Tipologie di elicotteri

In questa sezione: Rotore con Rotore Anticoppia; Rotori Assiali Controrotanti; Rotori Controrotanti in Tandem; Rotori Controroranti Intersecanti.

   

Rotore principale con rotore anticoppia

Doversamente da quanto si crede, le tipologie tra gli elicotteri sono diverse ed hanno per questo altrettante configurazioni. La scelta "architettonica" non è casuale, poichè è in buona sostanza legata a molteplici fattori relativi esclusivamente al compito che la macchina dovrà assolvere. Tuttavia possiamo considerare due fattori principali che influenzano la progettazione di un elicottero. Il primo è il risultato dello sforzo di risolvere il problema della coppia generata dal rotore principale, che è un forte limite aerodinamico e meccanico di questa meravigliosa macchina, mentre il secondo fattore è strettamente legato all'impiego che verrà fatto della macchina.

L'elicottero classico - come rappresentato in figura - è provvisto di un solo propulsore: il rotore principale. Esso assolve a tutti i compiti del volo, e cioè sia al sostentamento, sia all'assetto sia alla direzione del velivolo con l'ausilio del rotore di coda o anticoppia. E' proprio grazie alle tipologie che hanno resistito nel tempo, impegnando i migliori ingegneri aeronautici e meccanici che alcuni schemi si sono evoluti più di altri conservando questa architettura, che sembra essersi mostrata la più diffusa.
Questa è la formula più comune, quella cioè sviluppata sin dall'inizio da IGOR SYKOSKY, con rotore principale e rotore anticoppia in coda, quest’ultimo a sua volta soggetto a variazioni progettuali nel tempo proprio per la sua funzione, subendo trasformazioni spesso tecnologicamente sorprendenti come il N.O.T.A.R.

Uno dei principali problemi legati ai meccanismi che coinvolgono il funzionamento di questa meravigliosa macchina, è la produzione della coppia, una forza contraria al moto del rotore principale che tende a far ruotare la fusoliera nella direzione opposta, rendendo il volo praticamente incontrollabile. Per risolvere questo problema si pensò di sistemare un piccolo rotore in coda che avrebbe prodotto una spinta opposta alla forza risultante, mantenendo la fusoliera dritta per poter ottenere il controllo della direzione del velivolo.
In realtà il rotore anticoppia produce una spinta pari alla coppia generata sul rotore principale, ma essa può essere variabile con il variare della potenza applicata e dunque della coppia risultante, che viene controllata attraverso la pedaliera, cosi come vedremo in avanti nella sezione dedicata al pilotaggio.

Quando ero studente pilota, il nostro motto più famoso che finì sul logo del nostro corso era: DAI PIEDE! Tutti quelli che si affacciano al volo elicotteristico imparano molto presto il significato di questa breve frase, perché i pedali controllano la correzione della coppia attraverso il rotore di coda, per poter mantenere la fusoliera perfettamente dritta ed allineata rispetto ad un punto di riferimento.
Quasi sempre infatti si risolve il problema bloccando due filamenti di lana colorati sul montante verticale del cupolino anteriore, in modo da rendersi conto durante il volo che l'elicottero sia perfettamente allineato lungo la sua traiettoria di volo. Se i due piccoli filamenti colorati non si allineano al montante verticale, allora si corregge con la pedaliera in modo da tenerli dritti. Sembra una di quelle cose strane che a volte però per la loro semplicità risultano efficaci meglio di virosbandomentri o meccanismi più complessi.
L'elicottero con rotore principale e rotore anticoppia sembra essere stata la formula di maggiore successo industriale, si sono costruite macchine di tutte le dimensioni, dai piccoli Robinson, fino ai giganteschi Mil Mi 26 capaci di sollevare un peso pari al proprio, di più di 20 tonnellate. L'architettura con rotore in coda anticoppia ha offerto le maggiori possibilità applicative per quasi qualsiasi impiego.

Rotori coassiali controrotanti

Sebbene la più classica formula (rotore principale con rotore anticoppia) sia stata spesso in competizione con altre tipologie, come quella del rotore assiale controrotante, l’elicottero odierno è ancora un ricco e vasto territorio di sperimentazione davvero promettente e piuttosto diversificato con soluzioni ancora oggi tra le più varie.
Il rotore coassiale controrotante ad esempio fu presente sin dall'inizio della storia degli elicotteri, per contrastare la coppia attraverso l’impiego di due rotori, uno sull’altro, che ruotando in senso opposto annullano reciprocamente questo effetto. L'idea fu inizialmente concepita già da inventori come PESCARA nel 1924 e CORRADINO D’ASCANIO nel 1929. La strategia si diffuse più tardi e piuttosto largamente in Unione Sovietica, con elicotteri che da decenni adottano questo rotore sui loro magnifici KAMOV.
KA32(Video)

Il rotore assiale controrotante è tecnicamente molto complesso, in quanto la struttura del sistema di controllo e di articolazione rende questa macchina particolarmente delicata. Tuttavia trovo il KA 32 in assoluto il mio elicottero preferito. Il rotore coassiale presenta un vantaggio considerevole sotto alcuni aspetti, poichè il rapporto spazio/potenza/superficie portante è estremamente conveniente, ed elicotteri come questo sono spesso utilizzati per il sollevamento di carichi, oltre ad essere impiegati in campo militare dalla marina sovietica con ampie applicazioni, poiché le dimensioni compatte e le notevoli prestazioni e l'apprezzabile velocità, lo rendono vantaggiosamente imbarcabile su di una nave ed è per questo che assieme al KA25 viene utilizzato come pattugliatore dalla marina russa oppure come micidiale macchina da guerra con il KA52.
Anche negli Stati Uniti fu sperimentato per un periodo un rotore simile e sembrava meno complesso e più efficiente. Il principio progettuale di tale sistema anticipava già da allora l'impiego di materiali leggeri di nuova generazione, per esempio per la costruzione delle pale e di alcuni elementi della cellula.
Ma l’aspetto più importante era legato all’utilizzo dei rotori controrotanti capaci di ridurre notevolmente il fenomeno del flusso inverso e della dissimmetria di portanza in volo traslato; fenomeni che come vedremo limitano considerevolmente le prestazioni dell’elicottero.
   

Fu proprio per questo che la SIKORSKY costruì e sperimentò per alcuni anni due prototipi dotati di rotore assiale controrotante definiti con il termine di XH59 A.B.C. (Advanced Blade Concept).
Questo rotore avrebbe prodotto portanza con valori interessanti, perfino ad alte velocità. Durante la sperimentazione infatti si raggiunsero velocità incredibili per un elicottero vicine ai 322mph. Purtroppo uno dei prototipi andò distrutto a causa di un incidente tecnico. Il programma tuttavia fu cancellato per l’eccessivo peso della trasmissione e dei sistemi ad essa correlati che risultarono svantaggiosi per i costi elevati
. S69(video)

Oggi Sikorsky Aircraft ha rispolverato quel vecchio concetto aggiornandolo con sistemi dinamici integrati, capaci di regolare in tempo reale l'angolo di ogni pala lungo la circonferenza di rotazione per ottimizzare al meglio il fenomeno della dissimetria di portanza. Lo sviluppo del'X2 prima e del S97 Raider dopo, (S97 Raider Video) stanno portando risultati molto interessanti, permettendo a queste macchine di raggiungere velocità di oltre i 240 nodi, con l'ausilio di un'elica in coda spingente che ne aumenta le prestazioni.
Nel caso delle macchine KAMOV, esse conservano la classica struttura a rotore articolato, entrambi i rotori sono dotati di sistema di articolazione ciclica differenziata, che agisce su tutti e due i rotori allo stesso modo ma nella direzione opposta, poichè essi ruotano in senso opposto, in modo da rendere coerente la loro posizione sullo stesso piano. Poiché il fenomeno di flappeggio è piuttosto importante anche su questi rotori - dato che la dissimmetria di portanza porta i due dischi ad avvicinarsi pericolosamente - le pale del rotore inferiore sono dotate di piccoli bilancieri centrifughi, che limitano l'escursione di flappeggio delle pale inferiori, in modo da impedire che i due rotori possano toccarsi. Osservando infatti un elicottero coassiale controrotante in volo, vendolo avvicinarsi verso di noi, si noterebbe immediatamente che entrambi i rotori sono inclinati su un piano orizzontale in direzioni opposte, e questo avviene per effetto della dissimetrica di portanza, poichè le due pale avanzanti sono opposte (una superiore; l'altra inferiore) e lo stesso per quanto riguarda quelle retrocedenti, per cui si noterebbe un allontanamento dei due dischi sul lato opposto, quello destro dell'elicottero (sinistro dall'osservatore).

Gli elicotteri con rotore assiale controrotante tuttavia soffrono di alcuni problemi, come ad esempio il controllo direzionale che è un po più laborioso rispetto a quello di un elicottero tradizionale, sebbene la potenza dei motori venga distribuita in egual modo ad entrambi i rotori, il controllo dell'imbardata in questo tipo di elicottero può avvenire solo attraverso una differenza di spinta tra i due rotori. Mentre in un elicottero tradizionale - attraverso l'uso della pedaliera - si varia il passo collettivo del rotore anticoppia in modo che questi aumenti o diminuisca la spinta oppositrice alla coppia generata dal rotore principale, (Rotore Anticoppia) cosicchè da permettere al pilota di ruotare la macchina in una data direzione. Nel rotore coassiale controrotante la pedaliera varia il passo collettivo di entrambi i rotori in maniera differenziale. Il dispositivo che regola questo meccaniscmo è conosciuto come Collettivo Differenziale. In altre parole all'aumentare della spinta di uno, verrà diminuita la spinta dell'altro, poichè entrambi i rotori hanno una rivoluzione opposta l'uno verso l'altro - sono per l'appunto controrotanti - in modo da modificare l'azione della coppia reciproca, in altre parole sbilanciando il sistema ma mantenendo la spinta identica e quindi la quota.

La differenza delle coppie sui due rotori permettono alla fusoliera di ruotare nella direzione di rotazione del rotore che ha il passo collettivo con un angolo inferiore, poiche l'altro sviluppa una coppia maggiore e quindi costringe la fusoliera in una rotazione opposta. Un altro problema avviene in fase di autorotazione. Contrariamente a quanto accade normalmente il pilota è costretto ad agire sul pedale destro per ottenere una rotazione verso sinistra. Questo è causato dalle turbolenze che interferiscono tra i due rotori, per cui in autorotazione il rotore superiore subisce le interferenze di quello inferiore, mentre in volo è quello inferiore che subisce le turbolenze prodotte da quello superiore. E' bene però chiarire che oggi queste macchine sono dotate di sistemi di stabilizzazione dinamici che abbattono questi problemi rendendole piacevoli e facili da gestire.

   

In Aeromodellismo ci sono moltissimi esempi di piccole macchine che utilizzano questo sistema rotorico, la loro architettura è però semplificata, poiché nei modelli più sofisticati è solo il rotore inferiore ad essere provvisto di piatto oscillante, che influenza l'inclinazione del disco rotore, mentre quello superiore segue giroscopicamente l'andamento di quello inferiore. Il rotore superiore è dotato di un bilanciare tipo Bell (vedremo più in avanti di cosa si tratta) che mantiene il disco rotore sempre allineato sul piano orizzontale. Nei radiomodelli più economici vi è una piccola elichetta in coda che provvede ad inclinare la fusoliera in avanti o indietro ruotando in un senso o nel suo opposto.

Ed a proposito di piccoli modelli radiocomandati, personalmente consiglio di procurarsene uno ed imparare a pilotarlo, non è solo un puro esercizio ricreativo; spesso davvero divertente, ma da la possibilità di entrare meglio nel meccanismo del volo dell'elicottero potendone osservare il comportamento dall'esterno. Dal mio punto di vista, ritengo che un istruttore debba utilizzare questi meravigliosi piccoli gioielli per l'addestramento del pilota sia privato che commercialo per questo sono convinto che oggi grazie ai tantissimi strumenti si possa addestrare un pilota al meglio ed il modellismo dinamico è uno dei tanti davvero produttivi.

Rotori controrotanti in tandem

Anche in questo caso ci troviamo di fronte ad una delle più antiche soluzioni tecniche per la costruzione di elicotteri. Questo sistema presente già nei primi esemplari tedeschi come il FW61 FW 61(video) citato all’inizio nella sezione storica, ed era già dotato di due rotori all'inizio solitamente posizionati ai due lati della fusoliera. Fu il costruttore Piasecki con il modello PV-3/HRP "Rescuer" del 1945, ad intuire che sarebbe stato molto più conveniente posizionare i due rotori lungo l'asse longitudinale, poiché questa soluzione permetteva una più ampia escursione del bilanciamento del peso. Cosi iniziò a costruire il primo prototipo di elicottero con rotori in tandem, queste macchine erano spesso soprannominate “Banane volanti” per la loro forma. CHINOOK(video).

La Boeing più tardi avrebbe poi caratterizzato una propria architettura costruttiva con la produzione della serie Vertol come il CH46 ed il CH 47. Il rotore in tandem richiede uno sforzo tecnico piuttosto impegnativo, si tratta di progettare trasmissioni complesse e di trovare soluzioni accettabili alle vibrazioni costanti ed a fenomeni di risonanza, che come vedremo in avanti caratterizzeranno uno dei più affascinanti problemi legati al volo dell’elicottero. Il vantaggio di macchine del genere è comunque ripagato dalle loro capacità. Essi sono principalmente impiegati per il trasporto di carichi speciali, hanno in genere dimensioni notevoli, inoltre la posizione distante tra i due rotori permette un’escursione del baricentro davvero ampia, diversamente da qualsiasi altra formula già conosciuta.
Cosi come in ogni altra architettura birotore, entrambi i rotori compiono le identiche funzioni attraverso i comandi del Ciclico e del Collettivo, le pale infatti si intersecano con precisione dato che il sistema di trasmissione è costruito per risultare sempre perfettamente sincronizzato, in accordo con la posizione di ogni pala di un rotore rispetto a quella dell’altro antagonista e controrotante.

 

In queste macchine il comando collettivo agisce contemporaneamente su entrambi i rotori, esattamente come avviene con il rotore assiale controrotante sopra descritto, allo stesso modo il comando ciclico agisce nella direzione opposta su ogniuno dei rotori in modo da poter incilinare entrambi i rotori nella stessa direzione perchè essi hanno una rivoluzione opposta (Rotore - Giroscopio), ma queste sono le uniche caratteristiche che hanno in comune queste due formule. Nel rotore in tandem il comando ciclico agisce anche per produrre l'immardata in maniera differenziale. Questo significa che quando il pilota decide di effettuare una rotazione della macchina in una data direzione, i due rotori si inclineranno in direzioni opposte l'uno rispetto all'altro, creando due vettori opposti che faranno ruotare la fusoliera intorno al suo CG (centro di gravità). Anche in questo caso si tratta di macchine complesse, specie dal punto di vista meccanico e questo le rende operativamente costose ed impegnative, ma molto utili nelle forze armate che utilizzano questi elicotteri per il trasporto di truppe ed attrezzature sul campo senza troppe difficoltà. Questo tipo di elicottero si è rivelato - proprio per le sue caratteristiche tecniche - utilissimo per interventi di emergenza in zone disastrate, riuscendo con successo a compiere missioni straordinarie trasportando tonnellate di materiale nelle aeree più impervie del pianeta. Vi è inoltre una versione civile per il trasporto di personale di terra su piattaforme petrolifere, che adottano queste strutture off-shore per la perforazione in mare.

Rotori controrotanti intersecanti

La prima apparizione storica di questo tipo di rotore avvenne nel 1939 con il Fl 265 costruito dalla tedesca Flettner. L’idea fu geniale, e cioè sistemare due rotori rispettivamente al lati della fusoliera con un angolo di inclinazione sul piano di circa 20-25° ed una differenza angolare tra i due rotori di 90°. In questo modo infatti le pale si sarebbero mantenute sempre nella giusta posizione senza mai incontrarsi, perché aventi un angolo di 90° rispettivamente alla pala oppositrice, ed ovviamente una rivoluzione opposta. In realtà il concetto era ottimo, ma gli esordi furono per i primi due prototipi catastrofici. Un esemplare andò distrutto per la rottura improvvisa della trasmissione, che generò una collisione tra i due rotori, il secondo invece per disattenzione del pilota che non imbarco abbastanza carburante per completare il volo programmato.

In Germania questo elicottero fu impiegato a lungo sin dalla fine del secondo conflitto mondiale, ed i tedeschi sperimentarono altri esemplari che sarebbero dovuti entrare in servizio per la marina poco prima della fine della guerra. Una volta terminato il conflitto diversi esperimenti furono condotti dagli americani per modernizzare questa idea come i progetti della Kellett con l’XR-8 nel 1944 derivato dal Flettner tedesco e più tardi dalla KAMAN; più longeva nella sperimentazione can una produzione industriale che continua ancora oggi, fornendo all'esercito americano un modello di successo largamente impiegato per il soccorso e l’antincendio, l'H24 Huskie oggi ancora utilizzato come addestratore prima del passaggio macchina sul K-MAX.

 

Questo elicottero è tra i più complessi sopratutto dal punto di vista meccanico ed oggi l'unico modello in produzione è K-MAX concepito esclusivamente per il lavoro aereo. In un sincoptero - questo il nome di questa tipologia di elicotteri - il comando collettivo agisce contemporaneamente su entrambi i rotori, mentre il controllo dell'imbardata avviene inclinando un disco in avanti e l'altro all'indietro, producendo una rotazione della fusoliera intorno al suo CG lungo l'asse verticale (Z), tuttavia il collettivo interviene aumentando leggermente la spinta di un rotore rispetto all'altro, così da variare la coppia di reazione tra i due rotori. Per esempio, quando viene applicato pedale destro, il rotore di sinistra viene inclinato in avanti, mentre quello di destra viene inclinato all'indietro permettendo la rotazione della macchina verso destra. Questo elicottero utilizza un dispositivo simile per molti aspetti a quello utilizzato sul KAMOV, e cioè il Collettivo Differenziale, facendo in modo che un rotore produca maggiore coppia dell'altro. Le cose sono più complesse aundo si vuole effettuare una traslazione laterale. Ad esempio se si vuole traslare verso sinistra, inclinando il ciclico in quella direzione, si avrà un aumento del collettivo a destra ed una diminuzione a sinistra, ma questo provocherà anche una rotazione verso sinistra, per colpa dello sbilanciamento della coppia tra i due rotori poichè essi producono una spinta differente tra loro e dunque un meccanismo apposito agendo sul ciclico inclinerà il rotore di sinistra leggermente in avanti e quello di destra leggermente all'indietro per mantenere la macchina dritta. Il K-MAX è dotato di un secondo sistema di controllo della coppia tra i due rotori; particolarmente efficace in fase di autorotazione. Questo dispositivo è sistemato nel modulo di controllo, tra i pedali ed il collettivo; esso mantiene un equilibrio tra l'azione sui pedali, la variazione di collettivo per mantenere la coppia dei due rotori e la direzione di rotazione della macchina.

 

E' molto interessante sapere che la variazione del passo delle pale avviene mediante un apposito meccanismo che attraversa la pala e che agisce sul servo flap che è posto all'incirca al 75% della lunghezza della pala lungo il bordo di uscita di essa.
Oggi la KAMAN produce una macchina dedicata al sollevamento di carichi esterni come il K-MAX, uno straordinario elicottero, da sempre presente nelle mie fantasie di pilota. Un episodio più o meno interessante mi riguarda, in quanto anche musicista. Alcuni anni fa mentre ero intento a leggere un articolo relativo ad alcuni strumenti figli delle tecnologie aerospaziali, scoprii con incredibile sorpresa che la KAMAN Helicopters produceva una delle più interessanti chitarre acustiche utilizzate perfino nel jazz: la Ovation. Strumento sviluppato a quanto pare dallo stesso Charles Kaman, che appassionato di musica aveva deciso di costruire la cassa armonica della chitarra con gli stessi materiali compositi con i quali sono assemblate le pale dell’elicottero da loro prodotto.
K-MAX, (video) Tutti i chitarristi conoscono questo strumento, ed è a tutt'oggi ancora presente nella collezione di tanti di essi.

Molte altre sono state le tipologie apparse nel corso della storia relativa a questa straordinaria macchina volante che è l’elicottero, sempre alla ricerca di una semplificazione, nell’intento di vincere la battaglia più importante e cioè quella della coppia risultante, il problema della dissimmetria di portanza e della zona di stallo del rotore alle alte velocità.

Un ultima tipologia di elicotteri da citare è quella degli elicotteri ad aria compressa. In passato vi furono esemplari costruiti anche con piccoli ugelli alle estremità delle pale che bruciavano carburante per far ruotare il rotore senza l'ausilio di un motore che avrebbe generato la coppia indesiderata. Altre macchine invece utilizzavano un sistema simile eiettando i gas di scarico proveniente da dai motori appositamente progettati, come il gigantesco elicottero costruito e pilotato del famoso Howard Hughes. XH17(video)
Davvero singolari furono alcuni esemplari concepiti con una singola pala e bilanciere opposto.
In ogni caso e per ogni tentativo diverso si sono spese risorse creative notevoli, ed in qualche sfortunato caso anche vite sacrificate per la passione e per lo sviluppo del volo verticale perfetto, o per una vittoria che prima o poi sarebbe giunta con l’avvento della macchina odierna che tutti noi oggi conosciamo ed amiamo come l’Elicottero.

©Gino D'Ignazio Gizio