Meccanica del Volo dell'Elicottero - Appunti di Matteo Cappo

Politecnico di Torino: Appunti di meccanica del volo dell'elicottero

Corso tenuto dal Prof. G. Guglieri

Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria Aerospaziale

Appunti di Cappo Matteo

Argomenti trattati

• Parte 1 Introduzione
  • Evoluzione dell’elicottero
  • Descrizione dei componenti principali
  • Certificazione
• Aerodinamica dell’elicottero
• Parte 2
  • Il rotore principale: punto fisso e volo avanzato
  • Teoria del disco attuatore
  • Teoria dell’elemento di pala
  • Potenza necessaria al volo
• Parte 3 Dinamica del rotore
  • Passo ciclico
  • Teoria di Eulero
  • Dinamica di flap
  • Dinamica di lag
  • Dinamica di pitch
  • Carichi al mozzo
  • Calcolo degli stati di equilibrio del rotore e della fusoliera
• Parte 4 Stability and Control
  • Comandi
  • Analisi linearizzata
  • Time domain analysis
  • Risposta al collettivo
  • Risposta al pedale
  • Risposta al ciclico longitudinale
  • Speed stability e angle of attack stability
  • Stabilità dinamica long. e lat.-dir.
  • Frequency domain analysis
  • SAS and CAS
  • Handling qualities
• Parte 5 Vibrazioni
  • Interpolazione armonica
  • Ground resonance e in-flight resonance
  • Origine delle vibrazioni
  • Attenuazione delle vibrazioni
  • Vibrazioni torsionali
  • Tracking
• Parte 6 Aeroacustica
  • Forme di rumore prodotte
• Varie
  • Review delle domande d’esame
  • Dettagliato di argomenti analitici sovente chiesti all’esame

Riassunto

• Teoria disco attuatore
• Teoria elemento di pala
• Dinamica di flap e lag

Technical report: Sikorsky CH-53

Riassunto di articolo AHS

Politecnico di Torino

Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria Aerospaziale

Anno Accademico 2014-2015

Meccanica del volo dell'elicottero

Technical Report: Sikorsky CH-53

Introduction

Il CH-53 Sea Stallion è il nome più comune per la famiglia Sikorsky S-65 di elicotteri da trasporto pesante, i più grandi e pesanti costruiti nel mondo occidentale. Sviluppato originariamente per il Corpo dei Marines degli Stati Uniti, è in servizio anche in Germania, Austria, Iran, Israele e Messico. Questo elicottero è stato aggiornato in diverse versioni, dal CH-53A al CH-53D, fino al più pesante CH-53E a tre motori, cavallo di battaglia della flotta aerea del US Marine Corps, e al CH-53K, attualmente in fase di test.

Il CH-53 è progettato per il trasporto di attrezzature, rifornimenti e personale durante la fase di assalto di un'operazione anfibia e le operazioni successive a terra. Inoltre, ha servito come elicottero da trasporto tattico per le forze speciali degli Stati Uniti in vari scenari di guerra, dal Vietnam all'Iraq e all'Afghanistan.

History and Development

Nel marzo 1962, il Bureau of Naval Weapons emise una richiesta di proposte per un elicottero basato su nave capace di sollevare un carico utile di 8.000 libbre (3630 kg) su un raggio di 100 nm (185 km) a una velocità di 150 nodi (278 km/h). La sua missione era il trasporto nave-a-terra, il recupero di aerei abbattuti, il trasporto di personale e l'evacuazione medica. Nel luglio 1962, Sikorsky fu scelto in base a considerazioni tecniche, di capacità produttiva e di costo. A causa di problemi di finanziamento, per ridurre i tempi e i costi di sviluppo, il nuovo elicottero designato "S-65" si basava su design precedenti. I modelli S-56 e S-64 SkyCrane fornirono la base per i componenti dinamici e il S-61R Jolly Green Giant fornì una forma di base per la fusoliera del S-65.

Il primo prototipo "YCH-53A" (designazione militare per l'S-65) effettuò il suo primo volo presso lo stabilimento Sikorsky a Stratford, Connecticut, il 14 ottobre 1964, circa quattro mesi in ritardo rispetto al programma. Le prove di volo andarono più lisce del previsto, contribuendo a recuperare il tempo perso nello sviluppo, e il tipo entrò in servizio con il USMC nel settembre 1965 come "CH-53A Sea Stallion". Gli elicotteri S-65 presentavano un rotore principale completamente articolato a 22 m (72 ft) a 6 pale e un rotore di coda a 4 pale alimentati da due motori turboalbero a turbina libera General Electric T-64-6 da 2125 kW (2850 shp). Tutto il carburante era trasportato in sponson esterni. Con un equipaggio di 3 persone, era capace di trasportare 38 truppe completamente equipaggiate o 24 pazienti in barella e 4 assistenti medici. Internamente poteva trasportare 3628 kg (8000 lb) di carico o 5896 kg (13,000 lb) esternamente.

Nel 1967, i Marines emisero un requisito operativo specifico per un elicottero con una capacità di sollevamento 1,8 volte quella dell'S-65 che potesse ancora adattarsi a navi d'assalto anfibie. Anche la Marina era interessata a una tale macchina per rifornire le navi in mare per via aerea. Sikorsky stava già lavorando a un potenziamento dell'S-65 anche prima dell'emissione del requisito: il nuovo telaio "S-80" era fondamentalmente quello dell'S-65 ma presentava anche un terzo motore turboalbero e un sistema di rotore più potente. I Marines apprezzarono l'idea poiché prometteva di fornire una buona soluzione con un minimo di ritardo; il Congresso firmò un accordo per il nuovo elicottero CH-53E, il cui primo volo avvenne nel 1974. L'obiettivo di raddoppiare la capacità di sollevamento dell'S-65 fu raggiunto con un aumento di solo il 10% delle dimensioni dell'elicottero. Il CH-53E "Super Stallion" rappresenta il più pesante elicottero del mondo occidentale e grazie alla sua avionica e ai suoi sistemi è uno degli elicotteri più avanzati del mondo.

Versions

Il CH-53 è stato prodotto e aggiornato in diverse versioni per soddisfare le esigenze di diversi clienti come US Marines, US Navy, US Air Force ma anche forze armate straniere. Ecco una breve lista delle varianti più importanti; le caratteristiche tecniche e le prestazioni della versione più avanzata ed impiegata, il modello E, sono esposte nella prossima parte del rapporto.

• HH-53B Super Jolly: Modello dell'U.S. Air Force basato sull'elicottero CH-53A modificato per missioni di Combat Search and Rescue (CSAR) a lungo raggio. Capacità di rifornimento aria-aria e serbatoi di carburante ausiliari esterni sganciabili, un verricello di soccorso sopra la porta dell'equipaggio sono stati aggiunti. I motori sono stati aggiornati ai motori T64-GE-3.
• CH-53D Sea Stallion: Aggiornamento del modello A dovuto alle sue scarse prestazioni nel clima tropicale del Vietnam: il motore è stato aggiornato ai più potenti T64-GE-412 e dotato di EAPS (vedi sezione "Motori"). La capacità di carico interna è stata aumentata a 14000 lb. Il CH-53D è stato il modello base per ulteriori miglioramenti; il CH-53D è stato ritirato dai Marines nel febbraio 2012 dopo aver completato 43 anni di servizio e sostituito con MV-22 Osprey.
• HH-53H/MH-53H/J/M Pave Low series: Il limite dell'U.S. Air Force HH-53B era che poteva operare solo con luce diurna e bel tempo. Quindi, per avere una macchina adatta a operazioni notturne e con clima avverso, l'elicottero ha iniziato a montare i sensori Pave Low, capaci di fornire al pilota immagini con condizioni di luce ambientale bassa. Negli anni (1969 - 1987) i nuovi MH-53 Pave Low sono stati ulteriormente migliorati con FLIR, Radar di Follow-up del Terreno, INS, Radar Doppler, Sistema di Visione Notturna e contromisure per operare meglio nelle operazioni delle Forze Speciali. L'ultima versione, CH-53M Pave Low IV, è stata ritirata nel 2008.
• CH-53E Super Stallion: Il modello a tre motori E, introdotto nel 1974, è ancora in servizio e può eseguire tutte le missioni proprie delle serie Pave Low.
• MH-53 Sea Dragon: Basato sul CH-53E e evoluzione del RH-53A/D, svolge missioni di dragaggio mine aeree per la U.S. Navy. Gli sponson ingranditi garantiscono maggiore capacità di carburante per una maggiore durata: durante la sua missione l'elicottero traina una varietà di slitte per il dragaggio di mine sull'acqua. Inoltre, è equipaggiato con contromisure elettroniche e acustiche alle mine.

CH-53E Technical features

Specifications CH-53E (3 engines) vs CH-53D (2 engines)

One can notice, by reading the table, in which measure the CH-53E increased the load capability of the CH-53D.

CH-53E three views drawing

Figure 1: The dotted line shows the helicopter with main rotor and tail boom folded.

Fuselage and cargo features

Il telaio del CH-53E si basa su quello del modello D, leggermente ampliato e adattato per ospitare il terzo motore.