VEICOLI A CUSCINO D'ARIA

VEICOLI A CUSCINO D'ARIA

. Si definiscono "a cuscino d'aria" quei v. che si sostentano a piccola altezza, appoggiandosi sulla zona fluida di transizione tra essi stessi e la superficie (acqua o terra) sottostante. Tale definizione esclude di fatto i natanti, che funzionano immersi nell'acqua, gli aliscafi, che in velocità si sostentano mediante ali idroplane e gli aerei, che funzionano di norma a notevole altezza dal suolo.

Gli avvenimenti chiave nella storia della sostentazione a c. d'aria sono riferiti da L. Hayward nel suo The history of air cushion vehicles (1963); basti qui ricordare che il primo uomo a muoversi su una piattaforma a c. d'aria fu E. Swedenborg's nel 1716, e che la svolta decisiva allo sviluppo del sistema si ebbe nel 1955 con gli studi e le realizzazioni di Ch. Cockerell.

Limitando l'esame ai tipi per i quali tale sviluppo è stato più consistente, i v. a c. d'aria possono raggrupparsi in due categorie principali: a sostentazione aerostatica e a sostentazione aerodinamica.

Veicoli a sostentazione aerostatica. - È la categoria più ampia e comprende i v. che possono funzionare su terreno, su acqua e anfibi.

Tra i primi si trovano gli aerotreni, atti alla marcia su piste di sostegno e di guida e i terraplani, autocarri che, seppure provvisti di ruote per la guida e la trazione, sfruttano un c. d'aria per ridurre al minimo necessario il carico sulle ruote stesse.

Tra i v. che funzionano solo sull'acqua meritano citazione: l'idrochiglia (fig. 1A), che può considerarsi uno scafo lubrificato ad aria; lo scafo a pareti laterali immerse e pareti frontali con pattini di tenuta (fig. 1B); lo scafo a pareti laterali immerse e getti di contenimento aria a prua e a poppa (fig. 1C) derivato dallo sviluppo del tipo precedente.

I mezzi anfibi sono senza dubbio quelli di maggiore interesse e comprendono i più noti schemi funzionali. In fig. 2A è raffigurato il sistema a camera piena: l'aria fornita da un ventilatore è inviata nel cuscino sottostante nel quale è realizzata la pressione necessaria a creare la forza aerostatica di sostentazione. La fig. 2B mostra il sistema a getti periferici, dove le forze centrifughe generate dal cambiamento di direzione dell'aria dànno luogo al necessario incremento di pressione nel cuscino. L'esigenza di realizzare v. in grado di superare ostacoli di ragionevole altezza (onde marine, gradini, muretti, cespugli, ecc.), ha suggerito l'impiego di estensioni flessibili delle pareti laterali, chiamate "gonne". Lo sviluppo delle tecnologie di fabbricazione e d'impiego delle gonne ha consentito la realizzazione dello schema di fig. 2C, impiegato in buona parte nei moderni hovercraft.

Veicoli a sostentazione aerodinamica. - Sono quelli che sfruttano in modo significativo la forza aerodinamica come mezzo di sostentamento.

La fig. 3 mostra le "forme base" facenti parte della categoria in oggetto.

L'ala scivolante (fig. 3A) è semplicemente un'applicazione dell'ala convenzionale con elevato rapporto l/c (lunghezza/corda), funzionante in modo da sfruttare l'"effetto suolo" (miglioramento delle prestazioni aerodinamiche del profilo alare quando esso si muove a breve distanza dalla superficie di transizione acqua-aria o terra-aria). La più nota applicazione di questo principio è il veicolo Dornier Do-X, con il quale nel 1929 venne effettuata la traversata dell'Atlantico. L'aeroscivolante impiega un'ala a basso rapporto l/c (fig. 3B), il cui bordo di uscita (coda) sfiora la superficie sottostante; essa è provvista di due pareti laterali che permettono la realizzazione di un c. d'aria in pressione nella sua parte inferiore. Due prototipi di aeroscivolante sono stati realizzati abbastanza recentemente da A. M. Lippisch: X-112 nel 1963 e X-113 nel 1971.

L'aeroslittante è la soluzione che riunisce la possibilità di sostentamento da fermo offerta dal sistema aerostatico a getti periferici, alla sostentazione aerodinamica caratteristica dell'aeroscivolante (fig. 3C); la funzione espletata in quest'ultima dalle pareti laterali è affidata in questo caso a getti d'aria. Questo concetto è stato sviluppato da S. Rethorst per la realizzazione nel 1964 del prototipo VRC-1.

Tra i diversi v. a c. d'aria sinora menzionati, due di essi meritano una trattazione più approfondita: l'hovercraft, in relazione al numero di esemplari costruiti e funzionanti e ai favori incontrati in taluni impieghi commerciali e militari e l'aerotreno per l'interesse destato dalle prime realizzazioni.

Gli hovercraft sono v. realizzati generalmente per funzionamento anfibio, ma impiegati tendenzialmente su acqua. Per i mezzi civili l'impiego su terreno è limitato di norma al superamento del tratto necessario a consentire l'arresto su un apposito piazzale o sull'arenile, evitando quindi di ricorrere a costose attrezzature per l'imbarco e lo sbarco attraverso pontili.

La sostentazione è ottenuta, come già detto, mediante un c. d'aria sottostante al ponte principale, di altezza variabile a seconda delle caratteristiche del mezzo e contenuto in una camera delimitata lateralmente da pareti esterne. La pressione del c. è funzione del peso e delle dimensioni del v. e varia da circa 100 a oltre 1000 kg/m². L'aria di sostentazione è fornita da ventilatori assiali (talvolta centrifughi); la propulsione da eliche aeree a pale orientabili (passo variabile). In alcuni tipi previsti per impiego esclusivamente in acqua, la propulsione è ottenuta mediante eliche marine. Esistono piccoli v. sui quali un ventilatore unico fornisce, oltre all'aria di sostentamento, un getto per la propulsione. V. di dimensioni intermedie utilizzano lo stesso motore per l'azionamento del ventilatore di sostentamento e dell'elica di propulsione. I v. più grandi sono forniti di un motore per ciascun ventilatore e ciascuna elica. Sui v. destinati a operare esclusivamente su acqua calma, le pareti laterali di contenimento del c. d'aria sono immerse; le geometrie sono rappresentate in fig. 1B e 1C.

Sui v. anfibi o destinati a funzionare in mare mosso, si ricorre, come già detto, a pareti perimetrali flessibili denominate gonne (fig. 2C). Nelle realizzazioni più moderne ed efficienti, le gonne assumono geometrie complesse; alcuni v. sono forniti di gonne aggiuntive, interne a quelle perimetrali: tali gonne perseguono lo scopo di migliorarne le caratteristiche di stabilità.

Gli aspetti più positivi dell' overcraft sono l'elevata velocità, che lo rende estremamente interessante nell'impiego civile come ferryboat e in impiego militare come mezzo da trasporto anfibio, e la sua insostituibilità in operazioni su terreni paludosi o su banchine di ghiaccio di spessore limitato, non sufficiente cioè a consentire l'impiego di v. terrestri.

La necessità di ottenere alti rapporti potenza-peso, che consentano alte velocità ed elevati valori di carico pagante, impone però nella costruzione un largo uso di costose strutture in lega leggera e una motorizzazione particolarmente onerosa. Il costo operativo è anch'esso elevato, a causa degli elevati consumi di combustibile e dei sensibili costi di manutenzione. Le gonne costituiscono, al momento attuale, l'elemento che maggiormente condiziona l'affidabilità e incide negativamente sui costi di manutenzione dell'hovercraft. La potenza installata a bordo di un hovercraft è generalmente compresa tra 2,5 e 6 CV/t di peso utile-nodo, da confrontarsi con i 3 ÷ 4 CV di un aliscafo, i 5 ÷ 6 CV di un natante a carena planante; per i natanti convenzionali tale valore è inferiore all'unità.

Mentre al momento attuale non appare probabile lo sviluppo dei v. a c. d'aria da utilizzare su strade ordinarie, appare quanto meno interessante l'applicazione del sistema a v. che si muovono su guide. L'esempio più significativo in questo campo è rappresentato dagli aerotreni, prototipi dei quali sono stati studiati e sperimentati in vari paesi, e particolarmente negli SUA, in Gran Bretagna e in Francia; le velocità raggiunte da tali v. sono dell'ordine dei 400 km/h.

I principali elementi caratterizzanti l'aerótreno sono: il sistema di sostentazione e di guida e il sistema di propulsione. Il sistema di sostentazione generalmente impiegato è quello aerostatico che, sebbene richieda l'installazione a bordo di organi per la generazione di aria compressa, offre il vantaggio che il v. è in grado di sostentarsi anche da fermo o a bassa velocità. L'aria in pressione alimenta i vari cuscini e fuoriesce nell'atmosfera attraverso le luci esistenti tra i bordi delle pareti di contenimento e la superficie della guida; nei recenti progetti (fig. 4), il sistema è costituito da una serie di sacche d'aria a, secondarie rispetto a un polmone principale b. Il sistema aerodinamico, oggetto di ricerche e sperimentazioni su modelli, presenta il problema della sostentazione alle basse velocità, per le quali è necessario ricorrere a organi rotolanti. Le guide sono generalmente costruite in calcestruzzo o cemento armato; le geometrie ritenute più valide per la loro realizzazione (fig. 4) sono tre: a T invertito, di concezione francese, che utilizza per la guida un montante centrale rispetto alla superficie di sostentazione; a sezione rettangolare, di concezione inglese, in cui il v. avvolge la guida su tre lati; a canale rettangolare, sviluppata negli SUA, in cui il v. è guidato da due pareti laterali che costituiscono inoltre un riparo al vento.

Lo spessore dello strato d'aria che viene interposto tra guida e v. è legato alle caratteristiche del sistema di sospensione; esso assume valori di qualche mm nel progetto americano Ford-Levacar, di alcuni cm nell'aerotreno francese Bertin. Per la propulsione sono stati impiegati: il motore a turbina con elica aerea, il motore a reazione, il motore elettrico a induzione lineare. Si ritiene superflua la descrizione dei primi due; per quanto riguarda il terzo, ci si limita ad alcune precisazioni. Sia l'induttore sia l'indotto possono essere montati indifferentemente sul v.; il primo caso richiede però il trasferimento della potenza elettrica sul v. stesso, mentre il secondo (realizzazione dell'induttore lungo la guida) è immune da tale difficoltà. Il motore a induzione lineare presenta, rispetto agli altri sistemi di propulsione, vantaggi notevoli: riduzione di peso del v., disponibilità di potenze istantanee elevate, assenza di rumore e di emissioni inquinanti. Svantaggi sono però da considerarsi: costo elevato a causa della necessità di estendere lungo tutta la linea l'induttore o l'indotto, efficienza ridotta, problemi nella realizzazione delle linee in corrispondenza di tratti curvi e di scambi, necessità di un controllo preciso della distanza tra statore e rotore (traferro) e quindi tra v. e guida.

Da uno studio della Société de l'aérotrain emerge una possibile competitività del v. a c. d'aria guidato, in un campo d'impiego che si estende dai collegamenti veloci tra grandi città ai trasporti urbani a velocità relativamente bassa. Dallo stesso studio risulta che la richiesta di potenza di un aerotreno è di 25 kW/passeggero a 300 km/h; una metropolitana richiede meno di 1 kW/passeggero, un treno elettrico ad alta velocità 10 kW/passeggero a 190 km/h, un'auto privata da 10 a 50 kW/passeggero.

Vedi tav. f. t.

Bibl.: L. Hayward, The history of air cushion vehicles, Londra 1963; V. Zignoli, Veicoli a sostegno fluido, Quaderno ATA (Air Traffic Association) n° 32 (1967); D. S. Bliss, The evolution of tracked air cushion vehicles, in Hovering craft and hydrofoils, agosto 1970; A. Garnault, Technical and economical results of the use of air cushion in guided ground transportation, SAE, 1973; R. Tolley, Hovercraft operation in theory and practice, in Hovering craft and hydrofoils, nov. 1973; L. Colquhoun, Operational and technical problems of commercial hovercraft, SNAME (Society of Naval Architects and Marine Engineers), Conference, San Diego 1974; T. M. Barrows, Suspension concepts for high-speed ground transportation, in Technology review, 1975; J. Morisset, Le naviplane N500, in Air et cosmos, febbr. 1975; P. S. Johnson, The development of the hovercraft in the U. K., in Hovering craft and hydrofoils, febbr. 1975; P. J. Mantle, Backround to air cushion vehicles, ibid., nov. 1975; id., A technical summary of the air cushion craft development, ibid., ott. 1976.