L'ABC dell'elicottero..eppur decolla.

bluesky77 · **Inviato:** 03/04/2008, 7:29

Questa è una riedizione di un mi lavoro fatto un pò di tempo fa per descrivere a grandi linee come funziona il mondo dell'ala rotante.Sono passi molto discorsivi,però spero vi aiutino a capirci qualcosa in più.

PARTE 1: Comandi di volo e principi base.

Sappiamo che l'aeroplano utilizza fondamentalmente 3 componenti di controllo: la cloche o stick per i movimenti di alettoni ed elevatori,la pedaliera per i movimenti del timone e le manette per la gestione del propulsore. In particolare,sappiamo che mentre alettoni,timone ed elevatori funzionano dal cessnino al 777 nella stessa maniera (fatta eccezione per alcuni aeromobili che utilizzano comandi attuati per reazione aerodinamica,come l'MD-80,dove cioè il pilota non va a muovere direttamente la superficie di controllo tramite potenza idraulica,ma muove una piccola aletta sulla superficie e per effetto aerodinamico la superficie di controllo viene messa in movimento),sull'elicottero il funzionamento è simile ma avviene attraverso differenti meccanismi.
Partiamo dalla cloche. Sugli aerei la chiamiamo così,sugli elicotteri si chiama leva del passo ciclico,ed è situata tra le gambe del pilota,come molte cloche. Questa barra di comando va ad agire attraverso dei servocomandi su on piatto di comando, e assieme alla leva del passo collettivo,lavora sulle bielle di cambio passo.

Figura1 - Piatto oscillante e fisso,bielle di cambio passo e compassi antitorcenti.
(purtroppo non si vede molto bene il piatto oscillante fisso,posto sotto a quello rotante,appena possibile sostituirò la foto)
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. Insomma,per far scendere il muso dell'elicottero la spingo avanti,per virare a sinistra la spingo a sinistra,per far salire il muso la tiro verso il sedile,eccetera. Dicevo che il piatto di comando è quel piano sul quale si incontrano i servocomandi (gli impulsi del pilota) e le bielle (i collegamenti alle pale). Bene,questo piatto è diviso in due piatti identici.Un piatto ruota assieme al gruppo pale-biellette e uno,quello inferiore,non ruota,essendo solidale ai servocomandi,che sono fissi. Quindi i movimenti dei servocomandi vengono trasmessi per contatto tra i due piani di lavoro. Comunque le bielle non sono sottoposte a nessun carico trasversale: si occupano solo di cambiare l'incidenza delle pale. Premesso ciò,facciamo finta di essere in volo,con assetto stabile,e con una certa velocità di avanzamento. Ad un certo punto devo virare a sinistra. Spingo la mia barra del passo ciclico a sinistra,attraverso
leve (il fly by wire non è ancora molto diffuso nell'ala rotante) il comando arriva ai servocomandi che "amplificano" idraulicamente l'impulso meccanico e lo trasmettono al piatto oscillante,facendolo inclinare. Essendo il piatto superiore (rotante) collegato a quello inferiore (tramite di solito a cuscinetti doppi) anche le bielle si muoveranno. Si muoveranno CICLICAMENTE. Cioè,visto che il rotore gira,la biella che si presenta nel lato inclinato del piatto scenderà,facendo variare l'incidenza della pala collegata (in questo caso verso il basso). Chiaro,no? .Bene.C'è un'altra cosa,che vi dirò in termini molto immediati: Le pale di un rotore, quando sono soggette a una modifica della loro portanza,si comportano come un giroscopio libero,e per effetto della precessione giroscopica gli effetti (reazioni) si manifestano a 90° rispetto alle azioni..cercate su internet "precessione giroscopica" e capirete di cosa parlo,sennò facciamo notte.
Torniamo ai nostri comandi di volo. Abbiamo detto che oltre alla leva del passo ciclico c'è anche una leva chiamata del passo collettivo.,che è quella leva tipo freno a mano che si impugna con la mano sinistra. Qui la faccenda è molto più semplice: tirando in su la leva TUTTO il piatto oscillante (parte fissa e mobile) sale. Quindi tutte le pale aumentano la loro incidenza. Come effetto,l'elicottero guadagnerà quota.
Abbiamo parlato di ciclico e collettivo,manca la pedaliera. Anche qui il discorso è abbastanza semplice,se devo muovere l'elicottero attorno al suo asse verticale (asse di imbardata) agisco esattamente come sull'aereo: piede sinistro,imbardata sinistra e viceversa. Il povero rotore di coda lavora sotto schiaffo del terzo principio della dinamica: essendo in aria,la fusoliera dell'elicottero è spinta a ruotare nel senso opposto a quello di rotazione del rotore.Con il pedale vario quindi il passo collettivo delle pale del rotore di coda,aumentando o diminuendo l'effetto di rotazione indotta provocato dal rotore principale.
Prima di parlare del motore,ci sono altri particolari interessanti che vi voglio introdurre. Il primo concetto è che le pale di tutti gli elicotteri sono svergolate. Come i fusilli. Perchè? Semplice: facciamo finta di affettare la pala in molteplici sezioni. Sommiamo la portanza in tutte queste sezioni,ed avremo la portanza totale della pala. Sappiamo che dalla radice al tip della pala il raggio aumenta.La velocità angolare rimane costante (espressa in rad/sec) La velocità periferica aumenterà quindi mano in mano che mi avvicino verso l'estremità della pala. Aumenterà di conseguenza anche la portanza. Il risultato sarebbe avere un disco rotore con la portanza al massimo verso l'esterno,e al minimo verso l'interno. Dal punto di vista meccanico e cinetico non è il massimo della vita. Si adotta quindi lo svergolamento della pala: per avere una distribuzione di carichi omogenea,le pale vengono svergolate attorno al loro asse longitudinale,in modo da avere un angolo di calettamento decrescente dalla radice all'estremità.Ciò non impedisce un fenomeno chiamato "angolo di conicità": visto che il centro di pressione della pala è a circa metà pala,e supponendo,teoricamente che il centro di pressione e centro di gravità coincidano (non è quasi mai così) si viene a creare un momento flettente dato dalla forza (in questo caso la portanza) per il braccio (la distanza tra l'asse della trasmissione e il centro di pressione) .E' per questo che si adottano le cerniere di flappeggio: in questo modo la pala può "flappeggiare" senza innescare pericolose reazioni vincolari. Introduciamo un'altro aspetto importante:la dissimmetria del disco rotore.Questo aspetto,è molto rilevante nel moto traslato. Mi spiego: Se il mio elicottero avanza,avremo metà disco con le pale che avanzano controvento e metà disco con le pale che retrocedono sottovento. Questa differenza cinetica provoca una dissimmetria di portanza.Crediateci o no,è un problema noto,che si tiene così com'è. L'aspetto interessante è che le velocità Vne (non superabili) degli elicotteri saranno sempre legate a questo fenomeno: la dissimmetria di portanza è pericolosissima quando ci si avvicina al regime supersonico (parlando ovviamente dell'estremità della pala) : se viaggio oltre ad una certa velocità rischio che mezzo disco sia transonico e mezzo disco supersonico,con conseguenze dinamiche catastrofiche.

PARTE 2 - Comandi di volo e propulsori.

Nella precedente parte abbiamo parlato di come interagiscono i comandi di volo con le superfici di controllo dell'elicottero. In questa parte parleremo di motori a pistoni,utilizzati per elicotteri di piccole dimensioni,per lo più per attività di scuola,ricognizione e spargimento sostanze.Si trattà di unità motrici note al pubblico dell'aviazione generale: un esempio si trova nello Hughes 300,che utilizza il Lycoming HIO 360 ( H= helicopter I= injection O= opposed,visto che l'unità motrice utilizza una configurazione a 4 cilindri boxer,con doppia accensione) . Questo motore è praticamente onniprsente: cessna 172,partenavia P68,piper seneca,e molti altri. La differenza tra i modelli montati sugli elicotteri e quelli montati sugli aerei consiste principalmente nel sistema di raffreddamento (per gli aerei infatti ci pensa l'elica,per gli elicotteri è stato ideato un sistema ad aria forzata).
Tornando all'elicottero e al funzionamento dinamico del velivolo,l'accelerazione del motore dietro una richiesta di potenza può essere effettuata in due modi: manuale o tramite "governor". In modo manuale è il pilota ad aumentare o diminuire i giri del motore,agendo manualmente tramite rotazione della manopola del gas. E' istintivo,provateci: mettete il braccio sinistro verticale con il pugno chiuso. Fate finta di impugnare il collettivo e alzandolo ruotate il polso in modo da avvicinare le nocche al sedile. Viceversa,quando abbassate,ruotate il polso verso l'esterno,allontanando le nocche. Quindi,ricapitolando: se devo far alzare l'elicottero,devo alzare la leva del passo collettivo,facendo variare collettivamente il passo di tutte le pale.Aumenteranno quindi l'angolo di incidenza delle pale e la coppia resistente complessiva del mio rotore. Insomma,come se con un'automobile affronto una salita. Dovrò quindi bilanciare la richiesta di potenza (aumento resistenza) con un'apertura della manetta del gas (aumento potenza) .Viceversa,se devo perdere quota,il mio collettivo si abbasserà,e la mia manetta ruoterà verso il minimo. Questo vale se il mio elicottero a pistoni non è dotato di "governor".Se il nostro elicottero è dotato di questo dispositivo,non devo fare movimenti con la manopola del gas,ci pensano automaticamente una serie di leverismi e meccanismi. Stiamo parlando di motori a pistoni,quindi per il riferimento di potenza parleremo di MAP,cioè di Manifold Air Pressure : la pressione dell'aria nel collettore d'aspirazione del motore.

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In figura (presa da un simulatore,ma va bene uguale) possiamo distinguere:
1) strumento MAP (in alto a sinistra, in pollici di mercurio) ;
2) strumento doppio dei giri, dove la lancetta lunga inferiore,con la scritta "E" serigrafata occupa la scala esterna,da 0 a 3500 giri e la lancetta corta dei giri rotore è sopra,recante la lettera R e i suoi valori vanno da 0 a 600 giri. Notate che la banda verde (l'indicatore dei giri ne ha due,ma l'inferiore è valida a terra e al minimo) è molto ristretta? Bene,per stare per aria,dovete far stare in linea di massima le lancette in quello spazio.Questo era per rendere l'idea,in volo si complica un pò la faccenda,soprattutto vista la necessità di coordinare mani,piedi,polsi e testa.Molti piloti dicono che è come andare in bicicletta: capito il trucco non è poi così difficile.

PARTE 3: motori a turbina.

La stragrande maggioranza degli elicotteri in circolazione è dotata di motore a turbina. Rispetto al motore a pistoni sappiamo che possiede vantaggi in termine di rapporto peso/potenza,riduzione di vibrazioni e comportamento in quota.
Nella famiglia dei motori a turbina,possiamo distinguere due categorie principali:
- Motori a turbina libera;
- Motori a turbina legata.
I motori a turbina libera sono la categoria più diffusa e moderna,infatti la turbina legata è caratteristica solo di pochi motori (per esempio il Turbomeca Artouste II e III) e questo tipo di propulsori presenta svantaggi marcati rispetto ai vantaggi: i vantaggi consistono nel tempo di risposta rapido e nella costruzione più semplice,gli svantaggi sono che il motore non ha possibilità di assemblaggio "modulare" (vale a dire che avendo un'albero solo su cui tutti i componenti sono calettati ho molte limitazioni dal punto di vista della praticità manutentiva) e ha una possibilità di inviluppo di utilizzo abbastanza limitata.
Analizziamo quindi come funziona un motore a turbina libera su di un'elicottero,prendendo come esempio un modello molto diffuso: La Pratt&Whithey PT6 (fig1):

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Questo tipo di propulsore (in figura 1 è rappresentata la PT6A) è diviso sostanzialmente in due parti: la prima va dal primo stadio di compressore assiale fino alla turbina di potenza del compressore (N1),e la seconda parte va dalla turbina libera di potenza fino all'albero di uscita (N2).
Nell'utilizzo di un propulsore nell'ala rotante è fondamentale considerare la regola base secondo la quale il numero di giri del rotore deve rimanere pressochè costante. Sappiamo che nel caso del motore a pistoni il mantenimento dei giri rotore viene affidato al controllo manuale da parte del pilota, o se il velivolo ne è equipaggiato dal sistema automatico noto col nome di "governor".
Nel caso del motore a turbina (e sempre nel caso della PT6,in particolare della PT6C-67C installata sull'Agusta Westland AW-139) il controllo della potenza è affidato a due componenti principali: L'EEC (Electronic Engine Control) e il FMM (Fuel Management Module). L'EEC è fondamentalmente una scatola elettronica che contiene tutti i componenti necessari per il controllo automatico dei giri del motore e di conseguenza di quelli dei rotori (principale e di coda). Il FMM (nella figura 1 è il primo componente da destra,davanti alla scatola accessori) lavora assieme all'EEC per controllare il dosaggio del carburante lungo tutto l'arco di utilizzo del propulsore. Il modo di utilizzo in "automatico" del motore avviene quindi attraverso una rete di sensori che si occupano di rilevare il numero di giri dei due alberi motore (N1 e N2) del rotore principale (Nr) del valore di coppia sull'albero di uscita (Q) della temperatura del motore (in questo caso ITT che sta per Interstage Turbine Temperature,cioè la temperatura tra le due turbine) e della temperatura esterna (OAT). La massa di informazioni che proviene da questi sensori,unita ai trasduttori di posizione della leva del passo collettivo,convergono nella EEC,che li elabora e li trasmette sotto forma di impulsi meccanici ai componenti del FMM. Nel caso di avaria del sistema automatico EEC il pilota può governare manualmente il FMM tramite degli switch posti sulla leva del passo collettivo,quindi il canale di "backup" di questo tipo di equipaggiamento è sempre rappresentato dall'intervento umano.
Sempre parlando del motore,affrontiamo un problema che è facile da porsi,e cioè cosa succede nel caso in cui il motore subisca un guasto grave.
Nel caso di un elicottero equipaggiato con due motori,se le condizioni di volo lo consentono non si è obbligati ad atterrare ma è possibile proseguire con il motore rimanente. Nel caso di un elicottero equipaggiato con un solo motore si procederà con un'operazione chiamata "autorotazione". Il particolare interessante dal punto di vista del propulsore è che nel caso di un malfunzionamento generale, il motore non trascina con sè la trasmissione,ma attraverso un componente chiamato "ruota libera" consente alla trasmissione principale di svincolarsi dal motore stesso. In pratica funziona come la ruota libera della bicicletta: in un senso i pedali trasmettono il moto,nell'altro si svincolano automaticamente.Senza questo dispositivo si avrebbe infatti un legame diretto tra trasmissione e motore,che in caso di blocco meccanico di quest'ultimo bloccherebbe di conseguenza tutta la trasmissione dll'elicottero,con conseguenze facilmente intuibili.