Alla scoperta dell’elicottero, il velivolo ad ala rotante

Elicottero, il velivolo ad ala rotante

L’elicottero è un velivolo che utilizza ali rotanti per ottenere portanza, spinta propulsiva e controllo del velivolo stesso. Le pale del rotore ruotano attorno ad un asse verticale descrivendo un disco in un piano quasi orizzontale. L’elicottero è stato il primo tipo di velivolo VTOL (Vertical Take Off Landing). Infatti è in grado di generare tali forze aerodinamiche anche quando la velocità relativa è nulla, al contrario del convenzionale velivolo ad ala fissa che necessita di un elevata velocità per sostenere il volo. L’elicottero potrebbe essere definito come un velivolo che utilizza un ala rotante con diametro elevato, il quale potrebbe superare facilmente i 10 metri. Tale velivolo è caratterizzato da basso valore del parametro disk loading, definito come rapporto tra spinta generata dal rotore ed area del disco.

Il rotore è sicuramente il componente più importante nell’elicottero in quanto è in grado di fornire portanza, propulsione e forze di controllo. Tutto ciò nel velivolo ad ala fissa è reso possibile grazie alle superfici aerodinamiche opportunamente progettate. Tuttavia, allo stesso tempo il volo verticale richiede dei costi molto elevati che scaturiscono dalla presenza di complessi sistemi di trasmissione del moto e conseguentemente dal bisogno di una attività di manutenzione precisa ed intensa.

Il rotore dell’elicottero

Dal punto di vista aerodinamico, il rotore perfetto per l’elicottero dovrebbe essere costituito da una singola pala. Tuttavia, per ragioni meccaniche il rotore è caratterizzato da due o più pale identiche, equamente spaziate e collegate a un mozzo centrale. Le pale si muovono secondo un moto rotazionale uniforme grazie alla coppia all’albero fornita dal motore. Il grande diametro del rotore richiesto per ottenere un volo verticale efficiente, ed il grande valore di aspect ratio delle pale richiesto per ottenere una buona efficienza aerodinamica dell’ala rotante fanno sì che le pale rotoriche siano molto più flessibili rispetto alle pale utilizzate per le eliche propulsive.

A causa della notevole deflessione che possono subire le pale rotoriche, il mozzo centrale ed il rotore sono collegati per mezzo di diverse cerniere. In particolare, viene detto flap motion il movimento che produce una deflessione della pala che avviene fuori dal piano del disco rotorico (flappeggio). Mentre, viene detto invece lag motion il movimento che produce una deflessione della pala nel piano del disco rotorico (brandeggio). Oltre ad i movimenti appena descritti, è necessario avere la possibilità di variare l’angolo di attacco delle pale per controllare le forze aerodinamiche del rotore. Per fare ciò c’è bisogno di avere la possibilità di conferire un moto di beccheggio alla pala, tale movimento è detto feathering motion.

Cerniere e configurazioni

Ogni pala del rotore è dunque connessa all’albero centrale per mezzo di cerniere che possono variare a seconda del tipo di configurazione. I pitch link che permettono la variazione del pitch angle della pala a cui sono collegati, sono attaccati ad un piatto oscillante superiore (upper swash plate) e ad un piatto oscillante inferiore (lower swash plate). Il movimento di tali due piatti è fondamentale per il controllo del volo dell’elicottero. In particolare, il primo piatto è posto in rotazione solidalmente all’albero ed al rotore, mentre il secondo occupa una posizione fissa.

Le tipologie di rotore si suddividono principalmente in articolato, semi-rigido e rigido. Le prime due tipologie utilizzano cerniere di flappeggio ma differiscono per l’utilizzo di cerniere di brandeggio. Infatti, il rotore semi-rigido, detto teetering rotor, sfrutta l’oscillazione della pala detta ad altalena, potendo godere delle sole cerniere di flap. Mente, il rotore rigido o hingeless, non usa cerniere di flap o lag, bensì sfrutta le proprietà meccaniche del materiale della pala per consentire la flessione della stessa.

Configurazioni dell’elicottero

La disposizione dei rotori sull’elicottero è la caratteristica distintiva più importante ed inoltre costituisce un fattore determinante per il comportamento dinamico del velivolo. Il motore fornisce la coppia motrice al rotore per mezzo dell’albero e di un apposito sistema di trasmissione. Tuttavia, il velivolo in condizione di volo stazionario non può avere una forza netta o un momento non nullo agente su sé stesso, perciò la coppia di reazione esercitata dal rotore verso l’elicottero deve essere bilanciata per garantire la stabilità del velivolo. Il metodo adottato per bilanciare tale coppia reattiva costituisce il primo determinante della tipologia di configurazione dell’elicottero in esame.

Generalmente possono essere usate due configurazioni, la prima è quella a singolo rotore principale e rotore di coda (tail rotor). In tal caso viene usato un piccolo rotore ausiliario per fornire la coppia di bilanciamento e permettere il controllo di imbardata. Tale rotore è disposto sulla trave di coda e ruota nel piano verticale attorno ad un asse parallelo all’asse corpo trasversale dell’elicottero.

La seconda configurazione è quella a doppio rotore principale (twin main rotor). In tal caso vengono usati due rotori principali contro-rotanti caratterizzati dallo stesso disk loading, così facendo si ottengono ovviamente due coppie reattive uguali ed opposte che si annullano. Una delle applicazioni più frequenti di questa tipologia è la configurazione tandem che utilizza un rotore di prua ed un rotore contro rotante di poppa. I due relativi dischi rotorici solitamente si sovrappongono significativamente in quanto il rotore posteriore è sollevato rispetto a quello anteriore.

I controlli di volo dell’elicottero

Descriviamo i principali componenti che consentono il controllo dell’elicottero tradizionale facendo riferimento ad un elicottero con configurazione a singolo rotore principale, con quest’ultimo posto in rotazione in senso antiorario. I principali componenti sono dati dal controllo collettivo, controllo ciclico, controllo manetta, governor e correlator, e pedali anti-coppia.

Il passo collettivo

Il collective pitch control (thrust lever) consiste in una leva posizionata sul lato sinistro rispetto al sedile del pilota e viene azionato utilizzando solitamente la mano sinistra. Il collettivo viene usato per variare simultaneamente ed equamente l’angolo di attacco di tutte le pale del rotore principale. Dunque, in volo livellato l’uso del collettivo genererebbe una salita o una discesa, data dal cambiamento della portanza totale.

Cambiando l’angolo di attacco delle pale varia anche l’angolo di incidenza, ciò determina un cambiamento della resistenza aerodinamica che va ad influenzare la velocità di rotazione del rotore principale. Pertanto, per mantenere costante il numero di rotazioni per minuto del rotore principale in seguito all’uso del collettivo, occorre compensare il cambiamento della resistenza aerodinamica e perciò è richiesta una variazione proporzionale della potenza fornita. Per questo motivo il collective pitch control viene utilizzato insieme al throttle control che controlla la potenza erogata dal motore.

Nei sistemi di controllo più moderni, throttle control, governor e correlator lavorano insieme in maniera tale da garantire un quantitativo di potenza corretto per il rotore. In particolare, sappiamo che la potenza necessaria dipende dalla tipologia di manovra e dalla condizione di volo che vede il velivolo. Per questo la twist grip throttle permette di agire manualmente sulle rotazioni per minuto del motore. Invece, governor e correlator garantiscono un controllo automatico della potenza. In particolare, il governor è un elemento sensitivo che misura le rotazioni per minuto di rotore e motore e effettua gli aggiustamenti necessari per ottenere una rotazione costante delle eliche. Anche il correlator contribuisce al fornire un controllo grossolano della potenza necessaria. Esso infatti consiste in una connessione meccanica tra la leva del collettivo e il throttle control.

Il passo ciclico

Altro controllo cardine per la dinamica dell’elicottero è il ciclico. Il cyclic pitch control è solitamente una leva situata tra le gambe del pilota e che dal pavimento del cockpit viene proiettata verso l’alto. Questo sistema di controllo di volo primario permette al pilota di guidare l’elicottero in tutte le direzioni, in avanti od indietro, verso destra o sinistra. La portanza è sempre perpendicolare al piano descritto dal tip del rotore principale (tip path plane), perciò l’obiettivo del ciclico è quello di inclinare il tip path plane nella direzione di volo desiderata.

Il disco rotorico si inclina nella stessa direzione nella quale viene mosso il cyclic pitch control. I collegamenti meccanici detti pitch link per il controllo ciclico sono progettati e montati in maniera tale da diminuire il pitch angle della pala del rotore approssimativamente 90° prima che essa raggiunga la direzione dello spostamento del ciclico. Allo stesso modo essi aumentano il pitch angle della pala del rotore approssimativamente 90° gradi dopo che essa raggiunga la direzione dello spostamento del ciclico.

Dunque, per esempio se il ciclico viene spostato verso avanti, l’angolo di attacco diminuisce appena la pala del rotore passa dal lato destro dell’elicottero, mentre l’angolo di attacco aumenta appena la pala del rotore passa dal lato sinistro dell’elicottero. Questo movimento fa in modo che la massima deflessione verso il basso del rotore avvenga nella direzione frontale, che la massima deflessione verso l’alto del rotore avvenga nella direzione opposta e che quindi il disco rotorico sia inclinato verso avanti.

I pedali anti-torque

Per ultimi citiamo i pedali anti-torque, controllo fondamentale per la stabilità di volo dell’elicottero. I pedali anti-torque sono posizionati sul pavimento del cockpit in corrispondenza dei piedi del pilota, controllano il pitch angle e quindi la spinta generata dal rotore di coda. Dalla terza legge di Newton capiamo che l’elicottero necessita di un sistema di compensazione della coppia di reazione generata dal rotore principale sulla fusoliera, per questo molti progetti di elicotteri prevedono un rotore di coda quindi detto anti-torque rotor. I pedali anti-torque permettono al pilota di controllare il pitch angle delle pale del rotore di coda, tra l’altro questo sistema permette in volo avanzato di mettere l’elicottero in trim longitudinale.