Teoria del volo dell elicottero

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3 Dott. Ing. Giovanni Di Giorgio Teoria del volo dell elicottero Aerodinamica Meccanica del volo Seconda edizione

4 Copyright MMIX ARACNE editrice S.r.l. via Raffaele Garofalo, 133 A/B Roma (06) ISBN I diritti di traduzione, di memorizzazione elettronica, di riproduzione e di adattamento anche parziale, con qualsiasi mezzo, sono riservati per tutti i Paesi. Non sono assolutamente consentite le fotocopie senza il permesso scritto dell Editore. I edizione: novembre 2007 II edizione: giugno 2009

5 7 Indice Prefazione alla seconda edizione 13 Prefazione alla prima edizione 15 Unità di misura 17 Elenco dei simboli 19 Sigle ed abbreviazioni 25 Capitolo 1 Configurazioni degli elicotteri 1.1 L elicottero ed il volo verticale Le configurazioni degli elicotteri Sistemi non convenzionali di generazione della spinta anticoppia Il rotore ed i comandi di volo Le tipologie costruttive fondamentali del rotore principale e del rotore di coda anticoppia I comandi ed il meccanismo del piatto oscillante Capitolo 2 Aerodinamica del rotore nel volo in traslazione assiale ed a punto fisso (hover) 2.1 Introduzione Teoria impulsiva Volo verticale in salita Volo a punto fisso (hover) Volo verticale in discesa Curve della velocità indotta in volo verticale Teoria dell elemento di pala La trazione generata dal rotore, la coppia e la 55 potenza richieste Svergolamento lineare della pala rotore Velocità indotta non uniforme Perdite di radice e perdite all estremità di pala Figura di Merito

6 Procedura di calcolo dei parametri aerodinamici, 66 dei carichi sulla pala e della potenza richiesta 2.4 L effetto suolo Introduzione alla Teoria vorticosa Richiami di dinamica dei fluidi ideali Relazioni fondamentali applicate al rotore Applicazione del Teorema di Kutta-Joukowsky Velocità indotte dai vortici, la Legge di Biot-Savart Modellazione del rotore in hover e problematiche di calcolo Fenomeni di interazione dovuti ai vortici d estremità Scia fissata a priori, il modello di Landgrebe in hover 85 Capitolo 3 Dinamica del rotore 3.1 Introduzione Assi e piani fondamentali Il moto di flappeggio della pala Eccentricità della cerniera di flappeggio e momenti di 95 controllo 3.5 Il rotore in volo avanzato: il moto di flappeggio delle 100 pale ed il principio della precessione giroscopica 3.6 Moto di brandeggio della pala Variazione ciclica del passo Accoppiamenti tra i moti fondamentali della pala 105 Capitolo 4 Aerodinamica del rotore in volo avanzato 4.1 Introduzione Teoria impulsiva Teoria dell elemento di pala Calcolo delle componenti della velocità del 113 flusso sulla pala rotore Regione di flusso inverso Angolo di incidenza locale Le sollecitazioni aerodinamiche sul rotore, equazioni in forma chiusa Calcolo della trazione Calcolo della resistenza H Calcolo della coppia Coefficienti di flappeggio Piano di non flappeggio e piano del mozzo 137

7 Grandezze aerodinamiche riferite al piano di non flappeggio Grandezze aerodinamiche riferite al piano del 139 mozzo 4.6 Equilibrio dell elicottero ed aerodinamica del rotore Correzione dei risultati della Teoria dell elemento di pala Limiti della Teoria dell elemento di pala Fenomeni di stallo e compressibilità Terminale di pala a freccia e numero di Mach 152 locale 4.10 Cenni sui modelli di scia del rotore in volo avanzato Aerodinamica computazionale e metodologie avanzate ad approccio multidisciplinare 156 Capitolo 5 L equilibrio dell elicottero 5.1 Introduzione Sistemi di riferimento Equazioni generali del moto dell elicottero Condizioni di equilibrio ( trim ) dell elicottero Trattazione generale dell equilibrio ( trim ) Momento di reazione del sistema rotore-fusoliera Trattazione semplificata dell equilibrio (trim) Equazioni di equilibrio in volo avanzato Espressione della Potenza in volo avanzato 177 orizzontale 5.7 Stima rapida delle condizioni di equilibrio longitudinale Soluzione generale dell equilibrio ( trim ) L autorotazione Autorotazione del rotore e manovra di 193 autorotazione dell elicottero Condizione aerodinamica in autorotazione Fase finale della manovra di autorotazione ed 195 atterraggio Limitazioni all autorotazione e Diagramma 197 Quota-Velocità Osservazioni conclusive 198 Capitolo 6 Prestazioni dell elicottero 6.1 Introduzione La potenza richiesta totale Atmosfera standard Il motore e la potenza disponibile 203

8 Il regime operativo del rotore principale Configurazione costruttiva del motore turbo- 205 albero a turbina libera (free shaft turbine engine) Il sistema rotore/trasmissione/motore Prestazioni del motore installato: le potenze 209 disponibili 6.5 Prestazioni in hover Le potenze richieste P RP e P rc nel volo a punto 211 fisso (hover) Resistenza verticale dell elicottero Quota massima di hovering Prestazioni in salita verticale Prestazioni in volo traslato orizzontale Le potenze richieste P RP e Prc La resistenza parassita D f in volo orizzontale La potenza necessaria totale in volo orizzontale Velocità massima in volo livellato Autonomie di volo Correzioni della potenza richiesta per stallo e compressibilità 6.8 Prestazioni in volo traslato in salita ed in discesa La potenza necessaria P RP nel volo traslato in 229 salita Ratei ed angoli di salita, quote di tangenza La potenza necessaria P RP nel volo traslato in 234 discesa 6.9 Prestazioni in autorotazione Analisi di missione Peso al decollo ed in atterraggio Impostazione dello studio di missione 238 Capitolo 7 Stabilità e controllo; introduzione alla Dinamica del volo dell elicottero 7.1 Introduzione Stabilità statica e stabilità dinamica Stabilità statica Stabilità al disturbo di velocità Stabilità al disturbo di incidenza Stabilità direzionale (disturbo d imbardata) Stabilità dinamica Teoria delle piccole perturbazioni Introduzione delle derivate di stabilità 249

9 Osservazioni sul metodo di studio delle piccole 251 perturbazioni 7.5 Stabilità dinamica longitudinale e latero-direzionale in 252 hover Stabilità dinamica longitudinale Equazioni del moto, rappresentazione agli stati Stabilità dinamica latero-direzionale Stabilità dinamica longitudinale e latero-direzionale in 261 volo avanzato Stabilità dinamica longitudinale Stabilità dinamica latero-direzionale Controllo dell elicottero Stabilità, Controllo e Qualità di volo Controllo longitudinale in hover; approccio ad 266 un grado di libertà Controllo latero-direzionale in hover; approccio ad un grado di libertà 268 Capitolo 8 Manovre a traiettoria curva in un piano orizzontale e in un piano verticale 8.1 Introduzione Virata corretta stabilizzata Cenni sulle virate Momenti precessionali d inerzia nella manovra 272 di virata Potenza richiesta in virata corretta Richiamata stabilizzata 273 Capitolo 9 Elicotteri con due rotori controrotanti coassiali o in tandem 9.1 Introduzione Elicotteri con due rotori controrotanti coassiali Applicazione della Teoria impulsiva al volo a 275 punto fisso Caratteristiche generali dell elicottero Equilibrio dell elicottero intorno all asse 281 velivolo Z 9.3 Elicotteri con due rotori controrotanti in tandem Descrizione generale e definizioni Applicazione della Teoria impulsiva e della 284 Teoria dell elemento di pala al volo a punto fisso Applicazione della Teoria impulsiva al volo in avanzamento livellato 287

10 Dati sperimentali Condizione di equilibrio longitudinale 289 dell elicottero Osservazioni sulla Stabilità Stabilità al disturbo di velocità Stabilità dinamica a comandi bloccati in hover 293 Appendice A Definizioni dei coefficienti adimensionali del rotore 295 Appendice B Atmosfera ISA 296 Appendice C Richiami sulla trasformata di Laplace 297 Indice delle figure 299 Indice delle tabelle 304 Bibliografia 305 Indice analitico 309

11 Capitolo 1 Configurazioni degli elicotteri 1.1 L elicottero ed il volo verticale Differentemente dagli aeromobili ad ala fissa, per l elicottero (aeromobile ad ala rotante) le forze di sostentamento, di propulsione e di controllo sono generate dal rotore, costituito dalle pale collegate ad un mozzo centrale e mantenuto in rotazione da uno o più motori mediante uno specifico sistema di trasmissione. Il moto relativo tra l aria e le pale (di opportuna forma in pianta, svergolamento e profilo aerodinamico) necessario per generare portanza è dovuto alla rotazione di queste ultime; in virtù di tale proprietà l elicottero può sostenere condizioni di volo traslato con velocità molto basse, fino alla condizione di volo a punto fisso rispetto al suolo (definita con il termine hover, ed eseguibile per intervalli di tempo significativi), con la possibilità di effettuare il volo in salita ed in discesa verticale, inclusi il decollo e l atterraggio verticale. Il moto di avanzamento dell elicottero si ottiene mediante l inclinazione dell asse di applicazione della trazione prodotta dal rotore in conseguenza dell inclinazione del disco rotore (disco descritto dalle estremità delle pale in rotazione, con la trazione perpendicolare al disco), imposta tramite sistemi e meccanismi di comando intrinsecamente complessi e vitali per la sicurezza del volo. In tal modo si ottiene una componente della trazione nella direzione di traslazione, la forza propulsiva, che equilibra la resistenza aerodinamica all avanzamento e consente la traslazione dell elicottero.

12 28 Capitolo 1 Essendo possibile inclinare il disco rotore in ogni direzione, può essere effettuato il volo traslato in avanti, laterale ed all indietro. Nell ambito dei velivoli a decollo ed atterraggio verticale (VTOL), per gli elicotteri il carico sul disco rotore assume valori tipicamente compresi tra 100 e 600 N/m 2. Le caratteristiche descritte conferiscono all elicottero la capacità di eseguire particolari e specifiche missioni. Si ritiene opportuno, pertanto, dedicare il primo capitolo del testo alla descrizione schematica delle configurazioni costruttive tipiche degli elicotteri, dei rotori che essi impiegano e dei relativi comandi di volo; le proprietà e le caratteristiche presentate saranno poi tradotte in termini analitici. 1.2 Le configurazioni degli elicotteri La rotazione imposta all assieme rotore tramite un albero collegato (mediante un sistema di trasmissione) al motore installato in fusoliera comporta la presenza di una coppia di reazione che pone fusoliera e rotore in moto di reciproca ed opposta rotazione (allo sviluppo della coppia di reazione ed allo studio analitico dell equilibrio dell elicottero è dedicato il Capitolo 5). Il disegno della configurazione costruttiva di un elicottero è ovviamente condizionato dall azione di contrasto nei confronti di tale fenomeno; adottando una classificazione degli elicotteri secondo il tipo, il numero e la disposizione dei rotori, le configurazioni fondamentali risultano essere le seguenti: con singolo rotore principale e con rotore di coda anticoppia; con due rotori controrotanti in tandem; con due rotori controrotanti coassiali; con due rotori controrotanti side by side. Nel primo caso, la coppia di reazione rotore/fusoliera è contrastata dal rotore anticoppia di coda, mentre nei rimanenti casi è cancellata dalla mutua azione dei due rotori controrotanti. Elicottero con singolo rotore principale e con rotore di coda anticoppia E questa la configurazione di maggiore applicazione (fig. 1-1), detta anche configurazione convenzionale; si caratterizza per il singolo rotore principale

13 Configurazioni degli elicotteri 29 posto sulla parte superiore della fusoliera, al quale è demandato il sostentamento, la spinta (che consente il moto traslato), il controllo longitudinale, laterale e verticale dell elicottero; in particolare il controllo longitudinale e laterale si ottengono, rispettivamente, facendo inclinare il disco rotore in avanti (o indietro) e lateralmente, in entrambi i casi azionando il comando ciclico (rif. par ). Il controllo verticale si ottiene, invece, facendo variare la trazione prodotta (mediante variazione del passo collettivo, rif. par ). Sulla parte di coda dell aeromobile è installato un rotore anticoppia di diametro minore, con moto collegato a quello del rotore principale, il quale garantisce una spinta in direzione laterale; quest ultima, mediante un braccio opportuno, consente di equilibrare la coppia di reazione del rotore principale/fusoliera ed, inoltre, consente il controllo direzionale dell elicottero. Elicottero con due rotori controrotanti in tandem Di particolare interesse è certamente la scelta di impiegare due rotori uguali in tandem controrotanti (fig. 1-2), risultata negli ultimi decenni adeguata per il trasporto di carichi elevati e di diversa tipologia, sia nel campo strettamente militare che nelle missioni di protezione civile: la fusoliera può contenere un ampia area cargo per il trasporto di truppe, di mezzi militari, attrezzature ed equipaggiamenti, oltre a consentire operazioni di trasporto di elevati carichi esterni al gancio. La soluzione tipicamente applicata prevede due rotori in tandem tripala completamente articolati. Il controllo longitudinale dell elicottero viene effettuato facendo variare in modo differente la trazione prodotta dai due rotori (mediante variazioni differenti del passo collettivo dei due rotori, rif. par ); il controllo laterale si ottiene facendo inclinare lateralmente e nello stesso verso entrambi i rotori (mediante variazione uniforme del passo ciclico laterale, rif. par ). Il controllo direzionale si effettua facendo inclinare i due rotori lateralmente ed in verso opposto; infine, il controllo verticale si ottiene mediante variazione uniforme della trazione prodotta da entrambi i rotori (variazione uniforme del passo collettivo dei due rotori). Elicottero con due rotori controrotanti coassiali In fig. 1-3 sono rappresentate le tre viste di un elicottero a due rotori uguali coassiali controrotanti. Tale scelta costruttiva ha trovato applicazione nei paesi dell Europa orientale, ed anche se non ha avuto ampia diffusione, resta sicuramente originale.

14 30 Capitolo 1 Fig. 1-1 Elicottero con singolo rotore principale e rotore di coda anticoppia (rif. AgustaWestland EH-101) Fig. 1-2 Elicottero con due rotori in tandem controrotanti (rif. Boeing CH-47D Chinook ) Fig. 1-3 Elicottero con due rotori coassiali controrotanti (rif. Kamov Ka50)

15 Configurazioni degli elicotteri 31 Si caratterizza per i rotori di raggio contenuto, con favorevole impiego nei casi di operazioni da unità navali (per le quali le dimensioni geometriche costituiscono un requisito di vincolo importante). Anche in questo caso, i modelli reali che impiegano tale configurazione sono dotati di due rotori tripala completamente articolati e coassiali. Il controllo longitudinale dell elicottero viene effettuato facendo inclinare in avanti (oppure indietro) entrambi i rotori; il controllo laterale si ottiene facendo inclinare lateralmente e nello stesso verso entrambi i rotori (mediante variazione uniforme del passo ciclico laterale). Il controllo direzionale si ottiene facendo variare la coppia dei rotori in maniera differente ed il controllo verticale si effettua mediante variazione della trazione prodotta da entrambi i rotori. Elicottero con due rotori controrotanti affiancati ( side by side ) Quest ultima configurazione ha trovato pochissime applicazioni pratiche (alcuni elicotteri pesanti di progettazione russa) e si caratterizza per la disposizione dei due rotori lungo la direzione trasversale rispetto alla fusoliera, installati alle estremità di due semiali o strutture reticolari, al di sopra dei relativi motori. Il controllo dell elicottero si ottiene in modalità simili al caso della configurazione a due rotori contro-rotanti in tandem, con le differenze introdotte dalla nuova disposizione dei rotori. Si precisa che in configurazione side by side non sono state previste zone di intersezione per i due dischi rotorici. Se tale configurazione non si è imposta per gli elicotteri, è comunque stata scelta quale soluzione costruttiva di posizionamento dei rotori del convertiplano, aeromobile in grado di volare sia in modalità elicottero sia in modalità aeroplano, mediante opportuna rotazione dell asse dei rotori (configurazione tilt rotor, fig. 1-4) o mediante rotazione dell ala, alla cui estremità sono solidalmente installati i due rotori (configurazione tilt wing ). Negli ultimi decenni il convertiplano ha destato elevato interesse per il particolare profilo di volo proposto, delineato dalle caratteristiche di forza dell elicottero (possibilità di eseguire il volo verticale ed il volo a punto fisso) e dell aeroplano (possibilità di volare a velocità dell ordine dei 500 km/h, superando, pertanto, le limitazioni di velocità di avanzamento dell elicottero, rif. Cap. 4). Si registrano numerosi modelli sperimentali e da alcuni anni è in produzione una versione militare statunitense (Bell Boeing V22 Osprey ); prossimamente è prevista l entrata in servizio di una versione per impieghi governativi e commerciali, il convertiplano (tilt rotor) Bell Agusta BA609, che comporterà senza dubbio nuove modalità di impiego operativo, con l abbattimento di importanti limiti di offerta dell attuale trasporto aereo.

16 32 Capitolo 1 Fig. 1-4 Convertiplano (configurazione tilt rotor, rif. BellAgusta BA609) Sistemi non convenzionali di generazione della spinta anticoppia Per l elicottero a singolo rotore principale, il controllo dell equilibrio alla rotazione intorno all asse d imbardata viene conseguito anche mediante sistemi anticoppia sofisticati del tipo a getti d aria, in grado di sviluppare una spinta laterale (e che pertanto sostituiscono il rotore di coda); tale tipologia costruttiva è indicata spesso con il termine NOTAR (no-tail-rotor) ed attualmente non è molto diffusa (un esempio di applicazione è costituito dall elicottero MD 500, del costruttore McDonnel Douglas). Tra gli elementi di interesse nei suoi confronti si citano la riduzione della complessità meccanica del sistema di trasmissione del moto (fattore non trascurabile), la riduzione del rumore prodotto (non essendo presenti i tipici fenomeni di interferenza tra due rotori) e l aumento di sicurezza d impiego al suolo dovuta all assenza di un corpo rotante in coda al velivolo. Si cita, inoltre, il sistema anticoppia a rotore di coda fenestron, costituito da un rotore alloggiato all interno della carena della trave di coda. Le interazioni di scia ridotte assicurano un livello di rumore contenuto; inoltre, anche per tale scelta costruttiva si ottiene un elevato grado di sicurezza nelle operazioni al suolo. In ogni caso, in questo testo la configurazione dell elicottero presa principalmente a riferimento per l esposizione degli argomenti è del tipo a

17 Configurazioni degli elicotteri 33 singolo rotore principale con rotore anticoppia di coda (fig. 1-1), in quanto di maggiore applicazione. 1.3 Il rotore ed i comandi di volo Le tipologie costruttive fondamentali del rotore principale e del rotore di coda anticoppia L assieme rotore principale è costituito da due o più pale uguali collegate ad un mozzo centrale; quest ultimo, mediante un innesto dentato, è calettato sulla brocciatura superiore dell albero rotore (mast), il quale è mantenuto in rotazione dal motore tramite un apposito sistema di trasmissione. I rotori sono fondamentalmente classificati in funzione della tipologia di collegamento tra le pale ed il mozzo; il tipo di cerniera influisce in modo determinante sulle qualità di volo (come sarà evidenziato nel prosieguo), sugli aspetti aeroelastici e di vibrazione, ed ogni soluzione costruttiva si caratterizza per proprietà favorevoli e per altre meno favorevoli. Le scelte del progettista, in generale, sono dettate dall impiego dell elicottero e dagli aspetti legati ai costi. Si premette che la pala rotore è dotata di tre movimenti fondamentali, i quali, con riferimento alla configurazione del mozzo completamente articolato a cerniere meccaniche (riportata in fig. 1-6), sono così definiti: a) un movimento di rotazione intorno ad un proprio e particolare asse longitudinale (asse di variazione passo), definito moto di variazione del passo, che consente di controllare l angolo d attacco della pala; b) un movimento intorno ad un asse giacente nel piano del mozzo e perpendicolare alla direzione radiale della pala stessa, definito di moto di flappeggio; c) un movimento nel piano di rotazione, definito moto di anticipo/ritardo o di brandeggio. Per gli aspetti di base, si premette che il moto di variazione (aumento/diminuzione) del passo della pala consente di controllare le forze aerodinamiche sul rotore e pertanto di aumentare/diminuire la trazione prodotta (perpendicolare al piano del disco). Il moto di flappeggio consente di contrastare l asimmetria di portanza che si avrebbe nel volo in

18 34 Capitolo 1 avanzamento, in virtù della diversa velocità relativa del flusso che interessa la pala avanzante e la pala retrocedente. Il terzo moto (brandeggio), è dovuto principalmente all insorgere delle forze di Coriolis in conseguenza del moto di flappeggio delle pale in rotazione. Tali argomenti saranno ripresi e trattati nel Capitolo 3, dedicato alla dinamica del rotore; per quanto di interesse del presente paragrafo, di seguito sono descritte le tipologie fondamentali di rotore (nelle figure 1-5, 1-6 ed 1-7 sono rappresentati i relativi schemi). Per primo (fig. 1-5) si riporta il rotore di tipo teetering o ad altalena (o anche see-saw ), caratterizzato da due pale e da un mozzetto costituenti una struttura continua, con cerniera di flappeggio in corrispondenza dell albero rotore e perpendicolare a quest ultimo. E presente, inoltre, la cerniera di variazione passo per ogni pala; non è prevista la cerniera di ritardo e pertanto tale tipo di rotore viene anche classificato come rotore semi-rigido. I moti di rotazione nelle cerniere sono realizzati con apposti cuscinetti. La configurazione teetering è semplice dal punto di vista costruttivo e comunque richiede, per contrastare l instabilità del rotore, l installazione in connessione con i comandi di una barra stabilizzatrice, avente il proprio asse di flappeggio ortogonale all asse di flappeggio del rotore. Tale configurazione è stata ampiamente impiegata negli elicotteri Model 206 e 212 della Bell Helicopter Textron. cerniera di flappeggio asse di variazione passo asse di flappeggio cerniera di variazione passo Fig. 1-5 Schema di rotore bipala di tipo teetering o ad altalena

19 Configurazioni degli elicotteri 35 Il rotore completamente articolato con cerniere meccaniche si caratterizza per la presenza, per ogni pala, delle tre cerniere per il moto di flappeggio, di ritardo e di variazione del passo, realizzate mediante sistemi con cuscinetti lubrificati (schema di fig. 1-6). Nelle applicazioni reali si riscontrano varie sequenze nell ordine delle tre cerniere, anche se tipicamente la cerniera di flappeggio è posizionata per prima a partire dal mozzo. Tale rotore ha avuto ampio successo e diffusione negli ultimi anni; tra gli aspetti che ne hanno decretato la scelta si cita il contenuto livello di carico trasmesso al mozzo, in virtù dei gradi di libertà di movimento consentiti alle pale; di contro, i cuscinetti sono sottoposti a condizioni severe di carico centrifugo. Si deve comunque considerare che sono richiesti numerosi componenti meccanici, che rendono il montaggio complesso; di conseguenza, altrettanto complesse (e frequenti) possono risultare le operazioni di ispezione e di manutenzione. cerniera di anticipo/ritardo asse di variazione passo cerniera di flappeggio cerniera di variazione passo asse di flappeggio asse di anticipo/ritardo Fig. 1-6 Schema di rotore completamente articolato con cerniere meccaniche Il rotore hingeless si differenzia dai tipi precedenti in quanto il moto di flappeggio ed il moto di ritardo sono consentiti da elementi flessibili, mentre il moto di variazione passo è ancora sviluppato intorno ad una cerniera con cuscinetti meccanici.

20 36 Capitolo 1 In via preliminare, si osserva che il rotore di tipo hingeless, rispetto alle altre configurazioni, presenta una migliore risposta al controllo (rif. Cap. 3). In configurazioni recenti il collegamento tra il mozzo e le pale è costituito da un unico componente di tipo elastomerico (uno per ogni pala, fig. 1-7), realizzato mediante strati sovrapposti di un elastomero e di un metallo; tale soluzione tecnica è la più avanzata. Il componente elastomerico, indicato nella pratica tecnica anche con il nome di cuscinetto elastomerico (elastomeric bearing), è una cerniera che consente i tre gradi di libertà di passo, flappeggio e ritardo (fig. 1-7); con riferimento ai tre moti consentiti, tale rotore è anche definito rotore completamente articolato a cuscinetti elastomerici. asse di flappeggio asse di variazione passo asse di anticipo/ritardo Fig. 1-7 Schema di rotore a cuscinetti elastomerici Non essendo presenti le tre cerniere meccaniche che caratterizzano il rotore articolato precedentemente definito, si elimina anche il sistema di lubrificazione richiesto dai cuscinetti meccanici e l assieme mozzo risulta semplificato dal punto di vista costruttivo, essendo stato ridotto il numero di parti componenti; in generale, possono essere semplificate anche le operazioni di manutenzione. In queste ultime tipologie di rotori, è inoltre presente un largo impiego di materiali compositi per la costruzione degli elementi strutturali. Le tipologie fondamentali descritte sono applicabili anche ai rotori di coda anti-coppia convenzionali, con la differenza che per questi ultimi è presente soltanto regolazione collettiva del passo (essendo privi di regolazione ciclica del passo).

21 Configurazioni degli elicotteri I comandi ed il meccanismo del piatto oscillante Al fine di far variare l inclinazione del disco rotore principale (ottenendo, di conseguenza, la variazione della direzione del vettore trazione) possono essere impiegate, in linea teorica, varie soluzioni costruttive del mozzo, dei comandi e dell albero rotore; in pratica, la soluzione applicata consiste in un sistema di particolari componenti meccanici, tra i quali si deve citare, per primo, l assieme piatto oscillante. Nella configurazione tipica, l assieme piatto oscillante è costituito da due componenti: il primo, detto piatto oscillante fisso, è non rotante, è inclinabile in tutte le direzioni (l inclinazione viene imposta dal pilota mediante la barra di comando ciclico) ed è movibile verticalmente scorrendo lungo l albero rotore (il movimento verticale viene imposto dal pilota mediante la barra di comando collettivo); max collettivo in alto piatto oscillante rotante piatto oscillante non rotante collettivo in pos. media max collettivo in basso albero rotore Fig. 1-8 Schema dell assieme piatto oscillante e variazione collettiva del passo

22 38 Capitolo 1 il secondo, detto piatto oscillante rotante, è posizionato sul primo (mediante un sistema di cuscinetti) dal quale riceve la stessa inclinazione e lo stesso spostamento verticale ed è, inoltre, rotante solidalmente con il rotore dal quale riceve il moto rotatorio mediante un collegamento meccanico con il mozzo (il collegamento è ottenuto con il componente detto compasso rotante o scissore; per completezza, in alcune configurazioni il piatto oscillante rotante riceve il moto rotatorio dall albero rotore, tramite il compasso rotante collegato su una apposita brocciatura dell albero). Mediante le biellette o leve di passo (una per ogni pala del rotore), collegate ad una estremità al piatto oscillante rotante ed all altra estremità alla pala, si trasmettono alle pale stesse il passo ciclico ed il passo collettivo imposto dal pilota. In particolare, il comando collettivo, imponendo lo spostamento verso l alto o verso il basso dell assieme piatto oscillante, produce rispettivamente un aumento o una diminuzione simultanea ed uguale del passo (detto passo collettivo) di tutte le pale (fig. 1-8, 1-9). Il comando ciclico, imponendo l inclinazione dell assieme piatto oscillante, comporta l inclinazione del disco rotore nel verso di avanzamento voluto (fig. 1-10, 1-11) e la variazione, di conseguenza, del passo delle pale in funzione della posizione lungo il giro di rotazione (passo ciclico). I due comandi, ciclico e collettivo, durante le manovre possono essere impiegati in modo combinato e, pertanto, sono miscelati mediante un cinematismo apposito. In fig è riportato uno schema semplificato e rappresentativo dei comandi; per semplicità di rappresentazione la vista è longitudinale; la composizione reale è completata tipicamente da una terzo martinetto comando passo: i tre martinetti, collegati al piatto oscillante fisso, possono imporre, pertanto, sia l inclinazione longitudinale avanti/indietro che l inclinazione laterale destra/sinistra del piatto oscillante. I comandi così composti e diretti all assieme piatto oscillante fisso sono collegati ad appositi servo-attuatori che consentono di contenere gli sforzi di barra del pilota. Insieme alle barre di comando ciclico e collettivo, la pedaliera completa i comandi principali disponibili al pilota; nella configurazione dell elicottero a singolo rotore principale con rotore di coda anticoppia convenzionale, la pedaliera permette il controllo del passo collettivo delle pale del rotore di coda; un aumento/diminuzione del passo genera un aumento/diminuzione della trazione prodotta ed è così imposto il controllo dell elicottero intorno all asse di imbardata.

23 Configurazioni degli elicotteri 39 pala 2 cerniera di variazione passo mozzo albero rotore piatto oscillante rotante leva comando passo della pala 1 pala 1 Fig. 1-9 Schema del piatto oscillante, vista dall alto trazione T spinta di traslazione ciclico in basso ciclico in pos. neutra Fig Inclinazione del disco rotore e comando ciclico

24 40 Capitolo piano del disco rotore cabina piloti Fig Schema basico dei comandi 1 Barra comando ciclico 9 Biella comando passo della pala n.1 2 Barra comando collettivo 10 Albero rotore ( mast ) 3 Martinetto comando passo 11 Leva comando passo della pala n.1 4 Martinetto comando passo 12 Pala n.1 5 Trasmissione 13 Manicotto 6 Piatto oscillante inferiore (non rotante) 14 Compasso rotante 7 Piatto oscillante superiore (rotante) 8 Biella comando passo della pala n.2

25 Configurazioni degli elicotteri 41 In ultimo, i meccanismi di comando posizionati al di sopra del piatto oscillante sono classificati come comandi rotanti, mentre i meccanismi di comando diretti dalla cabina piloti fino al piatto oscillante non rotante sono classificati come comandi fissi.

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