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L'elicottero

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L'elicottero è un velivolo "ad ala rotante", per differirlo dagli aerei visti sino ad ora che invece sono "ad ala fissa".
La grande differenza operativa consiste nella capacità di atterrare e decollare a verticalmente, senza necessità di una lunga rincorsa su pista , oltre alla possibilità di librarsi a mezz'aria a "punto fisso".
In compenso i costi di gestione rispetto agli aerei sono più elevati ed hanno limitazioni nelle velocità massime raggiungibili.
Questo rende l'elicottero poco adatto al trasporto a distanza di persone e merce, mentre lo rende insostituibile in operazioni di ricerca e soccorso, come "gru volante" e per il trasporto di persone e merci in realtà particolari quali le piattaforme off shore, i rifugi di montagna, in genere i luoghi ove non sia possibile o conveniente approntare una pista di atterraggio per aerei.
Sotto il profilo "pratico", vale la pena considerare che, in campo militare, oggi si tende ad utilizzare poco i "caccia" (costosi, rumorosi, ed adatti a missioni di "combattimento", eticamente discutibili) mentre gli elicotteri (Marina e Guardia Costiera) che vengono impiegati in missioni SAR (Search And Rescue - ricerca e soccorso) sono sempre in volo.
Questo per dire che volendo intraprendere una carriera militare con l'intenzione di volare, oggi conviene valutare più la Marina Militare che non l'Aeronautica, dove si corre il rischio di volare veramente pochino.

Il rotore e i comandi

Lo sviluppo dell'elicottero parte, si può affermare, parallelamente a quello dell'aeroplano.
Molto prima dei fratelli Wright, nel 1878, ad esempio, il nostro ing. Enrico Forlanini costruì e fece volare un modellino di elicottero del peso di tre kili e mezzo, mosso da un piccolo motore a vapore.
Fu però il successo "pratico" dell'aereo, che fu capace in pochi anni di dimostrare la possibilità di risolvere problemi di trasporto effettivi (ad esempio la trasvolata di Bleriot della Manica, nel 1909) che ne fece abbandonare l'interesse e lo sviluppo.
Sebbene concettualmente la macchina "elicottero" possa sembrare più semplice dell'aeroplano (un ventilatore rivolto verso l'alto, che "spinge" il vento in basso sollevandosi), nella realizzazione pratica, quando poi si tratta di spostare il tutto e di manovrare, le soluzioni tecniche diventano decisamente più complesse (e di conseguenza costose) rispetto alla costruzione dei velivoli ad ala fissa.

Volendo riassumere una "storia" dell'elicottero direi che date e personaggi sono stati:
 
Corradino D'Ascanio (noto per essere il padre della "vespa", lo scooter) nel 1930 fece volare un elicottero che percorse 5 km ad un'altezza di 16 metri.
Era un velivolo con due rotori controrotanti coassiali.

 

Igor Sikorsky (russo fuggito in USA) che costruì un primo elicottero nel 1913, e finalmente, nel 1940, costruì il primo elicottero con l'architettura usata ancora oggi (rotore principale articolato e rotorino anticoppia), tra il primo e il secondo Sikorski costruì con successo diversi idrovolanti.

Nel 1937 il tedesco Focke-Achgelis - Un due rotori controrotanti affiancati, volò a 120 km/h per un'ora e venti ad una quota di 2400 metri.

Juan da la Cierva, inventore dell'autogiro, che vediamo nel prossimo capitolo quando parleremo dell'autorotazione.

 

L'elicottero vola, si solleva, avanza, vira, sta fermo a mezz'aria in "HOVERING" grazie al suo ROTORE.
Il rotore è il componente che serve per trasmettere la potenza dal motore alle pale e per governare il velivolo permettendogli di sollevarsi, ruotare, traslare.
E' costituito da un "mozzo", cui sono collegate tramite tre cerniere (di passo, di flappeggio e di ritardo) le pale.
queste tre cerniere hanno diverse e distinte funzioni e sono quelle che permettono effettivamente il volo dell'elicottero.
Dal momento che "l'azione" di far ruotare le pale comporterebbe una "reazione" che farebbe ruotare in senso opposto l'intero elicottero, nella sua architettura classica sull'elicottero viene installato in coda un rotorino anticoppia.
Questo componente risulta particolarmente delicato e di conseguenza nel tempo sono state molte le varianti proposte alla scopo di poterne fare a meno (rotori controrotanti, in tandem, coassiali o affiancati. rotore spinto da mori a getto ....)
A destra una visualizzazione di come si comporterebbe l'elicottero senza il rotore anticoppia.
LOCKHEED MARTIN K_MAX TAKE OFF

IL ROTORE PRINCIPALE

CERNIERA DI PASSO - Permette alla pala di ruotare intorno al proprio asse, cambiando l'incidenza.
E' su questa cerniera che, agiscono i comandi del pilota
CERNIERA DI FLAPPEGGIO - Permette alla pala di oscillare nel piano verticale alzandosi ed abbassandosi. E' quella che permette al piano del rotore di inclinarsi rispetto al velivolo.
CERNIERA DI RITARDO - Permette alla pala di ruotare nel piano orizzontale, rallentando o anticipando leggermente la rotazione. Normalmente accoppiata ad un ammortizzatore permette di limitare le sollecitazioni dovute al cambiamento ciclico della resistenza all'avanzamento della pala dovuta al cambiamento di passo.

IL ROTORE ANTICOPPIA

Il rotore anticoppia preleva la potenza necessaria dallo stesso motore che alimenta il rotore principale, tramite un albero di trasmissione che corre lungo la fusoliera.
Con la pedaliera il pilota comanda una specie di "passo collettivo" che cambia l'incidenza delle pale del rotore.
Come già detto il rotore anticoppia (e la trasmissione che lo alimenta) è un componente molto delicato.
La perdita del rotore anticoppia comporta la necessità di entrare in autorotazione in modo da eliminare la coppia motore/rotore che farebbe ruotare tutto l'elicottero impedendone ogni controllo.
Diverse sono le soluzioni nel tempo proposte per aumentarne l'efficienza e l'affidabilità.

HOW TO FLY HELICOPTER

HELICOPTER FLIGHT FOR BEGINNERS

Nell'abitacolo il pilota gestisce:

  • Una cloche come nell'aereo, qui detta "passo ciclico" che agisce sul rotore principale permettendo di comandare l'elicottero sull'asse di beccheggio e di rollio, concettualmente come la cloche sui velivoli ad ala fissa.

  • La pedaliera che comanda il rotore anticoppia e che quindi comanda il movimento dell'elicottero intorno all'asse di imbardata. Anche qui come per i velivoli ad ala fissa, con la differenza che non ha senso il comando in rullaggio (al suolo).

  • Una leva tipo "freno a mano" dell'auto, posta a sinistra del pilota, detta "passo collettivo", su cui è anche inserita una manetta simile a quella delle motociclette, che comanda il movimento verticale dell'elicottero e, di conseguenza, anche la potenza da erogare al motore. Negli elicotteri più moderni la gestione del gas legata allo sforzo del motore è automatica e quindi la leva del gas è separata, come per gli aerei.

 

IL PASSO COLLETTIVO

Il comando del passo collettivo agisce sul disco di controllo sollevandolo ed abbassandolo, questo comporta una variazione appunto "collettiva" del passo delle pale.
Siccome all'aumento dell'incidenza corrisponde anche un aumento della resistenza, e quindi della potenza necessaria richiesta al motore, solitamente sulla leva del passo collettivo è anche situata una "manetta" del tutto simile a quella montata sui manubri delle moto, in modo che con lo stesso movimento il pilota possa comandare sia la variazione del passo collettivo che la potenza erogata dal motore.

IL PASSO CICLICO

La cloche del passo ciclico ha (non a caso) effetti simili alla cloche degli aerei ad ala fissa, permettendo di controllare l'elicottero intorno all'asse di beccheggio e dfi imbardata.
Come negli aerei spingendo la cloche in avanti si accelera e tirandola indietro si rallenta.
A differenza che negli aerei, qui "rallentare" può voler dire anche andare all'indietro.
Il passo ciclico agisce sul disco di controllo inclinandolo.
Questo produce una variazione "ciclica" dell'incidenza delle pale-
In questo modo le pale producono una portanza differenziale (maggiore dove l'incidenza è più alta, minore dove è più bassa), la forza risultante fa alzare le pale (libere di muoversi grazie alla cerniera di flappeggio) da una parte ed abbassare dall'altra, in pratica inclinando il disco del rotore.
Il disco del rotore inclinandosi in avanti produce una "trazione" che fa avanzare l'elicottero.
Differentemente da quanto si può immaginare, quando la portanza diminuisce a destra il rotore (nel caso che ruoti in senso antiorario come in pratica la totalità dei rotori, ad eccezione di quelli francesi che girano al contrario) si abbassa davanti.
Questo in quanto il rotore si comporta come un giroscopio e di conseguenza reagisce alle sollecitazioni con un ritardo di 90°.
Nello stesso modo inclinando la leva del passo ciclico lateralmente si inclina a destra e a sinistra il disco del rotore, generando una forza diretta verso destra o sinistra.
Questa farà "virare" l'elicottero esattamente come l'aereo, ovvero può farlo semplicemente "traslare".

PASSO CICLICO E COLLETTIVO

I CONTROLLI DELL'ELICOTTERO

TESTA ROTORE

LA PEDALIERA

Agendo sulla pedaliera si modifica il passo delle pale del rotore anticoppia.
In questo modo si controlla l'elicottero sull'asse di imbardata.
Come per l'aereo spingendo il pedale a destra l'elicottero gira (sarebbe corretto dire "imbarda") verso destra, spingendo a sinistra imbarda verso sinistra.
Notiamo che questo modo di funzionare si porta dietro automaticamente un inconveniente.
In pratica io contrasto un momento puro (la rotazione del sistema pale/fusoliera) con una forza applicata ad una certa distanza dal centro, producendo quindi un momento contrario.
Ma resta ancora la "forza" applicata, che comunque produce una trazione laterale che fa sbandare l'elicottero.
L'elicottero pertanto non potrà avanzare restando "dritto", ma dovrà sbandare leggermente in quanto la trazione che lo sposta è la risultante di quella prodotta dal fatto di aver inclinato il rotore più la parte dovuta al rotorino di coda.

Volo a punto fisso e traslato

In volo a punto fisso il vento relativo che investe le pale del rotore è quello provocato dalla sola rotazione.
Non vi è alcuna differenza tra la pala "avanzante" quella "retrocedente".
La differenza esiste invece tra il vento che investe le pale alla radice e quello che le investe all'estremità.
Infatti la velocità della pala sarà alta all'estremità e bassa (a li limite di zero a livello del mozzo) verso la radice.
Sulle pale agisce inoltre la forza centrifuga che ha come effetto quello di irrigidirle, rendendo sostanzialmente piano il piano di rotazione del rotore.
Come già menzionato, la condizione di volo a punto fisso si dice "HOVERING".

Durante il volo traslato le cose cambiano sostanzialmente e il vento relativo sulla pala avanzante differisce notevolmente da quello che agisce sulla pala retrocedente.
In particolare, punto per punto, il vento relativo che investe l'ala è dato dalla somma di quello dovuto alla rotazione più quello dovuto all'avanzamento.
Sull'ala avanzante i due effetti si sommano, e il vento relativo è quindi maggiore di quello che si genera a punto fisso.
Sulla pala retrocedente, al contrario, il vento dovuto all'avanzamento va a sottrarsi a quello provocato dalla rotazione.
Addirittura in prossimità della radice, dove la velocità dovuta alla rotazione è bassa, il vento relativo risultante è rivolta in senso opposto, cioè dal bordo d'uscita al bordo d'entrata. Si parla infatti di zona di "flusso invertito".
Per questo sarà necessario che la pala retrocedente presenti un angolo di incidenza alto, mentre la pala avanzante avrà un angolo di incidenza basso, in questo modo si equilibra la portanza sul semirotore avanzante rispetto al semirotore retrocedente.
Queste considerazioni fanno anche comprendere quali sono i limiti operativi dell'elicottero riguardo la velocità di avanzamento.
Sulla pala retrocedente il limite è dovuto allo stallo della pala. Raggiunto il massimo angolo di incidenza ovviamente non si può andare oltre. Inoltre la zona a flusso invertito aumenta di dimensioni. Si parla quindi di STALLO DELLA PALA RETROCEDENTE.
Un rimedio a questi limiti è aumentare la velocità di rotazione delle pale, ma questo comporta un altro problema, questa volta sulla pala avanzante.
Qui la velocità di rotazione e di traslazione si sommano e alle estremità si possono raggiungere velocità supersoniche incompatibili con la dinamica del rotore.
Questa volta si parla di STALLO DELLA PALA AVANZANTE.

Effetti incrociati dei comandi

PRIMA LEZIONE DI VOLO IN ELICOTTERO

La vera difficoltà nel pilotaggio dell'elicottero è il gestire gli effetti indotti dei comandi.
Nel senso che, ad esempio, un aumento del passo collettivo voluto per alzarsi produce un aumento della resistenza alla rotazione e di conseguenza un'imbardata che bisogna contrastare con la pedaliera.
Aumentando la forza sul rotorino di coda, però, si genera anche una trazione laterale, che bisogna contrastare spostando lateralmente nel senso opposto il passo ciclico.

Se invece sposto il passo ciclico in avanti, per avanzare, una parte della portanza verrà utilizzata per produrre trazione, e questo induce alla necessità di agire sul passo collettivo per ripristinare la portanza necessaria al sostentamento.
Di conseguenza l'aumento della coppia e il relativo comando da dare al rotore di coda, e ancora la necessità di inclinare il rotore anche lateralmente per contrastare la traslazione.
 

 

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