multicopteri storia (www.gizio.it)

Alcuni anni dopo, nel Gennaio del 1921, quando i motori cominciavano ad essere più efficienti e la meccanica sempre più elaborata, cosi pure lo studio dell'aerodinamica, apparve il De Bothezat. Fu l'esercito americano che firmò un contratto con George De Bothezat ed Ivan Jerome per lo sviluppo di una macchina a decollo verticale. Ancora una volta apparve una struttura ad X, del peso di 1678 kg. Il pilota ed il motore erano al centro della struttura stessa, dalla quale quattro braccia di acciaio di nove metri sostenevano quattro rotori provvisti di sei pale con un diametro di 8 metri circa. Alla estremità delle braccia laterali vi erano delle piccole eliche che erano addette al controllo dell'imbardata. La cosa interessante è che ogniuno dei rotori era dotato di meccanismo collettivo, cosichè il pilota poteva dirigere la macchina in qualsiasi direzione. Al primo decollo il De Bothezat pesava 1700 kg ed il primo volo fu eseguito nell'Ottobre del 1922.

De Bothezat (video)

Etienne Oemichen era un giovane ingegnere della Peugeot, inizio una serie di esperimenti che lo portarono poi a progettare nel 1920 una serie di macchine a decollo verticale. La prima macchina fu un vero fallimento poichè non riusci a produrre una portanza tale da sostenersi in volo, era un aeromobile con due rotori, e non riuscendo ad ottenere il risultato in cui sperava applicò due palloni sulla sua sommità, per aumentare la spinta. Tuttavia con l'elicottero Numero 2 provvisto di quattro rotori con una struttura ad X, ed otto eliche, mosse da un motore di 120hp riusci a sollevarsi in volo per la prima volta l'11 Novembre del 1932

Oemichen elicopter N2

Il W11 Cierva è il primo esempio di tricoptero della storia, più o meno simile ai piccoli multicopteri tri-motore. Era alimentato da un solo enorme motore stellare, che era collegato attraverso un complesso sistema di trasmissione ai tre rotori per mezzo di lunghi alberi articolati. I rotori erano sistemati su due bracci laterali, ed un terzo sulla testa anteriore della fusoliera. Tutti e tre i rotori giravano nella stessa direzione in senso antiorario, tuttavia per compensare l'effetto della coppia - che analizzeremo più nei dettagli nelle nostre piccole macchine - i tre rotori erano inclinati in modo tale da compensare la forza torcente della coppia. Ogniuno dei rotori era articolato, provvisto di collettivo e ciclico, ed il gigantesco motore stellare era posizionato sutto il centro di gravità; poco dietro il cockpit. La fusoliera era progettata per caricare almeno 24 passeggeri. Il primo volo avvenne nel Dicembre del 1948, tuttavia le prestazioni ed i costi di questa macchina ne impedirono l'ulteriore sviluppo.

Dopo un precedente tentativo fatto nel lontano 1923 da Bothezat è la volta degli USA con una macchina a quattro rotori, chimata Modello A o Convertawings costruita nel 1955 e che volo finalmente con successo con ben due prototipi costruiti. Un ennesimo esempio di quadcoptero con quattro rotori montati su bracci laterali a coppie, disposti in prua ed in coda connessi ad un telaio a traliccio di acciaio, al centro del quale vi era il pilota. I motori erano due e sistemati rispettivamente al di sotto dei raccordi dei bracci rotore, che erano connessi con questi mediante cinghie, i due sistemi di propulsione erano inoltre connessi tra loro attraverso un albero di trasmissione che garantiva una notevole sicurezza in caso di piantata di uno dei motori. Il controllo della macchina avveniva attraverso una leva che a seconda della posizione variava l'angolo di attacco collettivo dei rotori in maniera indipendente, cosi da ottenere il volo in tutte le direzioni. Anche qui si applica il principio della differenza di coppia tra i rotori per ottenere il controllo dell'imbardata, come vedremo in seguito nei capitoli successivi.

Modello A Convertawings

Nel 1957 un nuovo e rivoluzionario progetto viene elaborato per le forze dell'aviazione americana. L'idea finale era di costruire il primo convertiplano, poichè i quattro rotori avrebbero potuto inclinarsi in avanti per trasformare il volo da verticale ad orizzontale. I quattro rotori erano situati alle estremità delle ali ed erano alimentati da due turbine Boeing 502, in quegli anni infatti il motore a turbina faceva la sua comparsa sugli elicotteri. Il Convertawings rimase tuttavia solo un progetto, di cui solo le ali con le articolazioni per i rotori furono realmente costruite e testate al banco, la macchina pesava a pieno carico 19380 Kg, ma non ebbe ulteriori sviluppi.

Il Curtiss-Wright VZ7 fu un idea concepita per l'esercito americano, una sorta di Jeep volante che si guadagnò un contratto che fu onorato con due proptotipi nella metà del 1958. Anche in questo caso si trattava di un quadcoptero molto semplice nella struttura e leggero, con una fusoliera scatolata al centro ed il sedile del pilota in posizione anteriore. Dal centro della fusoliera si diramavano i quattro bracci di sostegno dei quattro piccoli rotori. Il motore era una piccola turbina Artouste IIB conosciuta perchè impiegata anche su alcuni elicotteri francesi di quegli anni con successo. La turbina erogava una potenza di 425 CV. I rotori erano protetti da una arco di metallo, ed il controllo molto semplice era prodotto dalla variazione di spinta dei rotori attraverso un sistema di articolazione collettiva, mentre il controllo dell'imbardata avveniva deviando il flusso di scarico della turbina nella direzione opposta a quella di rotazione. Oggi si potrebbe dire che ricorda molto i multirotori che siamo abituati a vedere in volo.

Curtiss-Wright VZ7

Il Curtiss-Wright X19 da iniziò alla complessa avventura per lo sviluppo di un velivolo commerciale executive, con una capacità di caricare quattro passeggeri, in grado di raggiungere una notevole velocità ed interessanti prestazioni. Anche questo è il caso di un quadrirotore. La Curtiss-Wright era la maggiore industria bellica aeronautica durante la seconda guerra mondiale, tuttavia dopo quel conflitto non vinsero più nessuna gara di fornitura da parte dell'esercito americano, tuttavia rimasero i migliori per la fabbricazione di eliche. Cosi fu fondata una divisione che si occupasse di sviluppare una elica adatta sia al volo verticale sia a quello orizzontale, in grado di raggiungere una notevole velocità. Il principio di volo di questa macchina sfruttava l'idea della portanza radiale, di cui parleremo in uno dei capitoli successivi. Il Curtiss-Wright X19 non ebbe una lunga storia, ma spianò la strada al futuro convertiplano.

L'X22 a mio parere è una delle macchine più interesanti di questo tipo, alcuni dei miei progetti infatti si basano sull'esperienza tecnica raccolta con lo sviluppo di questo aeromobile. Anche in questo caso di tratta di un quadcoptero, ma con rotore intubato per migliorare le caratteristiche aerodinamiche delle pale riducendo drammaticamente il fenomeno dei vorcici marginali di una pala - argomento che tratteremo in relazione alle eliche. L'X22 era capace di volare sia in modalita VTOL cioè a decollo ed atterraggio verticali, sia in modalita aereo, cioè lungo una traiettoria orizzontale. Era una macchina piuttosto complessa, sopratutto dal punto di vista meccanico, ed ha volato dal 1966 fino ai primi anni ottanta. L'X 22 è interessante anche da un altro punto di vista, poichè è la prima macchina dotata di sistema di stabilizzazione dinamico simile a quello che noi montiamo sui nostri piccoli multicopteri. Il sistema di stabilizazione dinamica è importantissimo in un multirotore, perchè questo tipo di macchina è in natura molto instabile e richiede un dispositivo di controllo della stabilità e dell'assetto. Il massimo peso al decollo era di 7530Kg, tuttavia la macchina era in grado di caricare molto poco rispetto alle possibilità immaginate, con una capacità massima di 540kg oppure sei passeggeri. Ho avuto modo alcuni anni fà negli USA di vedere questa macchina da vicino ora conservata al museo di storia dell'aviazione e dello spazio di Wanshington.

Il WG21 della Aerotechnik costruito nel 1968 come monoposto ed un secondo nel 1970 biposto, è un ulteriore esempio di quadcoptero nella storia. Si trattava di un quadcoptero a croce montato sulla testa di un telaio che comprendeva un sedile ed il motore, che trasmetteva il movimento meccanico ai quattro rotori in testa, attraverso degli alberi di trasmissione. Le pale del rotore erano di tipo semirigido e provviste di articolazione del collettivo che variavano a seconda della posizione della cloche centrale l'azione della spinta laterale. E' interessante a proposito di questa macchina, il fatto che fu da questo momento applicato il principio di differenzazione della coppia tra le coppie di rotori che giravano in senso orario rispetto a quelli che invece avevano una rivoluzione opposta, che come vedremo è uno dei capitoli tra i più importanti che regolano fisicamente il volo dei piccoli multirotori elettrici che conosciamo oggi.

WG21 Aerotechnik

Il CellCraft G150, progettato nel 1996 quando già ero pilota di elicotteri immaginando la possibilità di costrure una macchina a propulsione elettrica ispirata però per alcuni aspetti al Bell X22, ma molto più semplice ed efficiente. Il G150 è stato storicamente il primo progetto concettuale di aeromobile a propulsione elettrica al mondo assieme al DDRH sviluppato in contemporana. Entrambi erano aeromobili monoposto concepiti in alluminio e materiale plastiche. Il G150 in particolare era dotato nella sua configurazione iniziale di un motore a turbina connesso con un generatore, una sorta di APU, che produceva l'energia elettrica necessaria al funzionamento di tutto il sistema, sopratutto degli otto motori a sogliola a variazione di frequenza situati in ogni gondola, connessi a dei rotori a sei pale in fibra di carbonio. L'idea principale era ed è ancora oggi di sostituire con cavi e sistemi di stabilizzazione dinamica, quello che un tempo era rappresentato da pesanti e complesse trasmissioni meccaniche, che purtroppo limitavano fortemente le prestazioni di macchine come il Curtiss, o il Bell X22. Il G150 era dotato di una specie di schermo tattile molto primitivo se confrontato a quello di cui la tecnologia ci può offrire, e di un sistema di interazione macchina-pilota. Poteva decollare in modalità VTOL e volare in modalità aereo, poichè i quattro rotori intubati erano in grado di ruotare di 90° in avanti. Il G150 aprì la strada ad altri successivi progetti più importanti che ancora oggi proseguono nel loro sviluppo ed è stato il primo concetto di velivolo VTOL a propulsione elettrica al mondo, almeno a livello concettuale.

Nel 2003 iniziavo la messa a punto di un progetto molto più complesso ed elegante, dopo aver attraversato una serie di studi trasversali, abbandonando per un po il concetto di multirotore intubato. Nel 2003 ripresi in mano il vecchio concetto di motori elettrici intubati ritornanto all'origne e cioè al vecchio G150 e viene al mondo prima il CellCraft G445 e poi nel 2005 il CellCraft G450-55, una macchina più grande, dalla capacità operativa eccellente, migliorata nella struttura e nella tecnologia, provvista di otto motori ad induzione a controllo digitale brushless, che muovono quattro rotori articolati a sei pale in carbonio intubate nella versione G450, e otto rotori controrotanti nella versione G455. La macchina aveva una capacità di trasporto di 5 passeggeri con una velocità di oltre 455 Km/h in modo A. Il G450-55 era provvisto di due unita MPU simili a quelle del G150, ed erano sistemate risettivamente una nel muso e l'altra nella sezione di coda, con una potenza totale di 980 Hp. Dotata di sistemi dinamici del controllo del volo e della sicurezza stessa del velivolo, un elevato livello di interazione pilota-macchina e perfino un sistema di auto pilotaggio in grado di intervenire laddove il pilota superasse i limiti strutturali o di sicurezza del velivolo per correggere assetto e comportamento automaticamente, inoltre sin dal G150 una unita a ioni di litio garantiva una durata di volo di circa dieci minuti, sufficienti ad effettuare un atterraggio di emergenza in caso di piantata di entrambi gli MPU. Anche in questo caso il G450-55 è il primo velivolo multirotore a propulsione elettrica ideato per il trasporto passeggeri al mondo. Ulteriori progetti sono susseguiti oltre il G450-55 ancora in corso di elaborazione. Tuttavia il principio di funzionamento di questa macchina era in buona sostanza identico a quello del G150. Un ulteriore punto a favore di questi progetti è dato dalla completa rivisitazione architettonica del concetto stesso di aeromobile che si intravede dalla sua forma estremamente aerodinamica con body-lifting cioè fusoliera parzialmente portante.

CellCraft G450-55

Nel 2011 il team tedesco di E-Volo tenta per la prima volta di costruire con successo un multirotore pilotato da uno del team che riesce a staccarsi dal suolo con successo per una decina di minuti di volo, provando che la propulsione elettrica è possibile. Più tardi nel 2013 il team costruisce una macchina più raffinata con una elegante fusoliera ed inaugurano il velivolo con un volo radiocontrollato all'interno di un hangar. Il progetto e-volo è un ottima rottura del sistema attuale per quanto riguarda gli aeromobili convenzionali, tuttavia non credo che tanti piccoli motori possano diventare lo standard perchè ne aumenterebbe le probabilita di malfunzionamento oltre che la complessità somiglia ad un multicoptero convenzionale, solo in scala più grande.

Nel 2014 rispolverando alcuni progetti di aeromobili progettati alcuni anni prima con rotori elettrici rigidi, cioè non basculanti come il CellCraft, riproposi due progetti ad un gruppo di ricerca brasiliano, in modo particolare il modello EJ140 un quadrirotore a rotori elettrici e pale in carbonio. La struttura era molto semplice ed interamente costruito in fibre di carbonio ed alluminio. L'ElettroJet 140 era provvisto di sistemi di stabilità dinamici ed era perfino in grado di atterrare e decollare in modalità automatica inoltre delle semiali fornivano una consistente percentuale di portanza riducendo il consumo di energia in volo traslato. Il progetto non ebbe seguito per mancanza di fondi strutturali necessari a reallizzare il primo prototipo.

Nello stesso anno sviluppavo il progetto più piccolo l'EJ110, più compatto provvisto della stessa elettronica e lo stesso MPU del 140, con una potenza erogata di 230 Hp sul generatore ma più leggero nel complesso. Il velivolo era monoposto e compatto, in grado di atterrarre e decollare anche in modalità automatica, inoltre era dotato di struttura rotore pieghevole por poter essere stipato in un piccolo spazio. Questo progetto è al momento in fase di promozione in cerca di fondi per poter sviluppare un prototipo.

Nello stesso anno venivano sviluppati due progetti paralleli per lo studio di un aeromobile della stessa tipologia ma con una capienza in numero di passeggeri di almeno 4 persone. Anche in questo caso la fusoliera era composta di elementi di carbonio ed alluminio incollati tra loro, tuttavia sia il EJ440 disegnato per l'impiego nelle forze di polizia, sia il EJ450 concepito esclusivamente per l'impiego civile sono provvisti di due unità MPU identiche che assolvono in modo intelligente all'erogazione della potenza necessaria. poichè può essere utilizzata per il volo anche solo una unità, per esempio nel volo senza carico, a macchina leggera per economizzare sul consumo. Gli aeromobili sono entrambi molto leggeri ed i generatori possono bruciare anche bio carburante, o diesel aeronautico cosi come i precedenti modelli.

Vertol NASA Tilt Wing

Nel 1956 il Gyrodyne QH-50 entra ufficialemnte nella competizione per la produzione di un elicottero monoposto per operazioni di sabotaggio in mare ed osservazione per il supporto in battaglia. Tuttavia la tendenza successiva nel 1961 fu quella di optare per un elicottero a controllo remoto armato di due siluri con un rotore assiale controrotante. Inizialmente la macchina fu dotata di un piccolo motore di 40hp che fu rimpiazzato poi da un motore Porsche di 60hp ed un motore a turbina più tardi. In tutto il periodo di sperimentazione ne furono prodotti 60 impiegati per operazioni navali.

Il Westald Wisp è stato il primo drone a controllo remoto compatto, progettato come osservatore, provvisto di una telecamera ed una camera ad infrarossi in grado di inviare immagini ad una stazione di controllo, che funzionava sia di giorno che di notte. Il Wisp era dotato di due motori a due tempi bicilindrici. Il suo primo volo avvenne nel 1976 su tre differenti prototipi, tuttavia i test fatti nell'anno successivo provarono che il carico portante era piuttosto esiguo ed il progetto fu abbandonato.

L'Eagle Eye era un birotore con architettura convertiplano con potenzialità VTOL e controllo remoto per missioni a medio raggio. La struttura principale era in materiale composito, con un carrello di atterraggio retrattile all'interno della fusoliera, che conteneva anche il sistema propulsivo ed il controllo di volo.

Nel 1997 l'Eagle Eye era già considerata una macchina molto avanzata e date le sue capacità di volo i componenti che alloggiava richiedevano un accurato posizionamento al suo interno. Il motore era una turbina Allison C20, situata nel centro di gravità del velivolo e connessa mediante trasmissione ai due rotori laterali. Le ali contenevano gli alberi di trasmissione ed il sistema di rotazione delle due gondole sulle quali vi erano i rotori. Questo drone rimase in servizio sperimentale fino alla metà degli anni duemila.

La Bombardier oltre a produrre uno dei più famosi aerei come il CRJ è stata anche coinvolta nello sviluppo di droni a controllo remoto come il Guardian. Una successiva versione migliorata chiamata Sentinel ricalcava per alcuni versi una macchina risalente al 1964. Nel 1998 il CL227 si inserisce tra i migliori droni VTOL del settore militare. Dotato di un rotore assiale controrotante bipala, fu tra i primi tre velivoli che superarono la selezione della marina come dimostratore. Purtroppo dopo oltre 50 ore di volo alcuni problemi tecnici cominciarono ad emergere fino alla perdita di un esemplare caduto per mancanza di carburante poichè aveva perso il serbatoio in volo. Fu impiegato tuttavia dalla marina Australiana durante la sua sperimentazione.

Cypher II MARINER

....e la storia continua.....