ECTS - University of Pisa
L'obiettivo del corso è di fornire strumenti e metodi di base per la comprensione e l'analisi del funzionamento dei principali sistemi utilizzati a bordo dei velivoli per la generazione, la trasformazione, la regolazione, il trasporto e l'impiego di energia e informazioni. Tutti i sistemi oggetto di studio vengono illustrati in termini di architettura tipica e principio di funzionamento, e per alcuni di essi vengono presentate tecniche di dimensionamento preliminare, mediante modelli analitici di ordine ridotto. Parti specifiche del corso sono inoltre dedicate all'analisi di affidabilità/sicurezza degli impianti, nonché allo sviluppo di codici numerici di simulazione per lo studio della dinamica dei sistemi.
The aim of the course is to provide fundamental methods and tools for the design and analysis of the main systems employed on aircrafts for the generation, the conversion, the regulation, the distribution and the use of energy and data. All the examined systems are described in terms of general architecture and working principle, and basic design practices are also presented for relevant cases, by using reduced-order analytical models. Specific sections of the course are dedicated to the reliability/safety analysis of onboard systems, as well as to the development of numerical codes for the simulation of systems' dynamics.
Le conoscenze acquisite dallo studente saranno verificate mediante una prova orale, nella quale sarà valuatata la capacità di discutere i contenuti principali del corso utilizzando la terminologia tecnica appropriata, nonché di presentare ed illustrare architetture e principi di funzionamento dei sistemi.
Nel corso della prova orale, lo studente potrà (facoltativamente) presentare una breve relazione tecnica sullo sviluppo di un codice numerico di simulazione dinamica di un impianto.
The knowledge gained by the student will be assessed via an oral exam, aiming to evaluate his/her capability to discuss the main contents of the course using the appropriate terminology, as well as to present and describe systems' architecture and working principles.
During the oral exam, the student can (optionally) present a brief technical report documenting the development of a numerical code for the dynamic simulation of an onboard system.
Alla fine del corso lo studente sarà in grado di:
At the end of the course, the student will be capable of:
Durante il corso, verranno svolte esercitazioni pratiche e di laboratorio con PC mirate all'applicazione di metodi e tecniche per:
During the course, several practical exercises and laboratory works at PC will be carried out, aiming to apply methods and tools for:
Alla fine del corso lo studente sarà in grado di:
At the end of the course, the student will be capable of:
Il corretto approccio alla materia verrà verificato soprattutto nel corso delle esercitazioni pratiche e, con particolare riferimento alle esercitazioni di laboratorio con PC, verrà inoltre valutata la propensione degli studenti al lavoro di gruppo: verranno infatti proposti, a gruppi di 3-5 studenti, una serie di problemi di dimensionamento preliminare di impianti, da risolvere mediante lo sviluppo di codici numerici di simulazione dinamica. Al termine del lavoro (il cui svolgimento è facoltativo), gli studenti elaboreranno una breve relazione tecnica da discutere nel corso della prova orale finale.
The correct behaviour to the matter will be especially assessed during the practical exercises and, with particular reference to the laboratory works at PC, the students' inclination to teamwork will be also evaluated: actually, a set of problems on preliminary design of onboard systems will be proposed to groups of 3-5 students, who will be required to solve the exercise by developing a numerical code for dynamic simulation. At the end of the work (which is optional), the students will document the obtained results into a brief technical report to be discussed at the final oral exam.
Per una efficace fruizione dei contenuti del corso, sono richieste conoscenze di base di
For an effective access of the course contents, basic knowledge of the following disciplines are required:
Il corso è strutturato in due moduli: il primo (Tecnologie degli Impianti Aeronautici) è maggiormente dedicato a lezioni teoriche, mentre il secondo (Laboratorio di Simulazione di Impianti Aeronautici) prevede anche esercitazioni in laboratorio con PC, nelle quali sono presentati ed applicati metodi, strumenti e tecniche per lo sviluppo di codici numerici di simulazione dinamica.
Modulo: TECNOLOGIE DEGLI IMPIANTI AERONAUTICI
NOZIONI INTRODUTTIVE
Meccanica dei fluidi: definizioni, fluido viscoso e fluido non viscoso. Impostazione del problema aerodinamico. Concetto di strato limite. Numero di Reynolds. Altezza dello strato limite. Moto unidimensionale: equazione di conservazione della massa, equazione di bilancio dell’energia. Aerodinamica dei profili: meccanismi di generazione della portanza. Principali fonti di generazione della resistenza aerodinamica. Separazione dello strato limite. Forma e nomenclatura dei profili aerodinamici. Effetti dell’incidenza. Caratteristiche aerodinamiche dei profili: coefficiente di portanza e di resistenza. Fenomeno dello stallo.
Meccanica del Volo: architettura e nomenclatura dei velivoli convenzionali da trasporto civile. Volo livellato stazionario: condizioni di equilibrio e di stabilità. Equilibrio in beccheggio. Stabilità in beccheggio. Disposizione delle superfici portanti per configurazioni stabili in beccheggio: velivolo con due superfici portanti (ala e coda orizzontale). Superfici mobili dei comandi primari di volo. Manovra di cabrata e salita.
Controlli Automatici: definizione di sistema, segnali di ingresso e di uscita, segnali di disturbo. Rappresentazione simbolica dei sistemi. Controllo in ciclo aperto e in ciclo chiuso.
AFFIDABILITA' E SICUREZZA
Definizioni. Funzioni di distribuzione della densità dei guasti. Schematizzazione a blocchi dei sistemi per la valutazione della affidabilità. Teoremi della probabilità composta, della probabilità totale, di Bayes. Modelli affidabilistici Stand-By. Effetto combinato di avarie casuali e per usura. Sicurezza. Test di significatività e di bontà del best-fit. Albero dei guasti.
STRUMENTI DI VOLO
Strumenti a capsula. Altimetro: principio di funzionamento, errori di pressione e di temperatura, regolazioni QFE, QNH e QNE. Anemometro: funzionamento ed errori, velocità IAS, CAS, EAS e TAS. Variometro: funzionamento ed errori.
Strumenti magnetici. Magnetismo terrestre, declinazione e inclinazione magnetica. Errori della bussola. Effetto dei ferri di bordo e relativa compensazione.
Strumenti giroscopici. Proprietà del giroscopio meccanico. Precessione apparente e da trasporto. Direzionale e orizzonte artificiale.
IMPIANTO ANTIGHIACCIO
Meccanismi di formazione del ghiaccio e conseguenze sulla sicurezza del volo. Analisi della normativa. Antighiaccio aerotermico, elettrico e pneumatico a membrane pulsanti. Controllo dei sistemi antighiaccio.
IMPIANTI PER LA CONVERSIONE E LA DISTRIBUZIONE DI ENERGIA
Impianto elettrico: requisiti generali, impianti a corrente continua e alternata, utilizzatori. Principio di funzionamento dell’alternatore e della dinamo. Regolazione. Parallelo di dinamo. Generatori Brushless. Gruppi inverter e raddrizzatori. Distribuzione dell’energia elettrica a bordo, schemi tipici.
Impianto oleodinamico: principi di funzionamento, pompe idrauliche, distribuzione. Attuatori lineari e rotanti. Perdite di carico distribuite e concentrate. Valvole di distribuzione, di sequenza, fusibili, di non ritorno, regolatrici di pressione, regolatrici di portata. Accumulatori idraulici. Simbologia unificata.
SISTEMI DI ATTUAZIONE
Attuazione potenziata: schemi per tipi reversibile e irreversibile; principio di funzionamento dei trim tab, sensibilità di manovra e pilotabilità.
Attuazione servoidraulica: componenti essenziali e principio di funzionamento del controllo del moto con “feedback elettrico”.
Sistemi Fly-By-Wire: Architettura generale e vantaggi rispetto ai sistemi tradizionali. Funzioni di protezione dell’inviluppo di volo e di aumento prestazioni. Ruolo dei sensori dati-aria e dei sensori inerziali.
Modulo: LABORATORIO DI SIMULAZIONE DI IMPIANTI AERONAUTICI
IMPIANTI PER LA CONVERSIONE E LA DISTRIBUZIONE DI ENERGIA
Fondamenti di idrodinamica: equazione di stato dei fluidi idraulici; bulk modulus, viscosità dinamica e viscosità cinematica; bilancio di massa; equazioni di orifizio e perdite di carico distribuite; bilancio dell'energia (casi notevoli di applicazione: pompe, attuatori, valvole, tubazioni).
Impianto oleodinamico: Definizione dell'architettura; analisi in fase stazionaria e quasi-dinamica (dimensionamento/selezione martinetti, tubazioni, valvole; verifica prestazioni, dimensionamento/selezione di accumulatori idraulici); analisi in fase transitoria e modellazione dinamica; transitori di pressione nei condotti ("colpo d'ariete").
SISTEMI DI ATTUAZIONE
Attuazione servoidraulica: Modulazione della velocità di attuatori idraulici: attuazione a velocità costante; problematiche di regolazione della velocità di movimentazione in impianti con più attuatori; valvole regolatrici di portata proporzionali e servovalvole. Servovalvola “flapper-nozzle” (Electro-Hydraulic servoValves, EHV) senza retrazione meccanica: funzionamento dello stadio elettrico (torque-motor); descrizione del funzionamento e modellazione dinamica del circuito idraulico d'attuazione del cassetto di distribuzione (modello ridotto e modello dettagliato); esempio di risposta dinamica del sistema ad un comando a gradino di corrente. EHV con retrazione meccanica: descrizione del funzionamento del circuito idraulico di attuazione del cassetto di distribuzione. Servovalvola ad azionamento diretto (Direct-Drive Valve, DDV): principio di funzionamento; vantaggi e svantaggi rispetto alle EHV. Trafilamenti in servovalvole a quattro vie; modulazione di potenza idraulica nella servovalvola: guadagno di pressione e guadagno di portata; dinamica del martinetto; attriti e perdite di portata; curve pressione-portata di un attuatore servoidraulico; bilancio dell'energia e dissipazione di potenza; leakage flow di servovalvola.
AFFIDABILITA' E SICUREZZA
Diagramma a Blocchi d’Affidabilità e Albero dei Guasti: analisi RBD e FTA di sistemi a molteplice ridondanza; ridondanza “attiva”, “passiva” (componenti in stand-by e pezzi di ricambio) e “anomala”; applicazione teoremi di base (probabilità composta e totale), teorema di Bayes, modello binomiale, distribuzione di Poisson; calcolo probabilità di guasto di sistema mediante FTA; problemi derivanti da modi comuni di guasto; metodo dei tagli.
Affidabilità di Sistemi Safety-Critical: Monitoraggio di stato di un sistema; diagnosi e compensazione dei guasti in FCS-FBW (guasti rilevabili in modo diretto, guasti rilevabili per confronto, guasti non rilevabili); attuatori servoidraulici fault-toerant con ridondanza elettrica ed idraulica: architettura FTA; albero dei guasti di un FCS-FBW.
CARRELLI E SISTEMI D’ATTERRAGGIO
Carrelli: Funzioni, architetture e componenti principali; articolazioni e cinematismi di movimentazione gamba carrello; confronto fra configurazioni con carrello ausiliario anteriore e posteriore; carichi in fase di decollo, atterraggio e rullaggio.
Ammortizzatori: Generalità e definizioni di base; soluzioni tecnologiche; curva carico-corsa ed efficienza energetica; strategie per il miglioramento delle prestazioni (strozzatura variabile con spina calibrata, strozzatura differenziale e doppio pistone flottante); modellazione dinamica di un ammortizzatore oleopneumatico; dimensionamento preliminare per condizioni statiche; analisi della dinamica del sistema.
Freni: funzioni, architetture e componenti principali; fattori di incertezza nel progetto; dissipazione energetica ed aumento di temperatura; coppia frenante in un pacco dischi; freni in acciaio e freni in carbonio; sistemi anti-skid MARK I, II, III, IV e V (componenti principali e principio di funzionamento; modulazione di pressione in una servovalvola freno); dimensionamento preliminare di un pacco dischi.
SIMULAZIONE NUMERICA DELLA DINAMICA DI SISTEMI
Generalità: definizione problemi ODE; metodi di integrazione numerica; sviluppo di un codice di simulazione.
Introduzione a MATLAB: interfaccia utente; generazione dati e grafici; operazioni matematiche di base; costrutti logici e cicli iterativi di calcolo.
Laboratorio di Simulazione: esempi applicativi mediante l’uso di MATLAB per la simulazione numerica della dinamica di impianti (effetto dei parametri di simulazione sull’accuratezza dei risultati; stima degli errori numerici; uso della simulazione numerica per il progetto di componenti/sistemi).
The course is articulated into two modules: the first one (Aircraft Systems Technologies) is more focused on theoretical issues, while the second (Aircraft Systems Simulation Lab) is also dedicated to practical exercises and laboratory works at PC, in which the methods, tools and techniques for the development of dynamic simulation codes are presented and applied.
Module: AIRCRAFT SYSTEMS TECHNOLOGIES
INTRODUCTORY NOTIONS
Fluid mechanics: definitions, viscous fluid and non-viscous fluid. Definition of the aerodynamic problem. Boundary layer concept. Reynolds number. Boundary layer height. One-dimensional motion: mass conservation equation, energy balance equation. Aerodynamics of profiles: lift generation mechanisms. Main sources of aerodynamic drag generation. Boundary layer separation. Shape and nomenclature of aerodynamic profiles. Effects of the angle of attack. Aerodynamic characteristics of the profiles: coefficient of lift and drag. Stall phenomenon.
Flight Mechanics: architecture and nomenclature of conventional civil transport aircraft. Steady level flight: conditions of equilibrium and stability. Pitching moment balance. Pitching moment stability. Arrangement of lifting surfaces for stable pitch configurations: aircraft with two lifting surfaces (wing and horizontal tail). Primary flight controls surfaces. Pull-up and climb maneuver.
Automatic Controls: system definition, input and output signals, noise signals. Symbolic representation of systems. Open loop and closed loop control.
RELIABILITY AND SAFETY
Definitions. Fault density distribution functions. Block diagram of the systems for the evaluation of reliability. Compound probability, total probability, and Bayes theorems. Stand-By reliability models. Combined effect of accidental and wear failures. Safety. Test of significance and goodness of the best-fit. Fault tree analysis.
FLIGHT INSTRUMENTS
Capsule instruments. Altimeter: principle of operation, pressure and temperature errors; QFE, QNH and QNE adjustments. Anemometer: operation and errors, IAS, CAS, EAS and TAS speed. Variometer: operation and errors.
Magnetic instruments. Earth’s magnetic field, magnetic declination and inclination. Compass errors. Hard- and Soft-Iron distortion on magnetic compass, and relative compensation.
Gyroscopic instruments. Properties of the mechanical gyroscope. Apparent precession of a gyroscope (due to Earth’s motion) and transport precession (due to the aircraft motion on the spherical earth surface). Directional gyro and artificial horizon.
ICE PROTECTION SYSTEM
Ice formation mechanisms and consequences on flight safety. Analysis of the regulations. Air-thermal, electric and pneumatic de-icing with pulsating membranes. Control of ice protection systems.
ENERGY GENERATION AND DISTRIBUTION SYSTEMS
Electrical power systems: general requirements, direct and alternating current systems, on board users. Principle of operation of the alternator and dynamo. Adjustment and control. Parallel of dynamo. Brushless generators. Inverter and rectifier groups. Electricity distribution on board, typical schemes.
Hydraulic power systems: operating principles, hydraulic pumps, fluid power distribution. Linear and rotary actuators. Distributed and concentrated pressure drops. Hydraulic manifold, sequence valve, fuse valve, non-return valve, pressure regulator valve, flow regulator valve. Hydraulic accumulators. Unified symbology for hydraulic plant drawing.
ACTUATION SYSTEMS
Boosted actuation: schemes for reversible and irreversible types; operating principle of the trim tabs; maneuverability and handling.
Servo-hydraulic actuation: essential components and operating principle of motion control with "electrical feedback".
Fly-By-Wire Systems: General architecture and advantages over traditional systems. Flight envelope protection and performance increase functions. Role of air-data sensors and inertial sensors.
Module: Aircraft Systems Simulation Lab
ENERGY GENERATION AND DISTRIBUTION SYSTEMS
Hydraulic fluid flow fundamentals: state equation; bulk modulus and fluid compressibility; absolute and kinematic viscosity; mass and flow rate balance; orifice equations; energy balance (relevant cases: pumps, actuators, valves, pipes)
Hydraulic power systems: Architecture definition; system analysis in steady-state and quasi-dynamic regimes (sizing/selection of pipes, cylinders and flow valves; performance verification; sizing/selection of hydraulic accumulators); system analysis in transient phases and dynamic modelling; pressure transients in pipes ("water hammer").
ACTUATION SYSTEMS
Servo-hydraulic actuation: Speed and power modulation in hydraulic actuators (constant-speed actuation; speed modulation concerns in plants with multiple actuators; proportional flow control valves and servovalves). Flapper-nozzle servovalves (Electro-Hydraulic servoValves, EHV) without mechanical feedback: working principle of the electric torque-motor; working principle and dynamic modelling of the valve spool actuation system (reduced-order and detailed model); system response to step input current. EHV with mechanical feedback: working principle of the valve spool actuation system. Direct-Drive servoValves (DDV): working principle; advantages and drawbacks wrt EHVs. Four-way servovalve flow: pressure gain and flow; cylinder dynamics; friction and losses; flow-pressure curves of a servo-hydraulic actuator; energy balance; servovalve leakage flow.
RELIABILITY AND SAFETY
Reliability Block Diagrams (RBD) and Fault-Tree Analysis (FTA): RBD and FTA of systems with redundant components; “active”, “passive” (stand-by components and spare parts) and “odd ” redundancies; application of basic theorems (Conditional, Joint and Total probability), Bayes theorem, binomial distribution, Poisson distribution; calculation of the system failure probability via FTA; common mode failures; method of the “cut-sets”.
Safety-Critical Systems: System condition-monitoring; fault detection, isolation and compensation in Fly-By-Wire Flight Control Systems (in-lane detection, cross-lane detection, undetectable faults); fault-tolerant servo-hydraulic actuators for flight controls with electrical and hydraulic redundancy: architecture definition and FTA; FCS-level FTA.
LANDING GEAR SYSTEMS
Landing Gears: Functions, architectures and main parts; kinematic solutions; comparison between configurations with secondary gear on nose or tail; take-off landing and runway loads.
Shock-absorbers: Functions and basic definitions; technological solutions; load-stroke curve and dissipation efficiency; performance enhancement strategies (orifice with metering pin; differential orifice, double floating pistons); oleo-dynamic shock absorber modelling; preliminary sizing for steady-state phases; dynamic analysis.
Brakes: Functions and basic definitions; uncertainty design factors; dissipation, heating and temperature rise; torque of a disc brake; steel brakes and carbon brakes; anti-skid systems MARK I, II, III, IV e V (main components, working principle, pressure modulation in a brake servovalve); preliminary sizing of a disc brake.
NUMERICAL SIMULATION OF DYNAMIC SYSTEMS
Fundamentals: ODE problem definition; numerical integration methods; development of a simulation code.
Introduction to MATLAB: user interface; data and plots generation; basic mathematical operators; logical operators; iterative calculation loops.
Simulation Laboratory: application examples using MATLAB on the numerical simulation of dynamic systems (numerical errors and model errors; effects of numerical parameters on prediction accuracy; components/systems design via numerical simulation).
• Materiale didattico fornito dai docenti (https://elearn.ing.unipi.it/)
• "Affidabilità, sicurezza e manutenzione nel progetto dei sistemi", Chiesa S., CLUT, 1990
• "Impianti di bordo per aeromobili", Vol. 1: Impianto idraulico; Vol. 2: Impianto elettrico; Vol. 4: Impianti pneumatico, condizionamento, anti-ghiaccio e APU, Chiesa S., CLUT, 1987-1993.
• "Strumenti e navigazione: corso per la preparazione alle licenze di pilota commerciale, al diploma di perito aeronautico", Trebbi R., Aviabooks, 1995
• "Impianti aeronautici", Vol. 1/I: Impianti di bordo Vol. 3: Impianti per l'assistenza al volo Vol. 4: Elementi di affidabilità e controllo di qualità, Vagnarelli F., Istituto Bibliografico Napoleone, 1991-1992
• “Hydraulic Control Systems”, Merritt H.E., Wiley, 1967
• “Practical Reliability Engineering”, O'Connor, P. D. T., Wiley, 1985
• "Aircraft hydraulic systems: an introduction to the analysis of systems and components", Green Chichester et al., Wiley, 1985
• "L'oleodinamica: principi, componenti, circuiti" Speich H., Bucciarelli A., Tecniche nuove, 1988
• "Aircraft landing gear design: principles and practices", Currey N. S., AIAA, 1988
• "Aircraft Electrical Systems", Pallet E. H. J., Prentice Hall
• "Aircraft Electricity and Electronics", Eismin et al., Mc Graw Hill
• Lecture notes provided by the teachers (https://elearn.ing.unipi.it/)
• "Affidabilità, sicurezza e manutenzione nel progetto dei sistemi", Chiesa S., CLUT, 1990
• "Impianti di bordo per aeromobili", Vol. 1: Impianto idraulico; Vol. 2: Impianto elettrico; Vol. 4: Impianti pneumatico, condizionamento, anti-ghiaccio e APU, Chiesa S., CLUT, 1987-1993.
• "Strumenti e navigazione: corso per la preparazione alle licenze di pilota commerciale, al diploma di perito aeronautico", Trebbi R., Aviabooks, 1995
• "Impianti aeronautici", Vol. 1/I: Impianti di bordo Vol. 3: Impianti per l'assistenza al volo Vol. 4: Elementi di affidabilità e controllo di qualità, Vagnarelli F., Istituto Bibliografico Napoleone, 1991-1992
• “Hydraulic Control Systems”, Merritt H.E., Wiley, 1967
• “Practical Reliability Engineering”, O'Connor, P. D. T., Wiley, 1985
• "Aircraft hydraulic systems: an introduction to the analysis of systems and components", Green Chichester et al., Wiley, 1985
• "L'oleodinamica: principi, componenti, circuiti" Speich H., Bucciarelli A., Tecniche nuove, 1988
• "Aircraft landing gear design: principles and practices", Currey N. S., AIAA, 1988
• "Aircraft Electrical Systems", Pallet E. H. J., Prentice Hall
• "Aircraft Electricity and Electronics", Eismin et al., Mc Graw Hill
L'esame consiste in una prova orale finale da sostenere col docente del corso e con i suoi collaboratori, durante la quale vengono formulate allo studente una serie di domande volte a verificare le conoscenze maturate, le capacità acquisite e l'approccio alle problematiche della materia.
Facoltativamente, lo studente potrà presentare una breve relazione tecnica sullo sviluppo di un codice numerico di simulazione dinamica di un impianto, ottenuta come risultato del lavoro di gruppo assegnato nel corso delle esercitazioni in laboratorio con PC.
La durata dell'esame è mediamente di un'ora.
L'esame è superato positivamente se lo studente risposte positivamente a tutte le domande formulate.
La votazione è espressa in trentesimi (18 è il punteggio minimo per superare l'esame).
The exam consists of a final oral examination made by the teacher and his assistants, during which the student is required to answer a set of questions aiming to assess the knowledge, the capabilities and the behaviours gained by the course.
Optionally, the student can present a brief technical report documenting the development of a numerical code for the dynamic simulation of an onboard system, which will be the result of a teamwork assigned during the laboratory works at PC.
The exam duration is typically one hour.
The exam is passed if the student correctly answers all the questions.
The exam score is given as a mark out of 30 (18 is the minimum score to pass the exam).
