Analisi delle prestazioni aerodinamiche latero-direzionali di un velivolo transonico

L’Aerodinamica studia il moto relativo di un fluido intorno ad un corpo solido, al fine di determinare le forze e le coppie che agiscono sul corpo per effetto di tale moto. Lo studio aerodinamico riguarda quindi principalmente correnti esterne, o in qualche caso, correnti interne come ad esempio lo studio di flussi all’interno di condotti. La conoscenza delle forze aerodinamiche, fondamentali per poter sostentare un velivolo, è essenziale per l’intero progetto del velivolo stesso. Il mezzo entro cui avviene il moto del corpo solido viene schematizzato come un fluido di estensione infinita. L’esistenza di un infinito (che, in pratica, significa essere sufficientemente lontano dal corpo) permette di definire un vettore velocità asintotica, che non risulta influenzato dalla presenza del corpo stesso. Tra tutti i corpi possibili, l’interesse è concentrato sui cosiddetti corpi aerodinamici, che costituiscono i casi di maggior interesse pratico in aeronautica. La descrizione di un fluido (in quiete o in moto) da un punto di vista macroscopico consiste nella scelta di un set significativo di variabili macroscopiche, nella scrittura di equazioni differenziali (dotate di opportune condizioni iniziali ed al contorno) per tali variabili, ed infine nella risoluzione di tali equazioni. Un fluido può però essere descritto e studiato anche sulla base delle proprietà meccaniche delle singole molecole che lo compongono: in questo caso si parla di descrizione microscopica. Tale descrizione, per quanto risulti possibile in via teorica, non risulta comunque utile per la risoluzione di problemi pratici, dato il numero enorme di molecole che occorrerebbe seguire nel loro moto. Nel moto relativo tra aeromobile ed aria, si sviluppa sulla superficie esterna del velivolo un sistema di forze, di origine aerodinamica; insieme al sistema delle forze è conveniente introdurre un sistema di momenti, riferiti ad un prefissato polo. La forza ed il momento complessivi derivanti dall’interazione tra l’aria e le superfici dell’aeromobile si chiamano forza aerodinamica e momento della forza aerodinamica (rispetto al polo fissato). Questo sistema di forze e momenti dipende dalle condizioni di volo (quota, velocità, orientamento del corpo rispetto alla direzione del flusso) e dalla superficie dell’aeromobile, la cosiddetta configurazione, che può variare notevolmente durante la missione.

Il comportamento dell’aeromobile è intimamente legato a questo sistema di forze ed a forze di altra natura, ad esempio propulsiva. Lo scopo dell’aerodinamica degli aeromobili è la determinazione in ogni singola fase del volo delle forze e dei momenti di natura aerodinamica. Per un velivolo è comodo introdurre diversi sistemi di riferimento, alcuni cartesiani ortogonali, altri polari o cilindrici (come nello studio dei corpi affusolati). Una prima terna cartesiana ortogonale, chiamata “assi-corpo, (x, y, z)” può essere introdotta assumendo l’asse x lungo la fusoliera, l’asse y in direzione laterale, l’asse z verso l’alto. Si definisce ora la terna “assi- vento, (xw, yw, zw)”, avente il versore dell’asse xw diretto lungo la direzione della velocità asintotica, la velocità del velivolo rispetto all’aria in quiete a monte, e gli altri due assi sono determinati in analogia con gli assi-corpo del velivolo. In generale, durante ogni fase del volo che sia o meno a velocità costante si definiscono:
1. la portanza L (da Lift),
2. la forza laterale Y,
3. la resistenza D (da Drag)

come proiezioni della forza aerodinamica rispettivamente sugli assi-vento zw, yw e xw; le componenti del momento intorno ai tre assi sono in genere contrassegnati con la lettera M. Mentre la portanza, in certe situazioni, si può annullare, la resistenza aerodinamica è sempre presente: nasce quindi l’esigenza dell’apparato propulsivo per fornire la spinta necessaria per opporsi alla resistenza (oltre che per accelerare il velivolo inizialmente fermo in pista). Nel moto relativo tra aria e velivolo la posizione relativa della terna degli assi-corpo rispetto a quella degli assi-vento determina il comportamento aerodinamico: si introducono quindi gli angoli di attacco α e di derapata β, determinati rispettivamente da rotazioni intorno agli assi y e z. L’angolo d’attacco è formato dall’asse xw e dalla sua proiezione sul piano (x − y) del riferimento degli assi-corpo; l’angolo di derapata è l’angolo tra l’asse xw e la sua proiezione sul piano (y − z) del riferimento degli assi-corpo, vedi Fig. 4.1 e 4.2 [3]
[...]
Da queste immagini è possibile avere chiara l’idea di come è possibile orientare le due terne di riferimento, ovvero quella solidale al velivolo e quella solidale alla direzione del flusso, l’una rispetto all’altra, in funzione degli angoli sopracitati.