I segreti dell’elicottero

Dietro una livrea semplice e accattivante e un rotore composto da poche pale, si nasconde un meccanismo di funzionamento ingegneristicamente complicato e di difficile manovrabilità per il pilota.

Gli elicotteri sono le macchine volanti per eccellenza dal momento che possono decollare e atterrare senza bisogno di accelerare o frenare lungo una pista. Inoltre, hanno un margine di manovrabilità molto più ampio rispetto agli aerei dato che possono mantenersi stazionari in volo (hovering) e, una volta in aria, possono orientarsi in tutte le direzioni. Tuttavia, questa maggiore libertà di movimento è associata ad una notevole complessità del rotore di volo che richiede al pilota abilità notevoli ed estrema attenzione in tutte le manovre che esegue (con i comandi a disposizione) toglierei.

Foto di un elicottero Bell UH-1Y Venom dell’aeronautica statunitense.

Come tutte le macchine volanti, anche gli elicotteri usano l’aerodinamica dei profili alari per generare portanza (lift): quando le pale del rotore ruotano rispetto all’aria che le circonda, la forma appositamente sagomata del profilo produce una forza che sostiene l’elicottero in volo e lo fa avanzare in una certa direzione. La rotazione è imposta alle pale tramite un motore di tipo turbo-shaft costituito da un compressore che aspira aria al suo interno e la comprime prima che un processo di combustione energizzi il fluido che, infine, passa attraverso una serie di stadi di turbina. Solitamente, quest’ultima è divisa in due parti, ovvero una turbina di alta pressione (HPT) che guida in compressore e una turbina di bassa pressione (LPT) direttamente collegata ad un albero che alimenta il moto di rotazione del rotore dell’elicottero attraverso un riduttore a ruote coniche che trasferisce la potenza dall’albero solidale alla turbina al master, l’albero sul quale è montato il rotore.

Forze agenti su un profilo alare immerso in un fluido in moto.

L’aspetto più stimolante del volo di un elicottero è capire come controllarne gli spostamenti, ovvero come muoverlo in avanti e indietro, come spostarlo lateralmente e come farlo ruotare attorno ad un asse verticale. Per i primi due tipi di moto, la risposta è piuttosto semplice dal momento che basta inclinare il piano di rotazione delle pale nella direzione voluta. In questo modo, la forza generata dal rotore avrà una certa inclinazione rispetto all’asse verticale così che la componente orizzontale genererà una spinta tale da spostare l’elicottero nella direzione desiderata, mentre quella verticale bilancerà la forza peso del velivolo. Pertanto, la questione più intrigante riguarda come far ruotare un elicottero attorno al proprio asse, così che possa spostarsi lateralmente o inclinarsi in avanti/indietro. Per capirlo, è necessario fare chiarezza sul funzionamento di un profilo alare, infatti la portanza che esso riesce a produrre varia in funzione dell’angolo d’attacco del profilo stesso (l’angolo tra la corda del profilo e la direzione dell’aria relativa alla pala n.d.r.); in particolare, maggiore è l’angolo d’attacco, maggiore la portanza generata dal profilo (ovviamente, questa relazione ha un limite superiore per cui, al di sopra di un certo valore dell’angolo di attacco, le prestazioni del profilo diminuiscono drasticamente). Qualora le pale dell’elicottero abbiano differenti angoli d’attacco l’una rispetto all’altra, la forza di lift è diversa su ciascuna di esse e questa differenza tra le varie forze genera una coppia che tende a far ruotare l’elicottero attorno al proprio asse. È ovvio che ciascuna pala dovrà cambiare il proprio angolo d’attacco in modo continuo così da avere sempre lo stesso valore di angolo d’attacco ad una data posizione circonferenziale sul piano di rotazione delle pale. Questo complesso movimento delle pale è gestito tramite un meccanismo noto come “piatto oscillante”.

Funzionamento del “collective pitch“. Fonte: http://www.gizio.it/
Funzionamento del “cyclic pitch“. Fonte: http://www.gizio.it/

Il piatto è composto da due dischi montati sul master. Il primo, noto come disco fisso, è collegato rigidamente alla fusoliera dell’elicottero, pertanto non ruota solidalmente al master, ma può muoversi verso l’alto e verso il basso, oppure inclinarsi in avanti, indietro, a destra e a sinistra attraverso un sistema di pistoni idraulici. Il secondo, noto come disco mobile, è montato sopra il disco fisso attraverso un cuscinetto assiale e si muove solidalmente al master a cui è collegato da un braccio meccanico: in questo modo, esso può compiere tutti i movimenti del disco fisso e, in più, è in grado di ruotare liberamente con il master e con le pale. Infine, ciascuna pala è collegata al disco mobile mediante delle billette. Questo meccanismo consente di variare contemporaneamente l’angolo d’attacco di tutte le pale semplicemente muovendo il disco fisso secondo uno dei modi precedentemente indicati. In particolare, inclinando il disco fisso, ciascuna pala vede cambiare il proprio angolo d’attacco di una quantità dipendente dall’entità dell’inclinazione. In questo modo, variando periodicamente il proprio angolo d’attacco, una pala genera più lift di quella diametralmente opposta. Questo squilibrio di forze crea un momento che inclina l’elicottero in una direzione che risulta 90° in anticipo rispetto a quella che intuitivamente ci si aspetterebbe per effetto del fenomeno di precessione giroscopica. In definitiva, per inclinare l’elicottero in avanti, sarà necessario applicare una coppia lateralmente tramite un’inclinazione a sinistra (se si osserva l’elicottero del piano di coda) del piatto oscillante. Qualora invece il piatto sia inclinato all’indietro, la coppia risultante fa ruotare l’elicottero verso sinistra. Inoltre, facendo traslare verso l’alto o verso il basso il disco fisso, l’angolo d’attacco di tutte le pale varia della stessa quantità. La forza di lift sarà dunque la stessa su ciascuna pala e l’elicottero si alzerà o si abbasserà di quota.

Infine, la maggior parte degli elicotteri hanno un rotore di coda. In sua assenza, la fusoliera ruoterebbe in senso opposto rispetto alle pale come conseguenza della coppia di forze che si genera nel contatto tra le ruote del riduttore. Il rotore di coda ha lo scopo di prevenire questa rotazione generando una forza avente un momento tale da bilanciare la coppia all’interfaccia delle ruote. Si capisce come, aggiustando in maniera appropriata l’angolo d’attacco delle pale del rotore di coda, il pilota possa gestire il moto di imbardata dell’elicottero.

Rotore di coda di un elicottero Dauphin II 1/48 KittyHawk

Da questa breve descrizione del funzionamento del rotore di un elicottero è evidente come le operazioni di manovra del velivolo siano un compito piuttosto arduo per il pilota che si trova contemporaneamente a dover gestire molteplici comandi, quali il “collective pitch” con cui fa traslare verticalmente il piatto oscillante, il “cyclic pitch” con cui ne regola l’inclinazione, la leva per gestire la potenza fornita dal motore e i pedali con cui controlla la forza prodotta dal rotore di coda. Questo complesso quadro è ulteriormente complicato dal fatto che una piccola variazione nell’assetto dei comandi può indurre una marcata variazione del comportamento dell’elicottero, il quale, peraltro, non risponde istantaneamente alle modifiche di assetto, nonché dalla necessità di operare contemporaneamente su più comandi per ottenere la condizione di moto desiderata.

Panoramica della cabina di comando di un elicottero. Fonte: http://www.gizio.it/