Abbiamo già visto come perché un aereo, o qualsiasi
altra cosa, possa permanere in stato di "moto uniforme" cioè
non accelerato, occorre che le forze che agiscono su di esso
siano equilibrate.
E sin qui niente di nuovo.
Il nostro aereo, in particolare, sta su in quanto riusciamo
a generare una portanza che equilibra il suo peso.
Resta però un problema riguardo la "stabilità" del nostro
sistema.
Questa dipende da "dove" io applico le forze.
Se queste sono applicate tutte nello stesso punto il mio
sistema resta in equilibrio, se no si mette a ruotare.
In fisica diciamo che devono essere nulli i "momenti" delle
forze applicate.
Per essere più espliciti, NON BASTA che le forze
applicate siano uguali ed opposte, occorre anche che il modo
con cui le applichiamo sia tale da mantenere un equilibrio
stabile.
Questo non avviene, ad esempio, se noi contrastiamo la forza
peso con una portanza applicata solo nell'ala.
Il nostro velivolo magari volerebbe, ma non avremmo modo di
governarlo e si comporterebbe come il sistema nella figura
accanto, che riconosciamo "instabile" .
Un sistema equivalente ma "stabile" vorrebbe due punti
d'appoggio (nel caso dell'aereo due ali, una davanti ed una
dietro).
Un altro sistema stabile potrebbe essere realizzato con
due appoggi opposti disposti come in figura, in modo che il
nostro peso si trovi a sbalzo su una trave in questo modo
"incastrata".
Il sistema funziona ma le forze che devo mettere in gioco
sono enormi, nel caso del nostro aereo dovrei generare una
portanza doppia rispetto al peso e poi una "deportanza" di
valore uguale al peso stesso
Questa è già una soluzione analoga mia più intelligente
- l'appoggio principale (la portanza) è applicata vicino al
baricentro e la deportanza che serve a mantenere il tutto
stabile è molto lontana (ad esempio in fondo al trave di
coda).
Stabilità longitudinale
Applichiamo queste soluzioni ad un aereo e vediamo cosa
succede.
Sino a che tutto va liscio, il nostro aereo vola
perfettamente senza problemi.
Ma se per caso per una qualsiasi perturbazione dovesse ad
esempio alzare un po' il muso cosa succederebbe?
L'aereo ruoterebbe intorno al baricentro, e quindi
aumenterebbe l'angolo di incidenza delle ali, facendo
aumentare la portanza (aumenta anche sui piani di coda ma
siccome sono più piccoli aumenta di meno).
L'aumento della portanza sull'ala comporta una ulteriore
rotazione a cabrare, questo farebbe aumentare ancora di più
la portanza e la rotazione si accentuerebbe ancora.
Il sistema è quindi instabile.
Un aereo non può volare in queste condizioni o, se lo
facesse, il pilota sarebbe costretto continuamente a
correggere l'assetto per evitare di capovolgersi.
Vediamo invece cosa succede se il sistema funziona come
nel secondo esempio di trave incastrata, anzi, meglio, come
nell'ultima ipotesi, dove la nostra "trave" è incastrata tra
l'ala che produce la portanza e la coda, lontana, che
produce una deportanza molto inferiore.
In questo caso quando l'ala dovesse per qualsiasi motivo
aumentare la sua incidenza e quindi generare una portanza
maggiore, questa farebbe ruotare l'aereo intorno al suo
baricentro.
Ma essendo il baricentro davanti all'ala, la rotazione
sarebbe nel senso di diminuire l'incidenza, e quindi tornare
alla condizione iniziale.
In questo caso quindi il sistema risulta stabile e l'aereo
può volare tranquillamente senza che il pilota debba
stressarsi intervenendo di continuo sui comandi.
Ed infatti è proprio così che funziona l'accoppiata
ala/piani di coda:
L'ala genera la portanza che serve ad equilibrare il peso,
la coda una piccola deportanza (cioè una forza aerodinamica
del tutto simile alla portanza ma rivolta verso il basso)
che serve a mantenere in equilibrio il nostro velivolo.
Più i piani di coda saranno lontani dall'ala e minore sarà
questa deportanza.
Siccome io con l'ala devo equilibrare anche questa
deportanza, oltre al peso, più lontana dall'ala è e meglio
è.
E questo è il motivo per cui è necessaria una coda lunga.
I
velivoli canard
Quando però gli aerei erano appena nati, l'idea di dover
aggiungere una forza rivolta verso il basso per governare e
quindi di dover produrre una portanza maggiore, sembrava un
assurdo.
I fratelli Wright, infatti, costruirono un velivolo fatto in
modo tale da produrre portanza sia sull'ala che
sull'equilibratore orizzontale.
Ma per quanto abbiamo visto prima l'ala (cioè il dispositivo
che avrebbe dovuto generare la maggior parte della portanza)
doveva stare dietro al baricentro.
La soluzione più ovvia era mettere l'ala dietro e la "coda"
davanti.
Infatti i primi velivoli avevano gli equilibratori
orizzontali davanti, in questo modo tutte le forze
aerodinamiche che si generavano (a stento) sarebbero servite
per sostenere il peso dell'aereo.
Questa architettura di velivolo prende il nome di "canard",
dal fatto che, dovendo avere questi aerei un trave non più
di coda ma di prua, ricordano un po' le anatre
(appunto canard in francese - i primi velivoli con questo
tipo di architettura , fratelli Wright a parte, furono
sviluppati da Bleriot) o le oche.
La stabilità di un velivolo canard
concettualmente è identica a quella di un velivolo ad
architetture classica.
Se l'aereo ruota verso l'alto l'ala aumenta l'incidenza e
quindi la portanza, ma il baricentro resta davanti all'ala e
quindi la rotazione che ne consegue è nel senso di abbassare
il muso e quindi di ridurre l'incidenza del'ala.
In teoria la soluzione canard presenta molti vantaggi
rispetto alla classica architettura con l'equilibratore in
coda. In pratica però esistono alcune contingenze negative
che ne hanno condizionato molto l'utilizzo.
Il velivolo canard è più difficile da progettare in quanto,
se non vogliamo realizzare il lunghissimi "colli da anatra"
di Bleriot, gli equilibratori risultano più vicini al
baricentro e quindi diventa più difficile prevederne
l'efficacia e sostanzialmente progettarli.
Inoltre l'adozione dei flap e in genere di sistemi di
ipersostentazione, spostando il centro aerodinamico dell'ala
(cioè il punto ideale dove possiamo pensare applicate le
forse aerodinamiche dell'ala) ne rendono critico il
funzionamento.
Oggi, grazie allo sviluppo di modelli matematici efficaci e
alla disponibilità di gallerie aerodinamiche su cui provare
i modelli, la formula canard sta riprendendo un suo spazio.
Negli anni '80 molti furono i progetti canard del giovane
Burt Rutan, oggi riconosciuto uno dei migliori progettisti
aeronautici, specializzato in tecnologie innovative,
particolarmente attivo nello sviluppo di materiali compositi
di tipo plastico in sostituzione dei metallici.
Rutan progettò la vela di Star& Stripes. il catamarano che
vinse la Coppa America nel 1988.
Nell'immagine qui sotto il suo velivolo "sub orbitale" .
Anche i più moderni caccia, in teoria la "punta di diamante" della
progettazione aeronautica, adottano la formula canard, alla ricerca
della "ipermanovrabilità", cioè della possibilità di controllare il
velivolo anche oltre lo stallo.
Questo in quanto i pianetti canard, essendo davanti all'ala, non
risentono della turbolenza da questa generata ai forti angoli
d'attacco.
Su questi aerei, inoltre, sistemi di controllo "fly-by-wire", cioè
controllati tramite computer, permettono di realizzare una sorta di
stabilità "artificiale",- il computer sostituisce il pilota nel
mantenere l'assetto e quindi lo può fare anche se l'aereo di suo
sarebbe instabile.
Weight and
balance
Abbiamo visto che un aereo per poter volare ed essere
controllato, occorre che abbia il baricentro davanti al
centro aerodinamico.
In questo modo i piani di coda dovranno produrre una
deportanza che permetterà di equilibrare i momenti e
mantenere l'aereo in volo livellato e stabile.
Possiamo però ben immaginare che esistano dei limiti al
carico che potremo portare.
Ci sarà un peso massimo consentito al decollo, da non
superare, e ragionevolmente ci porremo dei limiti anche
all'escursione del baricentro.
In parole semplici, non solo non potremo caricare più di una
certa quantità di carico, ma dovremo anche fare attenzione a
come lo posizioneremo a bordo.
Ad esempio supponiamo di spostare all'indietro il
baricentro .. cioè caricare troppo peso in coda.
In questo caso il nostro piano di coda sarà sempre meno
impegnato, sino a non lavorare affatto.
In questa condizione l'aereo diventerà ingovernabile e
potremmo addirittura non riuscire ad impedirgli di
continuare ad alzare il muso, sino a stallare.
Ovviamente in queste condizioni lo stallo è mortale, in
quanto l'aereo non può essere ripreso.
In questa situazione l'aereo potrebbe decollare ma diventare
incontrollabile subito dopo.
Supponiamo invece di aver caricato troppo in prua.
Il pianetto di coda dovrà produrre una deportanza sempre più
grande, sino ad un limite superato il quale non saremo più
in grado di recuperare la tendenza a picchiare.
In una situazione come questa l'aereo non riuscirà a
decollare e quindi facilmente il pilota abortirebbe il
decollo, ammesso che al momento in cui comprende la
situazione abbia ancora lo spazio per fermarsi.
Incidenti mortali sono avvenuti anche ad
aerei caricati correttamente ma il cui carico si sia poi
spostato in volo.
E' il caso ad esempio dei velivoli destinati a paracadutare
grossi carichi - se le operazioni di lancio non avvengono
correttamente il baricentro può spostarsi notevolmente.
Se invece avessimo semplicemente caricato
troppo peso, ma ben distribuito?
In questo caso l'aereo sarebbe semplicemente più pesante e
la nostra portanza, che vale sempre
dovrà essere prodotta aumentando la
velocità.
In pratica potremmo non avere una pista abbastanza lunga per
raggiungere la velocità di decollo.
Una volta in volo dovremo far attenzione perché le velocità
minime (di stallo) sarebbero più grandi, e maggiori le
sollecitazioni in caso di manovre.
In pratica con un sovraccarico si può anche volare, facendo
attenzione -
col carico mal disposto
NO.
E' compito del pilota, prima di partire, di
verificare che il carico sia compatibile con il volo.
Per questo esistono apposite tabelle, specifiche per ogni
velivolo, dove il pilota dovrà indicare, per ogni posizione
a bordo, il peso caricato.
A fianco, per ogni posizione, vi è il valore del "datum",
cioè della distanza del carico rispetto al centro
aerodinamico, positiva se dietro, negativa se davanti.
Il pilota poi dovrà moltiplicare ogni carico per il "datum",
ottenendo cos' un momento (forza peso per braccio).
Alla fine farà la somma dei pesi e verificherà che non sia
superiore al massimo consentito al decollo, e la somma
ALGEBRICA (cioè considerando i valori con il loro segno e
sommando i positivi e sottraendo i negativi) dei momenti,
verificando che non sia all'interno del range consentito
(non superiore ad un certo valore e non inferiore ad un
altro).
Carico
Peso
Datum
Momento.
Totali
Ovviamente per gli aerei di linea e i cargo sono stati
sviluppati programmi automatici che permettono il calcolo
immediato del peso e del centraggio in tempo reale,
acquisendo i dati direttamente dai terminali usati al
check-in.
Per i velivoli di linea si utilizzano dati medi per i
passeggeri che vengono assegnati ai posti a sedere.
Per i bagagli si utilizzano i pesi effettivi, pesandoli uno
per uno all'imbarco.
La tendenza futura sarebbe quella di pesare ogni singolo
passeggero, perché in casi eccezionali e per velivoli di
dimensioni medie è capitato che i conti fatti considerando i
valori medi si siano rivelati pericolosamente sbagliati.
Su velivoli particolari, come ad esempio il Concorde,
che essendo un velivolo supersonico subiva uno spostamento
notevole del centro aerodinamico al passare dal regime
subsonico a supersonico e viceversa, i serbatoi del
carburante erano distribuiti in modo che un sistema di pompe
spostasse il carburante a poppa o a prua a seconda delle
necessità di centraggio.
Stabilità laterale
Per concludere il discorso sulla stabilità, vediamo
per sommi capi come si ottiene anche quella intorno all'asse di
rollio.
In questo caso non è la distribuzione dei carichi a bordo ad
influenzarla, ma l'architettura del velivolo.
In particolare avremo due situazioni differenti a seconda che il
velivolo sia ad ala alta o bassa.
In un velivolo ad ala alta la stabilità è garantita
automaticamente.
Essendo il centro aerodinamico situato sopra il baricentro, di fatto
l'aereo di trova "appeso" alle ali, e di conseguenza si comporta.
In caso di oscillazione intorno all'asse di rollio il baricentro si
viene a spostare in modo da generare un momento raddrizzante.
Sulle barche questo veniva ottenuto appesantendo la chiglia o
aggiungendo un "bulbo" in piombo o in ghisa alla deriva.
Se il velivolo invece è ad ala bassa, a seguito di
un'oscillazione il baricentro e il centro aerodinamico si spostano
in modo da generare un momento instabilizzante, che tenderebbe a far
capovolgere l'aereo.
Per risolvere il problema viene dato alle due semiali un certo
angolo detto di "diedro".
In questo modo in seguito ad una piccola oscillazione l'ala che si
abbassa si trova a diventare parallela al piano orizzontale, e tutta
la portanza che genera viene rivolta verso l'alto.
L'altra semiala, invece, si troverà maggiormente inclinata, e solo
una frazione della portanza generata sarà rivolta verso l'alto.
In questo modo la maggior portanza sull'ala che si è abbassata
genera un momento raddrizzante che evita il ribaltamento del
velivolo.
Può capitare che la stabilità ottenuta con l'angolo di diedro
previsto a progetto sia "troppa" .. cioè il velivolo è talmente
stabile che tende a tornare in assetto orizzontale con tale velocità
che il movimento diventa fastidioso, o, nel caso di un velivolo da
combattimento, si innestano vibrazioni vere e proprie che rendono
impossibile puntare le armi.
Per questo su alcuni velivoli viene dato un angolo di diedro
"negativo" ai piani di coda, per compensare la troppa "stabilità" e
ammortizzare queste oscillazioni.
Un caso evidente era l'F4 Phantom.
