Ing.
Flavio Mattavelli
Kleptonini.
Prefazione.
Ho chiamato kleptonino
ogni mio aeroplanino di cartoncino in configurazione ibrida non convenzionale,
non solo canard, né solo tuttala.
Qui non considero i modelli
convenzionali, cioè con stabilatore separato dietro
l'ala.
Tra i diversi miei modellini non
convenzionali, tutti di cartoncino, nati solo per il volo planato di lastre
piane, la configurazione tuttala mi appare preferibile alla configurazione
canard. Infatti i tuttalini mio tipo A
= Giano planano perlopiù meglio dei miei canardini evoluti (Paper 2 bis & TEAL).
La voglia di sperimentare mi ha
portato alla costruzione dei kleptonini, ibridi tra
tuttala e canard, kleptonini che però perlopiù
appaiono planare peggio di tutti, ma si tratta solo di sperimentazioni.
Li ho chiamati kleptonini
perché trattasi di aeroplanini ibridogenici, cioè
ibridi fecondi di sviluppi. Il nome klepton deriva dalle
mie ipotesi nello studio di alcuni molluschi del Marginella glabella Complex, ove
ritengo che alcune marginelle non siano ibridi
sterili, ma klepton.
I kleptonini
sono nati un po’ per copiare i tuttala BWB (Blended Wing Body = corpo e ala miscelati). Nei
BWB la fusoliera è portante, miscelata all’ala, vedere in Internet ad esempio Boeing X 48, oppure Jet Zero e Airbus Maveric,
tra i vari scopi principalmente per arrivare ad avere modelli con
resistenze aerodinamiche minime.
Questo scopo è però sfuggente nei
kleptonini, trattandosi esclusivamente di lastre piane di cartoncino.
|
Ho già introdotto l’argomento nel
forum Barone Rosso, al trend “portanza
lastra concava” (superiormente), ove scrissi:
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(Post #6) “Se la lastra concava fosse deportante, non mi
spiegherei perché plana (quasi) stabile un mio nuovo modello di tuttalino di cartoncino,
avente il muso rialzato. Tale tuttalino a freccia
positiva infatti plana (non sempre) decentemente con stabilizzazione
longitudinale basata sul cartoncino rialzato in punta in 2 lembi tenuti
posizionati da una piccola clip di plastica, cosa assai discutibile, anziché
impiegare le solite 2 estremità alari svergolate, tramite alette piegate in
basso, da me dette “pseudowinglets” (*). __________ (*) Ricordo che le così dette “pseudowinglets”
classiche presenti nei tuttalini puri sono 2
alette a leggero svergolamento negativo, preferibilmente anteriore, cioè
piegate diagonalmente in basso con pieghe partenti dai bordi di entrata, come
nei miei tuttalini tipo A =
Giano. |
Miei
primi kleptonini di vario genere.
Ecco una foto del
suddetto precursore ibrido, che chiamerò tipo K 1.
Apertura alare 210 mm,
clip 20 mm, muso rialzato circa 13° rispetto ai piani delle semiali.
Trattandosi di
cartoncino, occorre curare che le semiali siano
sempre piatte, essendo tutte le parti profilate a lastre piane. Pertanto qui
non viene mai considerata la possibilità di profili autostabili
o reflex. Nel tipo K 1 mancano le “pseudowinglets”
classiche alle 2 “tips” di estremità, però non dovrebbero
mancare 2 derive di estremità, per
contrastare una facile tendenza al “dutch roll”, intendendo per derive delle “pseudo pseudowinglets” quasi parallele, meglio leggermente
convergenti rispetto al senso di moto, e meglio piegate in basso, sotto le semiali.
Il mio precedente disegno della lastra concava rappresenta
la sezione del tuttalino K 1 sulla corda alla radice alare, ma senza aver
disegnato la clip di contrappeso, che deve venir applicata all'estrema sinistra
nel disegno.
La stabilizzazione longitudinale risulta dall'insieme delle portanze della
fascia centrale dell'ala (portanza davanti al baricentro, come in un canard) e
delle 2 fasce esterne delle semiali a freccia
(portanza dietro, come sia nei canard che nei tuttala, ma senza lo svergolamento
delle 2 “pseudowinglets” alle 2 tips),
più ovviamente risulta dal il peso della clip, per portare il baricentro nella
giusta posizione fra le due portanze.
Le semiali esterne pure non compaiono espressamente
nel disegno in sezione, però sono in parte sul preseguo
del disegno verso l'estrema destra del piano inferiore della lastra concava ed
hanno la medesima incidenza del piano inferiore in volo, essendo la sezione
delle semiali al loro attacco coincidente con la
sezione disegnata del piano inferiore della lastra concava.
Ed ecco la foto dello stesso kleptonino precedente, ma con un foro a losanga centrale, kleptonino che viene pertanto denominato tipo K 2.
Ho praticato il foro su suggerimento di Clabe, un altro utente del citato forum, per diminuire i
vortici nell’affossamento sopra il dorso, in corrispondenza del centro
dell'affossamento della concavità dei piani delle semiali,
all'incrocio tra il diedro alare trasversale ed il cosidetto
diedro longitudinale formato dalle 2 lastre piane del mio precedente disegno.
Il K 2 fornisce un discreto risultato di planata, però non
molto migliore di quello ottenibile dal muso rialzato senza buco del K 1.
L'efficienza di
planata del K 2 è circa 5,3, mentre quella del tipo K 1 è circa 4,8,
osservando che i valori di efficienza di planata sono stati stimati solo
orientativamente, lanciando da altezza d’uomo.
Aumentando
la dimensione del buco centrale, cioè trasformando il K2 in più decisamente
veri e propri canardini, tramite 2 bracci ritagliati
in avanti per il sostegno dell'ala anteriore canard, si ottiene una specie di
"tandem wing"
con le 2 ali collegate dai 2 bracci.
Propongo 3 modelli:
Tipo K 3,
apertura alare 186 mm, clip 20 mm, muso in su circa 10° a partire dal punto più
anteriore dei 2 bracci.
Tipo K 4, apertura
alare 200 mm, clip 30 mm
Tipo K
5, apertura
alare 270 mm, clip 55 mm (lunghezza maggiore del taglio a trapezio).
Tutti questi tuttalini col buco, o meglio kleptonini/canardini, sono sostanzialmente dei canard anomali (o
tandem wing particolari) con 2 travi di coda invertite davanti all'ala posteriore.
La dimensione del buco
elimina in parte la concavità superiore delle 2 lastre piane (che sono piegate
lungo il bordo d’uscita dell’aletta anteriore), concavità che tuttavia permane
in corrispondenza dei 2 bracci o travi di collegamento antero-posteriore.
La flessione delle travi rende in loro corrispondenza l'ala posteriore
leggermente concava, il che dovrebbe aumentare localmente la portanza dell'ala
posteriore, ma con effetto infinitesimale.
L
'efficienza dei kleptonini K 3, K 4 e K 5 si può
stimare rispettivamente circa 5,5, 5,7 e 6. Tali piccole differenze sono
imputabili anche alla forma del buco, ma dipendono soprattutto dalla flessione
dei bracci associata alla pendenza del muso rialzato ed infine dal peso più o
meno esatto della clip. La flessione in giù e la pendenza in su sono purtroppo
spesso assai aleatorie.
Per
confronti, un tuttalino mio tipo A può raggiungere di
solito efficienza 7 e talora 8.
Questi kleptonini/canardini planano
quasi diritti,
ma la stabilità lascia talora a desiderare, siccome i 2 bracci anteriori
possono flettere ed oscillare troppo e le 2 derive di estremità possono essere
insufficienti a contrastare un “dutch roll”, qualora il diedro trasversale potrebbe essere
eccessivo, non ostante il valore basso del medesimo diedro imposto dalla clip.
Le planate non sono sempre
ben riproducibili, soprattutto per le oscillazioni dei 2 bracci anteriori, che
direi sono il maggior svantaggio strutturale del cartoncino, inadatto in questa
configurazione.
Eventuali virate
indesiderate possono venire corrette torcendo solo una semiala, ma la cosa non
è facile.
Approfondimenti.
Per meglio capire il volo
dei miei precedenti modelli, segue uno schizzo di una sezione longitudinale di
un braccio di un kleptonino di cartoncino tipo K4,
visto dall’esterno del buco, con applicata al muso la sua clip di plastica
rossa.
I 2 bracci possono essere disposti paralleli, come nel K3, ma nel K4 e K5 ho
preferito i bracci messi in diagonali contrapposte, sfruttando l'orizzontalità
trasversale imposta dalla clip all'aletta anteriore.
L'ala posteriore deve
comunque mantenere un piccolo diedro trasversale; la direzionalità è stata
accentuata dalle 2 derive convergenti, alle estremità alari a freccia.
Francamente non so se anche per l'aletta anteriore sarebbe meglio avere un
diedro trasversale, possibile però solo nel caso si seguisse la seguente
alternativa.
Alternativa per la realizzazione del muso.
La clip di plastica rossa potrebbe essere sostituita da un nastro adesivo
bloccante altro cartoncino avvolgente l'aletta anteriore, per ottenere il
necessario peso di centraggio. Il peso di centraggio in tutti i casi deve
essere determinato sperimentalmente.
Nel caso si optasse per l'impiego del nastro adesivo, il peso potrebbe essere
già previsto in fase di ritaglio del kleptonino,
prolungandone alcune zone davanti e dietro l'aletta anteriore, zone che poi verranno
ripiegate avvolgenti (sopra) l'aletta, spianate e bloccate dal nastro adesivo.
In questo caso l'aletta anteriore però in pratica dovrà essere rettangolare
nello spazio tra i 2 bracci.
Stabilità longitudinale.
In corrispondenza dei bracci, cioè come nella vista in sezione, c'è una
concavità superiore dietro al muso, mentre l'ala posteriore presenta una
concavità inferiore, cioè una convessità superiore delle semiali.
Per tali motivi ritengo che, con l'aletta anteriore ben portante, l'ala
posteriore risulterà un poco più portante, rispetto al caso che fosse nata
sempre piana ed ugualmente inclinata, rispetto alla direzione di marcia
indicata dalla freccia. Tenere presente che i 2 bracci di cartoncino
fletteranno sempre in giù per il peso anteriore. Pertanto è determinante
l'angolo di inclinazione imposto tramite piega in su del muso del kleptonino, onde in volo mantenere sempre un minimo diedro
longitudinale.
Con la giusta clip, ovvero giusto peso del muso, l'aletta anteriore dovrebbe
restare in volo con incidenza un poco maggiore di quella dell'ala posteriore.
Aerei “full size” canard a bitrave invertita
rispetto ai convenzionali bitrave.
Nei miei kleptonini
la realizzazione dei 2 bracci di cartoncino crea vari problemi aerodinamici e
strutturali, che potrebbero essere risolti costruendo aeromodelli, o
addirittura aerei, ovviamente in modo ben diverso.
Tuttavia forse sono stati costruiti
solo rarissimamente canard "full size"
monoplani con 2 travi anteriori all'ala principale, eccettuando i biplani dei
pionieri dell’aviazione, per i quali le travi anteriori erano quasi la norma,
come ad esempio nel Wright Flyer dei fratelli
Wright.
Cito l’unico caso del Voyager, progettato da Burt Rutan
per il giro del mondo senza scalo, compiuto dal fratello Dick Rutan (e copilota Yana Yeager)
nel 1986.
Invero le travi anteriori del Voyager erano 3, con la fusoliera centrale con 2 motori,
uno traente ed uno spingente. Le ali erano allungatissime, l’efficienza era
circa 27, un mondo non paragonabile ai kleptonini.
Il difetto principale dei canard è che
l'aletta anteriore 'sporca' il flusso sull'ala posteriore, però anche nei
convenzionali l’ala anteriore ‘sporca’ la coda.
In teoria un canard dovrebbe essere
meglio di un tuttala, perché ha tutte le superfici portanti, mentre nei tuttala
una parte di superficie è persa per la stabilizzazione.
Eppure per la futura aviazione civile
pare ci si orienti su tuttala particolari, cioè sui Blended
Wing Body (= BWB), a fusoliera integrata, esempio
Boeing, Airbus, JetZero, come già anticipato nella
Prefazione.
Miei sviluppi di kleptonini/canardini a fusoliera
integrata.
Canard/tuttala
di cartoncino tipo CATU. Apertura alare circa 240
mm.
In realtà si tratta di un vero e proprio canard, che non dovrebbe venire
definito kleptonino. L’innovazione maggiore è
l’eliminazione della classica fusoliera a piega a V dei canard di cartoncino
(es. vedere Paper 2), fusoliera ora
sostituita direttamente dalla radice alare, modalità tipica dei tuttalini.
La
realizzazione del CATU è unicamente con cartoncino e un nastro di carta
adesiva, senza clip di plastica sul muso.
La clip è
stata sostituita da un preliminare prolungamento del cartoncino, ripiegato poi
sotto le alette canard e bloccato in posizione da un pezzetto di nastro
adesivo.
Si possono
realizzare diverse modalità di contrappesatura,
eventualmente tramite altro cartoncino sotto le alette canard ripiegate dal
muso all'indietro e bloccate dal nastro adesivo sulla "fusoliera",
che in realtà nel CATU esiste solo negli stessi piani delle semiali,
messe in mezzeria a leggero diedro trasversale.
Purtroppo è
una soluzione laboriosa e non è una soluzione sempre felice, anche perché poi
il nastro adesivo potrebbe perdere adesività.
E' laborioso
trovare il peso giusto di centraggio, però poi il CATU soddisfa in planata,
mostrando un’efficienza 6,3, poco meglio dei precedenti kleptonini
col buco, comunque peggio dei tuttalini tipo A, cioè l’efficienza del CATU è
paragonabile a quella dei canardini Paper 2 bis e Paper 2 TEAL, che varia da 6 a 7.
Le piegature
del cartoncino sottostanti alle alette possono ingenerare un profilo molto
portante delle alette medesime, assai utile in collegamento alla piega in alto
del muso, purchè la pendenza di incidenza venga ben
controllata in fase di centraggio, cosa nient’affatto facile.
Essendo il CATU a "fusoliera" monotrave, il
flusso delle alette anteriori forse sporca meno l'ala posteriore, di quando
c'erano 2 bracci di collegamento (nei precedenti kleptonini
col buco).
Kleptonino/canardino tipo BWBC, apertura alare 260 mm, clip 35 mm.
E’
lontanamente simile ad un BWB con 2 alette canard.
La testa del
BWBC mi richiama quella degli squali martello.
La "fusoliera"
piatta è un'innovazione nei miei modellini, ispirata alla pianta dei BWB “full size”.
Non credo
che si farà in futuro un BWB “full size” canard con
grandi alette anteriori, ma non escluderei che piccole alette canard vengano aggiunte
in futuro anche a tali BWB, sebbene la stabilizzazione dei BWB commerciali sia
oggi progettata standard perlopiù solo posteriore all'ala, cioè come nei
tuttala con profili autostabili (vedere Appendice,
caso (a)).
Molto
dipende da quanto è larga la “fusoliera” ed in realtà dipende sempre da quanto
sia la portanza del muso.
Nella
fattispecie della foto del mio tipo BWBC non esiste la concavità superiore
della lastra piana, quindi l’effetto canard è affidato esclusivamente alle 2
alette piegate molto inclinate e relativamente grandi.
Ritengo che tale "fusoliera" sia tutta portante insieme alle semiali, ovviamente con maggiore corda alla radice, con
diminuzione di resistenza aerodinamica rispetto alla fusoliera a V dei miei canardini standard (Paper 2 &
TEAL).
Ho lasciato
sempre le 2 derive di estremità convergenti sotto l'ala, un po' perché è una
mia comoda fissazione, ma potete fare in alternativa le derive come preferite,
sotto o sopra l'ala.
Efficienza
circa 6,1.
Nota sui BWB con alette canard.
Esistono
degli studi
malesi (pdf 06422979) riguardanti tuttala BWB dotati di alette
canard, che ricordano quelle dei canardini CATU e
BWBC.
Vedere
anche:
https://www.researchgate.net/publication/253220682_The_Effect_of_Canard_on_Aerodynamics_of_Blended_Wing_Body
(pdf AMM.110-116.4156)
https://www.researchgate.net/publication/342394545_Aerodynamics_Analysis_on_the_Effect_of_Canard_Aspect_Ratio_on_Blended_Wing_Body_Aircraft_using_CFD_Simulation
(pdf Aerodynamics Analysis on the Effect of Canard Aspe).
Questi pdf
sono inerenti l'aerodinamica di tali alette canard, studiata tramite CFD (Computational Fluid Dynamics,
analisi computazionale di dinamica dei fluidi).
Notare che negli esperimenti malesi i BWB sono addirittura privi di derive.
Osservo che i risultati di tali studi condurrebbero ad un vantaggio di maggior
portanza, ma con aumento di resistenza. L'efficienza aerodinamica mi pare che
non migliori rispetto ai tuttala standard senza canard.
Kleptonino più simile ai BWB “full size”.
Ecco
finalmente un modellino di solo cartoncino (ed un pezzo di nastro adesivo,
senza clip e senza fori centrali), modellino ibrido tuttala/canard a
stabilizzazione simil canard a fusoliera integrata,
più simile ai BWB privi di alette canard a lato muso (ma con muso ben portante,
opportunamente allargato).
Chiamerò
questo modello proprio tipo BWB.
Apertura
alare circa 256 mm.
Esso vola
bene, non ostante la realizzazione ed il centraggio siano difficoltosi ed
ambigui, potendo il BWB essere effettuato in 2 esecuzioni finali.
Il rapporto di planata diritta di questo nuovo kleptonino
può essere valutato, col solito mio criterio, variabile da circa 6,1 a 6,3,
secondo le esecuzioni (muso come in figura 3B oppure meglio come la successiva
figura più grande), purché accurate.
Per la realizzazione di questo BWB consiglio ritagliare assieme le metà di un
foglio A4, grammatura circa 220 g/m2, piegato in due, indi riaprire il foglio,
che apparirà come in figura 1, dove sono state già fatte anche le pieghe a
fisarmonica della figura 2, ma le pieghe sono state quasi spiattate
per vedere la pianta del foglio ritagliato.
Fig. 1 
Fig. 2
Fig. 3B
Poi capovolgere almeno le seconde pieghe interne delle due fisarmoniche,
piegare cioè le 2 corna in avvolgimenti tutti interni alla prima piega del muso,
lasciando alla fine il muso tutto coperto e bloccato con un pezzo di nastro
adesivo cartaceo, come nella successiva figura più grande e definitiva, ove le
precedenti pieghe a fisarmonica sono nascoste tutte sotto la linguetta centrale
bloccata dal nastro adesivo:
Tipo BWB ultimato nella miglior versione consigliata.
In
alternativa si possono anche non capovolgere le pieghe interne delle due
fisarmoniche e bloccarle schiacciate direttamente col nastro adesivo, come in
figura 3B, ottenendo il muso dorsalmente ben più scalinato, con un profilo
Kline–Fogleman, ma la planata è peggiore rispetto
alla soluzione a 2 fisarmoniche coperte, perché sul dorso il flusso della Fig.
3B risulta più turbolento.
In entrambe
le esecuzioni, lungo la mezzeria alare il profilo non risulterà a semplice
lastra, sopra solo concava, bensì con la parte anteriore del muso ben più
profilata convessa e portante, per via del dorso del muso anteriormente
rialzato, vuoi rialzato dalla scalinatura nascosta sotto il muso, oppure vuoi
per via del dorso scalinato in vista, come nella figura 3B. Tuttavia
dietro la convessità superiore del muso, da lasciare comunque leggermente
rialzato, purtroppo non scomparirà la concavità turbolenta, tra il muso e le semiali posteriori.
Infatti nei kleptonini senza buco ed in particolare nel tipo BWB si
genera comunque una concavità turbolenta sopra e dietro il muso della
"fusoliera", anche se in tali kleptonini
non esiste una vera fusoliera ed il muso sia stato preparato accuratamente.
Lungo la
"fusoliera" del kleptonino BWB non esistono
2 centri di pressione su superfici separate, come nei veri canard, bensì esiste
un unico profilo alare, il cui centro di pressione mi appare molto avanzato,
precisamente sempre solo nella zona del muso. Il momento di tale profilo è però
compensato dal rilevante peso del muso, tramite il cartoncino ivi ripiegato più
volte, ed è soprattutto compensato dalla portanza delle semiali
arretrate a freccia.
La coda di
cartoncino del mio BWB sposta poco indietro il CP della fusoliera; il peso di
coda sarebbe sconsigliabile, mentre la coda è dovuta principalmente a ragioni
estetiche, per somigliare ai veri BWB “full size”.
Appendice.
Nei tuttala BWB (o HWB che dir si voglia, Hybrid Wing Body) “full size” la
stabilità longitudinale può essere ottenuta in diversi modi.
Esistono
almeno 2 modalità di profili di fusoliera, sintetizzabili nella seguente
immagine.
a)
Stabilizzazione classica dei tuttala (tramite profilo ala reflex o/e ala a
freccia positiva svergolata alle tips) = fusoliera a
profilo biconvesso, con superficie alare che perde una percentuale della
portanza.
Questa sembra la strada scelta dalla maggioranza dei dimostratori BWB, esempio
Boeing X 48, Airbus Maveric, etc.
b) In altri HWB la fusoliera presenta un grosso infossamento sotto il naso, come se il naso del profilo avesse preso un
"uppercut". quindi con maggior pressione solo sotto il muso,
esempi:
progetto NASA/Boeing N2A, SAX 40 (progetto Cambridge + MIT), BWB 300 cinese
(dimostratore ridenominato SWB = Ship-shaped
wing; i cinesi copiano tutto, ma ci tengono a
distinguersi).
A mio avviso in tali tipi il muso diviene portante e la portanza del muso si
somma a quella delle ali, nonché a quella del resto della fusoliera.
Interpreto questa situazione come una sorta di simil
canard (senza le alette canard e soprattutto senza il downwash
di disturbo sull'ala posteriore).
In entrambi
i casi non esiste la concavità superiore della lastra piana o dietro al
rigonfiamento del muso, generante turbolenza sul dorso dei miei kleptonini BWB (che hanno la concavità come terza soluzione
di stabilizzazione, ma purtroppo fomentatrice di indesiderata resistenza, certo
sconsigliabile per i BWB “full size”).
Invece nei
casi b) è ben presente una concavità solo nel ventre del muso, ove non
genererebbe problemi, in quanto lavorante in pressione diretta, con il dorso di
tutta la fusoliera totalmente convesso.
Ritengo la soluzione alternativa b) un'idea assai geniale, anzi mi pare una scoperta rivoluzionaria, eppure pare che
pochi l'apprezzino pienamente.
Il profilo della fusoliera del tipo (b)
permetterebbe la sostentazione con le superfici tutte portanti, come avviene
nei canard, però senza avere lo sporcamento del
flusso sull'ala posteriore, sporcamento che si ha nei
canard.
In sostanza si dovrebbe ottenere un'efficienza
aerodinamica più elevata di qualsiasi altra configurazione di aereo.
Per qualsiasi configurazione intendo
convenzionale (a stabilatore posteriore), canard
usuale (ad alette anteriori) e tuttala tradizionale (a stabilizzazione con
svergolamento delle estremità, ma anche tuttala con profili autostabili
o reflex).
Link all’N2A
https://www.mdpi.com/2226-4310/9/2/89
Link
generali ai BWB https://www.researchgate.net/publication/334518797_Assessment_on_critical_technologies_for_conceptual_design_of_blended-wing-body_civil_aircraft
https://oa.upm.es/32270/1/INVE_MEM_2006_97032.pdf
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1000936121003125
https://www.researchgate.net/publication/290102604_Aerodynamic_study_of_blended_wing_body
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1270963816312640
Release 15/06/2024 matta.a@tiscali.it
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