L'elicottero

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).

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 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.

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 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).

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.

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 cosi 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

La 'svolta' orizzontale a sinistra o a destra, tecnicamente una virata, si ottiene con un opportuno sfruttamento di quella controrotazione che era il problema da superare per il genio di Leonardo.

In volo i due rotori sono in moto rispettivamente bilanciato e producono l'uno lo spostamento (verticale) e l'altro la stabilizzazione (longitudinale).

Nell'elicottero tradizionale, quindi, il rotore di coda consente il cambio di direzione (taluni dicono 'cambio di prua') semplicemente intervenendo sul passo delle pale: aumentandolo o diminuendolo, il rotore di coda darà minore o maggiore contrasto al moto 'istintivo' di controrotazione, facendo perciò spostare la coda del velivolo e dunque cambiare direzione.

Nell'elicottero ad eliche controrotanti (come il Chinook), invece, un principio simile consente di intervenire sulla velocità di rotazione di uno dei due rotori, con produzione di analoghi effetti ed uguali risultati.

GLI STALLI

Lo stallo di un elicottero avviene quando i filetti fluidi di aria che viene investita dalla pala si staccano in prossimità del bordo d'attacco quindi non si verrà a creare la zona di depressione sull'estradosso (parte superiore della pala) e la nostra pala non avrà più portanza, tale situazione si verifica con un angolo d'attacco superiore ai 18°, costruttivamente dando tutto passo non si raggiungono valori così alti però in determinate situazioni ci si può arrivare.

Lo stallo del rotore è la principale causa dei limiti di velocità di un elicottero, se noi consideriamo che le pale girando vanno a creare un disco e mettiamo questo disco in VRO (volo rettilineo orizzontale) a velocità abbastanza elevate noteremo che metà disco (semidisco avanzante) andrà ad investire aria rispetto al senso di marcia mentre l'altra metà (semidisco retrocedente) la subirà negativamente.

Tenendo conto che nella formula della portanza (P = 1/2 densità x coefficiente di portanza x sezione profilo x (velocità x velocità)) la velocità entra al quadrato, al semidisco avanzante andrà sommata la velocità dell'elicottero mentre al semidisco retrocedente questa velocità andrà sottratta, avremo quindi un semidisco con una portanza molto elevata ed un semidisco con una portanza pressoché nulla quindi l'elicottero comincerà a vibrare in maniera molto forte e poi comincerà a girare su sé stesso.

In ultimo il più pericoloso la cosiddetta power settling (scaduta con potenza) comunemente chiamato anello vorticoso o stato di vortice (in inglese è detto anche: vortex ring state); calcolando che il rotore genera un flusso d'aria che lo attraversa dall'alto verso il basso se il pilota si appresta ad un atterraggio quasi verticale con una velocità di discesa sostenuta c'è il rischio che l'elicottero scenda alla velocità dell'aria da lui stesso generata e quindi avremo il rotore che 'naviga nel vuoto'; aumentando il passo collettivo non faremo altro che aumentare la velocità di questo flusso per cui peggioreremo solo la situazione, l'unica maniera per uscirne è entrare in autorotazione, se la quota lo permette, e traslare in avanti riducendo il passo collettivo, una volta fuori dal flusso potremo ridare passo.

Il vortice può investire l'elicottero anche in caso di vento relativo in coda, cioè se l'elicottero é fermo con vento da dietro, oppure se l'elicottero procede all'indietro. Questa situazione deve essere assolutamente evitata perché rende l'elicottero ingovernabile.

L'AUTOROTAZIONE

Durante un'autorotazione, il flusso diretto verso l'alto dell'aria permette al rotore principale di girare alla velocità normale. In pratica le pale si comportano come un mulino e frenano la discesa.

È la manovra di emergenza effettuata durante la discesa dopo un'avaria all'impianto motore, simulata o reale. Durante questa discesa controllata, il rotore principale gira a causa del flusso d'aria verticale attraverso il disco del rotore e si comporta come un mulino a vento. Il pilota deve abbassare il collettivo per mantenere il numero di giri al minuto del rotore principale durante la discesa entro parametri prestabiliti. La velocità di rotazione non può essere nè troppo alta, nè troppo bassa per evitare danneggiamenti strutturali. Il pilota, poco prima dell'atterraggio alza il collettivo e frena l'elicottero.

Nell'elicottero l'autorotazione equivale alla planata con motore spento in un aeroplano. I piloti si esercitano nell'autorotazione in modo da riuscire ad effettuare un atterraggio di emergenza. Durante l'autorotazione, viene disattivato il collegamento tra il rotore principale ed il motore, che non fornisce più al rotore l'energia necessaria per girare. L'energia viene invece generata dal passaggio dell'aria attraverso le pale durante la discesa e dalla forza d'inerzia del rotore principale. Il numero di giri al minuto del rotore è il fattore più importante da considerare durante l'autorotazione. Girando, il rotore fornisce la portanza necessaria a stabilizzare la discesa ed immagazzina l'energia utilizzata per ammortizzare l'atterraggio. Se il numero di giri al minuto diminuisce eccessivamente, il rotore non potrà svolgere questa funzione.

Qualunque elicottero deve essere in grado di scendere in autorotazione; esistono però dei campi di velocità pericolosi, cioè condizioni di volo che non consentono il passaggio in autorotazione:

• una prima condizione è rappresentata da volo a bassa velocità e quota anche elevata; in questo caso se si ferma il motore, la bassa velocità di traslazione non permette di ottenere un flusso d'aria attraverso il disco sufficiente a produrre una portanza idonea a frenare la discesa ed evitare l'impatto con il suolo.
• la seconda condizione critica di volo si ha quando l'elicottero, anche ad elevata velocità di traslazione, è molto vicino al suolo. In questo caso l'inevitabile perdita di quota, conseguente all'avaria del motore, comporterà l'impossibilità di entrare in autorotazione ed il successivo violento impatto col suolo.

L'insieme di queste condizioni di volo è rappresentato sul grafico caratteristico quota-velocità con un'area al di sotto di una curva che prende il nome di 'curva dell'uomo morto'. I piloti di elicottero sono a conoscenza del fenomeno e cercano di restare in queste condizioni il minor tempo possibile.

IMPIEGHI CIVILI DELL'ELICOTTERO

L'impiego ad uso civile in Italia dell'elicottero risale al 1949, il Ministero della Agricoltura acquistò due Bell 47 che furono destinati in Sardegna come lotta alle zanzare. L'elicottero Bell 47 è uno dei più conosciuti dal grande pubblico per la particolare forma, infatti la cabina che ospita il pilota è un enorme bolla di plexiglas completamente trasparente. L'azienda americana Bell diffuse ben presto i suoi modelli, in Italia una piccola azienda l'Agusta strinse un accordo per la produzione su licenza di queste macchine che da questo momento cominceranno ad affollare il cielo italiano. L'unione tra la Bell e l'Agusta determinerà in futuro il nome che viene dato ai modelli realizzati infatti il Bell 47 diverrà AB47. Gli impieghi civili dell'ala rotante sono virtualmente infiniti, questa qualità specifica deriva dal fatto che elicottero può atterrare e decollare in spazi ristretti che abbiano come unico requisito l'assenza di una pendenza, può rimanere immobile in aria e muoversi in tutte le direzioni anche indietro. L'utilizzo principale è sicuramente il trasporto di persone e di materiale e merci. Uno degli elicotteri più grandi al mondo il russo Mi-6 può trasportare 90 passeggeri oppure 12.000 kg di carico. Il servizio di eliambulanza (o elisoccorso), è entrato a far parte della nostra vita da pochi anni ed ha permesso di salvare molte vite umane. Molti elicotteri vengono progettati dalle aziende costruttrici già in versione 'Eliambulanza' che prevede un ampio vano di carico per ospitare a bordo anche più barelle. L'utilizzo antincendio viene effettuato con elicotteri equipaggiati di benna, un recipiente semirigido che può essere riempito d'acqua facilmente ed in breve tempo. Da qualche tempo viene utilizzato un nuovo modello di elicottero che invece aspira l'acqua da un tubo mobile per immagazzinarla in un serbatoio posto sul fondo del velivolo. Altri impieghi sono la costruzione di teleferiche e funivie, la realizzazione di reti elettriche e di comunicazione in aree impervie, il trasporto in montagna, in America molto diffuso è l'utilizzo per le video riprese televisive.