Aerodinamica della pala

In questa sezione: Velocità Periferica delle Pale; Portanza e Resistenza sul Rotore; Distribuzione del Carico sulle Pale; Forza Centrifuga sulla Pala; Baricentro della Pala

Il rotore è una struttura piuttosto complessa ancora in fase di sviluppo perfino oggi, nonostante gli importanti traguardi raggiunti sopratutto in termini tecnologici. Esso è stato soggetto a varie evoluzioni nel tempo, dai primi sistemi articolati sviluppati sugli autogiro, fino ai nostri giorni con rotori rigidi costruiti con materiali un tempo inconcepili e sopratutto con architetture diversificate a seconda della funzione progettuale e l'impiego, che hanno migliorato le caratteristiche e l’efficienza delle pale ai massimi livelli.

Velocità periferica delle pale

Le pale di un elicottero sono costantemente in rotazione, esse devono sviluppare la portanza necessaria al volo e questo avviene come abbiamo visto attraverso una accelerazione angolare costante della (ala) pala rispetto all'aria. La pala dunque si comporta come un ala rotante e se questo risolve il problema della portanza ne solleva di nuovi.

Durante la rotazione le pale compiono un dato numero di rivoluzioni al secondo, viaggiando attraverso il vento relativo ad una data velocità. Le condizioni di velocità per una pala differiscono però a seconda del tipo di volo che si sta conducendo. Se l'elicottero è in volo stazionario (hovering), allora le pale avranno tutte la stessa velocità nei rispettivi punti simmetrici, cioè la velocità in un dato punto della pala risulterà identica allo stesso punto della pala opposta. Se invece parliamo di volo traslato allora le cose si mettono in una posizione più difficile, perchè la velocità di un punto di una pala sarà molto diversa di quella dello stesso punto della pala opposta. Detta cosi sembra complicata, ma per capire meglio questi due concetti è meglio partire dalla modalità più semplice: Volo in Hovering a punto fisso.

   
       

Per prima cosa diamo un occhiata all'animazione sopra cercando di esaltare le tue capacità di osservazione. Se si guarda al centro del rotore, verso il mast, si noterà che non è molto difficile vedere alcuni dei dettagli più importanti della meccanica. Questo accade sempre quando si osserva un elicottero con il rotore in moto. Man mano che si volge lo sguardo verso l'eterno del rotore; verso la sua periferia, l'immagine dalla pala risulta sempre meno definita ed accellerata. Questo è un fenomeno parzialmente illusorio, perchè in realtà la velocità dei punti che attraversano un immagginario asse longitudinale di essa, raggiungono velocità molto diverse tra loro. La velocità sulle pale è proporzionale al raggio, in altre parole la velocità cresce con il crescere della distanza dal centro di rotazione e cioè dal mast verso l'estremità della pala.

Dunque la velocità non è uguale in tutti i punti della superficie della pala, essa varia a partire dall’attacco delle articolazioni, aumentando man mano che si procede verso l’esterno del rotore o se preferisci verso la periferia della pala. Questa condizione fisica di aumento della velocità periferica produce numerosi effetti, che pongono non pochi problemi e che hanno reso lo sviluppo di questa macchina sin dagli Autogiro una costante sfida tecnologica.
Come vedremo il fenomeno relativo alla VELOCITA PERIFERICA influenza notevolmente la produzione della PORTANZA e della sua RESISTENZA relativa, che come è possibile intuire saranno estremamente differenti in tutti i punti della pala, fino a raggiungere valori elevati nella sua zona perferica. Questa condizione però risulta sconveniente perchè in questo modo si otterrà una eccessiva formazione di Portanza all'estremità delle pale e queste si spezzerebbero dopo essersi piegate verso l'alto in pochi secondi. Naturalmente il problema è stato risolto in maniera ottimale, tuttavia prima di parlarne vediamo come ricavare il valore della velocità periferica per poter meglio distribuire la portanza e la resistenza in modo più omogeneo lungo la superficie della pala.

Il calcolo della VELOCITA’ PERIFERICA si ottiene dal prodotto della VELOCITA’ ANGOLARE (
ω) per il raggio, che nel nostro caso rappresenta la lunghezza che attraversa il rotore dal centro del Mast, lungo la pala fino alla sua periferia, cioè il nostro raggio è rappresentato dalla pala stessa. La sequenza di operazioni per il calcolo è rappresentata secondo la sua formula matematica più semplice, tuttavia come già fatto finanzi ti spiegherò passo passo il processo.

                                       

Come si può osservare dalla formula, la VELOCITA’ ANGOLARE si ottiene moltiplicando - che rappresenta la circonferenza che la pala descrive alla sua estremità, o in un dato punto, laddove si vuole determinarne la velocità - per due e per il numero di giri del rotore al secondo. Ottenuto questo valore si procede moltiplicando la VELOCITA’ ANGOLARE per il RAGGIO del rotore; calcolo che darà come risultato la VELOCITA’ PERIFERICA a quella data distaza dal mast espressa in metri al secondo.

La VELOCITA ANGOLARE si misura in RADIANTI al secondo, un RADIANTE equivale ad un arco di 57° circa, o più precisamente: un RADIANTE è l’ANGOLO al centro di una circonferenza che sovrasta un arco lungo lungo quanto il raggio, che per l’appunto equivale a 57°29’, qualunque sia la lunghezza del raggio e cioè della pala, questa è infatti una costante matematica.

Per calcolare la velocità periferica bisogna ricavare il numero di radianti al secondo che saranno moltiplicate per il raggio (lunghezza della pala) che ci daranno la velocità rappresentata in metri al secondo nel punto più periferico della pala.
In Resistenza abbiamo visto come la velocità del suono, rappresenta una forte limitazione della velocità massima raggiungibile da un elicottero, poiché la velocità delle pale è molto elevata e si avvicina molto a quel limite, ed il calcolo della velocità periferica delle pale è vitale per la sana e robusta esistenza di un elicottero.

             
                 

Nel nostro calcolo per determinarla abbiamo considerato l'elicottero in una condizione di volo stazionario, ma se alla velocità della pala pari a 208,4 metri al secondo avremmo dovuto aggiungere la velocità di traslazione dell'elicottero (solo pala avanzante) avremmo ottenuto un valore molto più elevato e più prossimo alla velocità del suono, che non deve essere mai raggiunta dalle pale.

Detto questo, stabilita cioè la velocità angolare delle pale in volo stazionario, vediamo come le cose cambiano in volo traslato. Questa è la seconda condizione di volo dove la pala avanzante e quella retrocedente, sono sottoposte a diverse ed a volte perfino opposte velocità e quello che avviene nella zona periferica è molto importante, anche per determinare la qualità della resistenza indotta (Induced drag) che produce i vortici marginali riducendo le prestazione delle pale. Ecco dunque l'utilità di questa operazione matematica che ci permette di stabilire il valore di Mach di dragrise e cioè la velocità massima periferica della pala, dove la resistenza aumenta esponenzialmente, poiche la velocità della pala si trova in prossimità di quella del suono e questo valore non deve mai essere superato!

Portanza e resistenza sul rotore

Il DISCO ROTORE è una superficie virtuale, esso è anche chiamato DISCO ATTUATORE. Il rotore si comporta come un’ala, inoltre in quanto superficie rotante è anche in grado di muovere l’intera macchina nella direzione desiderata; si comporta come una sorta di ala direzionale.
Le pale di un rotore sono in tutta sostanza delle ali ad elevato allungamento. Ogni pala compie una rivoluzione completa un dato numero di volte al secondo, (Rpm - revolution per minute) esse assumono tutte la stessa velocità, uguale valore di portanza e di resistenza, rispetto al vento relativo durante la fase di volo stazionario - mentre assumono velocità diverse durante il volo traslato per aumento e sottrazione della velocità angolare rispetto a quella di traslazione - in altre parole esse si muovono attraverso il vento relativo a diverse velocità a seconda della posizione che esse raggiungono ad ogni rivoluzione, sia essa avanzante o retrocedente.

La velocità delle pale varia durante la rivoluzione, cosi come la portanza e la resistenza rispetto al vento relativo che le investe, cioè rispetto al moto lineare dell’elicottero. Ogni pala infatti si alterna tra avanzante e retrocedente a seconda della posizione rispetto alla direzione di moto ad ogni singola rivoluzione rispetto alla direzione di avanzamento dell'elicottero.

Durante la rivoluzione la pala descrive un angolo che si chiama AZIMUTH. Esso è compreso tra l’asse della PALA ad una direzione convenuta. Il DISCO ATTUATORE invece si forma attraverso la rotazione delle pale. La traslazione circolare delle pale produce la PORTANZA. Dunque la rotazione delle “ali rotanti” cioè delle pale genera una superficie alare di forma circolare - che come già abbiamo già visto nella sezione dedicata al principio del volo - deviano una notevole quantità di aria al di sotto della fusoliera, uguale o superiore al peso dell’elicottero per ogni secondo di volo, grazie al terzo principio della dinamica spingendo la macchina verso l’alto, mantenendola in volo.

Prima di continuare sulla riga del concetto di Pala Avanzante o Retrocedente, vediamo come il peso o carico si comporta sulle pale. Per poter calcolare la capacità del rotore di sollevare tutto ciò che è vincolato ad esso, e cioè fusoliera; motori; trasmissione; carico; carburante; equipaggio, etc, è necessario conoscere la capacità di sostentamento e la distribuzione del carico sull’intero disco rotore, o meglio come il peso intero dell’aeromobile viene "spalmato" in maniera omogenea sul disco rotore, che equivale alla superficie dell'ala come accade per gli aeroplani. Si tratta semplicemente del peso effettivo dell'elicottero diviso per l'aerea creata dal disco rotore.
L’influenza che la portanza produce sul rotore si chiama CARICO ALARE, nel nostro caso il termine corretto sarà CARICO SUL DISCO, la conoscenza di questo valore permette il calcolo esatto della distribuzione del carico sostenibile sull’intera superficie dell’ala per gli aeroplani o del disco rotore per gli elicotteri.
Il valore esatto del CARICO SUL DISCO si ottiene dal rapporto del PESO DELL’ELICOTTERO o dell’AEROMOBILE rispetto alla SUPERFICIE DEL DISCO e delle ALI.

Per poter condurre il calcolo in maniera corretta è necessario conoscere l’area della superficie del DISCO ROTORE o della superficie ALARE. Ponendo che la nostra attenzione si rivolga in modo particolare all’analisi del volo dell’elicottero, considereremo dunque il calcolo geometrico dell’area del cerchio, descritto dalla rotazione delle pale di un elicottero, che rappresenteranno il raggio del disco.
Supponendo che l’elicottero, abbia un peso complessivo di 893 Kg e la superficie del suo DISCO ROTORE sia di 46.50/m
², si avrà un carico alare pari a 19.17Kg/.

Il carico sul disco non è un dato costante, poichè il disco rotore che si forma durante la rotazione delle pale subisce delle variazioni. Infatti maggiore è il carico, maggiore è l'angolo conico che si forma e quindi minore è la superficie del disco rotore. Anche la velocità dell'elicottero può determinare una riduzione del disco che ne aumenta la conicità. Ovviamente maggiore è il carico sul disco, maggiore è la potenza indotta e quindi la velocità del downwash, cioè del flusso al di sotto del rotore. Insomma una concatenazione di eventi non tutti a favore del volo, ma che pongono il rotore sempre al limite delle prestazioni ottimali, ecco perchè quando si va in volo è assolutamente necessario calcolare le capacità della macchina in quelle date condizioni e prevederne le variazioni lungo tutto il percoso del volo.

C'è una notevole differenza in termini di carico sul disco tra motori alternativi e motori a turbina, poichè i motori a pistoni sono molto più pesanti per il rapporto potenza erogato se paragonati ad un corrispettivo motore a turbina che è molto più piccolo e leggero ed eroga una potenza maggiore. Un Robinson R22 riesce a produrre un carico sul disco di 10kg/m² mentre uno Hughes 500 riesce a produrre un carico su disco di 30-40Kg/m².

Distribuzione del carico aerodinamico sulle pale

Vedremo ora come viene distribuito il CARICO sulle singole PALE e come esse si comportano durante il volo quando sostengono attivamente l’intera struttura. Si è finora detto che la variazione dell’ANGOLO DI INCIDENZA produce una modifica della PORTANZA; nell’elicottero il controllo della portanza avviene allo stesso modo, ma si agisce sull'intera pala piuttosto che su parte della superficie alare, come invece avviene con gli aeroplani in cui i Flap e gli alettoni, sono gli organi addetti alla variazione della portanza. Le pale devono sostenere il peso dell'elicottero incluse le variazioni prodotte dalle accellerazioni G verticali che ne modificano il valore di peso pur conservando identica massa. Le pale per fortuna subiscono uno stiramento prodotto dalla forza centrifuga che le rende rigidissime, tuttavia esse sostengono comunque l'intero peso dell'elicottero che va diviso per l'area della pala.

Cpal= Hm/Apal Cpal=carico pala H=massa elicottero Apal=area pala

La superficie dell'ala è misurata in Newton/m². Attenzione, non confondere il carico sul disco con il carico sulla pala, essi sono due parametri completamente diversi tra loro. Le pale di un elicottero sono le sue ali. Al variare dell’ANGOLO DI INCIDENZA su ognuna di esse si otterrà la variazione della PORTANZA. Un ruolo fondamentale sul meccanismo di questo aeromobile è dato dalla VELOCITA’ PERIFERICA, che bisogna considerare in maniera incidente, come fattore fondamentale e variabile nella distribuzione del CARICO ALARE sulle pale. Da ciò si può dunque stabilire che la formula della PORTANZA subisce una leggera variazione nel caso delle macchine ad ala rotante in cui si ha come è già noto la seguente espressione:

       
Nella calcolo della PORTANZA in questa condizione il valore di Vp rappresenta quello della VELOCITA’ PERIFERICA, il valore S invece rappresenta la SUPERFICIE, ed infine il valore di Cp rappresenta quello relativo al COEFFICIENTE DI PORTANZA.
Si può notare come nella modifica di cui sopra vi è la componente relativa alla VELOCITA’ PERIFERICA al quadrato, questo perché si tratta della PALA in rotazione e non di un ALA in traslazione, da ciò ne scaturisce che la PORTANZA aumenta pericolosamente man mano che si procede verso l’estremità della PALA, come ho già spiegato all'inizio di questa sezione.

Analizziamo meglio la questione della Portanza che si deve generare sulla pala. Le pale degli elicotteri hanno attraversato diverse fasi e subito moltissime modifiche, perfino oggi questo processo evolutivo ha ancora luogo e lo scopo fondamentale di questo processo è sempre stato quello di migliorare la distribuzione della Portanza e della Resistenza, per incrementare le prestazioni dei rotori.

Sappiamo ormai con estrema chiarezza che la variazione dell'angolo di incidenza influenza la qualità della Portanza e della Resistenza. Partiamo dunque da una posizione semplice, da un modello di pala basilare come quello in figura, che abbia lo stesso identico angolo di attacco (Angolo tra la corda ed il piano di rotazione) sia alla radice che nella zona periferica. Sappiamo che la pala deve investire l'aria ad una certa velocità, essa è un ala; un ala rotante, legata ad un centro di rotazione e che per questo è soggetta all'incremento della velocità periferica, che aumenta sempre più verso l'esterno della pala. Cosa accade dunque alla Portanza in quella zona? La Portanza aumenta proporzionalmente sempre più verso la periferia di essa, dove anche la velocità periferica aumenta e come conseguenza spiacevole la Resistenza viene anch'essa moltiplicata.
Dunque in una pala avente lo stesso angolo di attacco sia alla radice che alla periferia - cioè senza alcun angolo di svergolamento o rastremazione - la RISULTANTE della Portanza ed anche della Resistenza sarebbe concentrata al 98% nella zona periferica di essa.
Questo fenomeno è chiaramente dimostrabile. Se si tagliasse in piccole fettine la pala nella sua interezza, potendo calcolarne il valore di PORTANZA per ogni segmento, si potrà verificare che la RISULTANTE maggiore sarebbe concentrata sulla sezione situata alla estrema periferia della pala, questa verifica può essere calcolata come segue:

       

La formula rappresenta l’espressione utile per il calcolo della PORTANZA applicabile ad ogni singola sezione della PALA; cosi come descritto sopra. Si può notare come le variabili Vp e S rappresentano rispettivamente la Velocità Periferica in quel dato punto della Sezione della pala. La somma delle portanze calcolate per ogni singola sezione alare della pala, determina il valore totale della risultante relativa generata sull’intera superficie di essa. Il valore di Cp tuttavia nel calcolo è uguale per ogni singola sezione, poiché esso è una costante ed è associato alle caratteristiche del profilo in questione, dunque uguale in ogni punto della pala.
Quello che invece varia in ogni sezione è la velocità periferica che aumenta con l'aumento della distanza dal mast o dalla radice della pala. Mentre l'angolo di attacco rimane anche esso identico in tutti i suoi punti, poiché il nostro esempio al momento si riferisce ad una pala semplice e dunque non svergolata o rastremmata.
Questo procedimento permette il calcolo esatto della PORTANZA generata in ogni singolo punto della PALA. La somma delle PORTANZE locali da come risultato la PORTANZA TOTALE della PALA. Da ciò si ha la somma di P1+P2+P3...........=Ptotale.

La concentrazione della PORTANZA in buona parte nella parte periferica per oltre il 90% della lunghezza di essa, ha rappresentato un serio problema all’inizio della storia delle macchine ad ala rotante, questo fenomeno produceva serissime sollecitazioni strutturali legate alla flessibilità della pala, con conseguente generarsi di fastidiosissime vibrazioni spiacevoli, e gravi limitazioni aerodinamiche che terminavano spesso con la distruzione delle pale e del'intero rotore.
La questione fu affrontata già dall’inizio quando gli AUTOGIRO cominciavano a compiere i primi voli sperimentali. Per ovviare al problema della distribuzione della portanza, all’inizio si pensò all’utilizzo di pale rastremate, aventi cioè una corda sempre più ridotta a partire dalla radice verso l’estremità di essa.
Queste pale sono state utilizzate fin dagli inizi degli anni 60 ed erano caratteristiche degli elicotteri Sikorsky SH 55. Quando più tardi scomparvero esse vennero sostituite da pale svergolate, aventi cioè un angolo di attacco maggiore alla radice che diminuisce man mano che si raggiunge la periferia della pala. Questa strategia infatti permette di distribuire la PORTANZA in maniera più efficace ed omogenea, concentrandola pressoché al 70% della sua lunghezza ed intorno al suo centro di pressione; la portanza risultante viene cosi perfettamente distribuita sulla intera superficie della pala in modo proporzionale per compensare gli squilibri prodotti dalla velocità periferica.

         

Le pale moderne sono sostanzialmente in buona parte a pianta rettangolare, sebbene grazie alle tecnologie a controllo numerico oggi è possibile costruire delle pale con pianta rastremata complessa con estrema precisione, inoltre esse possono anche possedere un certo angolo di svergolamento come quelle impiegate sul rotore del Sikorsky UH60 o come quelle ancora più complesse che si stanno sperimentando sull'X2 e sull'S97. Tuttavia quelle a pianta rettangolare rimangono le più diffuse - sebbene ormai le tipologie sono innumerevoli - perché presentano una caratteristica molto importante, e questa è data dall’angolo di svergolamento, perché hanno un angolo di attacco diverso, a partire dalla radice fino alla periferia della pala, che va man mano a ridursi in modo progressivo verso l'esterno.

La Portanza varia con il quadrato della Velocità, per contro se si dimezza la velocità periferica si diminuisce la Portanza di 1/4. Il problema della velocità periferica è stato tecnicamente risolto in due modi diversi, e cioè svergolando la pala (Twisting) come nella figura di sotto, che presenta un angolo di attacco molto inferiore all'esterno piuttosto di quello che c'è alla radice. Oppure assottigliando l'estremità (Tapering) in modo che si generi sempre meno Portanza man mano che si guarda verso l'esterno della stessa.

Nelle pale rastremmate però si genera un fenomeno sgradevole che provoca vibrazioni alle alte velocità, oltretutto fino a pochi anni fa erano molto difficili da costruire. Oggi le macchine a controllo numerico riescono a produrre pale perfette, identiche l'una all'altra e con forme molto particolari un tempo inconcepibili. Le pale svergolate invece offrono maggiori garanzie sia dal punto di vista costruttivo che operativo. L'angolo di svergolamento (Washout angle) medio tra la radice e l'estremità di una pala è generalmente compreso tra i ed i 12°. Il JetRanger ha una differenza di svergolamento tra la radice e l'estremità della pala di -10°.

                       

Il problema principale della distribuzione della portanza sulla pala sta tuttavia proprio nello spostamento del suo CENTRO DI PRESSIONE, questo risulta maggiormente vantaggioso, se concentrato lungo la sezione posta al 70% del raggio - rappresentato dalla pala stessa - questo perché l’angolo di incidenza della pala risulti sempre minore verso la sua periferia. Viceversa il valore di portanza risulta sempre maggiore con l’avvicinarsi alla radice della pala, cioè nella zona dell’articolazione.
Riassumendo, abbiamo visto come la velocità periferica aumenta man mano che si procede verso l’esterno della pala, e come questo fenomeno genera un aumento consequenziale sia della PORTANZA che della RESISTENZA, producendo fenomeni svantaggiosi per il volo della macchina. Per concludere la RASTREMMAZIONE prima e lo SVERGOLAMENTO poi della pala, hanno permesso una buona distribuzione della PORTANZA e della componente resistiva su tutta la superficie della pala, che risulta ideale se concentrata intorno al 70% della lunghezza, ed il 25% della corda della pala.

L’utilizzo di materiali compositi che permettono la costruzione di pale ad altissima resistenza e leggerezza, ha permesso l’adozione di questa strategia costruttiva, sostituendo le pale in legno che avevano la pianta rastremata, con pale fabbricate invece in fibra di vetro e materiali compositi come quelle ampiamente diffuse sui vecchi e gloriosi UH1B, Cobra e Bell-Jetranger che per primi le impiegarono. L'impiego dei materiali compositi in seguito ha permesso lo sviluppo di una tipologia di rotore che come vedremo si è diffusa largamente sulla grande maggioranza degli elicotteri, grazie alle proprietà intrinseche di questi materiali.

Forza centrifuga sulla pala

Posso immaginare che tu che segui questo testo abbia già potuto vedere da vicino un elicottero almeno una volta, magari parcheggiato su un piazzale a riposo, ed avrai notato che le pale sembrano appesantite e leggermente curve verso il basso, quasi come fossero talmente fragili da rendere difficile pensare che possano sostenere il peso di un intero elicottero. Durante la rotazione la PALA si comporta come una corda tesa a causa dell’azione della FORZA CENTRIFUGA, che avviene ogni qual volta un corpo è sottoposto a ROTAZIONE. L’azione delle FORZA CENTRIFUGA e fondamentale per il volo degli elicotteri proprio perchè stirando le pale verso l'esterno esse diventano rigidissime e forti.

L'elicottero è dotato di un contagiri, spesso si tratta di uno strumento a doppio ago, in cui un indicatore punta sul numero di giri della trasmissione, e si riferisce in buona sostanza al motore/i e l'altro al rotore principale. l'arco che si riferisce al rotore è vitale per il pilota, ed è suddiviso in settori. Il settore verde è quello operativo; il rotore deve rimanere all'interno di questo arco, mentre al di sopra di esso vi è il limite massimo che si riferisce alla zona in cui il Mach di Dragrise si comincia a formare, mentre la banda o meglio la tacchetta inferiore si riferisce ad una zona molto pericolosa. Essa infatti indica un numero di giri troppo basso, al di sotto del quale la forza centrifuga non è più sufficiente da mantenere le pale in tensione, e non è difficile immaginarne le conseguenze.

La Forza Centrifuga è una componente estrema nella meccanica del volo di un elicottero, essa produce una trazione verso l'esterno pazzesca ed è distribuita nel carico non solo sulla struttura della pala, ma anche sui cuscinetti delle articolazioni, sul mast e su tutti gli altri elementi che lo compongono.

La Forza Centrifuga si esprime matematicamente con il prodotto della MASSA per la VELOCITA’ ANGOLARE² (ω²) , a sua volta divisa per il RAGGIO.

CentrForce= m*ω²/r

Il BARICENTRO è il punto in cui è concentrata la MASSA di un corpo, durante la rotazione per effetto della FORZA CENTRIFUGA tende a spostare la MASSA verso la sua PERIFERIA, da ciò si può definire che la MASSA è data dal rapporto del PESO sull’ACCELLERAZIONE DI GRAVITA’.

Potendo elaborare un esempio, possiamo immaginare di dover calcolare il valore relativo alla FORZA CENTRIFUGA esercitata su di un rotore tripala, in cui ogni pala pesi singolarmente 20 Kg, poichè le pale devono avere peso identico tra loro. Da ciò si avrà:

     
La velocità angolare delle PALE è di 51.3rad/sec, moltiplicando la VELOCITA ANGOLARE (ω) per il rapporto del peso pale sull’ACCELLERAZIONE DI GRAVITA’, ci darà un peso risultante di trazione centrifuga su ogni pala pari a 5263kg. Nel nostro esempio quindi, la FORZA CENTRIFUGA si ottiene dal rapporto del PESO PALA per il prodotto della VELOCITA’ ANGOLARE (ω). Moltiplicando il peso centrifugo (T) per il numero delle pale, si avrà un peso totale sull’intero sistema rotore di 15790 Kg di trazione verso l’esterno del MAST; si noti dalla figura in basso come la risultante della trazione coincida con la cerniera di flappeggio.
         
             

E' straordinario come la pala sia sottoposta ad una tale trazione, che per forza di cose la tende in modo da renderla rigidissima tanto da sostenere il peso dell'elicottero e le accelerazioni a cui è sottoposta durante le manovre in volo. L'elicottero è una macchina ricca di sorprese entusiasmanti e bisogna nutrire una passione innaturale per essa, che viene ripagata quando ci si addentra nei meccanismi del suo funzionamento e sopratutto quando si impara a volarci.

Bilanciamento della pala

Durante la rotazione della pala la forza centrifuga con la sua impassibile imponenza condiziona l'equilibrio del sistema rotore, in modo particolare delle pale, poichè esse sono la parte più esterna dal centro di rotazione. Le pale devono avere identico peso tra loro, perchè altrimenti si formeranno vibrazioni orizzontali che potrebbero portare perfino a situazioni come il pericoloso fenomeno della risonanza. Ma le vibrazioni possono anche stressare l'intero sistema di trasmissione e scaricarsi su alcuni elementi della fusoliera, con conseguente indebolimento delle strutture più importanti.
Per eliminare le vibrazioni orizzontali si esegue una sorta di equilibratura della pala, piazzando dei piccoli pesi alle estremità della pala interessata, esattamente come avviene con lo pneumatico di un'automobile, aggiungendo o sottraendo delle piccole masse sotto forma di piccoli pesi in un dato punto lungo la circonferenza della ruota.

                 

Blade Tabs

Quando si formano vibrazioni verticali, sarà necessario agire sull'assetto della pala attraverso la regolazione del piccolo alettone, che viene piazzato in genere nell'area dove la portanza raggiunge il suo massimo valore. Il piccolo alettone (blade tab) viene regolato per correggere l'angolo d'attacco della pala fuori allineamento. Esso può essere inclinato verso l'alto per alterare l'angolo della pala verso l'alto, oppure inclinato verso il basso per diminuirlo. In altre parole la variazione dell'inclinazione del piccolo alettone sulla pala altera in piccolissima percentuale la capacità di produrre portanza; l'idea è di fare in modo che tutte le pale generino la stessa esatta quantità di portanza quando il rotore ha una rivoluzione perfettamente perpendicolare al mast, cioè se il rotore è perfettamente trimmato e non ci sia alcun intervento sul comando ciclico. Detta cosi sembra facile, ma nella realtà le cose sono un pò più complesse e richiedono particolari apparecchiature, come una speciale lampada stroboscopica che viene regolata alla stessa frequenza di rotazione delle pale, per poterle osservare come fossero ferme, anche se il rotore è in rotazione.
Se si dispone di una lampada stroboscopica si può sperimentare questo divertente fenomeno, puntandola per esempio contro un ventilatore in moto. Si rimarrà stupiti osservando le pale quasi ferme pur percependo il vento che esse producono. Naturalmente la lampada deve oscillare alla stessa frequenza di rotazione del rotore del ventilatore. Per esempio se il rotore ha una rivoluzione di venti giri al secondo, la lampada dovrà produrre oscillazioni intermittenti pari a venti flash al secondo, cioè alla stessa frequenza di rotazione del ventilatore.

Per poter identificare la pala fuori allineamento vengono montati in un punto definito della pala dei piccoli specchi, ogniuno con un colore differente in modo da identificare la pala su cui intervenire. Essi riflettono la luce stroboscopica singolarmente. Le pale cosi risulteranno allineate o meno sul piano di rotazione, e quelle fuori allineamento saranno chiaramente visibili al di sotto o al di sopra del piano.

Una curiosità: la variazione di ciclico e collettivo sul K-Max avviene proprio agendo sugli alettoni mobili, inseriti nelle pale, con esattezza nella zona dove la portanza è maggiormente concentrata. I piccoli alettoni sulle pale del K-Max si comportano in modo molto simile ad uno stabilizzatore di coda di un aeroplano.

Struttura della Pala

La pala di un elicottero può essere costruita utilizzando numerosi materiali diversi tra loro, in realtà esse sono un complesso sistema di componenti, assemblati attraverso diverse tecniche. La pala deve essere resistente alle accellerazioni che si generano durante la rotazione e la trazione che la forza centrifuga esercita su di essa è enorme. Per le sue caratteristiche però deve anche essere assolutamente leggera, ma al contempo capace di sostenere il peso di un elicottero a varie accellerazioni di gravità, che si generano durante le manovre di virata, di cabrata e di autorotazione - per citarne alcune - senza spezzarsi mai.

In origine le pale erano costruite in legno, erano difficili da lavorare e la loro fabbricazione era molto costosa, inoltre il legno è molto sensibile alle escursioni termiche ed alla variazioni di umidità e spesso era necessario sostiruirle perchè avevano vita breve, oltre che ad essere piuttosto pesanti.

                 

Le pale moderne sono fabbricate con strumenti di estrema precisione come macchine a controllo numerico e questo permette la produzione di pale anche complesse nella struttura di insieme; come abbiamo gia visto sopra in questo capitolo. Il materiale più importante è l'alluminio sotto forma di esagoni cavi, che ricordano un po un alveare e proprio per questo vengono chiamate strutture a nido d'ape. Questa struttura infatti è molto leggera e può avere il giusto grado di rigidità e buona parte della pala contiene questo tipo di materiale all'interno. La struttura a nido d'ape è rivestita da dei fogli adesivi di alluminio o materiale composito, che mantengono insieme gli esagoni come in un sadwitch compatto.

Il bordo d'attacco è rivestito con una lamiera molto sottile di tunghstenio e nickel, o in acciaio inox, in alcuni casi viene impiegato anche il titanio per macchine militari. Questa zona deve resistere al continuo attacco dell'aria ad elevata velocità, ed in qualche circostanza infelice anche all'impatto di piccoli sassi o corpi che possono colpire la pala nella zona anteriore, per esempio occasione di atterraggi fuori campo o in aree rurali. Nella zona periferica esterna della pala viene piazzato un peso inerziale all'incirca a 73/76 cm (29 inch) dall'estremità verso la radice della pala per garantire la giusta inerzia in modo tale che il Centro di Pressione della pala si mantenga sempre all'interno di una escursione molto limitata.

Lungo l'intera lunghezza della pala vi è installato un longherone in acciaio tubolare che è posizionato proprio sul Centro di Gravità, al 25% della Corda ed è la parte più resistente della pala, in altre parole si tratta del vero e proprio scheletro portante della pala. Le pale posseggono una propria elasticità, questa caratteristica le permette di sopportare meglio le variazioni di flappeggio a cui viene sottoposta, questo punto è chiamato Centro Elastico (Elastic Centre).

La prossima volta che andrai in volo o avrai la possibilità di osservare un elicottero a riposo sul piazzale, sofferma la tua attenzione sulle sue pale, osservale con attenzione, dall'attacco al rotore fino alla zona periferica e prova ad immaginare le sollecitazioni che esse sopportano durante il volo, (video) dopotutto sono loro che ti tengono in volo e ti permettono di fare tantissime cose con la tua macchina, e sono frutto di una tecnologia ed una evoluzione che solo poche macchine hanno potuto godere.

©Gino D'Ignazio Gizio