Stabilità e struttura di un veivolo

ANALISI VEIVOLO IN VOLO

In condizioni di volo rettilineo e livellato, un velivolo si trova in equilibrio. Immaginiamo ora che

una perturbazione esterna, come una raffica di vento, provochi un'improvvisa rotazione attorno

all'asse di rollio. L'aereo si inclina, disponendosi con un'ala più bassa dell'altra rispetto all'orizzonte.

A seguito di questa inclinazione, il vettore della portanza, che è sempre perpendicolare al piano

alare, non è più perfettamente verticale e opposto alla forza peso. Scomponendo la portanza, si

osserva che una sua componente verticale continua a bilanciare parte del peso, ma emerge una

componente orizzontale non bilanciata. Questa forza laterale fa sì che il velivolo inizi a "scivolare"

lateralmente, muovendosi verso il basso in direzione dell'ala più bassa.

Questo moto di scivolata introduce una nuova componente di velocità laterale che si somma

vettorialmente alla velocità di avanzamento del velivolo. La risultante del flusso d'aria che investe

le ali non è più puramente frontale, ma ha anche una componente laterale proveniente dal basso.

È a questo punto che interviene l'effetto dell'angolo diedro delle ali. Sull'ala che si è abbassata

(quella verso cui il velivolo sta scivolando), questa componente di flusso laterale proveniente dal

basso incontra la superficie alare con un angolo tale da aumentare l'angolo di incidenza effettivo.

Sull'ala opposta, quella sollevata, accade il contrario: il flusso laterale riduce l'angolo di incidenza

effettivo.

Come noto dalla teoria aerodinamica, un aumento dell'angolo di incidenza genera un incremento

della portanza (entro certi limiti). Di conseguenza, l'ala più bassa, sperimentando un'incidenza

maggiore, svilupperà una portanza superiore rispetto all'ala più alta.

Questo sbilanciamento di portanza tra le due semiali crea un momento di rollio che si oppone alla

perturbazione iniziale. In altre parole, la maggiore portanza sull'ala bassa tende a farla risalire,

riportando spontaneamente il velivolo verso la sua posizione di equilibrio originale.

Questo principio è di fondamentale importanza, poiché definisce la stabilità intrinseca di un

velivolo. Un aereo con un angolo di diedro positivo, se subisce una perturbazione che innesca un

rollio, tenderà autonomamente a tornare nella sua configurazione di equilibrio iniziale una volta

lasciati i comandi. Questo comportamento autostabilizzante è noto come "effetto diedro positivo".

Al contrario, se le ali presentano un diedro negativo (cioè sono inclinate verso il basso), l'effetto è

opposto. Invece di generare un momento stabilizzante, la perturbazione innesca un momento

instabilizzante che tende ad accentuare il rollio anziché correggerlo.

Tuttavia, un'elevata stabilità non è sempre desiderabile, poiché incide negativamente sulla

manovrabilità. Un velivolo molto stabile "resiste" alle manovre del pilota; il suo naturale ritorno

all'equilibrio contrasta l'azione dei comandi. Di conseguenza, per eseguire una manovra sono

necessari più tempo, più forza e maggiore insistenza sui controlli, rendendo il velivolo più sicuro

ma meno agile.

D'altra parte, un velivolo intrinsecamente instabile risulta estremamente manovrabile e reattivo. Per

questo motivo, la configurazione a diedro negativo è stata scelta per diversi velivoli da

combattimento ad alte prestazioni. Un esempio celebre è l'F-104 Starfighter, che prestò servizio

anche nell'Aeronautica Militare italiana tra gli anni '80 e i primi anni '90.

L'F-104 era eccezionalmente agile e permetteva di eseguire manovre a grande velocità in tempi

ridottissimi. Questa caratteristica, però, lo rendeva anche molto pericoloso: un minimo attimo di

distrazione da parte del pilota, specialmente a bassa quota, poteva avere conseguenze fatali. Non a

caso, questo aereo si guadagnò il sinistro soprannome de "la tomba volante".

Per chi fosse interessato a vederne un esemplare, uno di questi velivoli dismessi è stato installato

come monumento in una piazza nel comune di Grazzanise, nei pressi della base aerea.

Osservandolo, si può notare chiaramente la caratteristica inclinazione verso il basso delle ali, che ne

testimonia il diedro negativo.

Tornando all'F-104, chi fosse curioso può vederne un esemplare reale in scala 1:1, esposto come

monumento a Grazzanise. La scelta del luogo non è casuale: lì sorge un'importante base

dell'Aeronautica Militare intitolata a Francesco Baracca, un'icona della storia dell'aviazione italiana.

La storia di Baracca è affascinante e si intreccia con il territorio e persino con un marchio famoso in

tutto il mondo. Baracca, celebre "asso" della Prima Guerra Mondiale, frequentò la scuola di volo

che all'epoca si trovava presso la Reggia di Caserta. Durante la sua permanenza, rimase colpito da

una magnifica razza di cavalli allevata nella vicina Reggia di Carditello, un'eredità dei Borboni.

Questi cavalli, noti come "razza di Persano", erano così maestosi che Baracca adottò l'immagine di

un cavallino rampante come suo stemma personale. Dopo la sua morte in missione (in circostanze

mai del tutto chiarite), la madre di Baracca concesse a un giovane Enzo Ferrari il permesso di

utilizzare quello stesso simbolo per le sue automobili. Ecco perché il cavallino rampante della

Ferrari ha origini aeronautiche e perché lo stesso stemma campeggia all'ingresso della base di

Grazzanise.

Chiusa questa parentesi storica, torniamo al punto tecnico fondamentale: l'F-104 è un perfetto

esempio di velivolo con diedro negativo.

Ora, colleghiamo il concetto di stabilità al posizionamento dell'ala. Perché un velivolo ad ala alta

possiede un "effetto diedro positivo" intrinseco, anche se le ali sono fisicamente piatte? La

spiegazione è semplice e legata all'interazione tra ali e fusoliera.

Quando un velivolo ad ala alta subisce un rollio e inizia a scivolare lateralmente, la fusoliera si

interpone nel flusso d'aria diretto verso la semiala che si è sollevata. Questo "effetto di

mascheramento" disturba l'aerodinamica di quell'ala, riducendone la portanza.

Contemporaneamente, la semiala più bassa, quella verso cui il velivolo sta scivolando, continua a

ricevere un flusso d'aria pulito e indisturbato, generando piena portanza.

Si crea così uno sbilanciamento: l'ala più bassa produce più portanza di quella più alta. Questo

squilibrio genera un momento di rollio che contrasta la perturbazione iniziale e tende a riportare

l'aereo in assetto orizzontale, replicando esattamente il comportamento stabilizzante di un'ala con

diedro positivo.

Oltre alla configurazione ad ala alta, esistono ovviamente quella ad ala media e ad ala bassa. Da un

punto di vista costruttivo, la posizione alta offre un vantaggio strutturale: permette di realizzare un

longherone alare continuo che passa sopra la fusoliera, senza interferire con lo spazio interno della

cabina.

La continuità strutturale del longherone attraverso la fusoliera, tuttavia, presenta notevoli sfide

pratiche nelle configurazioni ad ala media e bassa. Per un'ala media, è impensabile far passare un

longherone principale attraverso la cabina passeggeri. Similmente, per l'ala bassa, si preferiscono

soluzioni di giunzione differenti per ragioni costruttive.

Per capire come l'ala viene collegata alla fusoliera, bisogna prima scartare l'idea più intuitiva: quella

di un incastro rigido. Si potrebbe pensare di imbullonare massicciamente il longherone alare

direttamente a un'ordinata della fusoliera, ma questo approccio non viene utilizzato per una ragione

fondamentale che risiede nella scienza delle costruzioni.

Una trave incastrata, quando soggetta a flessione (come un'ala che genera portanza), sviluppa il

massimo momento flettente proprio in corrispondenza dell'incastro. Un momento elevato genera, a

sua volta, elevate tensioni nelle solette del longherone, richiedendo che queste siano più spesse e

robuste. Ciò comporta un significativo e indesiderato aumento del peso strutturale.

La soluzione ingegneristica consiste nell'evitare l'incastro e utilizzare invece un sistema di cerniere

per "scaricare" le sollecitazioni alla radice alare. In questo modo si ottiene una struttura più

efficiente e leggera.

Vediamo come si applica questo principio:

1. Configurazione ad Ala Alta: Spesso si utilizza un collegamento a cerniera tra l'ala e la

fusoliera, abbinato a un montante esterno che congiunge la parte inferiore dell'ala alla

fusoliera. Questo montante agisce come un tirante o un puntone che aiuta a sopportare i

carichi, modificando la distribuzione del momento flettente. Poiché in una cerniera il

momento è nullo per definizione, si elimina il picco di sollecitazione proprio nel punto di

giunzione. È importante notare un principio chiave della progettazione: sebbene la

connessione reale non sia un incastro, in fase di calcolo si assume spesso il caso peggiore

(quello dell'incastro perfetto). Questo approccio conservativo garantisce che la struttura sia

dimensionata per resistere alle massime sollecitazioni teoriche, fornendo un ampio margine

di sicurezza.

2. Configurazione ad Ala Bassa e Media: Quando lo spessore dell'ala alla radice è

sufficiente, si adotta una soluzione diversa ma basata sullo stesso principio. Invece di un

unico punto di incastro, si realizzano due o più collegamenti a cerniera, tipicamente uno per

la soletta superiore e uno per quella inferiore del longherone. Questo crea un collegamento

iperstatico che distribuisce gli sforzi in modo più efficace, alleggerendo le sollecitazioni

critiche alla radice dell'ala.

Come vengono realizzati fisicamente questi collegamenti? Il sistema più comune prevede l'uso di

ordinate della fusoliera particolarmente robuste, dette "ordinate di forza", in corrispondenza del

punto di attacco dell'ala. Il collegamento avviene tra queste ordinate e i longheroni alari.

La giunzione è tipicamente costituita da:

Due piastre metalliche (o raccordi) fissate saldamente all'ordinata di forza.

 Un raccordo terminale sul longherone che si inserisce precisamente tra le due piastre.

 Un perno di grandi dimensioni che attraversa le piastre e il raccordo del longherone, creando

 di fatto un'articolazione a cerniera.

Questa configurazione, nota come "a due piastre e un perno", viene replicata per ogni punto di

connessione. A seconda del progetto, dello spessore dell'ala e dei carichi previsti, possono esserci

due, tre o anche pi&ugra