elicottero
Aeromobile, aerogiro, fornito di un’elica (o più eliche) ad asse verticale, chiamata rotore, che ne assicura la sostentazione e la traslazione.
Cenni storici
Preconizzato da Leonardo, l’e. fu costruito per la prima volta come modello volante da E. Forlanini, nel 1877, con un piccolo motore a vapore; al problema dell’e. si interessarono, tra gli altri, anche A. Marchetti e C. D’Ascanio. Un contributo decisivo al progresso dell’e. fu portato da J. de La Cierva con i suoi autogiri. Ma chi più di ogni altro si dedicò alla soluzione dei numerosi problemi collegati allo sviluppo dell’e. fu I. Sikorsky, alla cui figura di pioniere-inventore si devono le più brillanti realizzazioni in tale campo. Dopo le prime realizzazioni di e. (L.-C. Breguet 1907, D’Ascanio 1930) caratterizzate, nella maggior parte dei casi, dalla formula dei rotori controrotanti, si è giunti all’affermazione della formula del rotore singolo con rotore anticoppia. Il modello Sikorsky VS 300 confermò la validità di tale formula e delle scelte del suo costruttore-collaudatore che lo pilotò felicemente nel primo volo (14 settembre 1939). I successivi perfezionamenti hanno fatto dell’e. un aeromobile la cui versatilità lo rende adatto a impieghi diversi.
Aerodinamica
Nell’e. la forza sostentatrice (portanza) e quella di traslazione (trazione) sono generate da un unico apparato, il rotore, costituito da due o più pale di notevole allungamento, collegate a un asse verticale (albero del rotore) attorno al quale ruotano. Tale rotazione è ottenuta con un motore alternativo o a turbina. La caratteristica principale di una pala (a in fig. 1 A) del rotore è quella di poter ruotare attorno al proprio asse longitudinale b, variando in tal modo l’angolo di calettamento o angolo di passo (angolo α tra la corda del profilo della pala e il piano ortogonale all’asse del rotore) allo scopo di aumentare o diminuire l’incidenza della pala stessa. A ogni variazione dell’angolo di passo corrisponde una variazione di portanza, per cui se la portanza aumenta l’e. sale di quota, inversamente se diminuisce. La trazione necessaria all’e. per spostarsi orizzontalmente viene ottenuta inclinando il rotore nella direzione desiderata. In tal modo la forza aerodinamica sostentatrice, che nel volo stazionario è diretta verticalmente (P in fig. 1 B, che equilibra il peso Q dell’e.), si inclina nella stessa direzione dando origine a una componente disposta nel piano orizzontale (T; fig. 1C) che permette la traslazione dell’e. equilibrando la resistenza aerodinamica R.
Il comando a disposizione del pilota per variare in modo uniforme su tutto il disco l’angolo di passo allo scopo di far salire o scendere l’e. è costituito dalla leva del passo collettivo (o semplicemente del collettivo), che agisce simultaneamente su tutte le pale del rotore (fig. 1A) alzando o abbassando, della stessa entità, le aste di collegamento c, il piatto oscillante (o nutante) inferiore fisso d e, tramite un cuscinetto a sfere, il piatto oscillante superiore e che ruota con il rotore, determinando così la rotazione delle pale intorno al proprio asse a mezzo delle aste di comando f. A ogni aumento dell’angolo di passo corrisponde anche un aumento della resistenza all’avanzamento nell’aria della pala. Come accade per l’aeroplano, quando si vuole salire di quota bisogna aumentare la potenza motrice; a tal fine l’e. dispone di un comando di potenza o comando del gas, a manopola girevole, posta sull’impugnatura della leva del passo collettivo, in maniera che il pilota possa agire contemporaneamente sulla potenza richiesta e sul passo delle pale, per mantenere invariato il numero di giri del rotore. In caso di avaria al motore una ‘ruota libera’, montata sulla trasmissione di potenza, permette al rotore di porsi in autorotazione. In tal modo il rotore funge da freno alla caduta dell’e., permettendo al pilota di effettuare una discesa controllata fino al suolo.
Il comando a disposizione del pilota per inclinare il rotore e quindi per far traslare l’e. è costituito dalla leva del passo ciclico (o semplicemente del ciclico), che determina (fig. 1 A), tramite un opportuno meccanismo di comando delle aste di collegamento c, l’inclinazione del piatto oscillante inferiore fisso d e quindi del piatto oscillante superiore e, che, ruotando con il rotore, fa variare ciclicamente, a mezzo delle asse di comando f, l’angolo di passo delle pale, generando una variazione della portanza, anch’essa ciclica, nella zona opportuna per determinare l’inclinazione del rotore in una qualsiasi direzione. L’inclinazione laterale del rotore serve per effettuare le virate. La fig. 2 mostra il meccanismo di comando del rotore di un e. di grandi dimensioni. Allo scopo di equilibrare la coppia di reazione del rotore, che tende a far ruotare la fusoliera in senso opposto a quello del rotore stesso, si adottano diverse soluzioni: a) adozione di due rotori, coassiali, controrotanti; b) adozione di un piccolo rotore ad asse orizzontale, situato all’estremità della coda (rotore anticoppia o di coda), che dà origine a una forza diretta nel piano orizzontale che si oppone alla rotazione della fusoliera e che varia al variare dell’angolo di passo delle pale del rotore di coda (controllato dal pilota mediante il comando della pedaliera); c) impiego di un getto d’aria, generato da un compressore posto in fusoliera, che esce da un foro posto su un fianco della fusoliera stessa (sistema NOTAR: no tail rotor); d) adozione di rotori ad assi paralleli disposti in tandem, sincronizzati e ruotanti in versi opposti, con pale non interferenti tra loro; e) adozione di rotori distinti, sincronizzati, ruotanti in versi opposti con pale interferenti (tale formula è scarsamente impiegata a causa delle notevoli difficoltà costruttive). La soluzione più impiegata è quella con rotore principale e rotore anticoppia.
Considerando che la pala del rotore si comporta aerodinamicamente come un’ala, si può comprendere che quando l’elicottero è in volo stazionario ogni pala ha, rispetto all’aria, la medesima velocità relativa, cioè la velocità di rotazione del rotore. In tal caso la portanza che si genera sulle pale è uguale per ciascuna di esse, in ogni posizione occupata dalle pale durante la rotazione. Se l’e. è in volo traslato, per es. in avanti, la pala che nel suo moto di rotazione sta avanzando (pala avanzante) possiede, rispetto all’aria, una velocità relativa che è data dalla somma di quella di rotazione e di quella di traslazione. Nello stesso istante la pala opposta alla prima, che sta perciò retrocedendo (pala retrocedente), possiede, rispetto all’aria, una velocità relativa pari alla differenza fra le due velocità. Ne deriva che la portanza che si genera sulla pala avanzante è maggiore di quella della pala retrocedente, essendo la portanza funzione della velocità. Nasce così una dissimmetria di portanza che causa squilibrio aerodinamico sul rotore e quindi sull’elicottero. A correggere questa dissimmetria provvedono le cerniere di flappeggio (b; fig. 2), ideate da J. de La Cierva, grazie alle quali la pala avanzante si solleva di più dell’altra diminuendo così l’area del semidisco rotorico dalla sua parte; tale cerniera è sostituita spesso da un giunto elastico, detto cuscinetto elastomerico. Però con l’aumentare della velocità di traslazione aumenta tale dissimmetria, fino a un valore critico che si manifesta quando il rotore genera portanza solo sulla pala avanzante, mentre la pala retrocedente va in stallo e l’elicottero tende a capovolgersi. Si può allora dire che la velocità di stallo (velocità critica di volo) dell’elicottero è la massima velocità a cui esso può volare. Inoltre si deve considerare che la velocità di rotazione del rotore non deve raggiungere valori tali da far superare alle estremità delle pale la velocità del suono. Infatti le vibrazioni che si ingenerano a tali velocità sono pericolose per la resistenza strutturale delle pale del rotore. Nonostante le limitazioni della velocità di volo e di rotazione del rotore, l’e. è una macchina insostituibile per la capacità di sostentarsi in volo stazionario indipendentemente dal moto di traslazione.
Impiego e sviluppo
Gli impieghi civili dell’e. sono vari: dal trasporto, su brevi e medi percorsi, di passeggeri, merci e posta, alla sorveglianza antincendio di boschi; dall’ispezione dei grandi elettrodotti e oleodotti, alle esplorazioni archeologiche e minerarie; dal servizio di polizia stradale e costiera, al salvataggio in zone montane e in mare; dal lavoro agricolo (semina, impollinazione, spargimento d’insetticidi), a servizi pubblicitari, fotografici; dal collegamento con le piattaforme petrolifere in mare, al trasporto di materiali in zone impervie di alta montagna ecc. E. di grande mole sono inoltre impiegati come gru volanti per il trasporto e la messa in opera di strutture e manufatti di notevoli dimensioni.
Sono anche notevoli e di vario genere gli impieghi militari dell’e.: per l’osservazione tattica e il controllo del tiro delle artiglierie, la ricognizione marittima e la lotta antisommergibile (con e. aventi come base navi da guerra), il trasporto di rifornimenti o di truppe speciali, la partecipazione diretta ad azioni tattiche (e. armati di missili e mitragliere) ecc.
Il miglioramento delle prestazioni, oltre che in un aumento dell’attuale velocità massima, può consistere in un aumento del carico utile. Per quanto riguarda l’aumento della velocità, essa è ormai arrivata al limite (401 km/h, record stabilito nel 1986) per l’e. del tipo a un solo rotore, perché, come spiegato precedentemente, quando la velocità della pala retrocedente uguaglia in media quella di traslazione dell’e., la pala va in stallo; per superare questo limite, devono essere studiati nuovi sistemi. Per quanto riguarda un aumento del carico utile, riduzioni di massa a vuoto dell’e., con conseguente incremento del rapporto fra massa al decollo e massa a vuoto, possono attendersi non solo dal più elevato rapporto fra potenza e massa dei motori, ma anche da un più ampio uso di materiali compositi e dall’adozione di procedimenti di calcolo strutturale avanzati. Le prestazioni in volo stazionario e in volo traslato possono migliorare, grazie a più approfonditi studi (anche con modelli matematici) del campo aerodinamico in cui opera il rotore, mediante la realizzazione di pale ottimizzate in relazione alle diverse condizioni di impiego; ciò è favorito anche dalla disponibilità di materiali compositi e dall’impiego di elastomeri che consentono di realizzare nuovi tipi di cuscinetti per l’innesto delle pale del rotore al mozzo.
L’aumento delle capacità operative dell’e. è connesso soprattutto all’uso sempre più ampio dell’avionica, sia per quanto riguarda la gestione del mezzo sia per quanto riguarda la missione del volo: è infatti possibile realizzare un sistema di raccolta e di elaborazione di dati, con presentazioni sintetiche delle risposte richieste dal pilota; ciò implica anche il controllo del funzionamento di tutti gli impianti di bordo e il controllo dei margini di manovra e di impiego dell’e., sulla base delle sue specifiche caratteristiche, in relazione alle condizioni del momento.
L’economia di esercizio si propone, attraverso la semplificazione dei sistemi rotorico e di trasmissione di potenza, il miglioramento delle caratteristiche di affidabilità e semplicità di manutenzione oltre, ovviamente, alla diminuzione del consumo specifico dei motori; l’e. trova inoltre nelle nuove tecniche di prova, nel sempre più ampio uso di componenti fail-safe (componenti che si guastano senza compromettere la sicurezza) e di strumenti misuratori dei danni effettivamente accumulati durante l’esercizio, i più validi aiuti per ridurre i tempi di manutenzione.
La sicurezza dell’e. ha raggiunto livelli molto elevati attraverso sistemi di motorizzazione multipla; essa è peraltro destinata ad aumentare ulteriormente sia attraverso il concorso dei nuovi sistemi avionici di monitoraggio e di allarme, sia con l’impiego di nuovi materiali che riducono la vulnerabilità delle strutture e incrementano la capacità dell’e. di incassare forti urti all’impatto con il terreno. Quanto al miglioramento del comfort e cioè, fondamentalmente, alla riduzione delle vibrazioni, problema cronico dell’e., le migliorate conoscenze del campo aerodinamico in cui opera il rotore consentono di progettare la struttura in accordo con i modi di vibrazione prevedibili durante il volo: il livello vibratorio della fusoliera può essere limitato introducendo, nel collegamento rotore-fusoliera, elementi che in modo passivo (isolatori) o attivo (attuatori pilotati) ‘filtrano’ i carichi vibratori che il rotore trasmette alla fusoliera.
Per quanto riguarda infine il maggior rispetto ecologico, l’inquinamento maggiore prodotto dall’e. è indubbiamente quello acustico; i risultati della ricerca in atto sul comportamento aerodinamico delle pale possono consentire di ridurre di almeno il 20% il livello di rumore degli attuali elicotteri.