Veicoli aerei

    Post- bruciatore e ugello

    L’Ugello, un “Must” per l’Ingegneria: Principi fisici e Applicazioni

    Per Ugello, in Fluidodinamica e Termodinamica Applicata, si intende un dispositivo energetico, costituito da un tubo a tratto convergente. Il fluido in questione attraversa tale condotto, dapprima sulla sezione a diametro maggiore e successivamente converge in quella a diametro minore. Tutto ciò, mediante l’effetto Venturi, crea l’aumento della velocità relativa del fluido, con conseguente abbassamento della pressione. Il tutto può essere generalizzato in ambito pratico, come nel caso di:

    Aerei, propulsori a turbina a gas (TurboGas), propulsori a TurboGetto a doppio flusso (TurboFan / TurboVentola), condotte idrauliche, carburatori, condotta di scarico. L’ugello è in grado, quindi, di garantire una trasformazione di energia termica in energia cinetica, al fine di ottenere “spinta” utile.

    ugello
    Andamento della densità di un ugello di un motore a razzo, Wikipedia.org

    Ipotesi di lavoro:

    La progettazione ingegneristica dell’Ugello è fondamentale per ogni tipo di applicazione. Lo studio viene fatto sia sulla sua geometria, sia sul regime di moto del fluido in questione. Le ipotesi fatte, per “semplificare” l’analisi e la progettazione, sul fluido sono fondamentali:

    • Si assumono costanti le proprietà meccaniche del fluido in corrispondenza di una qualsiasi sezione trasversale del condotto, al cui interno scorrerà il fluido;
    • le grandezze sono funzione di una sola variabile dimensionale (proiezioni delle stesse lungo gli assi di rifermento cartesiano). Supponendo di osservare il propulsore, o condotta che dir si voglia, lungo la linea orizzontale: Identificheremo l’ascissa come unica variabile dimensionale dipendente del fluido (chiamato mono-dimensionale);
    • assumendo il condotto a diametro costante, parleremo di fluido strettamente mono-dimensionale. Ma ciò non ci riguarda!

    Infine si considera un fluido caloricamente e termicamente perfetto. Il perché? Semplice! Sarebbe abbastanza difficoltoso studiare, termodinamicamente parlando, un fluido (come gas) in cui i calori specifici, a volume e pressione costante, varino al variare della temperatura: Pertanto li assumeremo costanti al variare della temperatura.

    Le grandezze come energia interna specifica ed entalpia interna specifica possono essere espresse rispettivamente nella seguente forma:

    • e=Cv*T ;
    • h=Cp*T

    Si considera il fluido termicamente perfetto: energia interna e entalpia specifica sono funzioni della sola temperatura (T).

    Infine lo si considera isoentropico e stazionario, vale a dire ad entropia costante e con proprietà cinematiche e dinamiche indipendenti dal tempo.

    Principi fisici:

    propulsore aeronautico
    Fig.1. Wikipedia.org, Ugello di scarico propulsore aeronautico.

    La conversione da energia termica a energia cineticapropulsiva” avviene mediante una fase di espansione del fluido. A seguito c’è l’espulsione del fluido a pressione maggiore di quella ambiente (esterno), mediante Ugello. L’Ugello quindi gestisce, mediante la sua geometria, le grandezze macroscopiche per un fluido, come la Pressione.

    Quindi, è la Pressione a gestire l’intero processo e il teoremi alla base sono:

    • Principio della conservazione della portata massica: All’aumentare della sezione attraversata dal fluido, diminuisce la velocità di quest’ultimo, al fine di garantire portata massica fluente costante;
    • Principio di Bernoulli: All’aumentare della velocità, quindi dell’energia cinetica, diminuisce l’energia di pressione, e di conseguenza la pressione, per mantenere costante l’energia termica del fluido.
    Ugello
    Ugello e linee di flusso, abctribe.com.

    Pertanto, a monte dell’Ugello ci deve essere una pressione maggiore di quella a valle, altrimenti cadremmo nell’assurda condizione di creare depressione interna al propulsore stesso: Flusso entrante e non uscente.

    Fondamentale, come abbiamo già affermato, è quindi la geometria dello scarico (Ugello). Esso è caratterizzato da un tratto convergente (e/o divergente) e da una sezione di gola, vale a dire la sezione più piccola del dispositivo.

    Ugello di scarico
    Fig.2, Ugello De Laval (Ma=1), abctribe.com.

    Le velocità raggiunte dal fluido e dall’aria in aspirazione sono molto elevate. In quest’ambito si introduce un numero adimensionale, fondamentale per la progettazione della geometria stessa: Il numero di Mach (Ma).

    Mach, un parametro fondamentale:

    Il numero di Mach lo si ricava dal Teorema di Buckingham ed è definito come definito come il rapporto tra la velocità relativa di un corpo in moto in un fluido e la velocità del suono nel fluido considerato. Non a caso gli aerei da caccia in grado di infrangere il cosiddetto muro del suono, sono chiamati Mach.

    Distinguiamo i vari casi di progettazione dell’Ugello, in funzione delle condizioni d’esercizio del propulsore analizzato, il tutto mediante il numero di Mach (Ma):

    • Flusso in regime sub-sonico (Ma<1): il condotto dell’Ugello deve essere convergente, ossia la misura della sezione è inversamente proporzionale all’ascissa considerata, in questo caso la sezione di gola coincide con l’ultima sezione dell’Ugello;
    • Flusso in regime critico (Ma=1): per poter garantire un fluido accelerato e quindi spinta, è necessario un ugello con tratto Convergente-Divergente, detto Ugello De Laval. In questo caso la sezione di gola non coinciderà con l’ultima sezione, ma con quella che separa i due tratti differenti (esempio in fig.2);
    • Flusso in regime Super-sonico (Ma>1): In questo caso la spinta è garantita da un tratto divergente per l’Ugello, vale a dire con una sezione a diametro crescente proporzionalmente all’ascissa percorsa. Super-sonico è da associare a velocità elevatissime. Essendo Ma>1, dal rapporto notiamo che la velocità relativa del fluido è maggiore di quella del suono nello stesso.

    E per quei propulsori in grado di raggiungere entrambe le condizioni?

    La fase di progettazione è molto complessa, poiché all’interno dell’Ugello non esiste una continuità perfetta di flusso, anzi: Vengono a crearsi onde d’urto in direzione normale e obliqua, fenomeni di contra-pressione, interferenza tra vene fluide.
    Tutto ciò crea cadute di pressione, con conseguente perdita di spinta. Il regime di moto per giunta non è laminare, ma Turbolento, quindi difficile da studiare.

    I motori aeronautici sono in grado di raggiungere le condizioni precedentemente elencate, grazie all’ottima aerodinamicità e alla presenza di un post-bruciatore.

    Il post- bruciatore è in grado di garantire alte velocità in quanto, separa la fase di combustioni in due fasi, ottimizzandola. Vengono raggiunte alte temperature e di conseguenza bassa portata fluente, rendendo “apparentemente inutile” il post-bruciatore.

    TurboGas
    appuntidigitali.it

    Il problema appare evidente. Come poter garantire “spinta” in entrambe le condizioni, senza dover ipoteticamente modificare manualmente l’Ugello di scarico in volo?

    Si utilizza una configurazione delle sezioni di gola degli ugelli “a petali“.
    Quando il sistema post-combustore è spento, a velocità inferiori (caso sub-sonico), l’Ugello assume forma convergente.
    Quando invece il sistema post-combustore viene acceso (caso super-sonico), la sezione di gola si allarga, ottenendo una configurazione divergente.

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    Il difetto che se ne ottiene è che le pareti dell’ugello non sono continue, come potete notare dalla Fig.1. Il sistema è caratterizzato da petali interni ed esterni, che scorrono gli uni sugli altri. Con questa soluzione si ha, perciò, una diminuzione del rendimento termico del propulsore.

    Applicazioni interessanti?

    Altre interessanti applicazioni dello scarico a geometria variabile (“a petali”) potete trovarli nell’approfondimento legato all’Optimizing dell’impianto di scarico.

    https://vehicle.closeupengineering.it/optimizing-dellimpianto-scarico-valvole-regolazione-geometria-variabile/10115/

     

     

     

     

     

     

    Vahana prototipo

    Vahana: il primo taxi volante

    Comune giornata in una metropoli americana. Sei in ritardo per una riunione di lavoro e hai urgente necessità di un taxi. Prendi lo smartphone e lo prenoti grazie ad un’app. Il taxi atterra, ci sali sopra e decolla. In pochissimo tempo raggiungi la destinazione desiderata. In che anno siamo?

    Sembrerà fantascienza, ma si tratta del 2017. Entro la fine di quest’anno infatti entreranno in funzione le prime auto volanti. In particolare la compagnia Airbus sta lavorando al prototipo Vahana. Si tratta di un taxi elettrico a guida completamente autonoma che molto presto solcherà i cieli delle grandi città.

    Tom Enders, Ceo della Airbus, ha creato la divisione Urban Air Mobility. Essa è coordinata da Zach Lovering e riguarda una cinquantina di persone operative a Santa Clara (California). Al progetto lavora anche Rodin Lyasoff, proveniente dal MIT ed esperto nella programmazione di algoritmi per elicotteri.

    Vahana Airbus
    theverge.com

    La nascita del progetto

    Sembra che la mobilità urbana aerea diventerà un business miliardario. I dati dicono che tra una decina di anni il 60% della popolazione sarà concentrato nelle grandi metropoli. Ovviamente questo porterebbe all’aggravarsi dei problemi di traffico e inquinamento, già oggi particolarmente consistenti.

    Si stima che nel 2030 a Londra si perderanno 35 giorni lavorativi all’anno imbottigliati nel traffico. L’idea di un veicolo urbano volante sembra fantascienza. La Airbus la sta trasformando in realtà. Realizzare Vahana secondo Lovering non è nemmeno particolarmente complesso. Infatti le tecnologie attuali permettono queste ambizioni. Ad esempio in volo gli ostacoli sono molti meno.

    Naturalmente si potrà creare una rete di taxi di questo tipo una volta regolamentati il volo autonomo e la gestione del traffico “volante”. L’idea è quella di creare dei corridoi aerei nei cieli delle città. Inoltre Vahana potrà atterrare in punti strategici prestabiliti. Dall’aeroporto ai tetti dei grattacieli, passando per gli snodi centrali e più frequentati delle città. Atterraggio e decollo avverranno in senso verticale in modo da non necessitare di piste particolari o spazi enormi.

    Inizialmente si prevede che i taxi abbiano un pilota e possano trasportare uno o due passeggeri. Vahana potrà essere prenotato tramite un’applicazione sullo smartphone. Non solo, sono in corso anche altri progetti per il trasporto delle merci o di un numero maggiore di passeggeri.

    Non ci resta che aspettare che la fantascienza diventi realtà… grazie all’ingegneria!

    Awwa_Eagle_Progress

    Awwa Progress Eagle: l’aereo del futuro a tre piani

     

    Awwa Progress Eagle è l’aereo a tre piani che potrebbe rivoluzionare il mondo dell’aviazione. Progettato dal designer Oscar Vinals, è un velivolo commerciale dalle alte prestazioni e a zero emissioni inquinanti. Con 96 metri di apertura alare, capace di trasportare 755 passeggeri, circa 275 in più del più grande aereo finora progettato.

    “Il miglior aspetto di Progress Eagle sarà la sua capacità di generare da sé la propria energia.” ha detto Vynals in merito al suo progetto, aggiungendo che l’aereo sarà anche più silenzioso di circa il 75% degli aerei attuali. Il rivoluzionario velivolo non sarà infatti alimentato con i tradizionali combustibili fossili, ma sarà dotato di sei motori a idrogeno per consentire il decollo, un grande motore posteriore con una turbina eolica e pannelli solari posizionati sulle ali e sul tetto.

    L’aereo presenterà anche avanzati sistemi per catturare particelle inquinanti che alterano l’equilibrio del nostro ecosistema, come le particelle di CO2 rilasciate durante la crociera.

    Progress Eagle sarà adoperato per lunghi viaggi, così il suo progettista ha affermato che dodici ore nell’aereo saranno meglio che in un hotel ricercato, esso ridurrà lo stress del volo; potrebbe esserci la possibilità di realizzare stanze private, negozi e ristoranti, inoltre la cabina sarà posizionata al secondo piano, da cui si potrà godere di una spettacolare vista panoramica.

    Tra i materiali innovativi che verranno adoperati vi sono grafene, materiali ceramici, leghe di alluminio, cablaggi in fibra ottica e nanocristalli, il rivestimento delle ali sarà realizzato in nanotubi di carbonio e materiali compositi in fibre di carbonio, l’endoscheletro ultraleggero sarà in titanio e carbonio. La sezione che unisce la fusoliera con le ali, presenta una particolare forma per reindirizzare il flusso d’aria “anteriore” in modo da alimentare la turbina posteriore, il sistema di pulizia dalla CO2 e un sistema di nanofili per generare energia elettrica.

    Oscar Vinals, pur sapendo che il suo progetto necessiti di tecnologie oggi limitate ai migliori laboratori di tutto il mondo, spera che il suo aereo a tre piani potrà essere realizzato nel 2030. Egli ha infatti dichiarato: “Oggi abbiamo circa il 40% della tecnologia necessaria per costruirlo.”

    Header Image Credits: behance.net

    Electron: nuovo razzo lanciato…sul mercato!

    rocketlabusa.com

    L’azienda Rocket Lab ha prodotto il razzo Electron per effettuare economicamente e frequentemente lanci di piccoli satelliti a bassa quota. Tra le caratteristiche più innovative del veicolo dedicato ad operazioni commerciali vi è la tecnica di produzione. Esso sarà infatti in larga parte stampato in 3D, il che permetterà riduzione dei costi e dei tempi di produzione. Il razzo a due stadi è dotato di un motore Rutherford ad ossigeno ed idrocarburi. È un motore a turbopompa LOX/RP-1, che utilizza un nuovo ciclo di propulsione: la turbopompa è alimentata da motori elettrici.

    Un’ulteriore innovazione di Electron risiede nei materiali utilizzati.

    Enormi riduzioni di peso sono state possibili grazie all’utilizzo di materiali compositi in fibra di carbonio, i quali conferiscono alla struttura robustezza e leggerezza. Questo requisito importante per veicoli di lancio orbitale è difficilmente raggiungibile per i razzi più piccoli della classe di Electron. I materiali compositi possono essere progettati per presentare resistenza e rigidità solo nelle direzioni richieste dai carichi. Questo permette quindi grandi carichi utili, infatti il valore di payload nominale è di 100 kg. Materiali compositi in fibra di carbonio sono stati utilizzati anche per la realizzazione dei serbatoi compatibili con ossigeno liquido.

    Il razzo dal diametro di 1 metro e altezza di 20 metri è costato 4.9 milioni di dollari. Rocket Lab punta ad effettuare fino a 100 lanci spaziali. Il primo lancio è previsto per il 2015. A partire dal 2016 cominceranno le operazioni commerciali.


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