L Elicottero Parte 1 a cura del prof. Luigi MASCOLO

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1 Istituto Tecnico Settore Tecnologico Giulio Cesare Falco nuovo indirizzo in articolazione opzione L Elicottero Parte 1 a cura del prof. Luigi MASCOLO SEDE CENTRALE: Via G. C. Falco CAPUA (CE) Distretto Scolastico n. 17 C. S. : CETF 05000Q - C. F. : TEL SEDE ASSOCIATA: Via Cesare Battisti GRAZZANISE ( CE) Distretto Scolastico n C.S. : CETF 05001R TEL. O

2 E un aerodina ad ala rotante [Aerogiro] nella quale sia il Che cosa è? sostentamento che la trazione sono generati da un rotore mosso da un apparato propulsivo. A differenza degli aeroplani che possono volare solo in avanti, l elicottero è in grado di mantenersi in volo a punto fisso, cioè ha la capacità di fermarsi in aria [hovering], di ruotare di 360, traslare di fianco e indietro ed ovviamente decollare ed atterrare verticalmente. Come è fatto? Procedendo dall alto verso il basso gli elementi principali di un elicottero in configurazione tradizionale sono: il rotore principale, il sistema propulsivo, la trasmissione, gli impennaggi, il rotore di coda, la trave di coda, la cellula (fusoliera) ed il carrello/pattini.

3 Classificazione degli Elicotteri Configurazione tradizionale: Si ha un rotore principale ed un rotore di coda. Quest ultimo serve per impedire all elicottero di iniziare a ruotare nel verso opposto di quello di rotazione del rotore (per il principio di azione e reazione). Per questo motivo è anche detto rotore anticoppia. Il rotore di coda, collegato al rotore principale, è più piccolo, in genere il raggio di una sua pala è pari a 15% - 25% della pala del rotore principale. Configurazione con rotori in tandem: Si hanno due rotori uguali controrotanti in tandem. E una soluzione utilizzata negli ultimi decenni per il trasporto di carichi elevati e di diversa tipologia, sia in campo militare che nelle missioni di protezione civile: la ampia fusoliera consente il trasporto di truppe, di mezzi militari, attrezzature ed equipaggiamenti, oltre a consentire operazioni di trasporto di elevati carichi esterni al gancio. I problemi di questa macchina sono la notevole complessità meccanica, poiché il moto dei due rotori deve essere sincronizzato, altrimenti le pale vanno in interferenza. Configurazione con rotori affiancati (side by side): E una configurazione che ha trovato pochissime applicazioni pratiche (alcuni elicotteri pesanti di progettazione russa). E 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.

4 Classificazione degli Elicotteri Configurazione con rotori coassiali: Si hanno due rotori coassiali controrotanti che danno luogo ad una macchina di ingombro ridotto (i rotori sono in genere 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). Il tutto a spese di una maggiore complessità meccanica, i rotori infatti devono avere una certa separazione verticale per evitare il problema dell interferenza delle pale. Tale scelta costruttiva anche se non ha avuto ampia diffusione, resta sicuramente originale. Configurazione con rotore combinato: Si cerca di avere una superficie del disco ridotta, con un ingombro quindi dell elicottero relativamente basso (tipico per elicotteri imbarcati su navi). Anche qui ce un problema di sincronizzazione dei due rotori. Configurazione NOTAR [NO Tail Rotor]: questa configurazione è sostanzialmente uguale ad una convenzionale, con la differenza di non avere il rotore di coda che viene sostituito da un sistema aerodinamico costituito da una ventola che accelera l aria e la indirizza ad una serie di fessure che si trovano lateralmente lungo la trave di coda. Una parte di questo flusso va a un ugello che genera una spinta laterale.

5 Elicottero con due rotori in tandem controrotanti Elicottero con due rotori controrotanti affiancati (side by side) Elicottero con due rotori coassiali controrotanti Elicottero con due rotori controrotanti combinati Boeing CH-47D Chinook Mil V-12 Kamov Ka50 Kaman HH-43 Huskie

6 Rotore di coda e coppia di reazione Il rotore di coda consente il controllo della macchina attorno all asse di imbardata e più in particolare assolve alla funzione di equilibrare la coppia di reazione, dovuta al moto circolare del rotore, affinché si possa consentire il controllo direzionale dell elicottero. Per evitare questo moto indesiderato, nella coda degli elicotteri, viene installato un piccolo rotore le cui pale, girando su di un piano verticale, generano una trazione laterale che, moltiplicata per la distanza b tra l asse del rotore di coda e quello del rotore principale, produce una coppia uguale ed opposta a quella di reazione C = T b. Essendo la coppia di reazione C uguale e contraria a quella assorbita dal rotore principale si può scrivere in definitiva: a a C Tcoda b Tcoda b Il rotore di coda è in pratica un elica a passo variabile e giri costanti. Infatti poiché il numero di giri del rotore principale è mantenuto costante ( =cost), ed il rotore di coda è rigidamente ad esso collegato (b=cost), ne consegue che la spinta T dipende dalle condizioni operative ( a). A tale scopo il rotore di coda è dotato di un meccanismo di variazione del passo comandato attraverso la pedaliera. Variazioni del passo, consentono pertanto variazioni angolari attorno all asse di imbardata senza agire sulla potenza attraverso la manetta.

7 A differenza del rotore principale, sui rotori di coda non sono mai presenti le cerniere di flappeggio e di ritardo che servono a a ridurre le sollecitazioni flessionali. Non sono infatti necessarie a causa delle dimensioni ridotte delle pale, infatti, il raggio di una pala del rotore di coda, in genere, è pari a 15% - 25% della pala del rotore principale. La Coppia di Reazione - Sistema NOTAR Recentemente sono comparsi sul mercato dei nuovi modelli, privi del rotore di coda, che sfruttano il flusso d'aria generato dai gas di scarico della turbina, indirizzandolo lateralmente in coda. Il controllo dell equilibrio intorno all asse d imbardata viene conseguito mediante getti d aria, in grado di sviluppare una spinta laterale. Tale tipologia costruttiva è indicata con il termine NOTAR (no-tail-rotor). Tra i vantaggi si citano la riduzione della complessità meccanica del sistema di trasmissione del moto, 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; tra gli svantaggi vi è la diminuzione di efficienza che si ha nel volo traslato all aumentare della velocità. Un esempio di applicazione è costituito dall elicottero McDonnel Douglas MD 500.

8 Rotore principale : tipologie costruttive Il rotore principale è costituito da due o più pale uguali collegate ad un mozzo centrale. La superficie delimitata dall estremità delle pale, durante un giro si chiama disco attuatore, mentre il piano perpendicolare all asse di rotazione situato all altezza del mozzo prende il nome di piano teorico di rotazione. Per effetto dell elasticità delle pale e degli organi di collegamento pale-mozzo, a causa dell azione della forza centrifuga (che ha un ordine di grandezza volte maggiore di quello della portanza), le pale si piegano verso l alto dando luogo ad un angolo di conicità g che in genere si aggira intorno ai 2-3. I parametri caratteristici di un rotore sono: Carico sul disco: Q d = Q/ S disco Carico sulla pala: Q p = Q / S pale. Rapporto di solidità : s S pale / S disco Per gli elicotteri il carico sul disco rotore assume valori tipicamente compresi tra 100 e 600 N/m 2. La velocità angolare del rotore è in genere compresa tra i 200 e i 400 giri al minuto; questo limite è di carattere aerodinamico ed è dovuto al raggiungimento di condizioni di flusso transonico in corrispondenza dell estremità della pala Tutti i rotori dell Europa (tranne la Francia) e degli Stati Uniti ruotano in senso antiorario. L albero a cui è collegato il mozzo è calettato circa 4 o 5 gradi in avanti al fine di generare una componente propulsiva della trazione senza dover inclinare più di tanto la fusoliera.

9 La pala di un rotore può essere dotata di tre movimenti fondamentali, così definiti: 1) 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; 2) un movimento intorno ad un asse parallelo al piano del mozzo e perpendicolare alla direzione radiale della pala stessa, definito di moto di flappeggio; 3) un movimento nel piano di rotazione, definito moto di anticipo/ritardo o anche di brandeggio. I rotori vengono 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 e pertanto potremo avere :

10 Rotore rigido Rotore semirigido Rotore articolato Tra le pale ed il mozzo è presente solamente la cerniera di variazione del passo L elasticità delle pale garantisce l angolo di conicità. Questo tipo di rotore non viene più utilizzato in quanto trasmette troppe vibrazioni alla struttura dello elicottero. In questo tipo di rotore, tra le pale ed il mozzo, oltre la cerniera di variazione del passo, abbiamo anche una cerniera di flappeggio che consente di ridurre le vibrazioni trasmesse alla struttura. dell elicottero. E anche detto rotore teetering o ad altalena. Per ogni pala vi sono tre cerniere per il moto di flappeggio, di ritardo e di variazione del passo. E il tipo di rotore più efficiente attualmente montato sugli elicotteri per il basso carico trasmesso al mozzo. Gli svantaggi stanno nel fatto che le cerniere e i cuscinetti sono organi molto delicati dal punto di vista meccanico, e inoltre pesanti. Tutte e tre le cerniere devono infatti sostenere la forza centrifuga, che per una pala è dell ordine della tonnellata, e trasferire al mozzo la portanza generata dalla pala.

11 Portanza e coppia in hovering In volo stazionario, hovering, la portanza dell elicottero può essere calcolata come somma delle portanze infinitesime dp delle varie sezioni di pala. Allo stesso modo partendo dalla resistenza dr della sezione infinitesima, si può calcolare la coppia dc assorbita dalla stessa e quindi la coppia C assorbita dal rotore in volo stazionario, e poi la potenza assorbita a. Indicando con: n = numero di pale del rotore principale = densità dell aria [kg/m 3 ] = velocità angolare del rotore [ rad/s] l = corda della pala [m] R = raggio del rotore [m] C P = coefficiente di portanza della pala C R = coefficiente di resistenza della pala Si ottiene: P C R 0 R 0 dp dc a C n 6 R 0 2 rdr C l R P n C l R R 4 In hovering, l elicottero si trova in equilibrio quando la portanza uguaglia la somma del peso (Q) e della resistenza R prodotta dal flusso d aria spinto dal rotore verticalmente verso il basso. La condizione di equilibrio, fuori effetto suolo (O.G.E.) sarà dunque: P = Q + R. In prossimità del terremo ( ad altezza pari a circa 3 volte il diametro del rotore principale) si manifesta l effetto suolo per cui la portanza richiesta per mantenere l elicottero in volo stazionario risulta minore di quella calcolata precedentemente.