Principio del volo

In questa sezione: Caratteristiche dell'aria; Portanza; Angolo di incidenza; Stallo

A questo punto si entra nella fase vera e propria, la più importante, quella che ci farà capire il meccanismo del volo. Cosa si nasconde dietro la magia del volo di un elicottero di 25 tonnellate come il MilMi 26, capace di sollevare da terra se stesso ed un altro elicottero dello stesso peso. Si tratta di mistero o di leggi precise e meccanismi perfetti?

L'aria è un fluido che in accordo con il principio di Archimede permette ad un aeromobile che ne viene circondato di sostentarsi in volo, a condizione che esso sia in grado di spostare al di sotto di esso una quantità di aria pari al suo peso. In altre parole si deve generare una forza equivalente al proprio peso, capace d muovere l'aria nella direzione opposta che sia in grado di produrre una spinta verso l'alto del velivolo. L'aria a riposo genera pochissime o alcuna turbolenza. Se invece è sottoposta ad accellerazioni o movimenti può generare delle notevoli turbolenze che possono rappresentare delle forti limitazioni alla meccanica del volo o per contro permettere il volo stesso, ma per garantire il volo essa deve possedere una inerzia, che è provata dalla formazione dalle turbolenze. In altre parole una volta posta in movimento l'aria continua per un dato tempo il suo moto in maniera irregolare; condizione assolutamente indispensabile per accellerarla e produrre la Portanza.

Analizziamo ora cosa accade ad un profilo alare che attraversa un flusso di aria (filetti fluidi) e come esso e l'aria interagiscano tra loro, affinché si possa generare il volo in qualche modo. Un corpo che attraversa il fluido aereo o è investito da esso segue per forza di cose una traiettoria attraversando l'aria che si muove nella direzione opposta. L'aria che investe il corpo aerodinamico è definita con il termine di Vento Relativo (Relative wind) o Flusso aereo indisturbato (Undistrurbed air flow).
Il passaggio di aria ad una certa velocità sul dorso del profilo crea una DEPRESSIONE più o meno rilevante, dovuta ad una notevole diminuzione di pressione, ed un conseguente aumento della velocità lungo quella superficie; ricordi il tubo Venturi? Pressione Statica e Pressione Dinamica? etc etc. I filetti fluidi aumentano la velocità in prossimità della strozzatura o di un dorso; in quell'area la pressione statica diminuisce, mentre aumenterà la velocità (pressione dinamica). All'uscita della strozzatura o del dorso, la pressione aumenta e la velocità diminuisce ritornando ai valori iniziali.

Un profilo alare ha la forma di un tubo Venturi, e si comporta allo stesso modo. Osservando il comportamento di un PROFILO ALARE immerso in una condizione simile - cioè investito da un flusso aerodinamico ad una velocità costante - sarà possibile notare che i filetti assumeranno un comportamento simile, una volta raggiunta la sezione relativa al DORSO dell’ala, che rappresenta esattamente il punto di strozzamento del tubo Venturi; la dove si raggiunge cioè un valore di depressione significativo. Viceversa nella sezione inferiore del profilo, cioè il VENTRE dell’ala, si genererà una pressione aerodinamica. La somma dei due effetti, cioè la somma del valore di depressione sul DORSO ed il valore di pressione sul VENTRE genera la PORTANZA.

Caratteristiche dell'aria

La Portanza è una forza che attira l'ala verso l'alto una superficie aerodinamica, ed essa non agisce necessariamente sempre in senso verticale o verso l'alto, ma piuttosto attraverso un meccanismo molto simile a quello di un aspirapolvere, che succhia via residui di materiale; e cioè per depressione. E' una depressione che si forma ampiamente sulla superficie del dorso dell'ala, che nel nostro caso poiché parliamo di elicotteri chiamiamo pala. Al di sotto dell'ala nella zona del ventre il meccanismo è diametralmente opposto, perché in quella area; cioè sulla sua superficie si genera un pressione, anch'essa avente orientamento generalmente verso l'alto.

I valori di depressione e di pressione sono rispettivamente di 2/3 del primo, ed 1/3 del secondo. Si può dunque stabilire con un certo criterio che il volo avviene per una notevole componente maggioritaria dovuta al fenomeno di aspirazione verso l’alto, piuttosto che di spinta dinamica dal basso, tuttavia è la somma di entrambi i fattori che genera la PORTANZA.

Il fenomeno della Portanza avviene ogni volta che l'ala o la pala attraversano l'aria ad una determinata velocità ed assumono un angolo compreso in un arco definito, attraverso la rotazione dell'ala attorno al suo centro di pressione, oppure dotandola di sezioni mobili che assolvono allo stesso compito come flap ed alettoni. Il centro di pressione è il punto in cui tutti i vettori che agiscono durante il volo: Spinta; Portanza; Resistenza; Peso si incontrano. In altre parole è il punto lungo la Corda alare dove tutte le risultanti delle forze agiscono in modo tale che le somme dei momenti che si creano siano vicine allo zero.

Solitamente il punto in cui il CP si trova è al 25% della lunghezza della corda alare. In un profilo simmetrico il CP non subisce spostamenti al variare dell'angolo di attacco, mentre in un profilo assimetrico esso si muove in avanti proporzionalmente all'aumento dell'angolo di attacco, fino ad una posizione nella quale - quando avviene lo stallo - si sposterà rapidamente all'indietro. Le pale degli elicotteri adottano in buona sostanza un profilo simmetrico, poichè al variare dell'angolo di attacco il CP mantiene la sua posizione a circa il 25% della lunghezza della corda alare.

Nel caso degli aeroplani, poiché dotati di ala fissa, alcune sezioni di queste chiamate flap ed alettori se utilizzate in modo coordinato assolvono al compito di variazione della Portanza, in proporzione con la velocità, che vedremo ha anche essa una importanza considerevole. Per quanto riguarda invece gli elicotteri, qui è la stessa (ala) pala che ruota intorno al suo centro di pressione, variando l'angolo rispetto all'aria, cioè al vento relativo che si genera durante il movimento rotatorio della pala immersa nel fluido aereo. Il pilota può variare il generarsi della portanza a seconda delle circostanze mediante la gestione dei comandi di ciclico e collettivo. L'angolo che assume il profilo alare rispetto al vento relativo, che può modificare la produzione di portanza si chiama: Angolo di Attacco.

In realtà la Portanza non si genera del tutto grazie solo all'influenza dell'angolo di attacco, nei fatti le cose sono un pochino un po più complicate. Il fattore più importante infatti è la Densità (ρ) dell'aria che avvolge l'ala durante il suo movimento nel fluido. Maggiore è la densità migliore è la qualità della Portanza. Viceversa, minore è la densità, minore è la Portanza generata. La densità è dovuta in buona sostanza dal numero di particelle che compongono un dato volume di aria, per esempio in un cubo riempito di aria.

Durante il volo le superfici aerodinamiche come un ala o un pala di un elicottero attraversano diverse condizioni di densità dell'aria, per esempio volando da una quota verso una più elevata, dove l'aria diventa man mano sempre meno densa e dunque meno "appiccicosa" alla superficie dell'ala. Infatti le prestazioni di un velivolo sono decisamente migliori se il volo avviene vicino il livello del mare, cioè dove la densità del fluido è maggiore.

Ma non è solo la quota ad influenzare la densità, la Temperatura fa lo stesso. Infatti al diminuire di essa si ha una maggiore densità, cioè più molecole concentrare in un dato cubo di aria, mentre al contrario, all'aumento della temperatura si verifica una espansione e le molecole sono molte di meno riducendo la densità dell'aria.

 
       

Infine il livello di Umidità, cioè la quantità di acqua presente in una porzione di aria, produce effetti esattamente identici alla temperatura ed alla quota, per cui l'aria in un cubo di aria umida sarà meno denso di uno di aria secca, e le cose andranno meglio se quello in aria secca avesse una temperatura bassa e fosse ad una quota vicina al livello del mare; sarebbe perfetta! Ma che senso avrebbe volare sempre in prossimità del mare ed al freddo? Magari un volo in condizione meteo con sole e cielo libero da nubi, in salita dal mare verso le montagne vicine sarebbe un vero spasso, magari in una giornata possibilmente asciutta, senza umidità intorno.

Ti ho spiegato nella sezione Atmosfera che le particelle agiscono perpendicolarmente sulle superfici di un corpo immerso in un fluido, cioè nell'aria. Esse non appena si muovono lungo la superficie del corpo producono un attrito, che agisce parallelamente alla superficie del corpo e nella direzione opposta al moto, questa si chiama Resistenza; ma ne parleremo nei dettagli in un altro capitolo. Se l'aria si muove irregolarmente, o le particelle non mantengono la stessa velocità in ogni punto, ma piuttosto questa varia, si dice allora che si generano delle turbolenze, poichè l'aria avrà un movimento irregolare intorno al corpo o ad alcune zone di esso.

Nel capitolo precedente abbiamo visto come è composto un profilo aerodinamico e qui vi è riproposta la sua tipica struttura.

L'ala o la pala non sono sempre immerse in una situazione perfetta di portanza, essa possono subire delle condizioni critiche che possono comprometterne il sostenamento in aria. La condizione più nota che fa perdere Portanza ad un ala - quando cioè il volo diventa critico - è conosciuta con il termine di STALLO, che avviene quando l'Angolo di attacco è maggiore o minore dell'angolo compreso in un arco necessario a produrre la Portanza od anche per altre cause, come la bassa velocità o la formazione di ghiaccio sulle ali, oppure può variare con la quota, poichè a maggiori altezze la densità diminuisce; cosi come avviene a quote più basse con l'aumento delle temperature. O infine alla stesse particolarità strutturali dell'ala di produrre una limitata Portanza od infine per ulteriori e molteplici fattori che analizzeremo più in dettaglio nella sezione successiva dedicata alla Resistenza.

Portanza

La portanza dunque è un effetto positivo delle proprietà insite del fluido aereo, poiche l'aria ha una massa, essa può esercitare una forza, produrre un lavoro e trasferire energia potenziale. L'aria turbolenta è soggetta a movimento delle sue molecole in qualunque direzione e velocità, che varia irregolarmente in ogni punto e questo fattore va tenuto molto in considerazione; vedremo perchè.

Naturalmente la nostra discussione pone il punto sul fatto che in generale mi riferirò lungo il corso della nostra analisi ad un fluido perfetto, che non sia viscoso, di cui possiamo ignorare gli attriti interni, che sia stabile e mantenga la velocità uguale delle particelle che lo compongono in tutti i suoi punti. Il fluido perfetto non deve essere sottoposto a rotazioni o turbolenze, e si muove a velocità inferiori al 30% della velocità del suono e sopratutto sia incomprimibile.

Poichè l'aria ha una propria massa, perchè è composta di particelle che hanno un peso, essa esercita una forza sulle sperfici sotto forma di pressione. Inoltre produce un lavoro ed è in grado di trasferire energia. Abbiamo già affrontato questi aspetti nella sezione Atmosfera - che ti consiglio di rivisitare se tutto questo a venire non ti risulta ben chiaro - nella quale abbiamo capito quanto la densità dell'aria diminuisca progressivamente con l'aumento della quota o con altri fattori come la temperatura e l'umidità.

La PORTANZA è una forza aerodinamica che genera il volo di una superficie come può essere un ala o una pala di un elicottero o peggio di un cofano motore non ben assicurato al blocco di sicurezza. Essa si scompone in due principali componenti: La PORTANZA e la RESISTENZA. Queste due componenti sono rispettivamente orientate la prima (PORTANZA) perpendicolarmente alla direzione del VENTO RELATIVO, la seconda (RESISTENZA) in direzione del VENTO RELATIVO.
La PORTANZA generata da una superficie alare si può rappresentare molto semplicemente, in modo matematico per meglio capirne il funzionamento, attraverso la formula descritta in figura.

Analizziamo gli elementi che compongono questa equazione. Partiamo dalla prima frazione, essa rappresenta la divisione o meglio le due superfici dell'ala, quella superiore e quella inferiore, e bisogna tenerne conto poichè la Portanza si genera su entrambe le superfici, e sebbene in realtà si formi per un terzo al di sotto e per due terzi al di sopra di un ala o di una pala, per semplificare la formula si dividono i valori per le due superfici, poichè ogni metà concorre nella formazione della Portanza ed anche della Resistenza come vedremo nel successivo capitolo. Il secondo elemento è rappresentato dalla Densità dell'aria (ρ) che influenza molto la qualità della Portanza, che il profilo deve generare.

Nella figura in basso è rappresentato l'andamento del flusso di aria che investe un profilo di un'ala che si muove su un piano orizzontale. Il fluido assume una velocità relativa (V). L'ala durante il suo cammino investe l'aria ad una velocità determinata che è il quadrato del valore della Portanza che si sta per produrre, ed essa viene moltiplicata per la Densita dell'aria che la investe. Il valore risultante è ancora un elemento relativo, poichè a questo punto è necessario moltiplicarli per la superficie dell'ala, poichè le sue dimensioni e la sua forma sono elementi fortemente condizionanti per la formazione della Portanza.

     
Infine il COEFFICIENTE DI PORTANZA che è una grandezza ADIMENZIONALE, non rappresenta una unità di misura, ma è correlato al valore della PORTANZA e dipende dalla forma del PROFILO ALARE e dall’ANGOLO DI INCIDENZA che nella rappresentazione coincide con l'ANGOLO DI ATTACCO, poichè il vento relativo si muove su un piano perfettamente orizzontale che coincide con il piano di traslazione dell'ala. La Portanza è legata ad una molteplicità di fattori, che vanno dalla forma dell'ala alla velocità del vento relativo, ma cosa più importante sono l'Angolo di Incidenza e l'Angolo di Attacco. Ad esempio in un profilo SIMMETRICO - attraverso una rappresentazione grafica della curva di portanza - si noterà come il primo tratto della curva ha un andamento rettilineo, ma una volta in prossimità di un angolo di incidenza critico si piega decrescendo improvvisamente, proprio nel punto dove si ha il valore di Cp massimo.

Per tutti i profili alari l’inclinazione della curva Coeffiente di Portanza/Angolo di Incidenza è maggiore quanto maggiore risulta l’allungamento alare, e questo è il caso di una struttura alare di un aliante, oppure della pala di un elicottero.
Il Cp (COEFFICIENTE DI PORTANZA) si ottiene attraverso la misurazione in galleria del vento, mediante l’ausilio di strumenti elettronico-meccanici come i Dinamometri che misurano i parametri di portanza, resistenza e coefficiente aerodinamico, con estrema precisione di un determinato profilo aerodinamico.

La portanza si può controllare variando l'Angolo di Incidenza di un profilo alare o di una pala, questo angolo influenza molto la quantità di portanza generata, che però cresce fino ad un punto critico, al di sopra del quale essa improvvisamente si annulla. Di sopra un esempio grafico di come sia possibile miusare le variazioni di PORTANZA a variazioni di ANGOLO DI INCIDENZA.

Nell’industria elicotteristica si utilizza nella maggior parte dei casi il profilo BICONVESSO-SIMMETRICO - sebbene ci siano alcune eccezioni particolari - tuttavia la sua principale caratteristica è data dal vantaggio che il suo centro di pressione, rimane pressoché invariato, a qualsiasi angolo di incidenza, caratteristica importantissima se si considera che la pala varia il suo angolo di incidenza in continuazione attraverso la completa rivoluzione, che avviene qualche decina di cicli al secondo. Inoltre la pala si alterna in continuazione tra due condizioni di stallo e portanza in modo particolare durante il volo traslato, e questo richiede per l'appunto l'adozione di un profilo stabile.

Nei multicopteri il profilo più diffuso è invece il CONCAVO-CONVESSO, con un forte angolo di svergolamento dalla radice fino all'estremità delle pale. Uno dei motivi più evidenti di questa scelta tecnica è dovuto al fatto che questo tipo di macchina, non ha bisogno in buona sostanza di cerniere di flappeggio o brandeggio e sopratutto di cambio passo, in questi velivoli non eiste alcuna articolazione e le pale hanno un angolo di attacco fisso. I multicopteri non hanno grossi problemi relativi allo stallo della pala retrocedente o al fenomeno del flusso inverso che viene compensato da più rotori. Un altro è quello legato alla semplificazione dell'architettura di base.

Queste macchine sono ancora piccole, anche se i miei progetti prevedono velivoli per trasporto passeggeri, e cambiando le proporzioni le cose starebbero diversamente, poiché anche se i rotori non necessiterebbero di un sistema di articolazione complesso come quello del rotore di un elicottero, sarà necessario costruire dei rotori con sistemi di smorzamento del brandeggio e del flappeggio probabilmente di tipo elastomerico come quelli che ho adottato nei miei progetti sia CellCraft che EJ, mentre le pale avrebbero comunque un profilo differente più vicino al biconvesso simmetrico; ma questa è un altra storia.

Angolo di Incidenza

Abbiamo detto sopra, che la variazione di Portanza può avvenire attraverso la modifica dell'angolo di incidenza, ma cosa è realmente l'Angolo di Incidenza? L’ANGOLO DI INCIDENZA (Angle of incidence) è l’angolo formato dal PIANO DI ROTAZIONE della pala negli elicotteri, o il piano di traslazione dell'ala negli aerei e la CORDA di un profilo alare. Mentre l'angolo compreso tra la CORDA ed il vento relativo è chiamato ANGOLO DI ATTACCO (Angle of attack).

Il primo è detto anche angolo meccanico, (Angolo di incidenza), il secondo invece angolo aerodinamico (Angolo di attacco). La variazione di questi due angoli produce una variazione proporzionale della portanza fino ad un punto critico chiamato STALLO. Questo avviene quando i filetti fluidi si staccano dal profilo alare riducendo o addirittura annientando gli effetti della PORTANZA, aumentando in maniera drammatica la RESISTENZA AERODINAMICA.

L’ANGOLO DI INCIDENZA viene rappresentato con la lettera greca Alfa “α”. Per poter sostenere in volo un aeromobile, sia esso un aereo o un elicottero, il pilota deve mantenere l'ala o la pala del rotore all'interno di una escursione minima o massima, in altre parole un preciso angolo che comprenda un angolo tale che non sia ne al di sotto ne al di sopra di un determinato valore, al di fuori del quale il fenomeno della Portanza non si genera più a sufficienza o viene drasticamente interrotto. La "qualità della Portanza" è tuttavia influenzata da fattori concomitanti tra loro, come la velocità e la densità dell'aria e la sua temperatura, queste circostanze assieme all'angolo di incidenza, garantiscono o meno il volo. In altre parole sostenere che il volo dipenda unicamente dall'angolo di incidenza è improprio, perché al variare delle condizioni esterne ambientali, si possono avere valori di portanza diversi ad uno stesso angolo di incidenza.

   

Stallo

Il fenomeno dello Stallo è semplicemente legato alla potenziale energia che il fluido possiede quando attraversa il profilo aerodinamico. E' la condizione nella quale un ala; un profilo alare, non riesce a supportare un aeromobile in volo perchè non c'è abbastanza aria (bassa densità) o essa non ha una sufficiente velocità (energia cinetica) che lo attraversa, oppure essa è turbolenta. Affinché si verifichi la spiacevole condizione di STALLO l’angolo di incidenza deve essere compreso in media tra i 13° ed i 18° gradi; si avrà a questo punto una situazione lo STALLO MEDIO. Il valore si può alterare ulteriormente se si produce un angolo compreso tra i 18° ed i 20° che produrrà l’imminente perdita di quota, che sarà preceduta da una inclinazione laterale che causerà una entrata in vite dell’aeromobile (ala fissa), con notevoli problemi di manovrabilità. Un elicottero invece che si trovi malauguratamente in una situazione di stallo delle pale non ha alcuna possibilità di recupero!

 

Lo STALLO dunque si produce in buona sostanza a valori eccessivi dell’angolo di INCIDENZA, in questa situazione non si avrà più la CIRCUITAZIONE DEI FILETTI intorno al PROFILO con conseguente perdita di PORTANZA ed un enorme aumento della RESISTENZA. In altre parole poichè l'aria abbraccia; avvolge letteralmente l'ala o la pala e riesce a trattenerla fino a quando l'angolo di Incidenza è compreso entro un certo limite, se si supera questo valore essa non riesce più ad avvolgere del tutto la pala e quindi non riesce più a sostenerne il peso.
Le pale di un elicottero sono nient'altro che ali allungate, esse sono soggette alle stesse forze che agiscono su di un profilo alare convenzionale. Durante la rotazione possono assumere diversi valori di angolo di incidenza, passando in continuazione da una condizione di portanza ad una di stallo.
All'interno dei meccanismi che producono il volo elicotteristico si genera una condizione particolare, un tipo di stallo alternato tra una pala e l'altra conosciuto come fenomeno del FLUSSO INVERSO, che analizzeremo più in avanti e che senza dubbio rappresenta un problema tecnico, sopratutto alle elevate velocità di volo, poiché esso è strettamente legato al problema dello STALLO e che purtroppo è una delle cause fondamentali delle forti limitazioni degli elicotteri rispetto alla velocità massima raggiungibile in volo.

I problemi per il generarsi del volo nel suo complesso non terminano affatto qui, anzi. Nel capitolo successivo vedrai come la Resistenza che si genera su di un profilo alare o su di un corpo, ne condiziona fortemente le prestazioni in volo.

©Gino D'Ignazio Gizio