Ali e profili alari

In questa sezione: Piante Alari; Piante e Carattersitiche delle Pale degli Elicotteri

Per meglio capire il principio del volo - capitolo successivo a questo - è bene partire dalle caratteristiche che deve possedere un corpo aerodinamico, ed in modo particolare alla natura di un profilo aerodinamico e del suo funzionamento. Per fare ciò prenderemo in larga analisi la struttura di un Profilo Alare, analizzando il suo comportamento attraverso il fluido aereo.

Un Profilo Alare è una struttura aerodinamica progettata dalla natura per gli uccelli e dall'uomo per le sue macchine volanti per produrre Portanza attraverso il suo movimento nell'aria. L'aria ha un peso ed una densità, il suo peso è calcolabile ed in un metro cubo di aria esso equivale a 1,29 kg, al livello del mare con una temperatura di 15°C. Poichè la colonna d'aria esercita la sua pressione-peso verticalmente, cioè dall'alto verso il basso - giacchè essa è composta da tutte le molecole che sovrastano la superficie del pianeta - la sua forza-peso agisce in tutte le direzioni, premendo sulle ali e sulla fusoliera dell'aeromobile. Per poter ottenere il volo dunque è necessario ridurre la pressione sovrastante all'ala, aumentandola al di sotto di essa, in modo da ottenere una spinta verso l'alto. La massa di aria spostata deve equivalere al peso del corpo, proprio come recita il principio di Archimede. E' per questo che un profilo alare ha la sua importanza; vediamo come funziona.

Questa struttura; ora presente nelle ali di un aereo, o nelle pale di un elicottero, è in realtà una delle più incredibili invenzioni della natura, che la introduce sin dall'inizio della comparsa dei primi uccelli. Se si sezionasse l'ala di un uccello come fece Leonardo per carpirne i segreti del volo, si otterrebbe un profilo affusolato, con delle curve e delle rientranze molto simili a quelle che vedremo esserci in un caratteristico profilo Concavo-Convesso. Senza soffermarci troppo però sulla struttura alare degli uccelli - poiché ci limiteremo a trattare quelle delle nostre macchine - andiamo a descrivere un profilo aerodinamico, o alare nella sua architettura fondamentale più semplice.
Un tipico profilo alare è composto da un DORSO o ESTRADORSO ed un VENTRE o INTRADOSSO, che sono le superfici superiore ed inferiore della nostra ala immaginaria o se vogliamo della sezione della nostra pala virtuale.

Sia il Dorso (Upper surface) che il Ventre (Lower surface) si incontrano in due punti. Quello anteriore è detto BORDO D'ATTACCO (Leading edge) e quello posteriore è definito come BORDO di USCITA (Trailing edge). Il Centro di Pressione (Centre of pressure) invece è il punto dove il Centro di Gravità (Center of Gravity) o Baricentro dell'ala è generalmente situato, ed in una pala corrisponde alla cerniera di cambio passo. Vedremo come a seconda del tipo di profilo il Centro di Pressione (CP) si trovi più o meno nella stessa zona, o addirittura possa cambiare a seconda dell'angolo di incidenza della pala.
La linea che congiunge il Bordo D'Attacco ed il Bordo D'Uscita si chiama CORDA (Chord), mentre la distanza massima tra il Dorso ed il Ventre si chiama SPESSORE ALARE (Thickness), infine la Linea Mediana (Camber line) che si muove dal Bordo di Attacco al Bordo di Uscita e che solo in un profilo simmetrico come nella figura in alto coincide con la Corda, indica i punti equidistanti tra il Ventre ed il Dorso.

La Linea Mediana o Camber line più in dettaglio, si riferisce alla distanza media che esiste tra il dorso ed il ventre, essa si muove sulla stessa direttrice della corda, cioè dal bordo di attacco al bordo di uscita, e può assumere diverse curvature a seconda del tipo di profilo aerodinamico in discussione, tranne che in un profilo biconvesso simmetrico, dove invece - come già detto sopra - coincide perfettamente con la corda.

I generi alari o Profili Aerodinamici possono essere in buona sostanza cinque, sebbene attraverso i codici NACA ideati dai laboratori di fisica aerodinamica della NASA li abbiano classificati con molta più precisione in tutte le varianti possibili. Essi vengono identificati con un codice alfa numerico. Tuttavia senza entrare troppo nel merito dei codici NACA, ci limiteremo alle seguenti tipologie di base: Biconvesso Simmetrico; Biconvesso Asimmetrico; Piano Convesso; Concavo Convesso; A doppia Curvatura.

A seconda delle applicazioni e delle prestazioni che si intendono ottenere i profili vengono definiti, Spessi; Semispessi; o Sottili. Questo è in generale il rapporto che intercorre tra lo Spessore e la Lunghezza di un'ala. E' intuitivo pensare che le pale di un elicottero siano di per se considerate a Profilo Sottile, mentre quelle di un aero-cargo siano chiaramente a Profilo Spesso.

Lo Spessore Relativo (SR) è in altre parole il rapporto della distanza che c'è tra il ventre ed il dorso (SA), diviso la lunghezza della corda (CA) ed è espresso in percentuale (%) rispetto alla corda stessa. I PROFILI ALARI a seconda della loro funzione aerodinamica assumono un determinato SPESSORE, in generale esso è quasi sempre inferiore al 10% rispetto alla lunghezza della corda, che in media raggiunge il 18% in profili medi, ed il 20% in profili spessi. Questo valore o rapporto che esiste tra la corda e lo spessore è fondamentale in aerodinamica, in quanto attraverso di esso è possibile determinare la velocità accettabile per un profilo che operi in condizioni di volo transonico e questo ti assicuro interessa non solo gli aerei supersonici, ma in modo particolare le pale di un elicottero.

Un ulteriore elemento di importanza è lo SPESSORE MASSIMO del profilo, esso va misurato ortogonalmente alla corda nel punto di distanza massima tra il dorso ed il ventre del profilo.

Allungamento Alare

Per meglio capire il rapporto che c'è tra un profilo alare e la struttura dell'ala stessa è importante definire un ultimo aspetto chiamato Allungamento Alare (λ) (Aspect ratio). Si tratta del rapporto che esiste tra la lunghezza o apertura alare e la larghezza di una ala o corda, nel nostro caso è il rapporto che siste tra la lunghezza della pala e la corda di essa. L'allungamento alare può anche essere calcolato attraverso l'Apertura Alare² e la Superficie Alare. Se si osserva la pala di un elicottero salta agli occhi il fatto che essa risulti evidentemente troppo o eccessivamente allungata, ma come vedremo è proprio questa la caratteristica che la rende perfettamente adatta al "volo rotante", mentre quelle di un Jet sembrano corte se paragonate ad un aereo cargo, poichè in questo caso il velivolo deve raggiungere elevate velocità rispetto al secondo. Insomma la struttara alare di un velivolo, sia esso un elicottero o un aereo, influenza profondamente la progettazione di un aeromobile, costringendo i progettisti ad adattarne le caratteristiche alla funzione, proprio come in natura è avvenuto con le varie specie di uccelli.

Per fare un raffronto in un contesto naturale, in un colombo le ali sono corte se paragonate a quelle di un gabbiano. Un colombo infatti si è adattato in natura per volare veloce e per un tempo limitato, ed è costretto a spendere molta più energia di un gabbiano per accellerare l'aria sul dorso delle ali e produrre la portanza necessaria di quanto invece fa un gabbiano, che invece grazie alla struttara delle sue ali che hanno un forte allungamento, gli permettono di restare in volo molto a lungo sfruttando venti e correnti ascenzionali senza utilizzare troppa energia.

Dunque un gabbiano ha una elevato allungamento alare che gli consente di volare in planata per lunghe distanze, proprio come un aliante. Mentre un colombo ha delle ali corte e tozze che gli permettono una velocità ed una manovrabilità estrema, proprio come un aereo da combattimento ma non di planare per lungo tempo.

Piante alari

L’ala è una struttura molto varia e particolarmente complessa, nonostante il suo aspetto apparentemente semplice. Si tratta di un dispositivo che provvede al sostentamento dell’aeromobile, in altre parole tutto il peso della macchina; dei motori; del carburante; dell’equipaggio; dei passeggeri; del carico, si poggiano fisicamente su questa superficie, ma non è tutto. Poichè le variazioni di accellerazione di gravità durante il volo, ne aumentano il carico e lo stress che essa deve sopportare, per rendere il carico della portanza ben frazionato lungo la lunghezza dell'ala, la maggior parte della portanza è distrubuita all'incirca tra il 70 ed il 30% lungo l'apertura dell'ala; in altre parole essa è maggiore in prossimità dell'attacco alla fusoliera, e diminuisce progressivamente man mano che si raggiunge l'estremità.

A seconda della loro funzione le ali assumono una forma specifica. Per aeromobili che si muovono a basse velocità ad esempio, la pianta alare più diffusa è quella rettangolare come nei piccoli aerei da turismo. La forma rastremata invece viene spesso adoperata su velivoli turboelica che raggiungano velocità considerevoli o per piccoli velivoli adatti al volo acrobatico. Le ali a freccia ed a delta invece, sono particolarmente impiegate su velivoli che si muovono a velocità elevate. La forma infatti giustifica con chiarezza la necessità di compensare l’eccessiva velocità periferica, che è maggiore all'estremità dell'ala piuttosto che alla sua radice e che produrrebbe un forte aumento sia della portanza che della resistenza nella zona esterna dell'ala. Questa condizione è di vitale importanza come vedremo specie con le pale degli elicotteri che come ho già detto prima hanno un allungamento alare piuttosto considerevole.

Piante e caratteristiche delle pale degli elicotteri

Cosi come per le ali di un aeroplano, anche nelle pale degli elicotteri si riscontrano delle differenze e delle caratteristiche precise a seconda della funzione progettuale relativa all'impiego della macchina o delle prestazioni richieste dal progetto. Per pianta si intende la forma che la pala o l'ala assume se vista dall'alto. Le piante alari delle pale elicotteristiche stanno subendo delle modifiche importanti, in modo particolare per la riduzione dei vortici marginali e per poter volare in sicurezza a velocità sempre maggiori, poichè esse raggiungono velocità molto vicine a quelle del suono. Quest'ultimo fattore è uno dei limiti più importanti che gli elicotteri subiscono e che impediscono a questi straordinari velivoli di raggiungere velocità elevate.

Nel nostro specifico caso, l'allungamento alare si dimostra di estrema utilità; maggiore è l'allungamento alare, minore sarà l'entita dei Vortici Marginali (induced drag). Infatti gli alianti hanno un allungamento alare molto pronunciato, proprio perchè le loro ali devono essere quanto meno possibile suscettibili alla formazione di resistenza indotta che si genera alle loro estremità.

La produzione di vortici marginali che si formano alle estremità delle pale di un rotore è un fattore critico per un elicottero, poichè ne riduce fortemente le prestazioni, giacchè la porzione esterna della pala non è in grado di produrre portanza ma solo una forte resistenza, chiamata anche resisteza indotta. Per poter ridurre questo fenomeno le pale degli elicotteri moderni sono molto diverse da quelle classiche che hanno accompagnato la sua storia, ed oltre ad essere costruite con materiali particolari, esse hanno una struttura ed una pianta molto speciale, a seconda del tipo di macchina e del suo specifico impiego.

La PIANTA RETTANGOLARE è la più diffusa e rimane la più economica sia in termini costruttivi che di complessità della sua aerodinamica, ma deve essere svergolata per poter sostenere l'aumento della velocità periferica e la variazione di carico aerodinamico, che si sviluppano man mano che si prosegue verso la sua estremità.

La PIANTA RASTREMMATA è la più antica, essa è stata largamente utilizzata sia nei primi autogiro sia nei primi esemplari di elicotteri, era principalmente costruita in legno e la forma serviva a ridurre il carico aerodinamico che diminuiva progressivamente fino alla sua estremità.

Poichè la Portanza varia in proprozione al quadrato della velocità, o se si riduce della metà la velocità periferica della pala, si ottiene un quarto (1/4) della Portanza, risulta necessario distribuire il carico sulla pala in maniera omogenea su tutta la sua struttura, per esempio svergolandola (whashout) diminuendo cioè l'angolo di incidenza man mano lungo la sua lunghezza a partire dalla radice fino alla periferia.

Il Bell Jetranger ha uno svergolamento di -10° dalla radice alla estremità della pala, mentre il Bell 412 monta pale che hanno sia lo svergolamento che una leggera rastremmatura. L'angolo medio attraverso il quale si costruisce una pala svergolata è compreso tra i ed i 12°. Un altro medodo per ottenere lo stesso risultato è l'impiego di piante rastremmate o aventi forma particolare, studiate in modo tale che al 75% della loro lunghezza (raggio del rotore) si venga a concentrare la maggior parte della Portanza.

Questo tipo di pala è di nuovo impiegata anche grazie alla possibilità di produrle con estrema precisione attraverso sistemi a controlo numerico, tuttavia alcune macchine di fabbricazione russa le impiegano da anni e più di recente sono state reintrodotte in una versione più moderna e complessa sui nuovi elicotteri Sikorsky X2 e S97.
Un altra pianta interessante e quella che descrive la pala Westland-Agusta, progettata per l’impiego su elicotteri come l’AW EH 101 largamente impiegato da diverse marine, tra cui quella italiana. L’ultimo esempio di pala del genere fu sviluppato dalla Sikorky industries, ed è stata impiegata sugli UH/SH 60, ed in una versione molto simile dalla Westland sul Linx qualche anno prima, oppure le pale rastremate montate su elicotteri commerciali come gli Agusta A139 di ultima generazione. Altre sono le forme di piante elicotteristiche, tuttavia queste riportate in figura rappresentano le più comuni, e in qualche caso anche le più originali. Le tecnologie dei materiali porteranno sempre più allo sviluppo di nuove ed interessanti soluzioni con possibili sviluppi sia delle piante che dei profili.

©Gino D'Ignazio Gizio