aeroelasticità

aeroelasticità Scienza che ha per oggetto l’indagine, teorica e sperimentale, sulle interazioni fra le sollecitazioni di origine fluidodinamica alle quali sono soggette determinate strutture elastiche e le deformazioni da esse indotte nelle strutture stesse. Come tale, l’a. interessa vari e vasti campi della tecnica: dalle costruzioni edili ai ponti, da taluni tipi di macchine a fluido alle costruzioni navali; e in special modo all’aerotecnica, per la particolare pericolosità di taluni fenomeni aeroelastici nella navigazione aerea, e alla navigazione spaziale, per la particolare complessità e delicatezza di problemi che si presentano sia nella fase di lancio sia in quella di volo spaziale, di rientro e di atterraggio.

I fenomeni aeroelastici possono essere statici o dinamici; questi, in genere, con carattere oscillatorio. I più importanti tra essi rientrano, comunque, nella categoria dei fenomeni autoeccitati, con decorsi divergenti o amplificati in assenza di vincoli limitativi, o comandi, capaci di variare efficacemente le condizioni esterne. Le conseguenze nocive, talvolta catastrofiche, dei fenomeni aeroelastici possono esser dovute a uno o più dei seguenti motivi: rottura di strutture portanti; riduzione o annullamento dell’efficacia dei comandi, o inversione dei loro effetti; danneggiamento, per i velivoli, delle caratteristiche di volo (per es. della stabilità).

v. fig.

I fenomeni di a. sono efficacemente sintetizzati dallo schema di Collar (v. fig.): con A, E, I, si indicano rispettivamente le forze aerodinamiche, elastiche, di inerzia e di massa. Le forze aerodinamiche ed elastiche sono quelle che danno luogo ai casi di a. statica (AS). Tipici, tra questi, la divergenza (D) e l’inversione comando (IC). La divergenza consiste essenzialmente nell’amplificazione delle deformazioni elastiche di torsione dell’ala al crescere della velocità di volo, sino al collasso dell’ala. La velocità di volo, per una data quota, corrispondente all’indifferenza dell’equilibrio elastico tra coppie aerodinamiche e coppie elastiche è detta ‘velocità di divergenza’ o ‘velocità critica statica’; questa velocità cresce con la rigidezza torsionale dell’ala e dipende dalla posizione dell’asse focale rispetto all’asse di torsione. Caso caratteristico di inversione comando è, per es., quello relativo al comando degli alettoni: tale fenomeno si verifica a un’altra velocità critica (‘velocità di inversione’), alla quale il movimento degli alettoni provoca delle deformazioni elastiche nella struttura dell’aeromobile tali da suscitare dei movimenti aerodinamici che invertono gli effetti del movimento degli alettoni stessi: a una velocità superiore a quella di inversione un comando tendente a far inclinare il velivolo a sinistra provoca un’inclinazione a destra. Altri casi di a. statica hanno la loro origine in deformazioni strutturali di varia natura, che fanno variare sostanzialmente le incidenze delle ali e degli impennaggi, la forma dei rivestimenti alari ecc.; fra esse, per es., la deformazione a flessione delle ali a freccia, la quale, provocando un aumento delle incidenze dei profili alari con l’aumentare della velocità, fa sì che vari la distribuzione della portanza e per conseguenza le caratteristiche di stabilità statica, di comando ecc.

I casi di a. dinamica nascono dalle forze aerodinamiche, elastiche, e di massa. Tipico per le costruzioni aeronautiche, tra i fenomeni di a. dinamica, il flutter (F) delle ali, detto anche, in italiano, autovibrazione o vibrazione autoeccitata. Sul flutter hanno grande influenza la distribuzione delle masse proprie dell’ala e di quelle aggregate all’ala (serbatoi di estremità, gruppi motopropulsori alari, serbatoi alari, carrelli, armi ecc.), nonché la distribuzione delle rigidezze flessionali e torsionali. Se, per una causa qualsiasi, l’ala o l’alettone, in assenza di vento, vengono spostati dalla posizione di equilibrio, essi entrano in vibrazione di torsione e flessione, secondo deformate dinamiche, composte, in generale, di tutte le armoniche; queste vibrazioni vanno via via smorzandosi sia per effetto dello smorzamento aerodinamico sia per effetto dello smorzamento interno del materiale e di quello dovuto ai vari vincoli e collegamenti. Analogamente avviene, entro certi limiti, anche in presenza di ‘vento relativo’, cioè in volo. Ma al crescere della velocità lo smorzamento aerodinamico a torsione o flessione diviene sempre meno efficace, fino a quando le vibrazioni cominciano ad amplificarsi a spese dell’energia cinetica sottratta al vento relativo. La velocità cui corrisponde la persistenza delle vibrazioni è detta anche ‘velocità critica dinamica’; se l’alettone è libero aumentano i gradi di libertà e generalmente la velocità critica si abbassa. Il flutter è certamente tra i fenomeni di a. più pericolosi. Altro fenomeno di a. dinamica è il buffetting (B), detto anche buffet o scuotimento, consistente nell’insorgere di vibrazioni e scuotimenti irregolari nella struttura del velivolo, causati da turbolenza dell’aria. Il buffetting non è in generale pericoloso, ma contribuisce all’affaticamento del materiale delle strutture di coda e porta a limitazioni del numero di Mach e del coefficiente di portanza che un velivolo può raggiungere in volo. Cospicui effetti dinamici e aeroelastici in particolare sono dovuti alle raffiche (R) e in generale al volo in aria agitata. Altri effetti notevoli hanno origine dalla cosiddetta risposta dinamica (RD), cioè dalla risposta del velivolo all’applicazione più o meno brusca di comandi, da parte del pilota o di servomeccanismi, per effetto della quale vengono a variare improvvisamente le forze aerodinamiche applicate alle strutture e si producono in conseguenza vibrazioni, fatti aeroelastici vari, affaticamento del materiale.