PAV: Progetto Assistito Vele

Progetto Assistito Vele: una utility per il disegno di aquiloni acrobatici

Mario Di Biase

Abstract: Il panorama degli aquiloni acrobatici a due cavi è estremamente variegato: esistono innumerevoli modelli di aquiloni, ciascuno con le proprie caratteristiche e peculiarità. Tuttavia ancora oggi il design di queste attrezzature si basa molto su sensazioni e idee empiriche acquisite dalle esperienze passate. Un approccio squisitamente numerico basato sulla modellazione fluidodinamica tipica dei codici di calcolo CFD risulterebbe estremamente oneroso e difficile dal punto di vista del calcolo e della modellazione vista anche la variabilità degli assetti di ciascun aquilone in volo (deformazioni, vortici, angoli di attacco ecc). E’ stato necessario quindi sviluppare un modello che permettesse di caratterizzare i singoli aquiloni in base ad alcuni parametri o che, andando a ritroso, permettesse anche di disegnare un aquilone in base a dei valori scelti dei suddetti parametri. Riducendo la complessità di un aquilone ad un certo numero di parametri è possibile quindi assegnare a ciascun parametro (o insieme di parametri) un preciso significato associabile al comportamento in volo dell’aquilone. Il modello è stato applicato a numerosi progetti reperibili in rete ed ha permesso lo sviluppo di due aquiloni, l’Iridium e Primo, rispettivamente acro da Freestyle e acro da principianti, entrambi con le caratteristiche cercate imposte dai parametri scelti.

Quando, circa un anno e mezzo fa mi sono avvicinato a questo mondo, una delle cose che mi ha colpito di più è stata l’enorme varietà di modelli di aquiloni acrobatici esistente: a me, prima, sembravano tutti uguali…. poi ho iniziato a leggere tutto ciò che potevo: post sui forum, articoli e quant’altro fosse disponibile: volevo capirne un po’ di più, ed ormai la curiosità mi aveva preso. Cercavo di capire il perché mezzi che ad un primo sguardo sembrano tanto simili, in realtà si comportino in modo così diverso. Esistono delle regole, anche di massima, valide per la progettazione? Da che cosa dipende l’attitudine a comportarsi in un modo piuttosto che in un’altro? Queste le domande che, nel tempo libero, mi ponevo. Piano piano, dato che non ho trovato nulla che facesse ciò che realmente volevo io (esiste qualcos’altro, in Excel o Visual Basic ma non mi soddisfacevano né l’approccio usato né i risultati) , mi è venuta l’idea di creare uno strumento che potesse servire ad agevolare il disegno di un aquilone. Questa, in breve, la genesi del Progetto Assistito Vele. L’idea che stava alla base del lavoro, era quella di cercare dei rapporti, e verificare se siano ricorrenti, tra le varie grandezze: lunghezza della spina, posizione del T, lunghezza e posizione degli SO, lunghezza e posizione delle traverse, forma della vela, grasso della vela e cosi via. Ho pensato quindi di sintetizzare tutte queste variabili in una serie di rapporti, da calcolarsi per ogni aquilone di cui fossero disponibili le misure, e confrontarli tra loro. Insomma una sorta di teoria della similitudine, simile a quella usata, in alcuni casi, in fluidodinamica. Ho esaminato tutti i progetti free di cui sono venuto a conoscenza e, grazie anche all’incoraggiamento di qualche anima buona (ricordo che Stefano, per esempio è stato il primo a cui ho spedito le schermate del programma, oltre un anno fa, e con cui ho scambiato le prime impressioni, Jonathan è colui con il quale mi sono confrontato assiduamente e con cui ho disegnato l’Iridium, Tullo è stato il primo che mi ha dato l’opportunità di sviluppare un acro con specifiche assegnate e che mi ha incoraggiato a scrivere queste note, e voglio ringraziarli pubblicamente) ho continuato a sviluppare il lavoro sino al punto in cui si trova oggi. Il PAV non è altro che uno strumento che permette di sviluppare un acro partendo da delle misure, o, se si preferisce, da delle idee di base. E’ composto, nella sua versione attuale ( la 6.1.3 ) da undici fogli di calcolo che lavorano in sinergia. Il primo foglio (modulo di predimensionamento) consente, volendo di introdurre poche misure che si pensa possano andar bene ( Fig.1) (l’immagine inserita è un render dell’Iridum fatto a suo tempo)

L’idea di inserire questo modulo (che è stato l’ultimo aggiunto) mi è venuto a seguito di una domanda fattami sul forum di Stack Italia da Walter: che misure inserisci? A guardare il modulo nell’immagine che segue, che allora era il primo e l’unico in cui inserire i dati di partenza (Fig.2):

mi sono reso conto che non era di facile comprensione, da qui l’idea di inserire un’interfaccia un po’ più amichevole. In questo modulo nel quale, in alternativa al primo, possono essere inseriti i dati di partenza, viene “stesa” la vela in piano; si ottengono dei punti di prima approssimazione, e da qui parte il resto. Nel modulo successivo (Fig.3), la vela può essere risagomata a piacimento:

spostando i punti e mantenendo come riferimento lo sviluppo della vela di partenza, indeformata.

In questo foglio poi esistono altre sezioni, all’interno delle quali si possono fare delle altre operazioni, ad esempio variare la posizione degli APA, cambiare l’inarcamento della traversa bassa, cambiare la lunghezza della traversa alta, controllare le abbondanze della vela e così via, come si vede dalle figure seguenti. Nella schermata in Fig.4 appaiono il baricentro dell’acro, il centro di pressione della semiala (che poi in realtà si sposta in volo, ma vorrei approfondire il come):

e la proiezione del Tow point. La schermata seguente consente di farsi un’idea dei grassi lungo il bordo d’attacco e calcolare in maniera approssimata il camber (Fig.5):

Un ulteriore modulo (Fig.6) fornisce i valori della lunghezza delle stecche tenendo conto dell’ingombro degli APA, curvature della traversa bassa, le distanze per il montaggio degli APA e cosi via:

Voglio far notare che l’immagine usata come sfondo in questo modulo non è mia (non l’ho fatta ex novo per pura pigrizia ma conto di sostituirla con una mia), ma è tratta dai lavori di un progettista bravissimo ben noto (con il quale mi scuso, se mai leggerà queste note, per non aver chiesto il permesso di usare una sua immagine ma il programma è per uso strettamente personale e senza fini di lucro).

L’altro modulo, invece (equilibratura struttura nella Fig.7):

consente di verificare le posizioni (approssimate!!!!) del baricentro, l’ordinata di metà altezza e di compenso vela (sono grato a Ian Newham per quanto pubblicato, e da cui ho potuto imparare tanto) le posizioni dei Centri di pressione delle semiali, momenti d’inerzia, peso stimato e quant’altro. E’ possibile variare il peso in coda, le tipologie di stecche (limitatamente a quelle di cui ho reperito i dati!!!) ed il peso della vela. E’ ancora possibile calcolare la velocità minima del vento necessaria per il decollo, ma su quest’ultima ho ancora qualche perplessità. Il programma in questo modulo ha un’altra limitazione a cui, quando avrò il tempo, porrò rimedio: non considera il bordo d’ingresso composto da stecche diverse, ma accetta un solo tipo di stecca per volta per tutto il bordo d’attacco.

Si potrebbe migliorare anche la rappresentazione della vela, per esempio considerando un eventuale allargamento vicino alle punte alari, ma questo è uno dei “to do”.

Nel modulo “riepilogo risultati” (Figg.8-9) si può ricercare la curvatura delle stecche del bordo d’entrata (htip) in base a criteri di congruenza geometrica con la vela e con l’inarcamento della traversa bassa: occorre agire su un pulsante sino a quando non è tutto OK. Su questo aspetto Jonathan ha lavorato meglio di me, nel senso

che il suo modulo, basato sul calcolo delle deformazioni di stecche reali (complimenti per il lavoro) è un attimo più preciso. Altra parte del foglio è quella che segue, in Fig.9: si hanno sotto controllo tutti i parametri calcolati e, volendo, si possono confrontare tra loro due acro diversi (conoscendone tutte le misure, però!!!!).

I parametri calcolati sono quelli che a me parevano significativi, magari ne aggiungerò altri più interessanti o ne rimuoverò qualcuno, ancora non so, è da decidere sulla base dell’esperienza che si sta facendo.

Il modulo sulle briglie è ben noto (ha causato una piccola polemica, ma è stato rimosso dal sito ed ora è solo ad uso personale). Sulla base di letture recenti, appena il tempo me lo consentirà, modificherò il programma inserendo ulteriori considerazioni sulle briglie.

Questi i moduli più significativi: non sto a riportare gli altri perché o ausiliari per il calcolo o poco più di gadget ( tipo quello sul calcolo del tiro sui cavi, basato su un diagramma usato per le vele e ben noto).

Il programma fa ovviamente delle approssimazioni, dovute ad ipotesi che ho fatto in sede di modellazione dell’acro, approssimazioni introdotte volontariamente ed altro. Inoltre non riesce a replicare acro che abbiano subito dei tuning, tipo accorciamenti o allungamenti di traversa, SO etc. dato che opera con criteri e regole di congruenza geometrica, e poi non era quello lo scopo del mio lavoro. E’ in continuo sviluppo dato che, quando ho del tempo libero ci rimetto mano, modificando, introducendo o togliendo qualcosa; quindi non è ancora nella sua versione definitiva, e poi c’è sempre qualcosa di migliorabile!!!

Spero di introdurre al più presto alcune varianti per quanto riguarda la forma del bordo d’uscita, oppure per tener conto dell’eventuale svasatura introdotta nella coda e così via, ma il tempo è quello che è…

In ogni caso i riscontri con il realizzato, almeno dal punto di vista delle dimensioni, sono abbastanza soddisfacenti. E’ chiaro che questo lavoro non può e non deve essere sostitutivo dell’esperienza e delle sensazioni di volo, ma può costituire uno strumento per disegnare un acro in maniera rapida, andando ad agire in maniera mirata laddove si ritenga opportuno, prima di costruirlo.

L’esperienza di volo (soprattutto quella degli altri, dato che la mia è molto poca) e le sensazioni sono fondamentali per la messa a punto; però, come feedback si introducono dei riscontri numerici ad azioni empiriche che producono dei risultati. Non ho seguito un approccio di tipo fluodinamico computazionale in quanto ritengo che esistano delle difficoltà che, per essere superate, hanno bisogno di ben altri mezzi e tempo: già è complicato studiare le vele o i semplici profili alari in questo modo, figuriamoci gli acro che sono sempre in regime transitorio. Ho cercato di seguire un approccio più semplice, basato su criteri semplici e su parametri ben tangibili sui quali si potesse intervenire. Per ora sono arrivato qui, ma…….il lavoro continua !!!!!!!!

Buon vento a tutti

Mario

P.S: Come sempre ogni collaborazione, suggerimento e quant’altro è il benvenuto

Un ringraziamento speciale a Jonathan Filippi, estensore dell’ abstract

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