Studio fluidodinamico preliminare di velivolo UAV: esecuzione del calcolo e analisi dei risultati

Capitolo 1 - Introduzione 
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CAPITOLO  1 
INTRODUZIONE 
 
Apriamo la trattazione con una breve introduzione al panorama degli UAV, alla CFD 
(Computational Fluid Dynamics) ed alle griglie di calcolo o mesh necessarie a rappresentare 
la geometria del problema in esame. In particolare ci soffermeremo sul programma utilizzato 
per l’analisi fluidodinamica (Star-CCM+) e sulle sue caratteristiche peculiari.
Capitolo 1 - Introduzione 
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1.1 Cos’è un UAV 
Un Unmanned Aerial Vehicle, ovvero veicolo aereo senza pilota (autonomo o pilotato a 
distanza), conosciuto internazionalmente con il suo acronimo UAV, è il termine con cui si 
definisce la categoria di velivoli che volano senza l'ausilio di un pilota a bordo. Questi mezzi 
possono essere completamente automatizzati (cioè grazie a sistemi di autopilota che 
implementano soluzioni di Intelligenza Artificiale) o essere telecomandati a distanza da una 
stazione di controllo a terra (GCS: Ground Control Station).                                                                                                                   
Gli UAV sono nati dall’esigenza in campo militare di svolgere tipologie di missioni 
identificate con l'appellativo D3 (Dirty, Dull, Dangerous), vale a dire quelle missioni che 
risultano essere “sporche” (ad esempio, missioni in zone contaminate), monotone 
(sorveglianza e ricognizione) e sostanzialmente pericolose per l'incolumità dei piloti a bordo. 
D'altra parte, l'impiego degli UAV in campo civile è divenuto recentemente di grande 
interesse conseguentemente alla crescita dell'affidabilità e alla riduzione dei costi di tali 
velivoli. Cos’è un UAV non è di semplice definizione a causa della diversità di soluzioni 
costruttive e delle finalità di missione esistenti, che conferiscono a questa classe di velivoli 
una straordinaria flessibilità d’impiego. Un esempio è la varietà di pesi e dimensioni oggi 
esistenti: si va dai pochi centimetri degli UAV spia che l’esercito americano sta sviluppando 
dal peso di poche centinaia di grammi, per passare a esemplari di dimensioni 
aeromodellistiche, per arrivare in fine alle dimensioni di veri e propri aerei, che necessitano 
anche di strutture aeroportuali per operare ed essere mantenuti adeguatamente. 
 
 
 
 
 
 
 
 
   
                                                                 
 
 
 
Figura 1 – Global Hawk, un ricognitore UAV delle dimensioni di un velivolo convenzionale
Capitolo 1 - Introduzione 
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1.1.1 Tipologie UAV 
Varie sono le tipologie di classificazione che si possono fare parlando di UAV a causa, come 
già detto, della varietà di soluzioni progettuali relative a funzioni e scopi differenti. Prima di 
tutto bisogna stabilire i criteri in base ai quali si andrà a definire una tipologia di 
classificazione. 
Verso la fine degli anni ’90 il Dipartimento della Difesa Americano ha catalogato gli UAV in 
base alle esigenze di sorveglianza e ricognizione e in base al raggio di azione. In particolare, 
vi è la categoria degli UAV tattici, con un raggio di azione compreso tra i 50 e i 200 
chilometri, e quella degli UAV Endurance, con un raggio di azione maggiore ai 200 
chilometri. 
Tabella 1 – Classificazione UAV Dipartimento della Difesa USA (anni ’90) 
Tre sono i parametri più significativi in base ai quali svilupperemo tre tipologie di 
classificazione differente: 
 Classificazione per Finalità di Missione 
 Classificazione per Capacità Operative 
 Classificazione per Configurazione Alare
Capitolo 1 - Introduzione 
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1.1.2 Classificazione per Finalità di Missione 
Possiamo individuare quattro tipologie principali di impiego, ognuna contenenti finalità di 
missione diverse: 
 Militari 
 Pattugliamento 
 Sorveglianza 
 Attacco (UCAV: Unmanned Combat Aerial Vehicle) 
 Civili/Commerciali 
 Agricoltura 
 Industria del Cinema 
 Ambientali (emergenza incendi e calamità naturali, monitoraggio della qualità 
dell’aria in ambienti urbani e non urbani, ecc.) 
 Pattugliamento 
 Localizzazione di dispersi 
 Ricerca 
 Meteorologia 
 Rilievi Fotografici 
 Dual Purpose 
 Civili/Commerciali – Militari 
 Ricerca – Militari
Capitolo 1 - Introduzione 
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L’utilizzo degli UAV in campo militare risale già agli anni ’70, e li vede impiegati in missioni 
di ricognizione in zone particolarmente pericolose (Dangerous), in cui la presenza della 
contraerea o la particolare conformazione del terreno sconsigliavano l’invio di aerei con pilota 
a bordo, di sorveglianza delle coste e dei confini (Dull), e di misurazione delle radiazioni 
durante i test nucleari (Dirty). Si tratta di apparecchi che vengono pilotati da postazioni di 
controllo remote e dotati di una notevole autonomia, un esempio è il General Atomics GNAT 
750, utilizzato dalla CIA, che vantava un’autonomia di circa 48 ore ed era in grado di 
raggiungere i 9000 metri di quota. Solo recentemente si stanno sviluppando UAV con scopo 
di combattimento e attacco, e questo è reso possibile dal miglioramento della tecnologia che 
garantisce maggiore sicurezza nell’utilizzo di questi sistemi. 
In ambito civile questi sistemi risultano utili per perlustrare foreste allo scopo di prevenzione 
di incendi, per monitorare zone in cui si fossero verificati eventi catastrofici naturali come 
terremoti o eruzioni vulcaniche, per l’analisi di fumi e gas escludendo i pericoli per la salute 
degli operatori; in campo agricolo gli UAV potrebbero essere utilizzati per spargere su ampie 
zone concimi e diserbanti. Infine gli UAV vengono impiegati nell’industria cinematografica 
per le riprese aeree. 
A scopo di ricerca gli UAV sono utili per le misurazioni meteo di lunga durata oppure ad 
altissima quota, che sarebbero impossibili con equipaggio umano, oppure per le riprese aeree 
del territorio. Risulta evidente che alcuni di questi velivoli, come quelli da pattugliamento e 
ricognizione, si possono adattare a diverse esigenze sia in campo civile sia in campo militare, 
e per questo abbiamo indicato come categoria anche quella degli UAV a “doppio scopo”.
Capitolo 1 - Introduzione 
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     1.1.3 Classificazione per Capacità Operative 
Un altro possibile criterio di classificazione può essere basato sulle differenti capacità 
operative che contraddistinguono gli UAV; in particolar modo al momento vengono 
considerati come fondamentali i seguenti aspetti: 
 Autonomia Chilometrica (RANGE) 
 Altitudine (ALTITUDE) 
 Autonomia Oraria (ENDURANCE) 
 Peso (MASS) 
Ciò ha portato a suddividere gli UAV in sedici categorie, distinguendo poi in base agli scopi 
tre gruppi, quello Tattico, quello Strategico e quello degli UAV che prevedono delle 
Applicazioni Speciali. 
Le categorie Micro e Mini contano apparecchi dalle piccole o piccolissime dimensioni, che 
vanno da pochi centimetri per la categoria Micro, a qualche metro per la categoria Mini, la 
quota operativa massima è di circa 300 m e l’autonomia oraria non supera le 3 ore, anche i 
pesi sono estremamente ridotti, avendo come soglia massima i 30 kg di peso. Fanno invece 
parte delle categorie Close Range (CR) e Short Range (SR) apparecchi il cui peso sia 
contenuto tra i 150 kg e 300 kg di peso, sono in grado di raggiungere una quota operativa di 
circa 3000 m e hanno un’autonomia che può arrivare fino a 6 ore. Pesi notevolmente 
superiori, dell’ordine di 1200 kg, competono agli UAV della classe Medium Range (MR) e 
Medium Range Endurance (MRE), oltre al notevole incremento di peso, si ha un notevole 
incremento del raggio di azione, che per la classe Endurance può superare i 500 km, della 
quota operativa, che è compresa tra i 5000 m e gli 8000 m, e dell’autonomia oraria che può 
anche raggiungere le 18 ore di volo. Fanno sempre parte della categoria tattica gli UAV che 
appartengono alle classi Low Altitude Deep Penetration (LADP), Low Altitude Long 
Endurance (LALE) e Medium Altitude Long Endurance (MALE), le caratteristiche di questi 
velivoli hanno uno spettro molto ampio che copre grossomodo lo stesso range di valori 
descritto per le sei precedenti categorie: dal punto di vista del peso si hanno velivoli che 
vanno da poche decine di chili fino ad  arrivare a 1500 kg con una quota massima operativa 
che può arrivare anche a 14000 m, il raggio di autonomia chilometrica può superare i 500 km
Capitolo 1 - Introduzione 
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e l’autonomia oraria è compresa tra le 10 e le 28 ore di volo. Queste classi di UAV, date le 
dimensioni e i pesi ridotti, presentano anche il vantaggio di poter essere facilmente 
trasportabili e di non necessitare a terra di grosse strutture per l’appoggio logistico, 
presentando inoltre il vantaggio di una manutenzione più semplice. 
Fa invece parte del gruppo degli UAV strategici la categoria High Altitude Long Endurance 
(HALE); questi apparecchi, del peso di circa 12000 kg, sono progettati per raggiungere la 
quota operativa di 20000 m con un raggio di autonomia chilometrica che può superare i 2000 
km e raggiungere le 28 ore di volo ininterrotto; appare chiaro che si tratta quindi di veri e 
propri aerei, che necessitano quindi di adeguate strutture per il supporto logistico a terra, piste 
per il decollo e l’atterraggio, e hangar che ne permettano il ricovero e la manutenzione. 
Un altro gruppo estremamente vario dal punto di vista delle caratteristiche è rappresentato 
dagli UAV che prevedono delle particolari applicazioni, ricade in questo gruppo per esempio 
l’ultima frontiera di UAV. Unmanned Combat Aerial Vehicle (UCAV) sono così definiti tutti 
quegli UAV che siano in grado di portare un carico bellico offensivo sia esso per 
combattimenti aria-aria o aria-suolo, dal punto di vista delle caratteristiche sono molto simili 
alla classe HALE degli UAV strategici, il peso si aggira intorno ai 10000 kg e, sebbene la 
quota operativa sia la metà, 10000m, la loro autonomia chilometrica può superare i 1500 km, 
una grossa differenza si ha invece nell’autonomia oraria che per gli UCAV arriva appena a 2 
ore contro le 28 ore della categoria HALE. Pesi nettamente inferiori, dell’ordine di 250 kg, 
competono alla classe Lethal (LATH) e Decoy (DEC), la cui quota operativa può raggiungere 
i 5000 m, mentre il raggio d’azione può arrivare anche a 500 km per la classe Decoy o fino a 4 
ore di volo. Le ultime tre classi rappresentano gli UAV che prevedono un impiego suborbitale 
o spaziale e sono la classe Stratospheric (STRATO), Exo-Stratospheric (EXO) e Space 
(SPACE), tuttavia al momento attuale sono state stabilite solo delle caratteristiche di massima 
degli UAV che potrebbero fare parte di queste classi, come la quota operativa per la classe di 
STRATO che sarà compresa tra i 20 000m e i 30 000m e avere un’autonomia oraria di circa 48 
ore, ma finora non è nota alcuna applicazione per le altre categorie EXO e SPACE.
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Tabella 2 – Classificazione UAV per Capacità Operative 
 
 
 
UAV CATEGORIES ACRONYM 
RANGE 
( km) 
ALTITUDE 
(m ) 
ENDURANCE 
(hours) 
MASS 
( Kg) 
TACTICAL 
MICRO Micro <5 250 1 <5 
MINI Mini <15 150 - 300 2 - 3 <30 
CLOSE RANGE CR 10 - 30 3000 3 - 4 150 
SHORT RANGE SR 30 - 70 3000 3 - 6 200 
MEDIUM RANGE MR 70 - 200 5000 6 - 10 1250 
MEDIUM RANGE ENDURANCE MRE >500 8000 10 - 18 1250 
LOW ALTITUDE  DEEP 
PENETRATION 
LADP >250 50 - 9000 0.5 - 1 350 
LOW ALTITUDE LONG 
ENDURANCE 
LALE >500 3000 <24 >30 
MEDIUM ALTITUDE 
LONG ENDURANCE 
MALE >500 14000 24 - 28 1500 
STRATEGIC 
HIGH ALTITUDE LONG 
ENDURANCE 
HALE >2000 20000 24 - 28 12000 
SPECIAL PURPOSE 
UNMANNED COMBAT AERIAL 
VEHICLE 
UCAV 1500 10000 2 10000 
LETHAL LATH 300 4000 3 - 4 250 
DECOY DEC 0 - 500 5000 <4 250 
STRTOSPHERIC STRATO >2000 20000 - 30000 <48 TBD* 
EXO-STRATOSPHERIC EXO TBD* >30000 TBD* TBD* 
SPACE SPACE TBD* TBD* TBD* TBD* 
*TBD – To Be Defined
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1.1.4 Classificazione per Configurazione Alare 
Partendo dalla suddivisione operata da Wood, può essere interessante considerare quale tipo 
di configurazione alare sia stata adottata nelle diverse classi di UAV, in particolare 
considereremo cinque possibili alternative per la disposizione della velatura: l’ala fissa, l’ala 
rotante, “più leggeri dell’aria”, quelli che possono all’occorrenza ospitare un pilota a bordo ed 
altre configurazioni. In generale la configurazione alare più adottata è quella ad ala fissa in 
quanto si hanno minori costi produttivi, ma soprattutto perché si può contare su una maggiore 
esperienza, su una maggiore facilità di produzione e un maggiore know-how delle tecnologie 
disponibili. 
Anche la configurazione ad ala rotante ha numerose applicazioni nel campo degli UAV, 
sebbene questo tipo di velivoli presenti maggiori problematiche dal punto di vista progettuale 
e del controllo. Recentemente nuovo impulso è stato impresso dal governo Giapponese, 
stimolando diverse aziende nella ricerca in questo campo che ha portato a notevoli successi 
come lo Yamaha Aero Robot “RMAX” che è stato applicato in campo agricolo per la 
fertilizzazione e la semina aerea. 
Gli UAV che risultano esser più leggeri dell’aria sono prevalentemente di tipo Mini, Close e 
Short Range e sono spesso utilizzati per riprese televisive come gli interni delle basiliche, ma 
sono anche utilizzati per UAV strategici di alta quota e profonda penetrazione e modelli 
stratosferici.