Come progettare un Aeromodello in proprio

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Come Progettare e Realizzare in proprio un Aeromodello

Gli Aeromodelli pronti al volo, ormai sono quasi una regola tra chi pratica questa disciplina. Però c’è ancora chi non si arrende e, vuoi per soddisfazione personale, vuoi per uscire da canoni prestabiliti, alcuni ancora preferiscono gettarsi nella confusione del laboratorio, tra colle e balsa, nel tentativo di realizzare qualcosa di diverso e che generalmente non vedono volare sui campi di volo. Queste realizzazioni in genere provengono da Kit Balsa oppure da disegni ed il fascino di creare qualcosa dalle proprie mani dà, a queste persone, una soddisfazione unica .

Ma questo non è tutto, alcuni preferiscono firmare personalmente i propri modelli, dedicandosi alla progettazione, altri vorrebbero cimentarsi in questa “Arte”, ma non avendo le basi e non sapendo dove e a chi rivolgersi per colmare dubbi e incertezze, si affidano a libri e testi specifici, nella speranza di trovare qualcosa di semplice e pratico ed invece, spesso, si trovano di fronte a formule incomprensibili e complessi testi aerodinamici.
In questo articolo di tecnica, cercherò di descrivere il procedimento per progettare un aeromodello in modo semplice e comprensibile, usando pochi calcoli matematici e semplificando le formule indispensabili al progetto stesso.

Naturalmente bisogna avere le idee chiare di cosa vogliamo e questa è la prima regola. Per esempio che tipo di aereo vogliamo costruire, acrobatico, sport, riproduzione, trainer oppure veleggiatore. Fondamentalmente, il principio rimane il solito, cambiano i parametri da usare, come esempio principale procederemo al progetto di un modello sport con caratteristiche acrobatiche. Prima, però, voglio elencarvi le caratteristiche di vari modelli a secondo della motorizzazione usata; Un modello con peso di circa 1200gr. necessita di un motore di circa 2,5 c.c. e di una apertura alare da 1000mm a 1100mm.

Con peso di 1600gr il motore salirà a 4 c.c. e l’ala a 1250mm. Con 2500 gr la cilindrata sarà di 6,5 c.c. e l’ala raggiungerà i 1400mm. Arrivando a 3000 gr. sarà necessaria una motorizzazione da 7,5 c.c. a10 c.c. e l’ala raggiungerà i 1700mm.
Queste cilindrate sono valide per motori a due tempi, se invece vorremmo usare i motori quattro tempi, dovremo aumentare del 50% la cilindrata, esempio; l’equivalente di un 10 2t , è un 15 4t. Ovviamente dipende anche dal tipo e marca di motore, vista la grande affluenza di marche che si affacciano continuamente sul mercato.
Adesso dobbiamo decidere che peso e che carico alare vogliamo per il nostro modello, dopo di che, in base a questi dati svilupperemo gli altri dati che ci interessano.

Prendiamo in considerazione un peso di 3000 gr. ed un carico alare di 70 gr al dm quadro, questo ci darà : 3000/70 = 42,86 dm quadri di superficie alare, considerando che, un modello acrobatico ha una forbice di valori di allungamento alare compreso tra 5 e 6,5 ( l’allungamento alare è il rapporto tra la corda media e l’apertura alare) noi useremo un valore medio, cioè :5,5 con un semplice calcolo possiamo determinare la corda media dell’ala e cioè : superficie ala, diviso allungamento alare, quindi 4286/5,5= 779. La radice quadrata di 779 è 27,91 e questo valore è la corda media alare.
A questo punto, avendo acquisito un altro importante dato, possiamo trovare l’apertura alare di questo modello, con un altro semplice calcolo e cioè: la superficie alare diviso la corda media, 4286/27,91= 153,5 cm di apertura alare.

Adesso abbiamo, la superficie alare, la corda media, l’apertura alare e quindi possiamo decidere quale profilo usare, un profilo piano convesso ci darà un’ottima portanza, ma problemi nelle manovre acrobatiche, come nel volo rovescio e poi, avremo problemi al variare della velocità, infatti la portanza aumenterà con l’aumentare della velocità e quindi saremo costretti a trimmare costantemente il “cabra”.
Con un profilo asimmetrico, la situazione migliorerà nettamente a scapito di una diminuizione della portanza, mentre con un profilo simmetrico, l’acrobazia risulterà al massimo della sua espressione, penalizzando ulteriormente la portanza e la “galleggiabilità” del modello.
Per il nostro esempio, sceglieremo un profilo medio, cioè un profilo asimmetrico.

Adesso dobbiamo decidere quale spessore usare, ovviamente maggiore sarà lo spessore e maggiore sarà la resistenza aerodinamica, però un profilo troppo sottile, potrebbe darci difficoltà nell’installazione di longheroni di resistenza e l’installazione di eventuali meccanismi dei carrelli retrattili e delle ruote stesse.
Quindi anche in questo caso useremo uno spessore medio e cioè 13/14 % della corda del profilo. Prenderemo ad esempio, il profilo NACA 2414, dove le prime due cifre indicano il tipo di profilo e le seconde due, lo spessore in percentuale.

E’ anche possibile usare due tipi diversi di profili e miscelarli tra loro, tipo; un profilo alla radice ed un altro in estremità, in genere si usa questo metodo per creare uno svergolamento aerodinamico negativo in estremità per diminuire l’effetto stallo ad incidenze elevate.
Comunque, acquisiti tutti questi dati, possiamo passare al disegno dell’ala, dove provvederemo ad installare almeno un doppio longherone, proprio nel maggior spessore della centina che generalmente si trova al 30% dal bordo di entrata.

Ho detto doppio, nel senso che conviene farne uno sul dosso e uno sull’extradosso, meglio se uniti tra loro con foglietti di balsa da incollare tra una centina e l’altra. A secondo del tipo di tipo di sforzo,a cui è sottoposta l’ala, possiamo fare anche un longherone secondario, posto almeno al 70% della corda e con dimensioni generalmente dimezzate rispetto al principale. Naturalmente l’ala potrà avere la forma che più desiderate, sia essa rettangolare oppure trapezioidale e perché no, a forma ellittica.

Fatta l’ala, possiamo dedicarci ai piani di quota, il rapporto tra superficie alare e superficie dello stabilizzatore, per un modello acrobatico è tra : 3,5 e 4,5 mentre l’allungamento per i piani di quota va’ da : 3 a 4. Quindi, prenderemo un valore medio di rapporto sup.ala/sup.stab. di : 4 e divideremo la sup.alare 4286/4 per quattro. Avremo una sup.dello stab. di : 10,71 dm quadri.

Adesso dobbiamo determinare la corda media dello stabilizzatore, con un calcolo simile a quello fatto per l’ala e cioè: sup. stab. Diviso l’allungamento, che come precedentemente detto è tra : 3 e 4 , come valore medio prenderemo 3,5.
Quindi: 1071/3,5=306 la radice quadrata di 306 è : 17,49. E questa è la corda media dello stabilizzatore.

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PROGETTAZIONE AEROMODELLI: CALCOLO BARICENTRO

PRIMO ARGOMENTO

Ho letto attentamente l’articolo pubblicato da Daniele , riguardante nozioni e teoria sul come progettare by self aeromodelli. Ho giudicato l’articolo, oltre che esatto nella formulazione, anche semplice nella sua espressione ed intuitivo.

Vorrei affiancarlo, sperando di fare cosa gradita, aggiungendo qualche nozione piu’ precisa e  qualche formuletta , per  implementarne la sostanza e renderlo “piu’ ricco”.

Comincio allacciandomi  alle righe in cui Daniele spiega il significato di un profilo NACA

Aggiungendo che :

“……..che per costruire un profilo NACA si fondono assieme una LINEA MEDIA  ed uno SPESSORE, e proprio riprendendo il profilo 2414 da lui citato e’ scritto che questo viene ottenuto dalla combinazione della linea media NACA 24 (dove il 2 e il 4 stanno a dire che la ordinata max e’ i 2/100 della corda e che sta’ a 4/100 dal bordo di attacco dell’ala , con lo spessore del profilo simmetrico NACA 0012 (dove 00 significa SIMMETRICO e 12 che lo SPESSORE max e’ uguale a 12/100 della corda).

SECONDO ARGOMENTO:

Come stabilire la posizione del famigerato BARICENTRO (Baricentro statico chiaramente), in fase progettuale.

Parto con il dire che vorrei parlare di questo lasciando da parte tutti quei programmi in Foglio Elettronico ed applicativi vari che si trovano gia’ pronti in commercio e su Internet.

Diciamo che ormai l’aeromodello abbia preso la sua fisionomia dimensionale e somatica, ma ancora sulla carta.

Ci sono due maniere adesso per ricercare il Baricentro che io  chiamero’ rispettivamente una

la teorica e una  la modellistica “ pratica”.

Teorica:

E’ quella dove , essendo a conoscenza di tutti i materiali che useremo con i loro rispettivi pesi specifici e la loro precisa collocazione nella costruzione, potremo  procedere alla sua ricerca con calcoli matematici.

Dopodiche’ se avverranno delle variazioni dovute alla messa in opera del modello , si procedera’ a prenderne nota ed eseguire le dovute modifiche di calcolo.

Questo e’ il metodo ingegneristico vero e proprio usato nella industria in generale, aiutati anche dalle moderne tecnologie CAD/CAM.

Ma niente vieta di sperimentarlo anche nel nostro piccolo aeromodello e con molta approssimazione.

Modellistica “pratica”:

Abbiamo gia’ sulla carta il nostro modello disegnato e sappiamo anche come, frutto della nostra esperienza, dovremo costruirlo. Stabilite le ordinate, listelli, tipo di fasciame, tipo di ali,  materiali ecc ecc., procediamo alla costruzione e finiamo il tutto. (la faccio sbrigativa)

A questo punto non rimane che procurarsi gli accessori di cui vorremo dotarlo.  Es. : Ogiva, Elica, Motore, Carrelli (fissi o retrattili), radio ecc ecc.

I metodi ora sono due:

Quello del “Calcolo dei Momenti” e quello del (meno usato) “Poligono Funicolare”.

Quello dei Momenti  (a mio esclusivo giudizio chiaramente), puo’ risultare meno laborioso (anche se con qualche calcoletto in piu’ di matematica o algebra) di quello del Poligono Funicolare che comporta qualche piccola nozione di disegno e  piu’ spazio per rappresentarlo, anche se oggigiorno con i PC, anche questo sarebbe parzialmente superato.

Prendero’ in esame, quindi, solo il primo metodo.

Calcolo dei Momenti:

Consideriamo che tutte  le parti da noi costruite  e commerciali a nostra disposizione siano stati pesati (Massa in grammi) ed il loro Centro di Gravita’ trovato per sospensione o per stima (*).

(*) Da qua che ho chiamato “pratica” questa maniera.

Dopo avere disegnato  su un foglio di dimensioni stabilite la silouette del nostro modello in scala, andremo a tracciare  due righe in Ascissa X  e Ordinata Y (Sistema di assi Cartesiano ortogonale). Saremo noi poi a stabilire dove piazzare la Ordinata Y

. Per comodita’ di spazio diciamo di tracciarla a pochi cm dal filo ogiva, come da schizzo allegato.

A questo punto marcheremo sulla silouette tutti i Centri di Gravita’ dei nostri componenti (ad eccezione delle batterie…..vedremo poi la ragione) semplicemente con un punto e proietteremo sotto l’ascissa X  la distanza in cm dai C.G. stessi, alla Ordinata Y.

Il prodotto della Massa di un componente per la distanza  del suo CG alla Ordinata Y, si chiamera’ Momento (Mo).

La sommatoria dei momenti di tutti i componenti (SMo) che costituiscono l’aeromodello sara’ uguale al momento del suo CG, vale a dire al prodotto della massa dell’aerom. completo per la distanza del CG dalla ordinata Y (origine). (secondo il Teorema di Varignon)

Quindi se “L”  e’ questa distanza e “P” la massa totale aerom. si avra’ che:

SMo = L x P  da cui  L =  SMo / P

La distanza “L” trovata dovra’ cadere nella zona di centraggio prevista (ad es. tra il 25% e il 30% della corda dell’ala).

Se il CG cosi’ calcolato risultera’ troppo indietro come accade spesso, bisognera’ approfittare di quelle masse movibili a nostra disposizione (come le batterie ad es.) spostandole verso la Y in modo da ristabilire la equazione  :  SMo = L x P.

Ricordare che con la aggiunta delle batterie la massa dell’aerom. aumentera’ divenendo  P1.

Facciamo un Esempio:

e assumiamo come simbologia:

P =                    Massa dell’aerom. senza batterie

L =                    Distanza del CG dalla  ordin  Y

1..p2…p3… Masse dei componenti aerom.

l1…l2….l 11…. distanze componenti da ord. “Y” (ho considerato solo solo i piu’ appariscenti)

Y     = Ordinata  Origine

Mo   = Momenti dei componenti

S      = Sommatoria dei momenti Mo

P1    = Massa dell’aerom. completo di pacchi batterie.

E supponendo di avere un aerom con peso:

P =     4800 gr

L =     400mm  (derivante dal profilo alare)

e la Massa delle batterie (due pacchi) avendo anche acc. candela o carrelli retr. : 200 + 160 = 360gr

P1 =    5160gr

Ne deriva allora che un aerom. ben centrato (senza batterie) dovra’ dare come risultato:

SMo = L x p =  400 x 4800 = 1 920 000 gr/mm

Ma supponiamo accada invece di avere come risultato che:

SMo  =  1 848 00 gr/mm

Bisognera’ aggiustare il momento da :

1 920 000 – 1 848 000 = 72 000gr/mm

momento questo che potra’ essere costituito dai momenti dei due gruppi batterie, ponendoli rispet-

vivamente a 250mm da “Y” quella per la Radio e a 137mm per la batt.  Ausiliaria e cioe’:

(200 x 250) radio + (160 x 137) aux = 72 000

E’ chiaro dall’esempio di calcolo sovraesposto che piu’ componenti annoveriamo nel calcolo e piu’ risultera’ preciso il nostro risultato.

Qualora non bastasse intervenire “giostrando” con le batterie, allora bisognera’ armarsi di coraggio e rivedere qualche parte della struttura o agire sui compon. Commerciali,  per riaggiustarsi.

In ogni caso bisogna sempre fare in modo e maniera di rimettere a posto il tutto SENZA AGGIUNGERE PESI !!!!! per non aumentare il carico alare e in piu’ trovarsi con Momenti di Inerzia (potenze alla quarta) paurosi, come troppe volte ho constatato fare sul campo da pseudo aeromodellisti improvvisati e frettolosi.

Pochi numeri trovati al tavolo in una mezza giornata ci possono salvare dal gettare all’erba mesi di lavoro e soldi !!!

Baricentro con Teorema Varignon

 Esitono molte pubblicazioni a riguardo e l’argomento relativo al calcolo dei pesi e momenti e ricerca del CG e’ molto sentito specie sui velivoli da trasporto civile e militare. E’ uno degli argomenti principali spiegato nelle scuole di volo. A questo proposito vorrei citare un bel sito dal quale si possono trarre ottimi spunti e vedere come viene trattato l’argomento  :

http://www.free-online-private-pilot-ground-school.com/weight_and_balance.html

Si puo’ leggere anche un bell’articolo a riguardo,  sulla rivista MRA 704 dell’Agosto 1998, dove il bravo Pierre Eclancher costruisce e collauda il suo meraviglioso “Rallye MS S87” in scala 1:5 con Ap. Al di 2m

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