16. CAPITOLO 16 AERODINAMICA DELL AUTOGIRO

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1 16. CAPITOLO 16 AERODINAMICA DELL AUTOGIRO Sia gli elicotteri che gli autogiri traggono portanza dall uso di profili aerodinamici e quindi, molti dei principi aerodinamici di base relativi alla produzione di portanza sono applicabili ad entrambi i velivoli. AUTOROTAZIONE La differenza fondamentale tra l autogiro e l elicottero riguarda il verso secondo il quale il vento relativo attraversa il rotore in condizioni di volo propulso dal motore. Infatti, nell autogiro, il vento relativo attraversa il disco del rotore dal basso verso l alto, generando al tempo stesso le forze che tengono in rotazione il rotore e quelle che provvedono al sostentamento aerodinamico; mentre, nell elicottero, il vento relativo attraversa il disco del rotore dall alto verso il basso generando le forze di sostentamento e quelle che provvedono alla trazione. In assenza della coppia motrice prodotta dal motore, anche il rotore dell elicottero deve poter operare come quello dell autogiro, ovvero in autorotazione, invertendo rapidamente il flusso dell aria attraverso il rotore. Vento Relativo Direzione di volo Vento Relativo Direzione di volo motore. [FIG. 16-1] Il flusso d aria attraverso il rotore di un autogiro è opposto a quello di un elicottero con motore funzionante. Questo flusso d'aria è il modo in cui la potenza motore dell autogiro viene trasferita al sistema rotore per mantenere la rotazione AUTOROTAZIONE VERTICALE 2 componenti basilari contribuiscono al vento relativo che colpisce le pale durante l autorotazione verticale. [fig ]Una componente, il flusso d aria verso l alto attraverso le pale rotore, resta relativamente costante in condizioni di volo definite. L altra componente è il flusso d aria rotante, ossia la velocità del vento attraverso le pale mentre esse ruotano. Questa componente varia molto in base alla distanza dal mozzo del punto in cui si effettua la misurazione. Ad esempio, consideriamo un rotore da 25 piedi di diametro e che operi a 300 rpm. In un punto che dista un piede dal mozzo le pale descrivono una circonferenza di 6.3 piedi. Questo equivale ad una velocità periferica di 31.4 piedi al secondo Vento Relativo Vento dovuto alla rotazione pale Flusso d aria verso l alto [FIG. 16-2] In una autorotazione verticale, il vento derivato dalla rotazione delle pale si combina con il flusso d aria verso l alto per generare la risultante vento relativo che colpisce le pale ovvero 21mph. All estremità della pala, la circonferenza descritta aumenta fino a 78.5 piedi. Quindi, alle condizioni indicate di 300 rpm, la velocità periferica sale a 393 piedi al secondo equivalenti a 267 mph. Il vento relativo risultante è di maggiore intensità, mentre l angolo di incidenza è inferiore che non alla radice della pala [fig. 16-3] 16-1

2 AUTOROTAZIONE VERICALE Flusso a salire 17 mph o 25 fps Mozzo vento relativo Flusso rotante 21 mph o 31 fps Flusso a salire 17 mph o 25 fps [Fig ] Muovendosi verso l esterno lungo la pala rotore, la velocità di rotazione aumenta eccedendo la componente verso l alto del flusso, il risultato è un più alto vento relativo a un minore angolo d incidenza REGIONI DEL DISCO ROTORE Come per qualsiasi profilo aerodinamico, la portanza generata dalle pale rotore è perpendicolare alla direzione del vento relativo. Dato che il vento relativo sulle pale rotore in autorotazione varia da un alto angolo d incidenza all interno a un basso angolo d incidenza all esterno, la portanza ha un alta componente nel senso dell avanzamento nell area vicino al mozzo ed un alta componente nel senso verticale vicino all estremità. Questo determina che aree distinte del disco rotore generino le forze necessarie al volo autorotativo. [fig. 16-4] La regione autorotativa, o trainante genera una forza aerodinamica totale la cui componente avanzante supera tutte le forze di resistenza e mantiene in rotazione il rotore stesso. La regione propulsa, o trainata, genera una forza aerodinamica totale, la cui alta componente verticale permette il sostentamento in aria dell autogiro. Vicino al mozzo, invece, vi è un area di stallo dove la componente del vento relativo è così bassa che l angolo d incidenza risultante è sotto il limite di stallo per il profilo stesso. L area di stallo crea una resistenza rispetto alla direzione di rotazione che deve essere compensata dalle forze avanzanti generate dalla zona trainante. AUTOROTAZIONE NEL VOLO AVANZANTE Velocità rotore : 300 r.p.m. Di stallo Estremità Flusso rotante 21 mph o 31 fps vento relativo AUTOROTAZIONE VERTICALE Regione trainata (Elica) portanza Vento relativo rotativo Flusso verso alto attraverso rotore Asse di rotazione Regione trainante Forza Aerodinamica tot. Davanti allo asse di rotaz. Regione Trainata Regione Trainante resistenza Regione Di stallo Regione trainante (Autorotativa) Regione di stallo Pala stallata [Fig ] La forza aerodinamica totale è davanti all asse di rotazione nella regione trainante. La resistenza supera la forza aerodinamica nella regione di stallo. Chiarito, per semplicità, il principio dell autorotazione nell ambito di un moto semplicemente verticale, bisogna ora considerare, in maniera più attinente alla pratica del volo con l autogiro, ciò che accade quando il vento relativo che investe le pale ammette anche una componente di traslazione. Questa componente non ha effetto sui principi aerodinamici che fanno ruotare le pale, ma causa lo spostamento delle regioni del disco rotore. Effettivamente, quando l autogiro si muove in avanti nell aria, la velocità d avanzamento si aggiunge al vento relativo che colpisce la pala avanzante, e si sottrae dal vento relativo che colpisce la pala retrocedente. Per evitare che si creino forze impari sui lati del disco rotore, la pala avanzante oscilla verso l alto riducendo l angolo l. corda vento rel. Port. flusso Asse di rotazione Forza Aerodinamica tot. Dietro allo asse di rotaz. resistenza Pala avanzante flusso Port. Asse di rotazione 16-2 Forza Aerodinamica totale resistenza

3 d incidenza, mentre la pala retrocedente oscilla verso il basso aumentando l angolo d incidenza e la portanza. L angolo d incidenza minore della pala avanzante fa si che una maggior parte della pala stessa sia da considerarsi nella regione trainata, mentre il maggior angolo d incidenza della pala retrocedente fa si che una maggior parte della stessa essa si trovi nella regione di stallo. Il risultato è uno slittamento delle regioni verso il lato retrocedente del disco rotore proporzionalmente alla velocità di avanzamento del velivolo [Fig. 16-5] FLUSSO INVERSO In un sistema rotore in volo avanzante il flusso inverso si verifica vicino al mozzo sul lato retrocedente del disco rotore. Questo è il risultato della velocità d avanzamento del velivolo che supera la velocità di rotazione delle pale. Per esempio, a 2 piedi di distanza dal mozzo la pala descrive un cerchio di 12.6 piedi di circonferenza. A 300 rpm rotore la pala, nel punto indicato, ha una velocità di 42 mph.. Se il velivolo si muove a 42 mph. La velocità di avanzamento contrasta la velocità di rotazione della pala retrocedente nel punto in cui essa ruota alla stessa velocità (quindi a 2 piedi dal mozzo). Quindi nella pala retrocedente, nella parte compresa tra il mozzo ed il punto a 2 piedi i distanza dallo stesso, la velocità di avanzamento è maggiore della velocità di rotazione in misura crescente più ci si avvicina al mozzo. Ne risulta che il flusso colpisce il bordo d uscita della pala, con una velocità via via crescente [Fig. 16-5] Le regioni del disco rotore nel volo autorotativo avanzante verso il mozzo del rotore [Fig. 16-6] LA dimensione dell area soggetta a flusso inverso è determinata primariamente dalla velocità di avanzamento del velivolo, velocità maggiori corrispondono a maggiori dimensioni dell area soggetta a flusso inverso. In qualche modo, anche la velocità di rotazione del rotore ha un qualche effetto sulla dimensione dell area, quando il rotore opera a bassi giri risulta molto più soggetto al flusso inverso e soprattutto la porzione di pala soggetta è di dimensioni maggiori. STALLO DELLA PALA RETROCEDENTE Lo stallo della pala retrocedente dell autogiro differisce da quello dell elicottero dove si verifica lontano da mozzo in una posizione compresa tra il 20% e il 40% piuttosto che all estremità della pala. Dato che l autogiro opera in avanzamento, la regione di stallo si accentra verso l interno sulla pala retrocedente [fig. 16-5] Aumentando la velocità, l angolo d incidenza della pala retrocedente aumenta per prevenire la dissimmetria di portanza e l area di stallo si muove verso l esterno della pala retrocedente. Dato che comunque la regione di stallo della pala è piuttosto interna e non verso l esterno della pala, come sull elicottero, si crea meno forza sul centro di gravità del velivolo. Quindi anche se avvertite un aumento di vibrazione non vi troverete ad affrontare tendenza al beccheggio o al rollio. Pala retrocedente Direzione di volo Regione trainata Regione trainante Volo avanzante a 42 mph Area soggetta a flusso inverso Pala avanzante FORZA DEL ROTORE Come per qualsiasi velivolo più pesante dell aria, vi sono 4 forze che agiscono su un autogiro in volo che sono: portanza, peso, trazione e resistenza. Velocità rotore 300 rpm, [Fig. 16-6] Un area di flusso inverso si forma sulla pala retrocedente nel volo avanzante come effetto della velocità di avanzamento maggiore della velocità di rotazione delle pale. 16-3

4 L autogiro ottiene la portanza dal rotore e la trazione direttamente dal motore attraverso l elica.[fig. 16-7]. La forza prodotta dal rotore dell autogiro può essere divisa in 2 componenti: portanza e resistenza del rotore. La componente della forza rotore perpendicolare al volo è la portanza, la componente della forza rotore parallela al volo è la resistenza. Per ottenere la resistenza totale del velivolo bisogna aggiungere alla resistenza del rotore la resistenza del corpo del velivolo. [Fig. 16-7] Al contrario di come agisce nell elicottero, la risultante della forza rotore di un autogiro in volo avanzante, agisce all indietro Trazione Portanza Resistenza Trazione Portanza Resist. Rot. Resist. corpo Peso Peso PORTANZA ROTORE La portanza del rotore può essere visualizzata facilmente come la portanza necessaria per sostenere in aria il peso del velivolo Quando un profilo aerodinamico produce portanza, si crea anche della resistenza indotta. Il miglior angolo d incidenza per un dato profilo è quello che permette di avere la maggiore portanza e la minor resistenza. Tuttavia durante le varie evoluzioni di volo il rotore non sempre opera con il miglior angolo d incidenza per il profilo delle pale, Inoltre il rotore deve mantenere un assetto nella gamma (bassa) che permetta l autorotazione che genera la portanza. Alcuni autogiri utilizzano piccole ali che generano portanza alle alte velocità. La portanza generata dalle ali si somma o addirittura sostituisce la portanza generata dal rotore generando meno resistenza indotta. RESISENZA ROTORE La resistenza rotore totale è la somma di tutte le resistenze che agiscono sul profilo in ogni posizione della pala. La posizione di ciascuna pala contribuisce alla resistenza totale in base alla velocità e all angolo del profilo in tale posizione. Mentre le pale rotore ruotano, si verificano rapidi cambiamenti sul profilo, in base alla posizione alla velocità del rotore ed alla velocità del velivolo.. Una variazione dell angolo d incidenza del disco rotore corrisponde ad un rapido e sostanziale cambiamento nella resistenza totale del rotore. La resistenza rotore si può dividere in due componenti: resistenza indotta e resistenza del profilo. La resistenza indotta è un prodotto della portanza, mentre la resistenza del profilo è in funzione dei giri rotore. Dato che la resistenza indotta è la resistenza generata dal rotore che crea portanza, possiamo considerare la resistenza del profilo come la resistenza del rotore che non genera portanza. Per visualizzare la resistenza del profilo considerate la resistenza che si deve vincere per prerotare fino agli rpm rotore idonei al volo, ossia in una fase in cui il rotore non genera portanza. Questa situazione si può ottenere con un sistema rotore con un profilo simmetrico e una capacità di variazione di passo mettendo le pale ad angolo d incidenza uguale a 0. Un sistema rotore con un profilo asimmetrico ed un passo predeterminato, come quello della maggior parte dei sistemi oscillanti amatoriali, non può essere prerotato senza vincere anche una parte di resistenza indotta. TRAZIONE LA trazione di un autogiro è definita come la componente parallela al vento relativo della forza totale dell elica. Come tutte le forze che agiscono su un velivolo anch essa agisce attorno al Centro di Gravità. In base al punto d applicazione della trazione una sua componente può 16-4

5 risultare normale al vento relativo e quindi agire in combinazione con la portanza o con il peso. In volo, il corpo dell autogiro è da considerarsi fondamentalmente come un grave sospeso al rotore, e come tale è soggetto, come l elicottero, all azione pendolare 1. A differenza dell elicottero, tuttavia, la trazione è applicata direttamente alla struttura anziché essere ottenuta attraverso il sistema rotore. Ne risulta che le forze che agiscono su un autogiro in volo sono diverse da quelle che agiscono su un elicottero nelle stesse condizioni. Ad esempio la coppia motore tende a far ruotare la struttura nella direzione opposta al senso di rotazione dell elica, il risultato è una rotazione del corpo di circa 2 gradi rispetto all asse verticale [Fig. 16-8] Questo leggero disassamento è normalmente tralasciato e non è considerato rilevante per la maggior parte delle normali operazioni di volo STABILITÀ La stabilità è uno degli obiettivi progettuali di un velivolo per ridurre il carico di lavoro a cui il pilota è sottoposto e per aumentare la sicurezza. Un velivolo stabile, come i tipici aerei da addestramento, richiede meno attenzione da parte del pilota per mantenere [Fig. 16-8] La coppia motore applicata all elica ottiene un uguale ed opposta reazione del corpo, inclinandolo durante il volo di pochi gradi rispetto al piano verticale l assetto di volo desiderato, anzi tende generalmente ad auto-correggere i disturbi derivati da raffiche di vento o da altre forze esterne. Al contrario per mantenere sotto controllo un velivolo instabile serve intensa e costante attenzione da parte del pilota. I fattori che contribuiscono alla stabilità di un autogiro sono vari. Uno è il posizionamento dello stabilizzatore orizzontale. Un altro è la posizione della resistenza del corpo rispetto al centro di gravità del velivolo. Un terzo fattore è il momento di inerzia attorno all asse di beccheggio, mentre un quarto è dato dalla relazione tra la posizione della linea di spinta dell elica e la posizione verticale del centro di gravità. Tuttavia il fattore forse più critico è la relazione tra la linea di forza del rotore e la localizzazione orizzontale del Centro di Gravità. STABILIZZATORI ORIZZONTALI Lo stabilizzatore orizzontale aiuta la stabilità longitudinale o di beccheggio. I fattori che ne determinano la sua efficienza sono: le dimensioni della superficie e la sua distanza dal centro di gravità, la velocità di volo e l influenza del flusso dell elica. RESISTENZA DEL CORPO DEL VELIVOLO (CENTRO DI PRESSIONE) Se il punto in cui si concentra la forza di resistenza del corpo del velivolo o il centro di pressione delle forze, si situa dietro al CG, l autogiro è generalmente considerato più stabile in particolare intorno all asse di imbardata, contribuendo a ciò l adeguato dimensionamento di un superficie di coda verticale. Tuttavia, per ottenere il miglior risultato, senza però compromettere il controllo generale dell apparecchio, deve prevedersi un adeguato bilanciamento del centro di pressione longitudinale, in relazione all autorità di comando del passo ciclico, in modo che quest ultima sia sufficiente, a qualunque velocità ad evitare che il naso si abbassi o si alzi mentre la pressione si accumula sulla parte anteriore. MOMENTO DI INERZIA INTORNO ALL ASSE DI BECCHEGGIO Coppia applicata all elica Reazione del corpo del velivolo Si può affermare che, a parità di peso totale e di posizione del centro di gravità, l autogiro risulta più stabile quanto più le masse sono piazzate lontano dal CG. Ad esempio se il sedile del pilota si potesse muovere in avanti, allontanandolo dal CG, ed il motore si potesse muovere indietro, allontanando anch esso dal CG ma mantenendo invariata la posizione del CG stesso, si otterrebbe un autogiro più stabile rispetto a quello di partenza. Gli acrobati che camminano sul filo utilizzano lo stesso principio quando usano un lungo bilanciere. 16-5

6 LINEA DI SPINTA DELL ELICA Considerando solo la linea di spinta dell elica, se tale linea si trova sopra al CG, l autogiro avrà la tendenza a picchiare quando si applica potenza, ed a cabrare quando si toglie potenza. Ovviamente se la linea di spinta dell elica si colloca al di sotto del CG vige l opposto. Se la linea di spinta dell elica attraversa il CG o quantomeno si situa molto vicino ad esso, l autogiro non avrà tendenza a cabrare o picchiare durante le variazioni di potenza[fig. 16-9] Linea spinta elica BASSO PROFILO ALTO PROFILO Linea spinta elica Centro di gravità Centro di gravità [FIG: 16-9] Un autogiro la cui linea di spinta dell elica è sopra al CG viene spesso chiamato a BASSO PROFILO. Un autogiro la cui linea di spinta dell elica passa per il CG o si situa al di sotto dello stesso viene considerato ad ALTO PROFILO FORZA ROTORE Indipendentemente dall adozione o meno di piani stabilizzatori orizzontali, la posizione del CG rispetto alla linea d azione della forza del rotore influenza la stabilità di beccheggio[fig ]. Vediamo, infatti, quale sarebbe il comportamento del velivolo, nelle due diverse condizioni, allorquando venga colpito da una raffica di vento frontale che incrementi considerevolmente la forza aerodinamica del rotore: CG dietro la linea di forza del rotore. Aumentando la forza del rotore, interviene un momento cabrante che, se non contrastato dal pilota, produce un aumento dell angolo di incidenza del rotore e quindi un aumento ulteriore della forza stessa, ingenerando così una condizione di instabilità che richiede necessariamente il continuo intervento sul comando di beccheggio; CG davanti alla linea di forza del rotore. Aumentando la forza del rotore, interviene un momento picchiante che, senza l intervento del pilota, produce una diminuzione dell angolo di incidenza del rotore e quindi una diminuzione della forza aerodinamica stessa, contribuendo automaticamente alla stabilità longitudinale. 16-6

7 CONDIZIONI TRIMMATE Come già affermato prima, i costruttori usano una combinazione dei vari fattori di stabilità per ottenere un autogiro trimmato. Ad esempio in un autogiro dove il baricentro è sotto la linea di spinta, all aumento della potenza ne risulterà un momento a picchiare, per compensare il quale, di solito, si fa in modo che lo stesso baricentro sia situato dietro alla linea di forza del rotore, dato che questa configurazione tende a dare un momento a cabrare. Per contro, se il CG è sopra alla linea di spinta dell elica, potrebbe risultare utile che si trovi anche davanti alla linea di forza del rotore. Ovviamente la posizione della resistenza del corpo del velivolo, l inerzia d assetto e le variazioni apportate dagli stabilizzatori orizzontali possono modificare gli effetti stabilizzanti e/o destabilizzanti dovuti alla collocazione del baricentro, risultando vitale per la sicurezza il rispetto dei limiti di manovra imposti dal Costruttore. 16-7