L'Elicottero

L’elicottero

Istituto tecnico aeronautico

“Jack London”

Martina Franca (TA)

A.S. 2008-2009

Diplomando: Dario Buccoliero

Tutor: Prof. Raffaele Calabrese

Percorso multidisciplinare

Indice

Aerotecnica

• Elicottero...............................................................................................................................pag 5
• Rotore....................................................................................................................................pag 7
• Controcoppia.........................................................................................................................pag 8
• Effetto suolo......................................................................................................................... pag 8
• Stabilità.................................................................................................................................pag 9
• Organi di comando principali...............................................................................................pag 9
• Autorotazione.......................................................................................................................pag 12

Navigazione aerea

• NVG (Night Vision Goggles)..............................................................................................pag 16
• Metodo di funzionamento....................................................................................................pag 17
• Confronto tra varie generazioni...........................................................................................pag 18
• Applicazioni militari............................................................................................................pag 19

Elettroradarotecnica

• Tubo a raggi catodici............................................................................................................pag 27
• Descrizione e funzionamento...............................................................................................pag 27
• Campi magnetici..................................................................................................................pag 29
• Rischio di implosione...........................................................................................................pag 30
• Fosfori e relativa tossicità....................................................................................................pag 30
• Tensione elevata...................................................................................................................pag 31

Meteorologia

• Temporale............................................................................................................................pag 33
• Fattori necessari per la formazione di un temporale............................................................pag 33
• Temporali frontali................................................................................................................pag 34
• Temporali di massa d’aria....................................................................................................pag 36
• Struttura e ciclo di un temporale..........................................................................................pag 39

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• Influenza del temporale sui fenomeni al suolo....................................................................pag 44

Storia

• Prima Guerra Mondiale........................................................................................................pag 46
• Trattati di pace. ...................................................................................................................pag 52

Italiano

• L’ermetismo.........................................................................................................................pag 55
• Giuseppe Ungaretti: vita ed opere........................................................................................pag 57
• La poetica ungarettiana........................................................................................................pag 59

Inglese

• Helicopter.............................................................................................................................pag 64
• Uses......................................................................................................................................pag 65
• Rotor configuration..............................................................................................................pag 66

Sitografia ............................................................................................................................pag 68

Bibliografia .......................................................................................................................pag 69

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Aerotecnica 3

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L’elicottero

L’elicottero è un aeromobile caratterizzato da un’ala rotante che consente il decollo e l’atterraggio verticali e lo stazionamento aereo (sosta stabilizzata in un punto fisso sospeso). È stato inventato nel 1936 e rappresenta oggi la categoria di aeromobili più diffusa dopo l’aeroplano.

L’elicottero moderno

Solo nel Novecento, quando lo sviluppo dell’aeronautica aveva consolidato le esperienze di volo con l’aereo, e quando comunque la fisica meccanica poteva ormai fornire il necessario supporto scientifico, fu ristudiata una macchina capace di quelle prestazioni caratteristiche dell’elicottero.

Proprio con l’aereo ci si era ritrovati di fronte al problema della controrotazione, per il caso dei monoelica, ma la presenza delle ali fisse e la proporzione fra la portanza (dipendente dalla superficie alare) e le velocità di quei velivoli rendeva agevole la soluzione. L’elicottero invece non aveva ali fisse, e si dovette attendere che qualcuno pensasse al secondo rotore per poter iniziare a studiare velivoli stabilizzati.

Il problema viene affrontato con successo nel 1930 da Corradino D’Ascanio che realizza un elicottero coassiale che stabilisce il record di altezza (17,4 m), durata (8 minuti e 45 secondi) e distanza (1.078 m). 4

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Il secondo grande problema da risolvere, anche più grande del primo, era il fatto che quando l’elicottero inizia ad avanzare, le pale che hanno una componente della propria velocità diretta come la direzione di avanzamento dell’elicottero, si muovono più velocemente delle altre, generando una portanza maggiore e ribaltando l’elicottero. Questo problema fu risolto con una grande innovazione nel rotore, che permette di cambiare l’inclinazione (“angolo di attacco”) delle pale ad ogni giro, in modo da equilibrare la portanza delle pale che hanno velocità assoluta più elevata con quella delle pale più lente.

Il primo elicottero pronto per la produzione di serie pare sia stato il tedesco Focke-Wulf Fw 61, nel 1936, ma molte erano state le macchine sperimentali preparate nei decenni precedenti.

Il primo modello militare impiegato attivamente fu invece il Flettner Fl 282 ‘Kolibri’, usato dalla marina militare germanica durante la seconda guerra mondiale come velivolo per la ricognizione da imbarcare a bordo delle navi di scorta ai convogli.

La tecnica

L’elicottero è dotato di un motore aeronautico leggero che muove i rotori (che potrebbero intendersi come gli elementi finali della trasmissione - ma che sono anche delle macchine a sé, provvedendo altre funzioni di gestione delle pale), i quali portano in rotazione una serie di ali, dette pale, le quali muovono l’aria in modo da far spostare il velivolo per reazione.

Per questo gli elicotteri si definiscono anche velivoli ad ala rotante, in contrapposizione agli aerei, denominati ad ala fissa.

La portanza (taluni, comunque, giudicano improprio parlare di portanza in senso aerodinamico, trattandosi di un vero e proprio flusso orientato di origine meccanica, e dunque di una spinta, come per la nautica) è fornita al velivolo dalle pale, le quali provocano la spinta di

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reazione.

Le pale, in realtà, non sono orizzontali, ma hanno un’inclinazione rispetto al loro piano così che quando ruotano possano fendere l’aria e sospingerla verso il basso con maggiore o minore spinta.

Questa inclinazione è detta “angolo d’attacco” ed è regolabile secondo le necessità d’impiego con un controllo detto “collettivo”.

Il problema non risolto da Leonardo riguarda il moto circolare del rotore, che crea una forte coppia rotazionale in direzione opposta, che deve essere compensata affinché il velivolo possa mantenere una direzione definita: al moto delle pale che girano in un senso, infatti, verrebbe ad aggiungersi, per compensazione, un corrispondente moto del corpo del velivolo in senso inverso.

Per evitare questo moto indesiderato, nella coda degli elicotteri, è installato un secondo piccolo rotore le cui pale girano in senso verticale, per bilanciare la rotazione orizzontale di quelle del rotore principale: in alcuni modelli, dotati di due rotori principali controrotanti come gli Hokum russi od i Chinook americani, questo accorgimento non è necessario poiché le pale di ciascun rotore hanno rotazioni antagoniste e non causerebbero quindi nessuna rotazione del corpo.

Recentemente sono comparsi sul mercato dei nuovi modelli che sfruttano il flusso d’aria generato dai gas di scarico della turbina, indirizzandolo lateralmente in coda, per ottenere lo stesso risultato.

Il rotore è un pezzo molto sofisticato, perché consente, all’aumentare della velocità dell’elicottero, di cambiare l’inclinazione delle pale ad ogni giro, cosa tutt’altro che semplice, ma indispensabile per evitare che l’elicottero si ribalti anche a velocità minime, a causa della maggiore spinta fornita dalle pale che stanno girando contro vento, quindi con velocità all’aria maggiore. 6

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Il rotore

Il rotore principale di un elicottero ha la funzione di fornire le forze sostentatrice e propulsiva nonché le coppie di rollio e di beccheggio necessarie per il controllo longitudinale e trasversale.

I parametri geometrici principali del rotore sono:

• Il numero delle pale
• La forma delle pale: sezione, allungamento, rapporto di rastremazione, svergolamento
• La forma del profilo: spessore, curvatura e così via.

Le pale del rotore sono collegate al mozzo per mezzo di tre cerniere. L’impiego delle cerniere fu introdotto per limitare le notevoli sollecitazioni di flessione alla radice delle pale e per ridurre in fase di volo in avanzamento il momento di rollio dovuto alla maggiore velocità della pala avanzante rispetto a quella arretrante.

Le tre cerniere sono:

• Cerniera di flappeggio (in inglese flapping hinge), consente il movimento della pala in un piano determinato dal suo asse longitudinale e dall’asse di rotazione del rotore. In genere il movimento attorno all’asse di flappeggio è completamente libero.
• Cerniera di resistenza (lag hinge), consente la riduzione delle sollecitazioni di flessione nel piano della pala. Consente quindi il movimento sull’asse normale al disco del rotore. A differenza dell’asse di flappeggio il movimento è contrastato da smorzatori (lag dumper).
• Cerniera di torsione (feathering hinge), serve a variare il passo della pala (ovvero l’angolo di incidenza del profilo della pala) ed è controllato dal pilota.

Le tre cerniere possono essere disposte in ordine differente a seconda del modello di elicottero.

Tecniche di pilotaggio

La conduzione di un elicottero è completamente differente da quella di un aereo, poiché i principi fisici in gioco sono solo parzialmente gli stessi. Nell’aereo si usa sostanzialmente una mano per l’assetto orizzontale e laterale, ed i piedi per la direzione. Nell’elicottero occorre sempre avere anche una mano per regolare la potenza del motore e l’inclinazione delle pale, quindi occorre coordinare

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cinque movimenti invece di tre. Inoltre mentre l’aereo è stabile, e può proseguire il volo orizzontale da solo, l’elicottero non appena vengono abbandonati i comandi tende ad inclinarsi od alterare la posizione.

In realtà il volo orizzontale non presenta grandi difficoltà, mentre mantenere l’elicottero fermo in una posizione, quota e direzione determinate è estremamente difficile, in particolare in presenza di vento, il che complica gli atterraggi di precisione e soprattutto i recuperi con il verricello.

Negli elicotteri a turbina occorre prestare particolare attenzione a non far perdere giri al motore, altrimenti perde drasticamente potenza e talvolta si spegne. Quindi se viene aumentato l’angolo delle pale eccessivamente, senza compensarlo con un aumento di manetta, il motore perde giri, e anche ridando tutta manetta non li riprende se non riportando le pale in posizione neutra. Se si spegne occorre molto tempo per riaccenderlo.

Gli organi di comando

I controlli dell’elicottero sono: il collettivo, la manetta, il ciclico e la pedaliera.

Il collettivo (o CPC - collective pitch control) controlla l’angolo di attacco delle pale, cioè l’inclinazione delle pale rispetto al piano orizzontale sul quale sono innestate (di questo piano, l’asse di rotazione del rotore è la normale). All’aumento dell’angolo di attacco corrisponde un incremento di portanza.

La manetta è un semplice acceleratore che consente di controllare il regime del motore e dunque di trasmettere maggiore o minor potenza al rotore secondo la necessità del momento. Nei velivoli più recenti con motore a pistoni si utilizza un sistema computerizzato di gestione dei regimi che consente di delegare al software accelerazione e decelerazione del motore, rendendo non più necessario l’uso della manetta. Tale sistema era stato introdotto sui modelli a turbina.

Il ciclico, con comando a cloche, è il più sofisticato ed il più delicato dei controlli, poiché governa la variazione ciclica dell’angolo di attacco delle pale: le pale, durante il loro giro di 360° non hanno un angolo di attacco costante, ma hanno una variazione di inclinazione che serve in generale ad ottimizzare la propulsione, ed in particolare a distribuire opportunamente la spinta in modo da consentire variazioni di assetto e spostamento dell’elicottero.

Questa variazione è appunto dominata dal ciclico, così chiamato perché la fa operare nel numero di volte desiderate e possibili per ciascun giro della pala (per cicli). 8

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La variazione è poi opportunamente anticipata (calettatura) tenendo conto di fattori come la precessione giroscopica. Infatti, se su di un corpo che ruota su sé stesso andiamo ad imprimere una forza trasversalmente al suo asse di rotazione essa risponderà 90° dopo rispetto al senso di rotazione stesso; quindi quando diamo ciclico avanti (ipotizziamo un rotore sinistrorso cioè che gira in senso antiorario) le biellette del piatto oscillante si alzeranno ed andranno a dare ulteriore passo alla pala che sarà a sinistra cosicché la portanza si porterà in maggior parte sul semidisco posteriore e l’elicottero potrà traslare in avanti.

La pedaliera, aziona tramite leveraggi il rotore di coda (se esistente) il quale consente il controllo della direzione della prua dell’aeromobile rispetto alla direzione di avanzamento, ovvero il controllo dello “yaw axis”. Essa svolge una importantissima funzione durante i decolli e gli atterraggi verticali: l’abbassarsi o l’innalzarsi della leva del passo collettivo comporta infatti variazioni della coppia di reazione che cambiano la direzione della prua. Pensate che il rotore di coda ha molto più braccio della prua dell’elicottero rispetto all’asse di rotazione del rotore principale quindi pochi gradi di variazione dell’angolo di prua possono muovere facilmente quel pericoloso rotore anche di un metro a destra od a sinistra. Occorre grande prontezza per compensare con il piede eventuali turbolenze che colpiscano le pale in modo non uniforme.

Decollo

Il decollo dell’elicottero si ottiene incrementando la spinta che le pale esercitano sull’aria; questo è possibile aumentando il passo collettivo (angolo d’incidenza delle pale) che determina una maggiore esposizione all’aria della superficie alare. In questa fase il numero di giri del rotore rimane costante come del resto in tutte le fasi del volo (manetta su flight). Bisogna inoltre esercitare una pressione sulla pedaliera che comanda il rotore di coda in modo da esercitare una forza pari ed opposta al rotore principale.

Il rotore di coppia non è altro che “un’anticoppia” che si contrappone alla coppia del rotore principale che determinerebbe una rotazione della fusoliera nel senso opposto alla rotazione del rotore.

(3° principio della fisica: ad ogni movimento ne corrisponde uno uguale e contrario).

Facendo ciò l’elicottero rimane nell’assetto di volo desiderato. 9

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Traslazione

Il pilota per portare l’elicottero dal volo a punto fisso al volo traslato non farà altro che portare in avanti la leva del passo ciclico, però così facendo l’elicottero prenderà un assetto picchiato e quindi perderà quota, per ovviare al problema bisognerà dare un po’ di collettivo per far sì che la portanza sia pari al peso più il difetto di assetto; però dando collettivo il pilota darà più resistenza al rotore principale quindi la coppia generata sarà più forte, la risolverà dando pedaliera nel senso di rotazione del rotore. Tutte le sopracitate operazioni andranno fatte quasi contemporaneamente.

Cambio di direzione orizzontale