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Calcolo spinta verticale


Francesco230293
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mi chiedevo se esistesse una formula per calcolare la quantità di spinta necessaria per poter far alzare un velivolo.

 

Ma parli di decollo verticale? Conoscevo la formula per calcolare la spinta necessaria ma dei velivoli con decollo e atteraggio convenzionale...credo che per quelli VTOL bisogna che i motori producano tanti KgF quanti sono i Kg del velivolo visto che teoricamente l'aereo è sollevato "di peso" però è solo una mia idea....

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Riformula meglio la domanda...

-come decolla il velivolo?

-quali sono i dati del problema?(superficie alare,peso,coefficiente di resistenza,velocità minima di sostentamento ecc ecc)

purtroppo sei stato troppo generico,se specifichi meglio la soluzione credo di saperti rispondere,altrimenti credo sarei costretto a scriverti un trattato o a consigliarti di acquistare il libro Introduction to Flight in cui c'è scritto veramente di tutto ;)

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Questo velivolo è VTOL, e mi chiedevo appunto una formula per poter calcolare la quantità di spinta per poter far alzare il velivolo. Non ho dati più specifici, ma chiedo soltanto una formula generale nella quale io possa immettere dati.

 

allora semplicemente devi porre la spinta maggiore od uguale al peso del velivolo ovviamente tenendo conto delle unità di misura...moltiplichi la massa del velivolo per 9.81 ottenendo il peso in newton la spinta che deve fornire il propulsore è semplicemente questa...come già è stato detto...

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Beh, si, per far sollevare un velivolo verticalmente la spinta deve essere almeno pari al peso, poi, in realtà per poter traslare a un volo orizzontale parte della spinta la devi usare per accelerare senza far venir meno l'equilibrio del peso. Vien da se che la spinta deve essere un po' superiore al peso del velivolo.

Quanto? Circa il 15% in più. L'unico dato che ti serve è il peso dell'aereo.

Se l'aereo pesa 9400Kg per decollare verticalmente gliene serviranno 10700.

Numeri a caso? No, sono i valori dell'AV-8B...

 

Messa così sembra semplice, ma se la domanda presuppone di considerare come uno vuole ottenere quel risultato le cose si complicano...

Per esempio, lo stesso AV-8B con un peso al decollo 9400kg non riesce manco a fare il pieno di carburante...Ragion per cui per caricare un armamento decente non si decolla mai in verticale per non rinunciare a troppo carburante...

 

A questo punto, per calcolare la spinta, devo si dare il 15% in più del peso, ma quel peso deve essere quello che mi consente di compiere la missione e quindi quello che mi consente per esempio di portare un certo armamento a una certa distanza con determinate prestazioni, fermo restando che, tanto per complicare le cose, la spinta garantita in VTO non potrebbe essere ripetuta in altre condizioni di volo.

 

No, una singola formula per far ciò non esiste, come non esite per calcolare quella di un velivolo tradizionale, dove la spinta viene dimensionata sulla base di pagine di conti in fase di progetto generale, visto che le varie cose (peso, superficie alare, resistenza, portanza, autonomia, ecc) si influenzano a vicenda.

Si parte dunque dalle specifiche di progetto ma, per sfortuna degli studenti di ingegneria aeronautica, non basta una singola formula in cui metterle dentro per ricavare la spinta necessaria...

Edited by Flaggy
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Messa così sembra semplice, ma se la domanda presuppone di considerare come uno vuole ottenere quel risultato le cose si complicano...

Per esempio, lo stesso AV-8B con un peso al decollo 9400kg non riesce manco a fare il pieno di carburante...Ragion per cui per caricare un armamento decente non si decolla mai in verticale per non rinunciare a troppo carburante...

 

 

Ma per quale motivo non usano motori più potenti così possono portare dell'armamento in più senza rinunciare al carburante? Anche il moderno F35 ha questo problema infatti secondo i miei calcoli il suo F135 produce 180 Newton mentre il suo peso carico (attenzione non massimo) è di 196 Newton...

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E mica la spinta di un motore è una variabile indipendente da tutto il resto, peso incluso...

 

Se un motore è spermuto al massimo e la spinta non ti basta ancora, devi cambiare il motore...Lo metti più grande? Bene, ma il problema è che magari non ci entra, sicuramente pesa di più e aumentano i consumi e di conseguenza ti serve più carburante e un aereo più grande per portare il tutto...E'un circolo vizioso...che nemmeno il moderno F-35 riesce ad aggirare....Il suo sistema di decollo verticale, fra ventola di sostentamento, ugelli laterali di controllo, ugello principale rotante e portelli vari, pesa qualcosa come due tonnellate e mezza e sottrae spazio al carburante...

Aumentare la spinta, a parità di materiali e tecnologie impiegate porta a un aumento ulteriore di peso.

 

Si è quindi lavorato parallelamente riducendo al massimo il peso di tutto il velivolo, anche al prezzo di qualche rinuncia (stive più piccole e niente cannone interno), e spremendo il più possibile il motore, che è al limite consentito dall'affidabilità dei componenti più sollecitati.

 

Ps: i 180 sono KN, altrimenti non solleveresti manco il pilota...

Edited by Flaggy
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Ps: i 180 sono KN, altrimenti non solleveresti manco il pilota...

Si giusto ho fatto confusione :D

 

 

Quindi in definitiva per ora è inevitabile che gli aerei VTOL decollando verticalmente abbiano la stessa efficacia offensiva di aerei a decollo convenzionale...

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E' inevitabile che NON abbiano la stessa efficacia offensiva o meglio è impossibile che ce l'abbiano. ;)

Sarà sempre così perchè per quanto tu possa fare potente il motore, inevitabilmente un aereo VTOL sarà più complesso e pesante di uno convenzionale e quindi inevitabilmente avrà prestazioni inferiori.

La cosa è manifesta proprio nell'F-35 in cui le versioni A e B hanno il massimo delle comunanze possibili e le stesse tecnologie, ma l'F-35B, una volta in aria, è inferiore all'A...

Per rendere il gap accettabile gli aerei VTOL in quanto tali in sostanza non esistono...Ormai li si definisce STOVL perchè farli decollare verticalmente è di utilità scarsa. Possono ancora avere un profilo di missione VTOL, ma quello tipico sarà STOVL (decollo corto e atterraggio verticale).

Ora, con l'F-35B si sta pensando anche ha un profilo che preveda sia decollo che atterraggio corti...Consente di portare a casa un armamento decente se dovesse capitare di non riuscire a sganciarlo in missione.

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Cosa vuoi risolvere?

La carenza di spinta che affligge tutti gli stovl?..Si, nel lungo periodo forse, ma in realtà gli aerei sono anni che aumentano il loro peso perchè ci si ficca dentro sempre più cose e i rapporti spinta/peso degli aerei negli ultimi 30 anni non è che siano riusciti a fare passi da gigante nonostante quelli dei motori migliorassero.

Se invece ti riferisci alla inferiorità di uno stovl rispetto a un velivolo convenzionale, la cosa è intrinsecamente irrisolvibile.

Edited by Flaggy
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  • 9 years later...

Ciao a tutti. Il problema della spinta necessaria per il decollo mi assilla da anni. Non ho mai trovato una risposta scientificamente precisa da nessuno. Io ragiono così:

Per definizione un kw è la potenza necessaria per sollevare 100kg (1000 N) in un secondo all'altezza di un metro; ne segue che basterebbero 5 KW per sollevare mezza tonnellata (il peso massimo di un ultraleggero; ho volato con gli ultraleggeri a decollo NON verticale, perciò faccio quest'esempio). Sta di fatto però che un ultraleggero a decollo verticale (elicottero o altri velivoli sperimentali ha motorizzazioni MOLTO più potenti. Perché? Si potrebbe obiettare che ci sono delle perdite di potenza dovute ad attriti vari nella trasmissione dal motore all'elica, oltre all'efficienza di un'elica, che non è 1, ovviamente. Pur supponendo, però, che l'elica abbia un'efficienza 0,5 (esagerando le perdite) e che il 30% della potenza sia perso dalla trasmissione, in ogni caso rimane da spiegare perché un elicottero ( o un aeromobile simile) da mezza tonnellalata (un giocattolino) abbia motori da 50 kw e più. Ulrima spiegazione che mi hanno proposto è il fatto di dover moltiplicare ogni kw di potenza per 9,81 (accelerazione di gravità). Non mi spiego, però perché sia necessario farlo. Per definizione 1kw è la potenza necessaria per sollevare 100kg (1000 N) in un secondo all'altezza di un metro: si tratta già di un PESO, non di una massa (si solleva un peso, non una massa). Qualcuno più ferrato di me in fisica applicata ai velivoli mi può aiutare?

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Indicativamente su un piccolo elicottero possiamo trovare potenze che sono un buon 50%-60% superiori a quelle di un ultraleggero ad ala fissa, che non è poi nemmeno così tanto di più.

Quanto al dove se ne va la potenza di un elicottero, diciamo che la trasmissione assorbe parecchia potenza, perchè il rapporto di riduzione è sempre più elevato di quello di un aereo visto che il rotore gira indicativamente 10 volte più lento di un’elica. Oltre a questo gli elicotteri hanno il rotore anticoppia che si beve parecchia potenza.

In un elicottero monomotore per il sistema di raffreddamento si può perdere dal 4% al 7% della potenza. Il rotore anticoppia a sua volta assorbe dal 10% al 20%, la trasmissione nel suo complesso un ulteriore 8% circa (in caso di motori a turbina va meglio soprattutto per il raffreddamento).

Ben che vada, al rotore principale che deve sollevare il nostro elicottero arriva ben meno dell’80% della potenza motrice e a sua volta anche il rotore ha un’efficienza.

E qui sorgono i problemi.

Tralasciando il campo di velocità elevate, dove ci sono problemi di inefficienza del rotore dovute alle velocità transoniche della pala avanzante e di stallo in quella retrocendente, in hovering a punto fisso (se vogliamo la ragion d’essere di questo mezzo) un elicottero richiede potenze elevatissime dovute alla ridotta portata d’aria che riesce ad esprimere il rotore principale e quindi all’elevata variazione di velocità che deve imporre ad essa. A punto fisso si formano in effetti dei vortici d’estremità (che crescono ulteriormente fuori effetto suolo). E in condizioni di discesa le cose posso anche peggiorare parecchio, perchè si può formare una sorta di anello vorticoso toroidale che fa si che il rotore si “ribeva” l’aria espulsa, con conseguente riduzione della portata e dell’efficienza.

La potenza indotta va col cubo della variazione di velocità attraverso il disco del rotore: c’è un motivo se gli elicotteri hanno un rotore molto grande: piu è grande il rotore, minore è la variazione di velocità da imporre al flusso che lo attraversa e quindi minore è la potenza indotta dalla spinta richiesta ad equilibrare il peso e a fare tutte le manovre.

Un elicottero usa insomma meno potenza per avanzare a velocità moderata (e vincere anche la relativa resistenza oltre che equilibrare il peso) piuttosto che per stare fermo in aria. Peccato che per quella fase, o per altre anche peggiori, ci debba passare e quindi è richiesta maggiore potenza installata rispetto a un velivolo ad ala fissa di pari peso e prestazioni non proprio anemiche.

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Edited by Flaggy
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