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Stabilità longitudinale - Weight and balance

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Abbiamo già visto come perché un aereo, o qualsiasi altra cosa, possa permanere in stato di "moto uniforme" cioè non accelerato, occorre che le forze che agiscono su di esso siano equilibrate.
E sin qui niente di nuovo.
Il nostro aereo, in particolare, sta su in quanto riusciamo a generare una portanza che equilibra il suo peso.
Resta però un problema riguardo la "stabilità" del nostro sistema.
Questa dipende da "dove" io applico le forze.
Se queste sono applicate tutte nello stesso punto il mio sistema resta in equilibrio, se no si mette a ruotare.
In fisica diciamo che devono essere nulli i "momenti" delle forze applicate.
Per essere più espliciti, NON BASTA che le forze applicate siano uguali ed opposte, occorre anche che il modo con cui le applichiamo sia tale da mantenere un equilibrio stabile.
Questo non avviene, ad esempio, se noi contrastiamo la forza peso con una portanza applicata solo nell'ala.
Il nostro velivolo magari volerebbe, ma non avremmo modo di governarlo e si comporterebbe come il sistema nella figura accanto, che riconosciamo "instabile" .
Un sistema equivalente ma "stabile" vorrebbe due punti d'appoggio (nel caso dell'aereo due ali, una davanti ed una dietro).
Un altro sistema stabile potrebbe essere realizzato con due appoggi opposti disposti come in figura, in modo che il nostro peso si trovi a sbalzo su una trave in questo modo "incastrata".
Il sistema funziona ma le forze che devo mettere in gioco sono enormi, nel caso del nostro aereo dovrei generare una portanza doppia rispetto al peso e poi una "deportanza" di valore uguale al peso stesso
Questa è già una soluzione analoga mia più intelligente - l'appoggio principale (la portanza) è applicata vicino al baricentro e la deportanza che serve a mantenere il tutto stabile è molto lontana (ad esempio in fondo al trave di coda).

Stabilità longitudinale

Applichiamo queste soluzioni ad un aereo e vediamo cosa succede.
Sino a che tutto va liscio, il nostro aereo vola perfettamente senza problemi.
Ma se per caso per una qualsiasi perturbazione dovesse ad esempio alzare un po' il muso cosa succederebbe?
L'aereo ruoterebbe intorno al baricentro, e quindi aumenterebbe l'angolo di incidenza delle ali, facendo aumentare la portanza (aumenta anche sui piani di coda ma siccome sono più piccoli aumenta di meno).
L'aumento della portanza sull'ala comporta una ulteriore rotazione a cabrare, questo farebbe aumentare ancora di più la portanza e la rotazione si accentuerebbe ancora.
Il sistema è quindi instabile.
Un aereo non può volare in queste condizioni o, se lo facesse, il pilota sarebbe costretto continuamente a correggere l'assetto per evitare di capovolgersi.
Vediamo invece cosa succede se il sistema funziona come nel secondo esempio di trave incastrata, anzi, meglio, come nell'ultima ipotesi, dove la nostra "trave" è incastrata tra l'ala che produce la portanza e la coda, lontana, che produce una deportanza molto inferiore.
In questo caso quando l'ala dovesse per qualsiasi motivo aumentare la sua incidenza e quindi generare una portanza maggiore, questa farebbe ruotare l'aereo intorno al suo baricentro.
Ma essendo il baricentro davanti all'ala, la rotazione sarebbe nel senso di diminuire l'incidenza, e quindi tornare alla condizione iniziale.
In questo caso quindi il sistema risulta stabile e l'aereo può volare tranquillamente senza che il pilota debba stressarsi intervenendo di continuo sui comandi.
Ed infatti è proprio così che funziona l'accoppiata ala/piani di coda:
L'ala genera la portanza che serve ad equilibrare il peso, la coda una piccola deportanza (cioè una forza aerodinamica del tutto simile alla portanza ma rivolta verso il basso) che serve a mantenere in equilibrio il nostro velivolo.
Più i piani di coda saranno lontani dall'ala e minore sarà questa deportanza.
Siccome io con l'ala devo equilibrare anche questa deportanza, oltre al peso, più lontana dall'ala è e meglio è.
E questo è il motivo per cui è necessaria una coda lunga.

I velivoli canard

Quando però gli aerei erano appena nati, l'idea di dover aggiungere una forza rivolta verso il basso per governare e quindi di dover produrre una portanza maggiore, sembrava un assurdo.
I fratelli Wright, infatti, costruirono un velivolo fatto in modo tale da produrre portanza sia sull'ala che sull'equilibratore orizzontale.
Ma per quanto abbiamo visto prima l'ala (cioè il dispositivo che avrebbe dovuto generare la maggior parte della portanza) doveva stare dietro al baricentro.
La soluzione più ovvia era mettere l'ala dietro e la "coda" davanti.
Infatti i primi velivoli avevano gli equilibratori orizzontali davanti, in questo modo tutte le forze aerodinamiche che si generavano (a stento) sarebbero servite per sostenere il peso dell'aereo.

Questa architettura di velivolo prende il nome di "canard", dal fatto che, dovendo avere questi aerei un trave non più di coda ma di prua, ricordano un po' le anatre (appunto canard in francese - i primi velivoli con questo tipo di architettura , fratelli Wright a parte, furono sviluppati da Bleriot) o le oche.
La stabilità di un velivolo canard concettualmente è identica a quella di un velivolo ad architetture classica.
Se l'aereo ruota verso l'alto l'ala aumenta l'incidenza e quindi la portanza, ma il baricentro resta davanti all'ala e quindi la rotazione che ne consegue è nel senso di abbassare il muso e quindi di ridurre l'incidenza del'ala.
In teoria la soluzione canard presenta molti vantaggi rispetto alla classica architettura con l'equilibratore in coda. In pratica però esistono alcune contingenze negative che ne hanno condizionato molto l'utilizzo.
Il velivolo canard è più difficile da progettare in quanto, se non vogliamo realizzare il lunghissimi "colli da anatra" di Bleriot, gli equilibratori risultano più vicini al baricentro e quindi diventa più difficile prevederne l'efficacia e sostanzialmente progettarli.
Inoltre l'adozione dei flap e in genere di sistemi di ipersostentazione, spostando il centro aerodinamico dell'ala (cioè il punto ideale dove possiamo pensare applicate le forse aerodinamiche dell'ala) ne rendono critico il funzionamento.
Oggi, grazie allo sviluppo di modelli matematici efficaci e alla disponibilità di gallerie aerodinamiche su cui provare i modelli, la formula canard sta riprendendo un suo spazio.
 

Negli anni '80 molti furono i progetti canard del giovane Burt Rutan, oggi riconosciuto uno dei migliori progettisti aeronautici, specializzato in tecnologie innovative, particolarmente attivo nello sviluppo di materiali compositi  di tipo plastico in sostituzione dei metallici.
Rutan progettò la vela di Star& Stripes. il catamarano che vinse la Coppa America nel 1988.
Nell'immagine qui sotto il suo velivolo "sub orbitale" .
Anche i più moderni caccia, in teoria la "punta di diamante" della progettazione aeronautica, adottano la formula canard, alla ricerca della "ipermanovrabilità", cioè della possibilità di controllare il velivolo anche oltre lo stallo.
Questo in quanto i pianetti canard, essendo davanti all'ala, non risentono della turbolenza da questa generata ai forti angoli d'attacco.
Su questi aerei, inoltre, sistemi di controllo "fly-by-wire", cioè controllati tramite computer, permettono di realizzare una sorta di stabilità "artificiale",- il computer sostituisce il pilota nel mantenere l'assetto e quindi lo può fare anche se l'aereo di suo sarebbe instabile.

Weight and balance

Abbiamo visto che un aereo per poter volare ed essere controllato, occorre che abbia il baricentro davanti al centro aerodinamico.
In questo modo i piani di coda dovranno produrre una deportanza che permetterà di equilibrare i momenti e mantenere l'aereo in volo livellato e stabile.
Possiamo però ben immaginare che esistano dei limiti al carico che potremo portare.
Ci sarà un peso massimo consentito al decollo, da non superare, e ragionevolmente ci porremo dei limiti anche all'escursione del baricentro.
In parole semplici, non solo non potremo caricare più di una certa quantità di carico, ma dovremo anche fare attenzione a come lo posizioneremo a bordo.
 
Ad esempio supponiamo di spostare all'indietro il baricentro .. cioè caricare troppo peso in coda.
In questo caso il nostro piano di coda sarà sempre meno impegnato, sino a non lavorare affatto.
In questa condizione l'aereo diventerà ingovernabile e potremmo addirittura non riuscire ad impedirgli di continuare ad alzare il muso, sino a stallare.
Ovviamente in queste condizioni lo stallo è mortale, in quanto l'aereo non può essere ripreso.
In questa situazione l'aereo potrebbe decollare ma diventare incontrollabile subito dopo.
Supponiamo invece di aver caricato troppo in prua.
Il pianetto di coda dovrà produrre una deportanza sempre più grande, sino ad un limite superato il quale non saremo più in grado di recuperare la tendenza a picchiare.
In una situazione come questa l'aereo non riuscirà a decollare e quindi facilmente il pilota abortirebbe il decollo, ammesso che al momento in cui comprende la situazione abbia ancora lo spazio per fermarsi.
Incidenti mortali sono avvenuti anche ad aerei caricati correttamente ma il cui carico si sia poi spostato in volo.
E' il caso ad esempio dei velivoli destinati a paracadutare grossi carichi - se le operazioni di lancio non avvengono correttamente il baricentro può spostarsi notevolmente.
Se invece avessimo semplicemente caricato troppo peso, ma ben distribuito?
In questo caso l'aereo sarebbe semplicemente più pesante e la nostra portanza, che vale sempre

dovrà essere prodotta aumentando la velocità.
In pratica potremmo non avere una pista abbastanza lunga per raggiungere la velocità di decollo.
Una volta in volo dovremo far attenzione perché le velocità minime (di stallo) sarebbero più grandi, e maggiori le sollecitazioni in caso di manovre.
In pratica con un sovraccarico si può anche volare, facendo attenzione - col carico mal disposto NO.
E' compito del pilota, prima di partire, di verificare che il carico sia compatibile con il volo.
Per questo esistono apposite tabelle, specifiche per ogni velivolo, dove il pilota dovrà indicare, per ogni posizione a bordo, il peso caricato.
A fianco, per ogni posizione, vi è il valore del "datum", cioè della distanza del carico rispetto al centro aerodinamico, positiva se dietro, negativa se davanti.
Il pilota poi dovrà moltiplicare ogni carico per il "datum", ottenendo cos' un momento (forza peso per braccio).
Alla fine farà la somma dei pesi e verificherà che non sia superiore al massimo consentito al decollo, e la  somma ALGEBRICA (cioè considerando i valori con il loro segno e sommando i positivi e sottraendo i negativi) dei momenti, verificando che non sia all'interno del range consentito (non superiore ad un certo valore e non inferiore ad un altro).
Carico Peso Datum Momento.
Totali  



Ovviamente per gli aerei di linea e i cargo sono stati sviluppati programmi automatici che permettono il calcolo immediato del peso e del centraggio in tempo reale, acquisendo i dati direttamente dai terminali usati al check-in.
Per i velivoli di linea si utilizzano dati medi per i passeggeri che vengono assegnati ai posti a sedere.
Per i bagagli si utilizzano i pesi effettivi, pesandoli uno per uno all'imbarco.
La tendenza futura sarebbe quella di pesare ogni singolo passeggero, perché in casi eccezionali e per velivoli di dimensioni medie è capitato che i conti fatti considerando i valori medi si siano rivelati pericolosamente sbagliati.
Su velivoli particolari, come ad esempio il Concorde, che essendo un velivolo supersonico subiva uno spostamento notevole del centro aerodinamico al passare dal regime subsonico a supersonico e viceversa, i serbatoi del carburante erano distribuiti in modo che un sistema di pompe spostasse il carburante a poppa o a prua a seconda delle necessità di centraggio.
Stabilità laterale
Per concludere il discorso sulla stabilità, vediamo per sommi capi come si ottiene anche quella intorno all'asse di rollio.
In questo caso non è la distribuzione dei carichi a bordo ad influenzarla, ma l'architettura del velivolo.
In particolare avremo due situazioni differenti a seconda che il velivolo sia ad ala alta o bassa.
In un velivolo ad ala alta la stabilità è garantita automaticamente.
Essendo il centro aerodinamico situato sopra il baricentro, di fatto l'aereo di trova "appeso" alle ali, e di conseguenza si comporta.
In caso di oscillazione intorno all'asse di rollio il baricentro si viene a spostare in modo da generare un momento raddrizzante.
Sulle barche questo veniva ottenuto appesantendo la chiglia o aggiungendo un "bulbo" in piombo o in ghisa alla deriva.
 
Se il velivolo invece è ad ala bassa, a seguito di un'oscillazione il baricentro e il centro aerodinamico si spostano in modo da generare un momento instabilizzante, che tenderebbe a far capovolgere l'aereo.
Per risolvere il problema viene dato alle due semiali un certo angolo detto di "diedro".
In questo modo in seguito ad una piccola oscillazione l'ala che si abbassa si trova a diventare parallela al piano orizzontale, e tutta la portanza che genera viene rivolta verso l'alto.
L'altra semiala, invece, si troverà maggiormente inclinata, e solo una frazione della portanza generata sarà rivolta verso l'alto.
In questo modo la maggior portanza sull'ala che si è abbassata genera un momento raddrizzante che evita il ribaltamento del velivolo.
Può capitare che la stabilità ottenuta con l'angolo di diedro previsto a progetto sia "troppa" .. cioè il velivolo è talmente stabile che tende a tornare in assetto orizzontale con tale velocità che il movimento diventa fastidioso, o, nel caso di un velivolo da combattimento, si innestano vibrazioni vere e proprie che rendono impossibile puntare le armi.
Per questo su alcuni velivoli viene dato un angolo di diedro "negativo" ai piani di coda, per compensare la troppa "stabilità" e ammortizzare queste oscillazioni.
Un caso evidente era l'F4 Phantom.

 

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