ITTO20080566A1

ITTO20080566A1 - Dispositivo attuatore basato su lega a memoria di forma e gruppo di flap alare dotato di un tale dispositivo attuatore

Info

Publication number: ITTO20080566A1
Application number: IT000566A
Authority: IT
Inventors: Salvatore Ameduri; Silvestro Barbarino; Erika Calvi; Antonio Concilio; Generoso Iannuzzo; Leonardo Lecce; Rosario Pecora; Massimo Riccio; Salvatore Russo
Original assignee: Alenia Aeronautica Spa
Priority date: 2008-07-23
Filing date: 2008-07-23
Publication date: 2010-01-24
Also published as: US8348201B2; EP2147856B1; EP2147856A1; ES2372450T3; US20100019096A1; ATE528207T1

Description

DESCRIZIONE dell'invenzione industriale dal titolo: "Dispositivo attuatore basato su lega a memoria di forma e gruppo di flap alare dotato di un tale dispositivo attuatore"

DESCRIZIONE

La presente invenzione si riferisce ad un gruppo di flap alare.

Come è noto, l’incremento di portanza richiesto per le fasi di decollo e atterraggio di un velivolo è principalmente ottenuto mediante la deflessione di un flap alare intorno ad un asse di cerniera.

Tale soluzione implica la presenza di robuste linee di controllo e complessi dispositivi di attuazione che contribuiscono in modo significativo al peso dell’intera struttura alare.

Da un punto di vista aerodinamico, la modifica locale alla curvatura del profilo alare indotta da un flap convenzionale è limitata dal range di escursione del flap stesso; ne discende che in condizioni operative sono fruibili solo le curvature di profilo compatibili con il numero finito di angoli di deflessione della superficie mobile.

Scopo della presente invenzione è quello di rendere disponibile un gruppo di flap alare che consenta una riduzione dei pesi, dei costi operativi e di manutenzione rispetto alla tradizionale tecnologia del flap alare, nonché un’ottimizzazione delle prestazioni aerodinamiche del dispositivo di ipersostentazione.

Forma pertanto oggetto dell’invenzione un gruppo di flap alare, comprendente

un flap formato da una pluralità di sezioni di flap disposte in successione lungo la direzione trasversale del flap, in cui ciascuna sezione di flap è collegata alla precedente in modo ruotabile in misura limitata rispetto ad essa, in modo tale per cui le rotazioni relative delle sezioni di flap successive rispetto alla prima sezione di flap sono in relazione di progressiva amplificazione rispetto ad essa; ed

uno o più dispositivi attuatori atti a comandare la rotazione di dette sezioni di flap, ciascun dispositivo attuatore comprendendo un elemento allungato di lega a memoria di forma ed un telaio ad arco di materiale elastico, al quale l’elemento allungato è vincolato in condizione di tensione, ciascuna estremità dell’elemento allungato essendo fissata ad una rispettiva estremità del telaio ad arco, in cui un riscaldamento controllato dell’elemento allungato, sufficiente per provocare una trasformazione della fase cristallina della lega a memoria di forma, è in grado di provocare una contrazione dell’elemento allungato, e di conseguenza una contrazione di detto telaio ad arco, ed un raffreddamento dell’elemento allungato contratto, sufficiente per provocare una trasformazione inversa della fase cristallina della lega a memoria di forma, permette una distensione del telaio ad arco per effetto di richiamo elastico;

in cui almeno uno di detti uno o più dispositivi attuatori è da un’estremità collegato alla prima di dette sezioni di flap, e dall’altra estremità è atto ad essere collegato ad una struttura alare.

Secondo l’invenzione il flap alare è in grado di modificare dinamicamente la propria curvatura (morphing flap) secondo specifiche esigenze di progetto. Il controllo del flap avviene tramite uno o più dispositivi attuatori basati su lega a memoria di forma, il che riduce enormemente il peso complessivo del gruppo e semplifica la realizzazione delle linee di controllo.

Il dispositivo attuatore basato su lega a memoria di forma è stato concepito per soddisfare i requisiti tecnici del gruppo alare secondo l’invenzione. Tuttavia, esso è applicabile anche in altri ambiti tecnologici, anche al di fuori dell’industria aeronautica.

Forma pertanto ulteriore oggetto dell’invenzione un dispositivo attuatore comprendente un elemento allungato di lega a memoria di forma, comprendente inoltre un telaio ad arco di materiale elastico, al quale l’elemento allungato è vincolato in condizione di tensione, ciascuna estremità dell’elemento allungato essendo fissata ad una rispettiva estremità del telaio ad arco, in cui un riscaldamento controllato dell’elemento allungato, sufficiente per provocare una trasformazione della fase cristallina della lega a memoria di forma, è in grado di provocare una contrazione dell’elemento allungato, e di conseguenza una contrazione di detto telaio ad arco, ed un raffreddamento dell’elemento allungato contratto, sufficiente per provocare una trasformazione inversa della fase cristallina della lega a memoria di forma, permette una distensione del telaio ad arco per effetto di richiamo elastico.

Forme di realizzazione preferite dell'invenzione sono poi definite nelle rivendicazioni dipendenti.

Verranno ora descritte alcune forme di realizzazione preferite, ma non limitative, dell'invenzione, facendo riferimento ai disegni allegati, in cui:

- la figura 1 è una vista semplificata in prospettiva di un dispositivo attuatore secondo l’invenzione;

- la figura 2 è una vista in prospettiva di un prototipo del dispositivo di figura 1;

- le figure 3a e 3b sono viste schematiche che illustrano, da lati opposti, una centina di un gruppo di flap alare secondo una prima forma di realizzazione dell’invenzione, in configurazione indeformata;

- le figure 4a e 4b sono viste schematiche, corrispondenti a quelle delle figure 3a e 3b, che illustrano la centina delle figure 3a e 3b in configurazione deformata;

- le figure 5a e 5b rappresentano il diagramma delle rotazioni della centina illustrata nelle figure 3a, 3b, 4a e 4b;

- la figura 6 è una vista schematica che illustra una centina di un gruppo di flap alare secondo una seconda forma di realizzazione dell’invenzione; e

- le figure 7 ed 8 sono viste semplificate in prospettiva di una catena di dispositivi attuatori utilizzati nella centina di figura 6.

Con riferimento alle figure 1 e 2, si descrive ora un dispositivo attuatore secondo l’invenzione, indicato complessivamente con 10. Tale dispositivo è alla base del gruppo di flap alare secondo l’invenzione, due forme di realizzazione del quale verranno descritte nel seguito.

Il dispositivo attuatore 10 comprende un elemento allungato 11 fatto di lega a memoria di forma. Tale elemento allungato 11 può avere differenti dimensioni e sezioni geometriche (rettangolare, circolare, ecc.); nell’esempio illustrato esso è realizzato in forma di un nastro avente lunghezza prestabilita. Il dispositivo attuatore 10 comprende inoltre un telaio ad arco 12 fatto di materiale elastico, in particolare materiale metallico. Tale telaio ad arco 12 è dimensionato negli spessori e sagomato geometricamente in modo tale da essere deformabile linearmente per effetto delle sollecitazioni impartite dall’elemento allungato 11.

In particolare, l’elemento allungato 11 è vincolato al telaio ad arco 12 in condizione di tensione, avendo ciascuna delle sue estremità 11a, 11b fissata ad una rispettiva estremità 12a, 12b del telaio ad arco 12. Nell’esempio illustrato, le estremità 12a, 12b sono a tal fine provviste di rispettive morse 13a, 13b, che fanno presa sulle estremità dell’elemento allungato 11. Tali morse sono montate in modo girevole su rispettivi perni 14a, 14b estendentisi perpendicolarmente rispetto al piano definito dal telaio ad arco 12, ed alloggiati in fori di ancoraggio 15a, 15b. L’utilizzo delle morse non è tuttavia da considerarsi limitativo dell’invenzione, in quanto sono concepibili altri mezzi di fissaggio per ancorare l’elemento allungato al telaio ad arco, quali ad esempio la saldatura.

Per l’assemblaggio iniziale del dispositivo attuatore, le estremità 12a, 12b del telaio ad arco 12 sono provviste di rispettive formazioni di ancoraggio 16a, 16b per il montaggio temporaneo di un tenditore 17, al fine di creare nel telaio ad arco un precarico (avvicinando fra loro le estremità del telaio ad arco 12) tale da portare in tensione l’elemento allungato allorquando quest’ultimo viene ancorato al telaio ad arco 12, ed il tenditore viene 17 successivamente rimosso.

Per migliorare e regolare la messa in tensione dell’elemento allungato 11, in una posizione intermedia del telaio ad arco 12 è previsto un organo di regolazione 18, comprendente un’asta 18a montata sul telaio ad arco 12 ed orientata in direzione radiale, ed un elemento di appoggio 18b montato sull’asta 18a filettata 18a in modo tale da sporgere trasversalmente rispetto ad essa, sul quale poggia in un suo punto intermedio l’elemento allungato 11. Regolando la distanza dell’elemento di appoggio 18b dal telaio ad arco 12, è possibile regolare la messa in tensione dell’elemento allungato 11, oltre che incrementare le prestazioni dell’arco elastico. Tale regolazione può essere resa possibile dotando ad esempio l’asta 18a di una filettatura, come visibile in figura 2.

Il funzionamento del dispositivo attuatore 10 si basa sui noti principi fisici delle leghe a memoria di forma. Un riscaldamento controllato dell’elemento allungato 11, sufficiente per provocare una trasformazione della fase cristallina della lega a memoria di forma, è in grado di provocare una contrazione dell’elemento allungato 11, e di conseguenza una contrazione del telaio ad arco 12 (cioè un avvicinamento reciproco delle estremità 12a, 12b del telaio). Un raffreddamento dell’elemento allungato 11 in tale stato di contrazione, sufficiente per provocare una trasformazione inversa della fase cristallina della lega a memoria di forma, permette una distensione del telaio ad arco 12 (cioè un allontanamento delle estremità 12a, 12b del telaio l’una dall’altra) per effetto della forza di richiamo elastico esercitata dal telaio.

Con riferimento alle figure 3 a 5, si descrive ora una prima forma di realizzazione di un gruppo di flap alare secondo l’invenzione. Tale forma di realizzazione si basa sull’impiego di centine morfologicamente deformabili costituite da una pluralità di blocchi portanti (nell’esempio, tre blocchi), movimentabili attraverso un cinematismo qua ternario a collegamenti binari incrociati (QBCLM). Un flap alare, indicato complessivamente con 20, è formato da una pluralità di sezioni di flap 21, 22, 23 disposte in successione lungo la direzione trasversale del flap 20. Nelle figure 3 e 4 è in realtà rappresentata una singola centina del flap 20, formata da una pluralità di blocchi B1, B2, B3 fra loro collegati nel modo che verrà descritto nel seguito. Ciascun blocco B1, B2, B3 della centina corrisponde ad una rispettiva sezione di flap 21, 22, 23. Nelle figure 3a e 3b la centina è rappresentata in configurazione indeformata, mentre nelle figure 4a e 4b la centina è rappresentata in configurazione deformata. Inoltre, nelle figure 3a e 4a la centina è osservata secondo una vista diretta verso la base dell’ala, mentre nelle figure 3b e 4b la centina è osservata secondo una vista diretta verso la punta dell’ala.

Come è mostrato nelle figure 3a e 3b, i blocchi B1 e B3 giacciono sullo stesso piano, mentre il blocco B2 è sfalsato rispetto ad essi nella direzione dello spessore della centina. Ciascun blocco è collegato al proprio successivo mediante una cerniera che giace sulla linea media del flap (punti A e B).

Il blocco B1 è collegato al blocco B3 attraverso un’asta incernierata nei punti C e D; il blocco B2 è collegato al longherone posteriore dell’ala W attraverso un’asta incernierata al longherone posteriore ed al blocco B2, rispettivamente nei punti E ed F.

Il blocco B1 è incernierato al longherone posteriore dell’ala W in corrispondenza del punto G; la cerniera individuata sul blocco B1 dal punto H è utilizzata per collegare il blocco B1 al dispositivo attuatore 10. Il dispositivo attuatore 10 è incernierato in I alla struttura alare W (longherone posteriore) ed in H al blocco B1.

Riscaldando l’elemento allungato 11 del dispositivo attuatore 10 esso subisce una contrazione predefinita; il blocco B1 viene messo in rotazione intorno alla cerniera G e trascina con sé i blocchi B2 e B3; le cerniere E, G, I restano solidali alla struttura alare W mentre le cerniere di collegamento A, B, C, D, F, H modificano la propria posizione portandosi rispettivamente in A’, B’, C’, D’, F’, H’, come illustrato nelle figure 4a e 4b.

La posizione iniziale delle cerniere di collegamento è funzione della famiglia di curve obiettivo definite per la linea media del flap.

Nelle figure 5a e 5b è rappresentata la linea media del flap, rispettivamente secondo una vista diretta verso la base dell’ala e verso la punta dell’ala. La linea LM1 rappresenta la linea media nella condizione indeformata, mentre la linea LM2 rappresenta la linea media nella condizione deformata.

Per effetto del particolare cinematismo nonché del posizionamento razionale delle cerniere di collegamento, sono sufficienti piccole rotazioni del blocco B1 per indurre elevate rotazioni dei blocchi successivi, con un effetto di amplificazione progressiva del movimento dal blocco B1 verso il blocco B3. Ne discende che anche un marcato cambiamento di forma della linea media è ottenibile con moderate escursioni del dispositivo attuatore 10, e quindi con un basso dispendio di energia.

Con riferimento alle figure 6 a 8, si descrive ora una seconda forma di realizzazione di un gruppo di flap alare secondo l’invenzione. Tale forma di realizzazione si basa anch’essa sull’impiego di centine di forma variabile costituite da una pluralità di blocchi (nell’esempio, cinque blocchi). Tale architettura si differenzia dalla precedente per l’integrazione di un maggior numero di dispositivi attuatori 10, con funzione sia di portanza strutturale che di controllo della deformabilità della centina.

Un flap alare, indicato complessivamente con 200, è formato da una pluralità di sezioni di flap 201, 202, 203, 204, 205 disposte in successione lungo la direzione trasversale del flap 200. In figura 6 è in realtà rappresentata una singola centina del flap 200, formata da una pluralità di blocchi B11, B12, B13, B14, B15 fra loro collegati tramite i dispositivi attuatori 10. Ciascun blocco B11, B12, B13, B14, B15 della centina corrisponde ad una rispettiva sezione di flap 21, 22, 23, 24, 25. In figura 6 la centina è rappresentata in due diverse configurazioni indotte dall’azionamento dei dispositivi attuatori 10.

Una possibile disposizione dei dispositivi attuatori 10 adatta per questa architettura di flap alare è illustrata nelle figure 7 ed 8. Tale disposizione consiste in una catena 300 di dispositivi attuatori come quello illustrato nelle figure 1 e 2, in cui ciascun dispositivo attuatore 10 condivide un’estremità con il dispositivo attuatore 10 successivo. Le estremità condivise fra dispositivi attuatori adiacenti sono contrassegnate con 12ab nelle figure 7 ed 8. In sostanza, la catena 300 è formata da dispositivi attuatori resi solidali l’uno all’altro, in cui la flessione della catena è ottenuta grazie alle deformazioni dei singoli dispositivi attuatori 10. I blocchi B11, B12, B13, B14, B15 sono resi solidali alle estremità dei dispositivi attuatori 10 ad essi adiacenti. Il primo dispositivo attuatore 10 della catena 300 è da un’estremità reso solidale alla struttura alare W, e dall’altra è reso solidale al primo blocco B11.

La presenza di dispositivi attuatori 10 multipli collocati in serie permette di amplificare, come in una catena cinematica, gli spostamenti e le rotazioni del singolo dispositivo attuatore e trasmetterle al successivo, accrescendo lo spostamento e la rotazione complessiva della centina; inoltre, la possibilità di attivare singolarmente ciascun dispositivo attuatore od una qualsiasi combinazione degli stessi permette di ottenere molteplici stati stabili a cui sono associate altrettante deformate della centina, onde simulare le molteplici posizioni di deflessione tipiche di un flap tradizionale (in funzione delle condizioni di volo previste). Il numero di dispositivi attuatori collegati in serie può essere modificato in funzione delle necessità di attuazione richieste dalla centina e degli ingombri geometrici a disposizione (variabili con il velivolo di riferimento).

Inoltre, i dispositivi ad arco rappresentano anche gli unici elementi della centina soggetti a deformazione con il modificarsi della forma della stessa, e pertanto possono essere dimensionati per tollerare opportuni stati tensionali di progetto ed i carichi (aerodinamici) esterni.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Gruppo di flap alare, caratterizzato dal fatto di comprendere un flap (20; 200) formato da una pluralità di sezioni di flap (21, 22, 23; 201, 202, 203, 204, 205) disposte in successione lungo la direzione trasversale del flap, in cui ciascuna sezione di flap è collegata alla precedente in modo ruotabile in misura limitata rispetto ad essa, in modo tale per cui le rotazioni relative delle sezioni di flap successive rispetto alla prima sezione di flap (21; 201) sono in relazione di progressiva amplificazione rispetto ad essa; ed uno o più dispositivi attuatori (10) atti a comandare la rotazione di dette sezioni di flap, ciascun dispositivo attuatore comprendendo un elemento allungato (11) di lega a memoria di forma ed un telaio ad arco (12) di materiale elastico, al quale l’elemento allungato è vincolato in condizione di tensione, ciascuna estremità (11a, 11b) dell’elemento allungato essendo fissata ad una rispettiva estremità (12a, 12b, 12ab) del telaio ad arco, in cui un riscaldamento controllato dell'elemento allungato, sufficiente per provocare una trasformazione della fase cristallina della lega a me moria di forma, è in grado di provocare una contrazione dell’elemento allungato, e di conseguenza una contrazione di detto telaio ad arco, ed un raffreddamento dell’elemento allungato contratto, sufficiente per provocare una trasformazione inversa della fase cristallina della lega a memoria di forma, permette una distensione del telaio ad arco per effetto di richiamo elastico; in cui almeno uno di detti uno o più dispositivi attuatori è da un’estremità collegato alla prima di dette sezioni di flap, e dall’altra estremità è atto ad essere collegato ad una struttura alare (W).
2. Gruppo secondo la rivendicazione 1, in cui detto flap comprende una pluralità di centine morfologicamente deformabili, costituite ciascuna da una pluralità di blocchi (B1, B2, B3; B11, B12, B13, B14, B15) disposti in successione e movimentabili l’uno rispetto all’altro, ciascuno dei blocchi di ogni singola centina corrispondendo ad una rispettiva di dette sezioni di flap.
3. Gruppo secondo la rivendicazione 2, in cui detti blocchi sono portanti, ed in cui il primo (B1) di detti blocchi di una singola centina è atto ad essere incernierato a detta struttura alare, ciascuno dei blocchi successivi essendo movimentabile tramite un cinematismo quaternario a collegamenti binari incrociati.
4. Gruppo secondo la rivendicazione 2, in cui detti dispositivi attuatori sono portanti, ed in cui il primo (B11) di detti blocchi di una singola centina è atto ad essere collegato a detta struttura alare unicamente tramite un rispettivo di detti uno o più dispositivi attuatori, e detti blocchi di una singola centina sono collegati l’uno all’altro unicamente tramite un rispettivo di detti uno o più dispositivi attuatori.
5. Gruppo secondo la rivendicazione 4, in cui detti uno o più dispositivi attuatori sono disposti, per ogni singola centina, secondo una catena (300) in cui ciascun dispositivo attuatore (10) è da un’estremità (12ab) reso solidale con il dispositivo attuatore successivo.
6. Dispositivo attuatore (10) comprendente un elemento allungato (11) di lega a memoria di forma, caratterizzato dal fatto di comprendere inoltre un telaio ad arco (12) di materiale elastico, al quale l’elemento allungato è vincolato in condizione di tensione, ciascuna estremità (11a, 11b) dell’elemento allungato essendo fissata ad una rispettiva estremità (12a, 12b) del telaio ad arco, in cui un riscaldamento controllato dell’elemento allungato, sufficiente per provocare una trasformazione della fase cristallina della lega a memoria di forma, è in grado di provocare una contrazione dell’elemento allungato, e di conseguenza una contrazione di detto telaio ad arco, ed un raffreddamento dell’elemento allungato contratto, sufficiente per provocare una trasformazione inversa della fase cristallina della lega a memoria di forma, permette una distensione del telaio ad arco per effetto di richiamo elastico.
7. Dispositivo secondo la rivendicazione 6, in cui le estremità (12a, 12b) del telaio ad arco (12) sono provviste di rispettive formazioni di ancoraggio (16a, 16b) per il montaggio temporaneo di un tenditore (17), atto a consentire il montaggio in tensione dell’elemento allungato (11).
8. Dispositivo secondo la rivendicazione 6 o 7, in cui in una posizione intermedia del telaio ad arco (12) è disposto un organo di regolazione (18), atto a regolare la messa in tensione dell’elemento allungato (11).
9. Dispositivo secondo la rivendicazione 8, in cui detto organo di regolazione comprende un elemento di appoggio (18b), sul quale poggia in un suo punto intermedio l’elemento allungato (11), detto elemento di appoggio avendo una distanza regolabile dal telaio ad arco (12).