Classificazione degli aeromobili

In questa sezione: Classificazione degli aeromobili; Autogiro; Girodine; Elicottero, Convertiplanio; Elicoplano; Multirotori

Nel settore industriale o in qualunque ambiente tecnologico negli anni, si sono sviluppati termini e linguaggi molto particolari; se vogliamo perfino troppo settoriali. Questo dato però non deve affatto spaventare lo studente pilota, che invece avrà la possibilità di acquisire la conoscenza di quei termini tecnici, cosi come il loro significato lungo questo percorso teorio e sopratutto durante le attività di volo. Questo nuovo "dizionario" ti darà oltretutto la possibilità di interagire con altri specialisti di questa materia con assoluta sicurezza e proprietà di linguaggio, ma sopratutto di comprendere al meglio gli elementi ed il significato che fanno parte di questo mondo tecnologico.
Prima di iniziare il nostro percorso sarà necessario chiarire attraverso lo schema riportato di sotto, le caratteristiche e le varie tipologie di aeromobili cosi suddivise.

   

Dallo schema riportato si può notare chiaramente come gli AEROMOBILI - che definiscono tutte le macchine volanti - differiscano tra loro per funzione - cosi come nelle loro parti costruttive - e quindi nell’impiego per le quali sono state progettate. Esse si dividono in due rami principali; rispettivamente le AERODINE e gli AEROSTATI.
Le prime rappresentano la categoria che a noi più interessa in questo trattato. Questa sezione infatti riguarda tutte le macchine più pesanti dell’aria, contrariamente al secondo gruppo che invece si riferisce alle macchine più leggere dell’aria.

Entrambi gli insiemi di aeromobili si suddividono a loro volta in altre due categorie; quelle non dotate di alcun propulsore, e quelle invece dotate di uno o più propulsori.

Nella sezione AEROSTATI ad esempio ci sono i dirigibili che sono macchine aerostatiche dotate di propulsore proprio che assicurano il movimento dell’aeromobile attraverso lo spazio, con completa indipendenza (nei limiti operativi) da correnti aeree o venti.
Le MONGOLFIERE invece, sono dipendenti dai venti e dalle correnti aeree che provvedono al loro spostamento nello spazio, in maniera casuale non essendo provviste di alcun propulsore.

Anche le AERODINE sono divise in due diverse categorie cosi come gli Aerostati, cioè dotate di motore proprio che ne assicura il volo e la sostentazione come avviene con gli Aerei o gli Elicotteri.
Gli ALIANTI invece appartengono a quelle macchine non dotate di propulsore, tuttavia più pesanti dell’aria ma capaci di mantenere il sostentamento ed il volo, sfruttando i venti e le correnti ascensionali, prodotti dalle differenze di temperatura tra le superfici sorvolate e capaci di mantenere una precisa direzione. Tra esse oltre agli alianti vi è anche il Parapendio, il Deltaplano e perfino la vela per il Kite-surf, tra l'altro questi ultimi anche se per brevi distanze generano portanza grazie al vento proprio come gli Aquiloni.
Sia le AERODINE che gli ALIANTI necessitano di ampie superfici aerodinamiche che ne assicurano la portanza in volo - diversamente dagli AEROSTATI - che invece utilizzano le proprietà tipiche di alcuni gas leggeri, come l’aria riscaldata ad esempio, che in natura ha la tendenza a salire verso l’alto producendo - se contenuta in un involucro – l’ascensione verso dell’involucro e del suo carico. L’invenzione di questa macchina è attribuita ai fratelli Mongolfier che furono storicamente i primi a staccarsi dal suolo con un macchina costruita dall’uomo, questa tipologia è anche conosciuta con il termine di macchina più leggera dell'aria.

Aeromobili ad ala rotante

Il soggetto principale su cui è fondata questa sezione è senza dubbio l’Elicottero, tuttavia durante il corso della stesura di questa parte del sito ho ritenuto necessario dedicare una ampia sezione al funzionamento del padre di questa macchina: l’Autogiro.

Autogiro

E' questo il padre naturale dell'elicottero, da questa prima tipologia di macchine volanti sono successivamente nate altri esemplari che adottano più o meno gli stessi principi, o che sono sostanzialmente provviste di un rotore, che assicura il sostentamento ed il volo di tutto ciò che gli attaccato al di sotto ed in qualche caso perfino al di sopra come avvenne per alcune macchine sviluppate negli anni 50.

L’Autogiro vola in maniera differente o se vogliamo opposta all'elicottero, ma con esso condivide il novanta percento degli elementi che costituiscono il rotore. Fu inventato dal Conte LA CIERVA agli albori del secolo scorso, ed essa ha segnato il primo passo per lo sviluppo di numerosi componenti, che in seguito sono stati impiegati su macchine più evolute come l’Elicottero.

L’Autogiro funziona in maniera piuttosto semplice. E’ dotato di un rotore principale portante, che si comporta come una superficie aerodinamica, in altre parole una sorta di ala circolare.
Durante la rotazione le pale descrivono un disco virtuale che si comporta come un ala, il rotore principale tuttavia a differenza dell’elicottero - che invece è collegato per mezzo di trasmissione ad uno o più motori - in un autogiro ruota liberamente senza alcun ausilio meccanico.

La rivoluzione delle pale avviene attraverso un serie di fenomeni aerodinamici e fisici - che analizzeremo più in avanti - grazie alla spinta attraverso l'aria generata da un’elica che mantiene l’intero aeromobile in moto traslato vettoriale, ad una velocità relativa.
Il rotore di un Autogiro verrà collegato al motore principale solo per l’avviamento iniziale della rotazione delle pale, attraverso l'ausilio di una speciale frizione, presente nella maggior parte delle macchine più moderne, questa procedura infatti risulta utile affinché la macchina possa decollare in un ridottissimo spazio di decollo.

   

L’Autogiro tuttavia pur potendo decollare in uno spazio ridotto, non è in grado di mantenere il volo stazionario o a punto fisso (Hovering), come invece è capace di fare un elicottero.

Alcuni autogiro se sottoposti a particolari condizioni di volo con vento frontale costante, grazie anche alle capacità del pilota, possono mantenere per qualche minuto una condizione di volo stazionario, finché la velocità del vento relativo equivale alla velocità minima di sostentamento dell'autogiro stesso rispetto al vento relativo.

Tra agli anni 30 e 40 gli autogiro furono largamente utilizzati per vari scopi, tra i molti vi fu l’impiego del trasporto postale, la ricognizione ed il collegamento. Questa macchina tuttavia scomparve in fretta dal mondo commerciale poco dopo l’avvento dell’elicottero, che invece si dimostrò capace di prestazioni e caratteristiche molto più elaborate e vantaggiose. (Kellet Autogyro Video)
Oggi l’Autogiro è soprattutto impiegato nel volo sportivo privato, con piccoli esemplari monoposto ed in alcuni casi biposto. Vi è stato qualche caso industriale di sviluppo di un modello per il trasporto commerciale, come l'AIR Hawk4 Gyroplane ampiamente sviluppato, ma non sembra - purtroppo - si sia ancora ridefinito un vero utilizzo di queste macchine nel settore commerciale. Le tecnologie dei materiali ed alcune applicazioni nell'ambito civile potrebbero riaprire questa nicchia di mercato, attraverso una interessante rielaborazione di autogiro più complessi e promettenti, perfino dal punto di vista del trasporto privato. In tale proposito qualche anno fa ho fatto uno studio per elaborare dei progetti di autogiro per applicazioni commerciali, ma fin'ora essi non hanno destato alcun interesse industriale, tranne lo spunto prodotto da un solo mio progetto che sembra sia stato perfettamente clonato da un produttore europeo mio malgrado.

JAUN DELLA CIERVA CORDONIU’ inventore di questa macchina, spianò la via ai contemporanei elicotteri mettendo a punto delle soluzioni tecniche irripetibili come il rotore articolato, il comando Ciclico; il comando Collettivo; le cerniere di flappeggio e brandeggio, e quindi lo sviluppo dei rotori articolati, tutti meccanismi principali di funzionamento di un tipico rotore di un elicottero o perfino di macchine più complesse come gli odierni Convertiplani.

Girodine

Torneremo ancora a parlare dell’autogiro, alla cui famiglia appartengono anche le GYRODINE. Queste macchine non ebbero grande sviluppo anche perché apparvero in contemporanea con gli elicotteri. Furono impiegate per un breve periodo e si differenziavano dagli Autogiro per il fatto che esse erano dotate di due propulsori separati, uno che assicurava la propulsione orizzontale, attraverso una o più eliche spingenti, e l’altro che invece provvedeva alla rotazione del rotore principale, spesso attraverso l'azione di aria compressa per eliminare il gravoso problema della coppia, che come vedremo rappresenta uno dei problemi principali per la progettazione di un elicottero.
Un eccezione fu la macchina conosciuta come Rotodyne della FAIREY inglese. Si trattava di un velivolo ricavato da una fusoliera aeronautica, provvista di due motori turbo-elica che azionavano delle eliche a passo variabile, addette alla propulsione, ed un rotore principale alimentato da aria compressa proveniente dai gas di scarico dei due turboelica, che venivano espulsi per mezzo di ugelli montati alle estremità delle pale stesse, in modo da annullare l'effetto della coppia. Il rotore principale provvedeva sia al sostentamento attivo in decollo ed atterraggio verticali, sia al volo stazionario o hovering, cosi come al volo traslato. Durante il volo orizzontale la macchina si comportava proprio come un Autogiro, sfruttando le proprietà dell’AUTOROTAZIONE di un rotore libero.

 

Il ROTODYNE era capace di straordinarie prestazioni e fu impiegato perfino per il sollevamento ed il posizionamento di precisione di carichi piuttosto ingombranti, come piccoli ponti ed altre strutture aero-trasportabili, a mezzo di gancio baricentrico. ROTODYNE(video)
Purtroppo i costi di gestione e le nuove politiche economico-industriali di quegli anni resero l’impiego della macchina da promettente a sconveniente, e già dai primi anni 60 scomparve dal mercato che invece guardava con particolare attenzione ai nuovi grandi elicotteri.

Oggi Sikorsky sta sperimentando con successo una formula meccanico-aerodinamica che si avvicina molto al concetto di Girodina, con il progetto dell'X2 e del Sikorsky S96. Questi due aeromobili oltre a volare in modalità elicottero per il volo verticale o quello a bassa e media velocità, sono in grado di volare ad alta velocità in modalità autogiro. Essi sono infatti dotati di un'elica in coda che fornisce una spinta importante alla macchina che utilizza i due rotori assiali controrotanti (molto singolari) in constante autorotazione. Infatti a basse velocità una trasmissione molto complessa, gestita da un dispositivo digitale, riaggancia progressivamente i rotori al sistema di trasmissione delle due turbine, riportando l'aeromobile in modalità elicottero. In realtà il meccanismo è molto più complesso e sarà mia cura dedicare un capitolo a questo tipo di aeromobile non appena saranno terminati i test di sviluppo di queste macchine davvero interessanti.

L'Elicottero

Abbiamo visto come la storia dell’Elicottero sia stata costruita sull’esperienza di molteplici concetti cosi diversificati tra loro, sia meccanici che aerodinamici. Numerose sono state le idee che alla fine hanno portato principalmente ad un insieme di forme che caratterizzano una macchina capace di librarsi in aria; a distanza variabile dal suolo; in qualsiasi condizione, con un controllo da parte del pilota facilmente sostenibile e non eccessivamente complessa. Sebbene come vedremo in avanti il pilotaggio di questo aeromobile richieda una particolare predisposizione naturale, per un impegno psico-fisico iniziale piuttosto importante.

   
L’elicottero può in alcune formule costruttive, essere dotato anche di due rotori che lavorando in accordo come unico sistema di propulsione, vedremo infatti lungo il corso del nostro studio come le differenti soluzioni assolvano sempre alle stesse identiche funzioni.

Io stesso ho ritenuto importante utilizzare tutte le possibili tipologie attraverso la costruzione di modelli virtuali, che verranno utilizzati lungo tutte le esposizioni teoriche, proprio a sottolineare il principio comune tutto sommato identico delle varie soluzioni architettoniche, sebbene la formula finale e più comune sia rappresentata dalla combinazione di un rotore principale ed uno anticoppia posizionato in coda, che tuttavia non sarà l'unico nostro riferimento tecnico.

Il Convertiplano

E’ questa una storia lunga ed incredibile, piena di tentativi falliti ed altri brillanti e di successo. La storia del Convertiplano risale al dopoguerra, quando attraverso alcuni progetti molto originali - tra i più importanti il NASA VZ-2 - che videro già Bell e Candair ed altre aziende del settore - nel continuo tentativo di costruire qualcosa che somigliasse più ad un aereo che ad un elicottero ma che fasse in grado sia di atterrare che decollare verticalmente su una superficie contenuta, così alla fine si riuscì ad arrivare ad un prototipo che mostrò le sue potenzialità per un impiego sopratutto militare.
Non andrò oltre a dilungarmi nei dettagli del lungo percorso storico di questo velivolo, anche perché saranno le esposizioni dei vari argomenti nel tempo, a portare a citazioni tecniche relative a questa o piuttosto a quella soluzione tecnica. Andremo invece a definirne le caratteristiche più importanti e con esse l’idea di base che vuole per l’appunto risolvere una serie di problemi importanti legati a questi aeromobili.
Il punto saliente di questo progetto è caratterizzato dalla possibilità di poter sfruttare sia le capacità di decollo ed atterraggio verticale dell’elicottero, sia di poter raggiungere velocità di traslazione elevate; quest'ultima caratteristica purtroppo al momento non rientra del tutto nelle potenzialità delle macchine ad ala rotante convenzionali, superata proprio dai Covertiplani.

 

Il Convertiplano è dotato di due principali rotori in tandem ma sistemati lungo l’asse trasversale sulle rispettive estremità alari. I rotori sono basculanti e possono ruotare per un totale di poco più di 90°, potendo cosi portare la macchina ad un doppio comportamento e cioè in modalità volo verticale, tipico di un elicottero - con tutte le identiche relative problematiche che analizzeremo in seguito - ed in modalità in volo rettilineo orizzontale come un aeroplano, una volta inclinati entrambi i rotori in avanti.
Quello che a noi più interessa tuttavia è il comportamento che la macchina assume durante il volo in modalità elicottero. Entrambi i rotori sono per alcuni aspetti simili a quelli di un elicottero, essi girano rispettivamente in senso contrario per compensare la coppia e sono dotati di articolazione di tipo semirigido, che ricorda per alcuni versi un rotore basculante di tipo Bell ma a tre pale, piuttosto che di un rotore articolato vero e proprio.

I convertiplani sono dotati sia di comando ciclico che di comando collettivo. Tuttavia la novità tecnologica in questa macchina di rilevante importanza è rappresentata dalla presenza del comando aggiuntivo di traslazione che permette il passaggio da una a l'altra modalità di volo.
La messa a punto di questo dispositivo ha richiesto numerosi anni di sperimentazione ed un larghissimo uso di sistemi elettronici di controllo e gestione della stabilità, sia statica che dinamica di altissima complessità tecnologica che purtroppo penalizza fortemente i tempi ed i costi di manutenzione.
Uno dei problemi più difficili da risolvere infatti, è stato costituito dal fenomeno di precessione giroscopica che produce delle forze torcenti sull'asse di rotazione dei rotori sopratutto in fase di transazione tra le due modalità di volo. Tra l'altro come vedremo in avanti, gli elicotteri sono sottoposti a precise procedure di peso e bilanciamento necessarie a mantenere la macchina stabile, che anche in un convertiplano risultano piuttosto importanti.
Il Convertiplano è costantemente soggetto a variazioni del suo baricentro che si muove continuamente in una serie di posizioni lungo il suo asse longitudinale attraverso il tronco della fusoliera, in modo particolare proprio durante la fase di transizione dalla modalità elicottero a quella aeroplano.
A questo va aggiunta la forte componente giroscopica che tende a mantenere i rotori sempre paralleli al piano orizzontale terreste, mettendo in seria difficoltà la stabilità del sistema, oltre a provocare forti momenti torcenti sulla trasmissione e sulle ali.

Affinché si riesca a mantenere un assetto stabile e costante durante la fase di rotazione delle gondole (rotori), viene richiesto un lavoro complesso e macchinoso che è possibile risolvere solo grazie ad una elettronica piuttosto elaborata. Inoltre le vibrazioni causate da entrambe le trasmissioni collegate lungo l’asse laterale - che attraversa l’ala da una all’altra estremità - ne aumentano la complessità costruttiva e quindi i costi di manutenzione.
I vantaggi comunque sembrano essere apparentemente considerevoli sen non altro in alcuni impieghi strategici come quelli militari, anche se i costi elevati possono essere sostenuti solo da budget tutt'altro che sostenibili da imprese private, che forse troverebbero questa macchina sconveniente per gli alti costi di gestione. Tuttavia la
Bristow sta utilizzando in AW609(video) in un programma di sperimentazione civile, ma la macchina da loro utilizzata è certificata come velivolo sperimentale, quindi con ristrette possibilità operative.
La Agusta in una joint-venture con la Bell che successivamente si è spostata con un accordo con la Westland, ha sviluppato una propria versione, il modello AW 609 per applicazioni civili e corporate, per quanto questa macchina sia complessa ed efficiente non è tuttavia in grado di assolvere almeno al momento ad alcuni compiti di soccorso, come invece solo l’elicottero è in grado di fare, con precisione e flessibilità uniche dell’ala rotante. Tuttavia il futuro non è facilmente prevedibile, ed io stesso lavoro per cercare di disegnare nuove traiettorie con nuovi progetti di velivoli VTOL alternativi.

Elicoplano

Il primo tentativo di sviluppare un aeromobile che potesse volare sia in modalità ad ala fissa che ad ala rotante avvenne nel 1937 da parte di Herrick con il suo Convertoplane con l’aiuto di McClarren del Philadelphia's Franklin Institute. La macchina poteva alzarsi in volo sfruttando la portanza generata dall’ala superiore che era sospesa su un cuscinetto che le permetteva di ruotare, oppure rimanere fissa e comportasi come un biplano convenzionale. Dalle informazioni storiche ricavate da questo progetto sembrerebbe che la fase di transizione non fosse possibile in volo, perché nessun sistema di allineamento di precisione dell’ala rotante fu mai messo a punto per questo dispositivo.

Agli inizi degli anni settanta ancora una volta la Sikorsky Industries sempre innovativa nella ricerca, costruisce il Sikorsky S-72 RSRA, un elicottero ibrido, dotato di una coppia di ali portanti; di un rotore anticoppia; e di un rotore principale molto particolare, perché capace di bloccarsi in volo e funzionare come una sorta di ala. La macchina era anche dotata di una coppia di turbo fan rispettivamente posizionati ai lati della fusoliera e sospesi su dei sostegni a V. Il programma si dimostrò troppo costoso e fu purtroppo interrotto nel 1984, dopo alcuni anni di interessante ed intensa sperimentazione.

Multirotori

Sebbene sembri nuova questa tipologia di velivoli, essa in realtà si è affacciata sulla scena molto prima delle macchine monorotore o birotore apparendo sin dall'inizio della storia degli aeromobili a rotore. Tuttavia dopo il conflitto mondiale ci sono stati moltissimi tentativi per costruire macchine del genere che in qualche caso come l'X22 della Bell hanno coperto circa un ventennio di sperimentazione.

Tuttavia sono sicuro che in una qualche forma i multirotori faranno parte dello scenario futuro del mondo aeronautico. Io stesso mi occupo di progettazione di multirotori per trasporto ed impiego civile, ed oggi è possibile produrre delle macchine che rasentano la perfezione, grazie allo sviluppo della propulsione elettrica, ma questo è altro argomento ed esula da quello che tratteremo al momento lungo il corso di questa esposizione. Puoi tuttavia cliccare sulla sezione appositamente dedicata ai Multirotori per saperne di più. Pegasus (Video)

I multirotori sono comunque di macchine molto interessanti per alcuni aspetti tecnico-costruttivi. Sono semplici se dotate di rotori elettrici, richiedono poca manutenzione e volano molto bene grazie ad un sistema di controllo di stabilità statica e dinamica, perchè diversamente dagli elicotteri i multirotori sono molto instabili, senza l'ausilio di un sistema che ne mantenga il controllo continuo risulterebbero assolutamente incontrollabili, poichè generano quattro differenti momenti, quattro coppie e quattro sistemi di turbolenze, e dunque il continuo sbilanciamento di questi fattori fa in modo che questo tipo di aeromobili necessitino di stabilizzatori dinamici elettronici ed unità logiche, oggi molto piccole ed efficienti.

Piccoli multirotori sono apparsi alcuni anni fa, intorno al 2009 e si sono diffusi molto in fretta. Il mio primo multirotore l'ho acquistato nel Marzo del 2010 assemblando la macchina su di un telaio in carbonio allora molto costoso, e ricordo che nessuno conosceva questo tipo di "aeromodello" in Italia, giacchè me ne ero procurato i componenti all'estero. Da allora ho costruito ben nove diversi tipi di multiotori in vari materiali e combinazioni. Nel mio caso però lo scopo è sempre stato diverso poichè l'utilità di questi mezzi aerei cosi perfetti mi è sempre stata utile per fare sperimentazione e ricerca, in modo particolare per trovare conferma sui modelli progettuali concepiti dai miei studi alcuni anni fa. Oggi sono molto diffusi a tal punto che quasi tutti gli enti di amministrazione aeronautica, hanno cominciato a prendere provvedimenti per cercare di sviluppare una regolamentazione che in alcuni casi come in Italia, non hanno portato ancora ad oggi a risultati logici o convenienti per entrambe le parti sia in termini di siscurezza che di controllo. Non ci occuperemo di regolamentazioni in questo e negli altri capitoli, ma solo del funzionamento di questa macchina interessante in una sezione dedicata. Nella foto sotto il mio Pegasus costruito nel 2012 che è stato uno dei miei multicopteri utilizzato per ricerca e sviluppo di macchine più complesse, come i Verticopteri EJ ed i CellCraft che fanno parte del portafoglio di alcuni dei miei più importanti progetti del genere sviluppati sin dal 1996.

Ho comunque ritenuto importante inziare ad aprire una sotto-sezione (Multirotori) dedicata a questi velivoli ed alla loro aerodinamica proprio per coprire molte lacune che ancora oggi sono purtroppo linguaggio troppo comune di chi si affaccia a questo tipo di volo a controllo remoto, oltremodo alimentato da moltissima disinformazione. Il secondo motivo è comunque relativo a spiegare in maniera semplice ed efficace il modello aerodinamico di alcuni dei miei progetti più importanti di Elettrorotori più antichi come il CellCraft o quello di macchine di recente progettazione come i Verticraft, in entrambi i casi disponibili su questo sito nelle apposite sezioni e questo perchè ritengo che in futuro il programma di studio per le licenze di volo includano anche l'aerodinamica di questo tipo di aeromobili.

 

I multirotori sono apparsi molto tempo prima degli elicotteri, il primo che si registra nella storia è il modello di Cossus 1845, costituito da una specie di baldacchino con sopra montati tre piccole elichette. Sembra che non riusci mai a volare, tuttavia i tentativi furono numerosi, dal giroplano di Breguet - un vero e proprio quadcoptero - fino al Curtis X19 del 1964, un quadrirotore con una fusoliera di un aeroplano. Molti sono ancora gli esempi che si possono fare, e probabilmente in futuro si portrà assistere alla realizzazione di progetti come i miei CellCraft, o piuttosto qualche Verticraft o Verticoptero della serie EJ, descritti in questo sito.

©Gino D'Ignazio Gizio

Last up-date Jan 2014