EJ420 Verticraft

Nel corso degli ultimi venti anni sin dal 1996, quando ho iniziato lo studio per la progettazione di velivoli a propulsione elettrica, mi sono orientato principlamente in una sorta di percorso parallelo nel quale si sono sempre alternate due principali formule propulsive, una birotore e l'altra quadrirotore. I primi due progetti importanti furono il G150 CellCraft ed il DDRH. Entrambi gli aeromobili erano provvisti di elettrorotori, sebbene il primo era un quadrirotore con sistema basculante in funzione della modalità di volo (vedi capitolo CellCraft) mentre il secondo progetto, il DDRH, era un aeromobile anch'esso ad elettropopulsione, birotore ma con rotori oscillanti ad escursione limitata.
Una versione rivisitata del DDRH, è il DDVL più recente con un nuovo rotore che fu sviluppata nel 2013, diciassette anni più tardi, revisionando il progetto originale che prevedeva una versione studiata per il lavoro aereo o come gru volante. La formula birotore tuttavia rimane un concetto interessante sebbene richieda un meccanismo di controllo un po più complesso di quello di un quadrirotore che ricorda il dispositivo di controllo impiegato dagli elicotteri Kaman.

Infatti in volo traslato laterale è necessario non solo variare la spinta differenziata di un rotore rispetto all'altro ma anche controllare la coppia risultante che costringerebbe la macchina a ruotare su se stessa durante la traslazione laterale. Ed è per questo che la traslazione laterale è ottenuta da una differenza di spinta di un rotore rispetto all'altro, ma anche dalla inclinazione dei due in senso opposto proprio per mantenere l'assetto perfettamente allineato contrastando la coppia che si è generata automaticamente in modo da mantenere una direttrice longituniale perfetta.
Durante lo sviluppo del DDRH nel 1996 fu già ipotizzata la possibilità di disegnare una macchina che avesse una capacità di carico superiore ad un singolo pilota, che avesse la capacità di carico di almeno quattro posti ed intesa per il trasporto passeggeri o per applicazioni civili di altro tipo, piuttosto che di solo lavoro aereo. Diversi disegni sono stati prodotti nei venti anni successivi, tuttavia la migliore soluzione è sembrata quella di utilizzare per il primo progetto concettuale una cellula già esistente appartenente ad un progetto quadrirotore l'EJ440, a cui sono state apportate alcune modifiche essenziali sia nella struttura di base, ma sopratutto nello sviluppo degli elettrorotori montati su semiali a geometria variabile. Ed è proprio da questo concetto che nasce l'EJ420 rappresentato in queste immagini.

La fusoliera dell'EJ420 è interamente costruita su telatio in alluminio e carbonio con pannelli termofusi in materiale plastico, non ci sono rivettature o viti di alcun tipo, si tratta di una struttura mono-scocca assemblata in un unico corpo. L'abitacolo è ampio e contiene quattro comodi posti a sedere di cui uno dedicato al pilota.
Vi è in progetto una versione più larga con un disegno molto più avanzato che conterrebbe sei posti ma al momento è ancora in fase di sviluppo pre-progettuale sin dal 2013, e si tratterebbe di un velivolo provvisto di carrello di atterraggio e rotori ripiegabili a geometria variabile. Ma questo è un altro progetto di cui parlerò in seguito a fine sviluppo dello stesso.

L'EJ420 per la sua caratteristica di macchina birotore con rotori affiancati subisce gli stessi identici problemi di spostamento del Centro di Gravità tipico degli elicotteri, a differenza di un sistema a quattro rotori che invece sopporta molto meglio queste alterazioni di posizione del CG.
Per questo motivo ho fatto in modo che le due semiali che supportano i due rotori possano muoversi in avanti o all'indietro entro un raggio massimo di 15° in modo da compensare ogni eventuale spostamento del Centro di Gravità longitudinale portandolo nella posizione ottimale.
I rotori vengono spostati automaticamente dal sistema di controllo della stabilità già nella fase di carico della macchina, quando questa è a terra, attraverso dei sensori piazzati nei pattini che forniscono i dati necessari a calcolare attraverso un algoritmo dedicato lo spostamento del CG, in modo da regolare la posizione delle semiali per compensarne lo spostamento automaticamente.
Questo sistema è progettato per operare in modo autonomo, tuttavia esso può essere controllato in volo anche manualmente dal pilota, infatti sul pannello di controllo si può verificare lo stato del Centro di Gravità in tempo reale o prevederne lo spostamento dovuto al consumo di carburante.

Negli elicotteri tradizionali non è possibile spostare il rotore in avanti o all'indietro, questo richiederebbe un meccanismo costoso e piuttosto pesante ed il calcolo del peso e bilanciamento deve essere effettuato con particolare attenzione. Per saperne di più puoi consultare il capitolo relativo al bilanciamento in Aerodinamica dell'Elicottero.

La posizione dei rotori dell'EJ420 è orientata verso il basso per rendere effettivo il flusso di spinta in modo da non trovare ostacoli lungo il suo percorso, eliminando il problema della resistenza parassita prodotta dai supporti che in questo caso sono caratterizzati da semiali posizionate al di sopra dei rotori. L'efficienza dei rotori raggiunge il massimo ed il consumo di carburante risulta ridotto, inoltre le semiali producono il 35% di portanza in volo traslato che rende l amacchina ancora più vantaggiosa. Il rotore è provvisto di cinque pale a passo variabile ed a variazione del controllo degli RPM, in altre parole il velivolo consente di utilizzare entrambe le possibilità che vengono miscelate o scelte singolarmente dal sistema di controllo in maniera automatica a seconda della modalità di volo, della massa e della velocità del velivolo.
In volo stazionario ad esempio il sistema di controllo predilige la variazione del passo delle pale piuttosto che degli RPM degli elettro-rotori, che invece vengono regolati individualmente in modo da mantenere l'assetto della macchina sempre perfettamente livellato.

In volo traslato invece il sistema predilige il controllo degli RPM miscelato all'angolo di incidenza delle pale che avviene sempre in modo collettivo, poichè il controllo ciclico in questo aeromobile è assente.
Le pale sono costruite in carbonio e sono estremamente leggere e resistenti, inoltre hanno una pianta particolare che permette di raggiungere velocità interessanti e sono avanzanti nella zona esterna, mentre sono retrocedenti nell'area che attraversa il ventre delle semiali, questo per compensare il fenomeno della dissimetria di portanza e dello stallo della pala retrocedente.
Le pale sono montate su dei supporti provvisti di cuscini elastomerici che provocano una pressione costante sull'attacco della pala che permette un allineamento automatico ad alta velocità laddove il problema del brandeggio potrebbe produrre vibrazioni evidenti.

Gli elettro-rotori sono provvisti di motori elettrici, a due in ogni singolo rotore. Si tratta di motori super piatti ad induzione controllata digitale, in grado di operare in qualsiasi condizione e sono autoraffreddati ad aria. Sia i motori che le pale sono facilmente sostituibili in pochi minuti. Un dispositivo di sicurezza mantiene i rotori sempre frenati quando la macchina è a terra o non appena si sbloccano le portiere, non è affatto possibile imbarcare o sbarcare alcun passeggero con i rotori in moto o con le portiere aperte. Il pilota può attivare la rotazione dei rotori solo quando la macchina è completamente in sicurezza, ed i rotori si fermano dopo 30 secondi dall'atterraggio oppure subito dopo l'atterraggio mediante attivazione manuale.

In questo aeromobile si nota come entrambi i rotori siano molto vicini all'abitacolo, questa è una scelta tecnica unicamente ristretta a questo progetto. Infatti questo progetto non prevede un uteriore sviluppo per alcune apparenti incongruenze che non risulterebbero gradite alla operatività della macchina, in altre parole non si tratta di errori progettuali intenzionali, ma solo di una configurazione dettata da esigenze aerodinamiche che sono già in fase di risoluzione su di un nuovo disegno. Essa tuttavia rapresenta la base di sperimentazione per un nuovo progetto a venire molto più adatto all'impiego civile, che oltretutto prevederà perfino una versione militare.
L'EJ420 è un velivolo veloce e potrebbe raggiungere in teoria i 210 nodi di velocità massima. Il movimento di traslazione in avanti avviene attraverso l'inclinazione di entrambi i rotori in avanti per un angolo massimo di 12° ed all'indietro per un angolo massimo di in caso di arresto rapido o volo all'indietro. In volo traslato inoltre per controllare il momento di beccheggio vi è posizionato in coda uno stabilizzatore dinamico gestito automaticamente dal sistema di stabilizazione elettronico della macchina, che fa asumere un angolo negativo allo stabilizzatore in proporzione alla velocità che raggiunge l'aeromobile in quel dato momento.

L'EJ420 è provvisto di un dispositivo di messa in hovering e di pre-atterraggio automatico, il pilota dovrà solo agire sul piccolo joystick portandolo leggermente all'indietro fino a quando la macchina si alzerà da sola posizionandosi ad un metro dal suolo; mantenendo la sua posizione grazie ad un dispositivo GPS. L'EJ420 è in grado di mantenere la propria posizione in hovering anche con un vento di 30 nodi senza alcuna azione richiesta da pilota.
Il controllo della macchina è molto semplice e non prevede necessariamente l'uso della pedaliera anche se in questo progetto ne è istallata una, infatti il controllo dell'imbardata avviene semplicemente ruotanto il joystick direzionale nella direzione desiderata, mentre l'inclinazione di questo produce uno spostamento in una data direzione.
Il controllo della potenza non prevede una posizione precisa o progressiva del joystick come per esempio avviene con il collettivo di un elicottero. Nol nostro caso il comando mantiene sempre una posizione centrale che garantisce un volo stabile alla quota alla quale si è portato l'aeromobile. In altre parole basta spingerlo all'indietro per salire o in avanti per scendere e riposizionarlo al centro o lasciarlo semplicemente affinchè esso si riporti automaticamente al centro per fermare la macchina a quella quota desiderata.
Durante la fase di atterraggio basterà posizionarsi sul punto di atterraggio stabilizzando la macchina e mantenendo il comando in posizione in avanti attendendo che la macchina inizi la discesa e tocchi dolcemente il pavimento da sola, trenza secondi dopo i rotori si disattiveranno da soli frenati da un sistema di blocco, oppure per operazioni rapide il pilota potrà disinserire i rotori frenandoli in meno di cinque secondi. In caso di evacuazione rapida nel momento in cui si pigia il pulsante di apertura della portiere i rotori verrano prima arrestati e frenati e subito dopo che le portiere risultino sbloccate per essere aperte, esse non potranno aprirsi senza che i rotori siano completamente disattivati e bloccati.

L'EJ420 cosi come tutti i progetti Verticraft è dotato di allarme di Vortex Ring con suggeritore di manovra a seconda delle corcostanze nelle quali questo fenomeno avviene, inoltre non è possibile effettuare un avvicinamento ad una velocità di discesa superiore a 300 piedi al minuto o inferiore ai 30 nodi per evitare qualsiasi situazione di Setting with Power alla quale anche i multirotori sono purtroppo soggetti.

Un problema tipico dei multirotori è che non è possibile - in caso di avaria ai motori - effettuare la manovra di autorotazione, come invece può avvenire con gli elicotteri. La superficie dei rotori di un multirotore è inferiore è quella di un rotore di elicottero e cosi la sua inerzia che è altrettanto bassa. Tuttavia poichè si tratta di sistemi elettrici, tutti i velivoli sono dotati di una batteria al litio in grado di garantire un volo di almeno cinque/sette minuti, sufficienti da permettere un atterraggio di emergenza o una discesa sicura per poter consentire perfino il riavvio di almeno una delle due unità di potenza qualora vi siano le condizioni.

Il sistema di potenza è composto da due turbo-generatori da 240kW cadauno, che alimentano sia i quattro elettrorotori sia i dispositivi principali del velivolo, un gruppo di batterie di servizio garantisce alla macchina il perfetto funzionamento di tutti gli organi vitali ed i dispositivi in caso di avaria di entrambi i turbo generatori. Inoltre l'EJ420 è in grado di volare in modo continuo al 100% con un solo turbo-generatore solo se con singolo pilota a bordo ed a vuoto. Il pilota può infatti gestire la potenza necessaria al volo ed attivare il piano di potenza consigliato dalla macchina prima del decollo, basato sulla massa instantanea e sulle quote previste dal piano di volo, in modo da ottimizzare i consumi.
Ulteriori aggiornamenti su questo progetto verranno pubblicati lungo il corso di sperimentazione di questo aeromobile, resta al momento un progetto concettuale che senza dubbio potrebbe aprire a nuove strade nello sviluppo di sistemi multirotore ad elettropropulsione nel prossimo futuro.
©Gino D'Ignazio Gizio