

1. n_x= a_x/g

2. n_y=a_y/g

3. n_z=g + a_z/g

il fattore di carico n_z è il più importante e viene normalmente indicato con la lettera n e viene normalmente chiamato contingenza. Durante il volo rettilineo il fattore di carico n è uguale a 1, durante richiamate aumenta positivamente, durante altre manovre può diventare anche negativo.

5. A quali velivoli si applicano le FAR 23 e le FAR 25 (JAR 23 e JAR 25)?

Sia le normative americane FAR che quelle europee JAR stabiliscono vincoli e prescrizioni quasi identiche. Le prime si applica a velivoli civili con peso massimo al decollo di 5670 daN (piccoli velivoli per usi generali). Le FAR 25 per velivoli civili con peso massimo > 5670 daN (velivoli da trasporto anche di grosse dimensioni).

6. Cosa sono e a cosa servono i diagrammi di Manovra, Raffica e Inviluppo?

Sono la rappresentazione grafica, in coordinate cartesiane, in cui in ascisse vengono riportate le velocità indicate (V) e in ordinate i fattori di carico (n), di tutte le condizioni di volo previste e che quindi l’aeromobile deve poter affrontare in sicurezza ( limiti, minimi garantiti, di utilizzo di un certo aeromobile in sicurezza).

I diagrammi di Manovra prendono in considerazione le condizioni di carico (fattori n) che si possono riscontrare durante una qualsiasi manovra stabilita per l’aeromobile; condizioni fissate dalla volontà del pilota.

I diagrammi di Raffica considera condizioni di carico indipendenti dalla volontà del pilota (raffiche di vento).

I diagrammi di Inviluppo sono la somma (inviluppo) dei precedenti in cui vengono prese in considerazione solo le parti (punti) più esterne dei due precedenti.

Entro questi limiti, il progettista deve garantire, in funzione della categoria del velivolo considerata, normale, semi acrobatica, acrobatica che la struttura (velivolo) non subisca rotture, deformazioni permanenti o altri inconvenienti.

In pratica a seconda dei fattori di carico (n) e le velocità (V) è possibile ricavare i carichi che agiscono sulla struttura e quindi procedere al progetto e alla verifica delle strutture.

7. Cosa indica l’area racchiusa dal diagramma di Inviluppo?

Questi grafici stabiliscono i limiti, minimi garantiti, di utilizzo di un certo aeromobile in sicurezza.

Entro questi limiti, il progettista deve garantire, in funzione della categoria del velivolo considerata, normale, semi acrobatica, acrobatica che la struttura (velivolo) non subisce rotture, deformazioni permanenti o altri inconvenienti.

8. Spiegare perché le parti componenti una struttura vanno “collegate”.

Difficilmente una struttura meccanica è costituita a un monoblocco. Normalmente essa è suddivisa in tante sottostrutture collegate (unite) le une alle altre tramite opportuni elementi di collegamento o di fissaggio.

Questo per esempio permette di lavorare su elementi di piccole dimensioni (ottimizzandone il peso) anche in officine diverse e in tempi diversi (si pensi all’assemblaggio dei tronchi di fusoliera dell’ Airbus che avviene in città diverse della Francia).

Questo risulta indispensabile in tutti quei casi in cui è previsto lo smontaggio o la modularità delle parti (per esempio pezzi o parti di ricambio).

In particolare in campo aeronautico le strutture quali quelle delle fusoliere o delle ali sono estremamente sottili e leggere (strutture a guscio) e sono ottenute collegando i vari correnti, centine, ordinate e rivestimento tramite milioni di ribattini.

9. Perché, in campo aeronautico, si preferisce collegare le varie parti delle strutture tramite rivetti?.

Anche se in campo meccanico il sistema di collegamento più utilizzato è quello della saldatura, esso non è il più diffuso in campo aeronautico dove si preferisce utilizzare il sistema della chiodatura dei giunti per mezzo di chiodi ribaditi a freddo (ribattini) quando si ha l’accessibilità del chiodo dalle due parti (punta e contropunta). Quando non è possibile accedere all’elemento dalle due parti si ricorre a rivetti speciali a strappamento (più costosi).

Questi sono i principali motivi che impongono questa scelta:

- Le leghe d’allumino adoperate in campo aeronautico (Allumino – Rame) non sono saldabili,

- Gli spessori da collegare sono di piccola entità,

- La saldatura introduce una discontinuità nel materiale causa di intaglio da fatica.

10. Quali sono i materiali più utilizzati nelle strutture aeronautiche e perché?

I materiali più utilizzati in campo aeronautico sono le leghe metalliche di alte prestazioni meccaniche:

- acciai nei motori o in elementi fortemente sollecitati (gambe del carrello) e nei collegamenti mobili (bulloni);

- leghe d’alluminio (leghe allumino rame, alluminio magnesio e alluminio zinco) con alto rapporto s¤g per le strutture alari e di fusoliere;

- leghe di titanio e compositi (ancora molto costosi).

11. Come si calcolano le tensioni normali (k) e tangenziali (k_t ) massime di sicurezza?

Le tensioni massime di sicurezza (k) sono ricavate dividendo la tensione di snervamento per il fattore di sicurezza minimo di 1,5.

Nel caso di sole tensioni tangenziali la tensione di riferimento per le verifiche non sarà k ma k_t, ricavata a seconda del criterio di resistenza in:

ipotesi del massimo lavoro di deformazione (Von Mises)

ipotesi della massima dilatazione (Saint Venant)

12. Cosa intendiamo per Sollecitazioni semplici e sollecitazioni composte

Le sollecitazioni semplici sono: N sforzo normale o assiale; T sforzo tagliante o taglio; Mf flessione o momento flettente; Mt torsione o momento torcente.

Esse quando si presentano da sole vengono dette semplici. Normalmente esse si manifestano combinate tra loro, interagendo, in questo caso si parla di sollecitazioni composte.

L’interazione tra le varie tensioni complica notevolmente il progetto della struttura, per cui in questa fase, per determinarne le dimensioni, si considera la sola tensione che potrebbe essere più critica quale la flessione o il carico di punta salvo poi a verificare la stessa considerando le varie tensioni.

13. Cosa sono i correnti e qual è la loro funzione in una struttura aeronautica ( guscio)?

Sono dei traversini di piccola sezione (profilati o estrusi) che attraversano, longitudinalmente, l’ala o la fusoliera (sono presenti nelle ali di elevate dimensioni e nelle ali a freccia); spesso sono in numero maggiore in prossimità dell’attacco dell’ala con la fusoliera per diminuire verso estremità dell’ala. Hanno la funzione di contribuire alla resistenza flessionale della struttura. Essi, inoltre, irrigidiscono la lamiera di rivestimento, costituito da lamiera di piccolo spessore, evitando che questo entri in instabilità da compressione.

Hanno varie sezione ma tali da permettere un facile collegamento con il rivestimento e le centine ( sezioni tipiche sono a “C”, a “L”, a “W).

14. Cosa sono i longheroni e qual è la loro funzione in una struttura aeronautica ( guscio)?

Sono delle travi che attraversano, longitudinalmente, tutta l’ala da un estremo all’atro. Mentre nelle prime strutture aeronautiche erano gli unici elementi strutturali in grado di assorbire i carichi aerodinamici, attualmente (strutture a guscio) sono validamente assistiti dai correnti e dal rivestimento.

Le ali possono avere uno o più longheroni (ala mono longherone, bi longherone, poli longherone), a seconda dell’entità dei carichi che devono sopportare.

Hanno diversa forma (ad anima piena, reticolari, rastremati), e diversa sezione (principalmente a doppio “T” con anima in lamiera e solette con sezioni rettangolari, a “C”, a “L”).

15. Cosa sono le centine e qual è la loro funzione in una struttura aeronautica ( guscio)?

Sono elementi posti trasversalmente l’ala e sono quindi ortogonali ai longheroni. Hanno la funzione di fornire la forma aerodinamica dell’ala (profili aerodinamici). Vengono poste con interasse vario a seconda dell’entità della sollecitazione flessionale e quindi sono più fitte in prossimità della fusoliera.

Normalmente le centine non hanno compiti strutturali (di forma), hanno il compito di garantire che non si abbiano deformazioni locali nella struttura dell’ala e collegano i vari elementi costituenti l’ala (rivestimento, correnti, longheroni) tra loro. In casi particolari (attacchi carrelli, motori, o altro) esse possono essere rinforzate e avere il compito di distribuire i carichi concentrati al resto della struttura (di forza).

16. Cosa è il rivestimento e qual è la sua funzione in una struttura aeronautica ( guscio)?

Esso ha il compito di creare una barriera tra il fluido che scorre sul dorso dell’ala , in depressione, e quello che si trova sul ventre, sovra pressione, in modo che si crei la risultante aerodinamica e quindi la portanza.

Nei primi velivoli era costituito da tela e aveva solo compiti di forma non partecipando alla resistenza complessiva della struttura.

Attualmente (strutture a guscio) esso è metallico, costituito da una lamiera di alluminio di piccolo spessore ed ha quindi il compito di contribuire alla resistenza alare (resistenza alle tensioni tangenziali dovute al taglio e alla torsione).

17. Cosa sono le ordinate e qual è la loro funzione in una struttura aeronautica ( guscio)?

Le Ordinate, come le centine nelle ali, hanno il compito di fornire la forma alla struttura. Sono poste trasversalmente alla fusoliera e insieme ai correnti ne costituiscono il “fasciame” su cui viene posto il rivestimento che insieme a questo partecipa alla resistenza meccanica fissandone la forma della sezione.

18. Quali sono i principali carichi che agiscono su di una struttura aeronautica (velivolo)?

I principali carichi che agiscono su di una struttura aeronautica sono:

- carichi aerodinamici ( di manovra e di raffica);

- carichi di massa (pesi delle strutture, carburante, motori, carichi allevianti) e azioni d’inerzia ;

- carichi propulsivi (trazione o spinta, coppia di reazione, effetto giroscopico);

- carichi speciali :

· pressurizzazione (le differenze tra pressione interna ed esterna del velivolo)

· le reazioni del terreno sugli organi di atterraggio

· ganci di traino; la trazione applicata al gancio di traino di un aliante).

19. Per garantire la sicurezza del velivolo, quanti e quali tipi di carichi aerodinamici sono stati introdotti?

Sono stati introdotti i carichi limite e i carichi di robustezza. I primi sono i carichi massimi che possono verificarsi durante la vita del velivolo legati alle manovre previste e alle azioni esterne (raffiche), mentre i carichi di robustezza sono gli stessi carichi limiti moltiplicati per un coefficiente di sicurezza (k=1,5).

20. Per quale motivo sono stati introdotti i carichi di robustezza?

Sono stati introdotti in modo che il velivolo venga progettato per resistere a carichi maggiori di quelli limite o di contingenza in tutta sicurezza, essendo i carichi di robustezza i carichi limite moltiplicati per un coefficiente >1 ( Le Norme stabiliscono che sotto i carichi di robustezza la struttura, complessivamente, non collassi) .

In genere le Norme prevedono che sotto i carichi di contingenza la struttura deve avere deformazioni elastiche e che la stessa sia reimpiegabile.

La struttura sotto i carichi di robustezza deve garantire la mera resistenza. Le Norme stabiliscono che resista per almeno 3 secondi.

21. Qual è il modello di calcolo più semplice per considerare una struttura aeronautica ? E quali sono i limiti e i vantaggi di tale modello ?

Il modello più semplice per considerare una struttura aeronautica è quello in cui le sue parti principali vengono rappresentate come travi;

i vantaggi di tale modello sono:

§ si possono calcolare gli sforzi delle travi e conoscere le sollecitazioni interne, ignorando quelle delle sezioni vicine;

§ le azioni interne possono essere valutate conoscendo i carichi ed ignorando la forma delle travi;

i limiti di tale modello sono:

§ il modello di trave non permette di calcolare gli sforzi con sufficiente attendibilità in prossimità delle zone di vincoli, di brusca variazione di sezione e di orientamento dell’asse, o di applicazione di forti carichi concentrati.