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Dal biplano all’ala a freccia positiva: perché alcuni aerei hanno una forma “strana”?

Osservando una panoramica degli aerei sviluppati a partire dal primo volo del 1903 fino ai giorni nostri, balza immediatamente all’occhio una grande varietà di forme e configurazioni d’ala, talvolta anche bizzarre. Da dove arrivano e a cosa servono i vari modelli alari?

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Nei primi velivoli, costruiti con materiali pesanti e tecnologicamente poco avanzati, il principale motivo dell’utilizzo di ali multiple sovrapposte era di carattere costruttivo. Una configurazione di questo tipo, infatti, provvista di montanti verticali e cavi diagonali che collegassero le due o più ali tra loro, oltre a garantire una maggiore leggerezza rispetto all’ala singola, assicurava una buona resistenza flessionale e torsionale, fondamentale soprattutto per manovre ad alto fattore di carico (rollio, cabrata) che sottopongono la struttura a forze elevate e potenzialmente dannose dal punto di vista strutturale.

Il secondo motivo, di tipo prestazionale, va contestualizzato con quella che era la funzione principale dei velivoli dell’epoca, generalmente impiegati in ambito militare durante le guerre della prima metà del ventesimo secolo. L’utilizzo di ali molto sottili e lunghe anziché la configurazione a biplano, nonostante permettesse il raggiungimento di velocità più elevate, comprometteva notevolmente la maneggevolezza dell’aereo, problema non da poco in fase di combattimento. Il modello biplano era quindi adatto a realizzare aerei leggeri e maneggevoli, tant’è che è tuttora sfruttato per voli acrobatici.

Aerei con angolo di freccia

Varie configurazioni d’ala: 1) Ala a freccia nulla 2) Ala a freccia positiva 3) Ala a freccia negativa 4) Ala a delta 5) Ala a geometria variabile 6) Ala obliqua.

Un forte impulso nello sviluppo di nuove configurazioni fu dato, oltre al passaggio dall’utilizzo di costruzioni in legno a quelle metalliche, soprattutto dalla variazione delle priorità richieste al campo aeronautico. La leggerezza e maneggevolezza necessari per scopi bellici fu infatti sostituita dalla ricerca di una velocità sempre più elevata, da conciliare con velivoli di grandi dimensioni in grado di trasportare un numero elevato di passeggeri o un alto carico di merci, il tutto supportato dai passi da gigante effettuati in campo tecnologico. In tale contesto si verifica il passaggio all’utilizzo di ali rettilinee o dotate di angolo di freccia, ossia l’angolo formato tra bordo d’attacco e fusoliera.

Ala a freccia positiva

Scendendo nei particolari, l’ala a freccia positiva (ali piegate verso la coda), che è anche il modello che siamo abituati a vedere quotidianamente sugli aerei di linea, permette al velivolo di raggiungere regimi transonici o supersonici, ritardando l’incorrenza del Mach critico e riducendo quindi la resistenza fluidodinamica dovuta alla formazione di onde d’urto. Più complesso il discorso legato alle ali a freccia negativa (ali piegate verso il muso), configurazione che paradossalmente permette un migliore sfruttamento della portanza del profilo in condizione di stallo rispetto alla freccia positiva.

Ciò avviene perché nel caso di freccia positiva lo stallo comincia alle estremità alari, proseguendo verso la radice, situazione che porta alla perdita quasi immediata degli alettoni e quindi all’impossibilità di contrastare tale effetto.

Ala a freccia negativa

Viceversa nell’ala a freccia negativa la condizione di stallo si propaga dalla radice alle estremità alari, concedendo al pilota il tempo necessario a ricorrere a contromisure, agendo sugli alettoni. In ogni caso è un modello scarsamente utilizzato poiché soggetto ad instabilità aeroelastica tramite cosiddetto fenomeno di flutter, ossia una serie di oscillazioni che possono portare al collasso della struttura.

Ala a geometria variabile

Si parla poi di ali a geometria variabile se l’aereo è in grado di modificare l’angolo di freccia in volo, ruotando le semiali intorno a dei punti fissi detti pivot. Un possibile esempio di questa architettura è l’ala obliqua, caratterizzata dalla capacità di ruotare intorno ad un punto fisso della fusoliera in modo tale da aver contemporaneamente una semiala con freccia positiva e quella opposta con freccia negativa. I vantaggi sono legati soprattutto alla capacità di poter adattare l’aeroplano alle diverse condizioni di volo che si stanno affrontando, sfruttando un alto angolo di rotazione per minimizzare la resistenza indotta ad alte velocità e viceversa ritornare ad angoli vicini allo zero quando si opera in condizioni subsoniche.

Configurazioni particolari

Piaggio P180: Esempio di alette Canard. Credits: Tibboh at French Wikipedia

Osservando altri modelli è poi possibile trovare delle forme peculiari in grado di espletare funzioni specifiche. Un possibile esempio è l’aletta Canard, ossia un’ala di dimensioni minori che precede l’impennaggio principale, portando dei vantaggi in termini aerodinamici, visto che permette di ridurre la resistenza di attrito.

L’ala trapezoidale, anche conosciuta come ala a diamante, è invece una configurazione tipica per aerei ad alte prestazioni e per missioni specifiche, dato che concilia la bassa resistenza ad alte velocità alla capacità di rendersi quasi invisibile ai radar, mediante l’insieme di accorgimenti di varia natura geometrica e strutturale che vanno sotto il nome di tecnologia stealth.

Infine l’ala a delta, modello di particolare interesse per velivoli supersonici poiché particolarmente vantaggioso ad alti angoli di incidenza. Questo perché queste ali, di forma triangolare, presentano un bordo d’attacco aguzzo che favorisce la separazione del flusso. Ciò permette la formazione di due vortici controrotanti alle estremità alari, il cui effetto principale è l’induzione di una componente di velocità verticale, detta downwash, diretta verso il basso, che permette alla corrente di rimanere attaccata all’ala nella zona centrale. In definitiva, questo fenomeno permette di ottenere una portanza più elevata rispetto ad una configurazione priva di separazione.

Eurofigther Thyphoon: Velivolo ad ala delta. Credits: Leonardo

Nuovi prototipi: MIT e Airbus

nella ricerca di nuove frontiere, la ricerca si sta spostando sempre di più verso l’ideazione di ali in grado di modificare autonomamente la propria forma in volo, eliminando di fatto la dipendenza degli aerei da alettoni ed altre superfici regolabili. A tal proposito, come riportato dal sito ufficiale dell’MIT, uno studio del 2019 condotto da alcuni ricercatori dell’università del Massachusetts insieme alla NASA ha portato alla formazione di una nuova struttura, costruita assemblando tra loro centinaia di pezzi triangolari tutti uguali, saldati successivamente ad una piastra in lattice e ricoperti da un polimero plastico.

ala
Prototipo ala deformabile MIT Credits: Eli Gershenfeld, NASA Ames Research Center

Il risultato è un’ala più leggera ed energeticamente più efficiente delle configurazioni attualmente in commercio, in grado di avere prestazioni massime in ciascuna delle possibili fasi di volo senza l’ausilio di superfici di controllo regolabili. Recenti sviluppi sono invece stati registrati nel programma “Wing of Tomorrow” lanciato da Airbus nel 2016, volto a produrre tre prototipi d’ala in grado di rivoluzionare la prossima generazione di aerei sfruttando le nuove tecnologie. Tale programma, che ha avuto come oggetto di studio oltre cento componenti e tecnologie manifatturiere differenti da adottare sia su velivoli esistenti che su eventuali design futuri, lo scorso luglio ha completato il primo di questi tre prototipi, sviluppato nel sito dell’Airbus a Filton, in Inghilterra, e assemblato a Brougthon, in Galles.

A cura di Antonio Lerose

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