Design Choices
Perchè un VTOL Tricottero?
Stingray è la rappresentazione della crescita e dell’evoluzione del nostro Team. È il frutto di due anni di fallimenti e successi, colmi di esperienze che ci hanno arricchito come persone e come ingegneri.
Quando abbiamo deciso di passare a una piattaforma VTOL, abbiamo scelto di farlo nel modo più ambizioso possibile, ma anche nel modo che ritenevamo più adatto alla SUAS 2025. La nostra scelta è ricaduta su una configurazione Tricottero, non per semplicità, ma per prestazioni.
Abbiamo optato per il layout tricottero per una serie di vantaggi intrinseci:
Minor peso, grazie all’assenza di due motori, due eliche e due ESC rispetto a una classica configurazione 4+1;
Maggiore agilità e manovrabilità, grazie alle eliche soffianti controrotanti che annullano gli effetti giroscopici e a un momento d’inerzia ridotto;
Migliore endurance, poiché il minor peso consente di volare più lentamente e in modo più efficiente, e l’unico motore che crea drag in volo orizzontale è molto meno penalizzante rispetto ai quattro esposti in una 4+1.
Naturalmente, questa configurazione comporta una sfida non banale: la gestione della transizione tra volo verticale e orizzontale, molto più complessa rispetto ad architetture VTOL più tradizionali. Tuttavia, abbiamo visto in questa difficoltà l’opportunità per spingerci oltre i nostri limiti.
Una piattaforma VTOL ci ha permesso di rispondere in modo più efficace alle richieste della competizione, unendo l’efficienza e la velocità del volo orizzontale alla versatilità e precisione del decollo e atterraggio verticale, fondamentali per operazioni come il rilascio del payload e l’osservazione degli obiettivi.
Forme Aerodinamiche e Design Strutturale
L’aerodinamica di Stingray rappresenta un salto di qualità senza precedenti nella storia del nostro Team. Grazie a un gruppo di lavoro altamente competente, è stato sviluppato un metodo innovativo per la progettazione di velivoli a fusoliera portante nell’ambito dei Team Studenteschi. L’approccio prevede la generazione di oltre dieci profili di transizione, utili a garantire che il comportamento aerodinamico della fusoliera sia conforme alle aspettative e che il modello AVL sia il più affidabile possibile.
Utilizzando XFLR5, abbiamo creato tali profili e studiato la pianta della fusoliera mediante simulazioni RANS turbolente con modelli di transizione e mesh da 15 milioni di celle.
Anche la struttura presenta un’importante innovazione rispetto agli anni precedenti, adottando una scelta accurata dei materiali per la composizione del laminato composito considerando un fattore di carico pari a 6 ed ottimizzandone gli spessori in relazione al carico aerodinamico. La fusoliera portante è interamente realizzata in Kevlar e fibra di carbonio rinforzando esclusivamente le aree critiche individuate tramite analisi agli elementi finiti utilizzando i software del pacchetto Hexagon© e BETA CAE©. Sono inoltre state condotte analisi aeroelastiche sull’innovativo stabilatore, garantendo così la stabilità strutturale nei regimi di volo previsti.
Blended Wing Body e ottimizzazione geometrica
La scelta di integrare fusoliera e ala in un’unica superficie portante ha dato vita a un profilo blended wing body dalle prestazioni straordinarie. Abbiamo introdotto uno twist aerodinamico di 1,5° e un taper ratio di 0,5, mantenendo sweep angle nullo per massimizzare il fattore di efficienza di Oswald. I risultati AVL hanno confermato una distribuzione di portanza quasi ellittica e un’indice di efficienza superiore a 0,9. Questa configurazione ha permesso di ridurre la resistenza indotta fino al 70 %, garantendo al contempo un volume interno ottimizzato per l’alloggiamento di batterie, sistemi avionici e il meccanismo di rilascio del payload.
Selezione degli airfoil e validazione sperimentale
La campagna di profili aerodinamici per Stingray ha visto la generazione di cinque airfoil dedicati, creati con XFLR5 e ottimizzati per diversi numeri di Reynolds. L’ala centrale utilizza il profilo MH114 per la sua elevata portanza in rapporto al drag, mentre i bordi d’ala impiegano GOE358 per garantire performance stabili a basso Reynolds. La fusoliera sfrutta FX77-W-270S, capace di contribuire alla portanza e di massimizzare lo spazio interno. Abbiamo infine introdotto vortex generators calibrati (8 mm, 16°) per migliorare la stabilità alle alte incidenze: i test in galleria aerodinamica hanno confermato l’assenza di bursting e la persistenza dei vortici fino a 20° di angolo di attacco, validando così l’efficacia di ogni sezione.
Dimensionamento Strutturale
Utilizzando la teoria del buckling delle piastre ortotrope, è stato sviluppato un algoritmo iterativo per ottimizzare il posizionamento delle centine e il numero di layer in composito. Si è così progettato un cassone alare non convenzionale, in cui la pelle in composito sostituisce i correntini e, insieme ai longheroni, assorbe gran parte dello sforzo di taglio. Lo spessore ottenuto è di soli 0.55 mm sulla fusoliera, 0.9 mm sulla pelle superiore dell’ala e 0.45 mm sulla pelle inferiore, con 14 centine da 2 mm ciascuna. Lo spessore dei longheroni è stato determinato mediante la teoria lineare monodimensionale della flessione di Eulero-Bernoulli, considerando un fattore di carico aerodinamico pari a n=6, e verificando contestualmente la robustezza strutturale.
Analysis Finite Element Method
Per validare il dimensionamento preliminare della struttura sono state eseguite analisi statiche, di buckling e modali su ala, fusoliera, supporto motore e carrello d’atterraggio. I materiali ortotropi sono stati modellizzati determinando i coefficienti tecnici tramite analisi statistica e la teoria della miscela, considerando un composito costituito dal 45% di fibra e dal 55% di matrice. Le direzioni delle fibre sono state definite coerentemente con il successivo processo di laminazione. Come criterio di rottura è stato adottato quello di Tsai-Wu, individuando così i punti critici che sono stati poi rinforzati mediante un ulteriore processo di laminazione. Per le analisi di buckling è stata utilizzata una normalizzazione ad autovalore massimo ottenendo un autovalore di 3.41 sull’ala ed un 3.53 sulla fusoliera.