aeroplano
Aerodina, destinata a partire e tornare su superfici solide, in grado di sostenersi e dirigersi nell’aria mediante superfici alari fisse e adeguati sistemi motopropulsivi. L’a. è il più comune e sviluppato degli aeromobili terrestri (➔ aeronautica).
Architettura
In un a. si distinguono le seguenti parti fondamentali (fig. 1): l’ala o cellula; gli organi o superfici di controllo (alettoni, impennaggio orizzontale, impennaggio verticale); i comandi di volo; la fusoliera; l’apparato propulsore; organi per il decollo e l’atterraggio (carrello, pattini e sci). Fanno pure parte dell’a. gli strumenti, gli impianti e le installazioni di bordo che possono avere sviluppo, estensione e complessità diversi.
Ala e organi di controllo.L’ala o cellula è l’organo sostentatore fondamentale e dà origine alla portanza, la forza di natura aerodinamica che permette all’a. di sostentarsi nell’aria. Quasi tutta la portanza, che equilibra esattamente il peso nel volo orizzontale, proviene dall’ala; modesti contributi alla sostentazione possono provenire dalla fusoliera, dagli impennaggi orizzontali e da altri organi essenzialmente resistenti esposti alla corrente. Secondo il tipo di cellula, cioè secondo il numero, le dimensioni e la disposizione delle ali, l’a. si distingue in monoplano, biplano, triplano ecc. Viene definito sesquiplano un biplano in cui un’ala (di solito quella superiore) è più grande dell’altra. La tendenza prevalente è però verso il monoplano con ala completamente a sbalzo; il monoplano con ala controventata, usato nel passato, oggi è rimasto solamente per qualche raro tipo di a. leggero per turismo. Riguardo alla posizione dell’ala rispetto alla fusoliera si distinguono a. ad ala alta, bassa, media. La scelta di tale architettura dipende essenzialmente da esigenze di carattere strutturale, operativo (visibilità durante le manovre) e di stabilità. Predomina la soluzione con ala bassa o media, ma pure assai impiegata è l’ala alta. Va inoltre ricordata l’ala attraversante o passante, così detta perché la sua struttura attraversa la fusoliera; per motivi di ingombro interno è usata solo su alcuni velivoli di grandi dimensioni. Per gli a. più veloci del campo subsonico e per i supersonici sono in uso anche l’ala a freccia così detta perché vista dall’alto ha l’aspetto di una V molto aperta rivolta all’indietro, l’ala a delta di forma triangolare e l’ala a geometria variabile, la quale ha la possibilità di variare l’angolo formato con la fusoliera. Dell’ala fanno parte gli alettoni, piccole superfici poste alle estremità posteriori laterali dell’ala che si muovono in opposizione (mentre uno si alza, l’altro si abbassa), e gli ipersostentatori, superfici che si applicano all’ala per accrescerne la capacità sostentatrice. La manovra degli alettoni, introdotti da Blériot in sostituzione dello svergolamento alare, provoca una rotazione attorno all’asse longitudinale detto asse di rollio. L’impennaggio orizzontale consta della parte fissa, detta stabilizzatore, e della parte mobile, detta comunenente equilibratore, e ha il duplice scopo di rendere l’a. stabile longitudinalmente e di variarne l’assetto, facendolo ruotare attorno all’asse trasversale, detto asse di beccheggio: più precisamente la rotazione che tende a innalzare la prua è detta cabrata; quella in senso contrario picchiata. L’impennaggio verticale consta della parte fissa detta deriva e della parte mobile detta timone di direzione; ha il compito di fornire all’a. la necessaria stabilità direzionale e di farlo ruotare attorno all’asse verticale o asse di imbardata; alle volte l’impennaggio verticale è doppio e disposto alle estremità di quello orizzontale; non mancano esempi di impennaggi tripli. La rotazione attorno all’asse verticale è definita anch’essa imbardata. Tutte le superfici mobili (alettoni, timone di profondità e di direzione) sono di solito fornite di piccole alette aventi funzioni diverse; le più comuni sono le alette di correzione, regolabili in volo, che rendono aerodinamicamente stabili le superfici stesse in modo che il velivolo mantiene da solo un costante assetto di volo. Nelle evoluzioni e nelle acrobazie il pilota impegna simultaneamente e coordinatamente alettoni, equilibratore e timone di direzione. Nei primi a. gl’impennaggi erano disposti anteriormente (a. canard) e alcuni progetti di a. supersonici riprendono in considerazione tale disposizione per diminuire la velocità durante il decollo. In alcuni a. a delta senza piani orizzontali di coda si hanno gli elevoni, superfici di controllo che se azionate in senso opposto sono alettoni, se azionate nello stesso senso sono timoni di quota.
Comandi di volo.Consentono al pilota di agire sulle superfici di controllo: consistono nella barra per azionare gli alettoni e l’equilibratore e nella pedaliera per il timone di direzione. La barra, posta davanti al pilota, può essere mossa in avanti, indietro, a destra, a sinistra e in tutte le altre posizioni combinate; spostandola in avanti o indietro, si agisce sul timone di quota, la cui rotazione provoca rispettivamente una picchiata o una cabrata; analogamente, spostandola a destra o a sinistra si agisce sugli alettoni e si ottiene l’inclinazione dell’a.; il comando è realizzato in modo da poter eseguire simultaneamente gli spostamenti (avanti a destra, avanti a sinistra ecc.). La pedaliera, costituita da due pedali collegati tra loro, agisce sul timone di direzione e fa ruotare il velivolo attorno all’asse di imbardata; i pedali agiscono anche sull’impianto freni. Il necessario collegamento tra i comandi di volo e le superfici di controllo può essere meccanico (comandi reversibili: cavi metallici e aste rigide); nei velivoli di grandi dimensioni, o molto veloci, il movimento delle superfici viene effettuato mediante l’impiego di adeguati servocomandi idraulici che riducono lo sforzo del pilota e sono azionabili anche dai segnali elettrici emessi dall’autopilota o dall’elaboratore elettronico di bordo; sugli a. da addestramento e sui velivoli da trasporto, i comandi di volo sono doppi e collegati tra di loro (a. a doppio comando). Altri comandi di volo a disposizione del pilota sono quelli dei motori, della variazione del passo dell’elica, della fuoriuscita e retrazione del carrello d’atterraggio, degli ipersostentatori, dei flettner, dei freni aerodinamici, dei dispositivi antighiaccio ecc.
Fusoliera.Ha il duplice scopo di collegare l’ala con gli impennaggi e di contenere il carico utile (equipaggio, combustibile, passeggeri, merci); il resto del carico, a volte, è sistemato nelle ali o all’esterno (serbatoi ausiliari, bombe); nei monomotori la fusoliera contiene di regola anche il gruppo propulsore. La sua sezione varia a seconda del tipo di velivolo: ovale, quadrangolare, bilobata; di solito nei grandi a. commerciali è circolare perché garantisce una buona utilizzazione dello spazio interno. Per gli a. supersonici la fusoliera è particolarmente lunga e affusolata al fine di consentire la migliore penetrazione nell’aria alle alte velocità. Negli a. di medie prestazioni è normalmente costituita da elementi longitudinali e trasversali interni, a guisa di gabbia, rivestiti di lamiera in leghe di alluminio; nelle più moderne costruzioni invece il rivestimento esterno, insieme agli elementi resistenti interni, concorre ad assicurare la necessaria rigidità strutturale (fusoliera a guscio rinforzato o a semiguscio). La fusoliera è rinforzata in corrispondenza delle aperture (finestrini e porte di carico) e degli attacchi delle ali.
Apparato propulsore.La forza motrice necessaria al volo viene fornita dall’apparato propulsore che può essere di vario tipo: motore alternativo collegato a un’elica; turboelica (l’elica è azionata da un motore a turbina), turboreattore o turbogetto (fornisce una spinta in avanti mediante l’eiezione veloce dei gas di scarico), che può essere dotato di postbruciatore (dispositivo che consente di aumentare considerevolmente la spinta); il turbogetto viene normalmente impiegato su a. molto veloci, sia militari sia civili; va infine ricordato l’endoreattore (o motore a razzo), cosiddetto perché porta in sé, in serbatoi separati, sia il combustibile sia il comburente e può quindi essere utilizzato su veicoli spaziali; negli a. è stato usato per conferire forti accelerazioni iniziali. Per gli a. a elica il motore, se unico, è di solito sistemato all’estremità anteriore della fusoliera; se si hanno più motori, questi sono sistemati in gondole ben carenate collegate all’ala. Per i turboreattori la sistemazione nella fusoliera è posteriore rispetto al pilota e le prese dell’aria sono ricavate sui fianchi della fusoliera o sulla prua. Per gli a. con più motori a reazione, questi sono alloggiati entro gondole ben carenate, alle volte incorporate all’ala o più spesso esterne a essa; i motori sono anche sistemati lateralmente alla fusoliera, verso la coda, al fine di migliorare l’insonorizzazione della fusoliera.
Organi per il decollo e l’atterraggio.Hanno lo scopo di fornire un adeguato appoggio sul terreno durante gli spostamenti a terra (rullaggio) e nelle fasi di decollo e atterraggio; essenzialmente l’insieme è composto di ruote, gambe di forza e ammortizzatori oleopneumatici atti ad assorbire l’impatto con il suolo durante l’atterraggio; questo complesso è chiamato comunemente carrello e può essere fisso o retrattile in volo entro vani ricavati nelle ali o nelle gondole motrici o nella fusoliera allo scopo di ridurre la resistenza aerodinamica. Il carrello normale è costituito da due gambe anteriori poste sotto le ali e da un ruotino o pattino sotto l’estremità posteriore della fusoliera; gli a. destinati a operare su neve o ghiaccio hanno sci collegati alle strutture sempre mediante ammortizzatori.
Strumenti di bordo.Possono essere divisi in tre gruppi: strumenti di pilotaggio, di navigazione, di controllo. Al primo gruppo appartengono: l’indicatore di velocità, l’indicatore di virata e sbandamento, il variometro, l’orizzonte artificiale, l’accelerometro. Al secondo gruppo: le bussole, i sestanti mobili o fissi (periscopici), i complessi giroscopici e i relativi indicatori per la navigazione inerziale, i complessi strumentali per i vari tipi di navigazione iperbolica, per la navigazione radioassistita e per l’atterraggio senza visibilità, l’altimetro barometrico e il radar-altimetro, il direzionale giroscopico, l’orologio. Al terzo gruppo: il tachimetro del motore, il manometro per la pressione di alimentazione nei motori sovralimentati, il manometro per la pressione del lubrificante, il manometro per la pressione di alimentazione del combustibile, i termometri per la temperatura del lubrificante, le termocoppie per la misurazione della temperatura delle teste dei cilindri e dei gas nelle turbine, gli avvisatori di incendio, gli indicatori di posizione per gli ipersostentatori, per le alette, per il carrello, il passo delle eliche, il livello del combustibile ecc., i voltmetri e gli amperometri per il controllo del circuito elettrico, i manometri di controllo del circuito idraulico, pneumatico ecc. Nei moderni a. i vari strumenti e sistemi di navigazione e di controllo si avvalgono sempre più spesso di complesse apparecchiature elettroniche facenti capo a elaboratori elettronici che provvedono all’acquisizione automatica dei dati relativi al volo, al volo programmato ecc.; il complesso di tali apparecchiature costituisce l’avionica (➔) dell’aeroplano.
Evoluzione
La struttura dei primi a. era necessariamente fragile, rozza e molto ingombrante; le ali di tela, le grosse ruote, i pattini e l’abbondante intreccio di cavi e controventature penalizzavano notevolmente l’aerodinamicità del velivolo. Scopo principale dei numerosi costruttori fu, per molti anni, il miglioramento delle caratteristiche di volo, ottenuto prima attraverso il potenziamento delle unità motrici, poi mediante l’affinamento aerodinamico. La retrazione del carrello in volo, con notevolissima riduzione della resistenza (circa il 25-30%), costituì un passo notevole; un’ulteriore riduzione di resistenza fu ottenuta carenando i motori stellari e intubando i radiatori dei liquidi refrigeranti dei motori e dei lubrificanti. Studi più recenti hanno posto in evidenza la necessità di migliorare il rendimento aerodinamico dell’a. per ottenere velocità sempre maggiori, donde il notevole impulso alle prove sperimentali in gallerie aerodinamiche su modelli in scala al fine di migliorare la finezza delle forme, ridurre le interferenze dovute al flusso d’aria su ali e fusoliera, studiare superfici sempre più levigate e prive della benché minima asperità. Per ottenere inoltre una diminuzione della resistenza alare, che costituisce quasi il 50% della resistenza totale dell’a., si cerca di adottare ali che, a parità di portanza, abbiano dimensioni minori. Il carico alare è salito così da poche centinaia di N/m2 per i primi a. a valori superiori a 6000 N/m2 per gli attuali a. veloci di grossa mole, civili e militari. L’aumento del carico alare implica necessariamente l’aumento della velocità di decollo e atterraggio; questo aumento è stato contenuto con l’adozione degli ipersostentatori. Le fasi di arrivo e partenza sono state rese del tutto sicure con l’adozione del carrello triciclo e piste di adeguata lunghezza. Il decollo dei velivoli ad alto carico alare viene talvolta facilitato dall’uso di dispositivi acceleratori (razzi acceleratori di involo, postbruciatori ecc.).
Il binomio motore alternativo-elica ha rappresentato per molti anni il propulsore aeronautico per eccellenza, portato grazie a continui miglioramenti a elevati livelli di perfezione. L’elica, costituita da due o più pale collegate tra loro e calettate sull’albero portaelica con un determinato angolo (angolo di calettamento), ha lo scopo di spingere indietro, accelerandola, una determinata massa d’aria, ottenendo così una reazione diretta in avanti; se però si considera la resistenza che l’elica incontra nel suo avanzare nell’aria, si comprende come, all’aumentare della velocità di volo, il suo rendimento diminuisca. In un primo tempo si è cercato di ovviare a tale inconveniente con l’adozione di eliche a passo variabile in cui le pale, variando l’angolo di calettamento su comando del pilota, possono fornire il miglior rendimento nelle diverse condizioni di volo; nelle eliche a giri costanti tale variazione avviene automaticamente e il rendimento dell’elica è ancora più regolare. Molti a. sono dotati di eliche a passo reversibile nelle quali le pale possono ruotare completamente sul loro asse così da opporsi all’avanzamento e fungere da freno nella fase di atterraggio. Con l’avvento del turboelica si sono ottenute potenze maggiori e velocità di volo più elevate in aggiunta a pesi, ingombro e consumo minori, così che il turbogetto ha quasi totalmente sostituito la propulsione a elica grazie alle sue caratteristiche peculiari quali l’elevata spinta fornita, la leggerezza, l’affidabilità di funzionamento e l’ottimo rendimento, unito al basso consumo, nell’impiego ad alta quota; il motore a turbina può essere dotato di invertitore di spinta che, deviando verso l’avanti i gas di scarico, produce un effetto frenante e fa diminuire notevolmente la corsa di atterraggio. Importanti i turbogetti a due flussi: in essi una parte dell’aria che entra dalle prese non prende parte al processo termodinamico, ma passa all’esterno delle camere di combustione (by-pass).
Materiali e strutture
Nelle costruzioni aeronautiche è d’obbligo l’impiego di materiali che, a parità di resistenza alle sollecitazioni, presentino la minor massa; dal legno e tela usati per le prime strutture, si è passati alle leghe leggere e ultraleggere di alluminio e di materiale in fibra (compositi). Con l’avvento del turbogetto si è manifestata la necessità di disporre di leghe particolari in grado di sopportare elevatissime temperature (circa 900 °C) per la costruzione delle palette della turbina, delle pareti della camera di combustione e del cono di scarico; esse sono di norma costituite da 80% di nichel e 20% di cromo con l’aggiunta di quantità variabili di titanio (leghe nimonic); altre leghe metalliche sono gli acciai speciali (al nichelcromo, al manganese, al cromo-vanadio ecc.) usati per gran parte della struttura di un velivolo; spesso vengono impiegati particolari mastici per l’incollaggio di lamiere a caldo e sotto pressione (Redux, Araldite ecc.).
La tendenza costruttiva si orienta verso le strutture a guscio rinforzate, nelle quali la lamiera esterna non ha solo funzione di rivestimento, ma è anche parte resistente della struttura stessa. Pure usate sono le strutture sandwich e si sono avuti esempi di strutture geodetiche. Gli a. supersonici sono costruiti con leghe ad alto tenore di titanio in grado di assicurare una notevole resistenza alle sollecitazioni termiche dovute all’attrito dell’aria che si sviluppa alle alte velocità di volo. La costruzione delle strutture fondamentali del velivolo in parti separate, che vengono poi unite in fase di montaggio (assemblaggio finale), è stata resa possibile dall’impiego di materiali compositi, costituiti dall’unione di fibre sintetiche o metalliche realizzata con l’uso di leganti speciali (fibre di vetro o di boro o di grafite in resina epossidica ovvero fibre di boro in una matrice di lega di alluminio). I compositi sono usati anche per elementi primari come le ali, mentre i ceramici in elementi strutturali sottoposti a usura. La rilevazione delle vibrazioni allo scopo di ridurre le sollecitazioni di fatica è prevista per migliorare sicurezza e comfort, mentre per la navigazione si fa uso del sistema GPS. L’avionica dell’a., infine, registra una crescente affermazione dei sistemi di comando fly by light, privi di interferenze elettromagnetiche.
In fase di costruzione è norma l’adozione combinata di calcolo e sperimentazione: il primo per prevedere il comportamento dei profili alari per vari assetti, la velocità, le eventuali turbolenze, la seconda per verificare le previsioni teoriche. Allo scopo sono state realizzate apposite gallerie aerodinamiche (➔ galleria).
Carico utile e massa totale
Uno degli indici più significativi di progresso tecnico degli a. è il rapporto tra carico utile e massa totale massima dell’a. all’involo. Gran parte delle ricerche tecniche e scientifiche aeronautiche mira direttamente o indirettamente a migliorare quest’indice; la riduzione, al minimo compatibile con la robustezza, della massa a vuoto è di capitale importanza nelle costruzioni aviatorie; la massa, e quindi il peso a vuoto oltre certi limiti compromettono irrimediabilmente la riuscita di una qualsiasi macchina aerea. Per piccoli a. il rapporto tra il carico utile e la massa totale varia tra 0,25 e 0,30; per a. di media mole è di 0,3-0,4; per a. con massa dell’ordine di 10 t si può arrivare anche oltre 0,5; questi valori si riferiscono ad a. con motori alternativi.
Tipi di aeroplani
Velivoli civili.Possono essere per allenamento, scuola, turismo, acrobazia, per trasporto di merci e persone (fig. 2), postali, da noleggio (aerotaxi), per lavoro aereo (fotografia, fotogrammetria, pubblicità, spargimento d’insetticidi, per provocare la pioggia artificiale ecc.), sanitari, con lettini-barelle e pronto soccorso in volo. Si hanno a. per rimorchio di alianti; a. laboratorio sono quelli per ricerche in volo (di aerodinamica, propulsione, resistenza del materiale, o d’altra natura: radiazione cosmica, meteorologia, radio, radar ecc.). Sono stati sperimentati a. con parte della fusoliera sganciabile a terra per facilitare le operazioni di carico e scarico. A seconda della velocità si hanno a. subsonici, transonici, supersonici e ipersonici. Sono denominati wide body gli a. con fusoliera di grande sezione, capaci di trasportare da 300 a oltre 500 passeggeri su lunghe tratte.
Velivoli militari.I velivoli militari, in quanto pensati e realizzati in vista di conseguire prestazioni più avanzate, hanno precorso lo sviluppo degli a. civili costituendo il banco di prova delle tecnologie aeronautiche più avanzate sia nel campo delle strutture degli a. sia in quelli complementari dei sistemi propulsivi e avionici.
a) A. da combattimento: possono essere ottimizzati per la caccia, per l’attacco a bersagli terrestri o navali, oppure essere multiruolo, cioè in grado di essere adibiti a compiti differenti, anche durante la stessa missione, ricorrendo a vari sistemi d’arma. I più sofisticati sono dotati di avionica ognitempo, costituita da apparati di navigazione inerziale e satellitare, radar multifunzione, sistemi di visione termica o a intensificazione di luce, nonché apparati di puntamento laser. Possono operare in qualunque condizione di luce e, con poche limitazioni, anche in caso di nebbia. Utilizzano normalmente missili aria-aria e aria-suolo, bombe a guida laser o satellitare, razzi e bombe a caduta libera o frenata. Per i modelli da combattimento più sofisticati, si ricorre oggi a tecniche costruttive tali da minimizzare la segnatura radar, infrarossa e acustica (a. stealth), nonché a sistemi elettronici particolarmente complessi, che di norma rappresentano più della metà del costo del velivolo.
b) A. da ricognizione: possono essere derivati dai modelli da combattimento mediante l’adozione di sistemi di ripresa ottica o elettronica. Sono in progressiva sostituzione a opera dei velivoli senza pilota, che possono rimanere in operazione per decine di ore.
c) A. da guerra elettronica: possono svolgere funzioni di intercettazione dei segnali nemici oppure di disturbo delle comunicazioni e dei radar. Questi a. operano all’interno delle formazioni da combattimento, oppure possono rimanere a distanza di sicurezza, fuori dallo spazio aereo nemico.