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Motore a detonazione rotativa

L’immagine che vedete come copertina è il disegno semplificato di un motore a getto molto particolare. Quell’immagine in particolare, resa disponibile dall’aeronautica militare degli Stati Uniti d’America, dovrebbe rappresentare il primo prototipo funzionante di un motore a detonazione rotativa.

Pratt & Whitney, colosso industriale impegnato nella produzione di motori aeronautici e spaziali di tutti i tipi, ha firmato un contratto per poter testare il primo motore con questa tecnologia.

Come funziona un motore a detonazione rotativa?

Il motore a detonazione rotativa, definito RDE (Rotative Detonation Engine) in inglese, si caratterizza proprio per avere una detonazione invece di una deflagrazione.
La deflagrazione consiste in una combustione che avviene con una variazione di volume.
La detonazione è una combustione che avviene in un volume costante generando un’onda d’urto.
La detonazione permette di bruciare il combustibile ad una velocità migliaia di volte superiore ad una deflagrazione. In più la spinta sfrutta l’onda d’urto che si genera.

Per consentire una detonazione continuativa la camera di combustione è un cilindro di sezione a corona circolare.

Semplifico la geometria della camera di combustione con l’immagine qui sopra.
L’aria è immessa dal davanti, la sezione di colore verde.
Per far avvenire la detonazione in maniera circolare, percorrendo la corona circolare di colore blu, immettendo il carburante nel punto successivo a dove è appena avvenuta. La parte in cui avviene la combustione è quella colorata in rosso che andranno a ruotare come il punti di detonazione e sono i punti in cui si generano onde d’urto.

È meglio degli altri motori aeronautici?

Questo motore ha dei grandi difetti.

Risulta molto difficile accenderlo perché necessità di un flusso d’aria molto veloce. In particolare la velocità minima a cui può lavorare al momento è intorno a Mach 1 (ossia 1 volta la velocità del suono).
Ha dei consumi oggettivamente esagerati. Avvenendo una detonazione continua a pressioni elevate, per far avvenire la combustione è necessaria una grossa quantità di carburante.
Fino ad oggi è considerato molto instabile ma sembra che Pratt & Whitney abbia risolto questo problema
Estremamente rumoroso

Detti i difetti principali, difetti attuali che penalizzano notevolmente l’utilizzo di massa, elenco i pregi e perché risulta una soluzione rivoluzionario.

Permette di generare spinta ad altissime velocità, velocità sopra Mach 1, generando un flusso supersonico in uscita dalla camera di combustione.
Pratt & Whitney dichiara di poter avere un consumo inferiore del 5% rispetto ad un motore che permette le stesse velocità
Il minor consumo è dato dal maggior rendimento dovuta dalla detonazione che potrebbe ulteriormente migliorare con gli sviluppi.

Ad oggi per volare a velocità supersoniche si sono usati dei turbogetto con post-bruciatore, ramjet/scramjet, pulsogetto a detonazione o motori a razzo.
Il turbogetto è il motore più usato ma sfruttando una deflagrazione ha un’efficienza inferiore, oltre a consumare enormi quantità di carburante a causa del post bruciatore.
I ramjet e scramjet, oltre a consumare tanto in quanto il funzionamento può essere analogo al post bruciatore (semplificazione forte), sono utilizzati solo per velivoli sperimentali in quanto non possono accendersi da soli.
Il pulsogetto a detonazione, anche se sfrutta una detonazione, lavora a impulsi quindi a intermittenza.
I motori a razzo sono molto più complessi da gestire e ingombranti.

Se mai entrasse in produzione per aerei di linea risulterebbe rivoluzionario in quanto permetterebbe di volare a velocità supersoniche (oltre la velocità del suono) con facilità e quindi riportare in auge il volo passeggeri supersonico, andato in pensione con il ritiro del Concorde, aereo che detiene il record di tempo sulla tratta da New York a Londra (meno di 3 ore).

Il volo di un aereo

Il volo di un aereo è difficile da concepire. Si vedono oggetti da decine di tonnellate o più che si staccano da terra dopo aver preso un po’ di velocità.
In più riescono a raggiungere velocità elevatissime. Alcuni sono in grado di farci fare 10 000 chilometri in meno di 12 ore, ossia una velocità media superiore agli 800 chilometri orari!
Eppure volano sopra la nostra testa i mezzi di trasporto più sicuri in assoluto.

Il volo di un aereo è possibile grazie alla portanza. Come già descritto in un altro articolo, la portanza è la componente della forza aerodinamica che si genera su superfici aerodinamiche. Un aereo, piccolo o grande che sia, sfrutta un’ala, ossia 2 semi ali. Diversamente come si pensa un’ aereo ha un’unica ala salvo che non sia un biplano, triplano, eccetera.

In verde scuro in primo piano un biplano mentre dietro un triplano

Indipendentemente dal numero di ali, questo tipo di velivolo è definito come aerodina ad ala fissa. Aerodina perché sfrutta la portanza per sostentarsi, ad ala fissa perché è solidale con la fusoliera. Diversamente sarebbe definita aerodina ad ala rotante come un elicottero o un quadricottero.

Il volo di un aereo come funziona?

La configurazione più semplice di un aereo è di avere due semi-ali che generano una forza verso l’alto, due superfici in coda che generano una forza verso il base (quasi sempre) e un timone verticale sempre in coda.

Il volo di un aereo quindi è consentito solo da due semi ali ed in fatti queste spesso hanno una lunghezza da punta a punta simile alla lunghezza della fusoliera.
In precedenza non è stata citata la fusoliera, ossia dove stanno i piloti ed eventuali passeggeri o oggetti. La fusoliera solitamente è neutra, non genera né portanza né deportanza anche se spesso la si vuole portante ma per ragioni legate alla facilità di staccarsi da terra la parte posteriore è molto inclinata verso l’alto e non permette sempre ciò.

In questa configurazione più semplice si hanno i piani di coda sempre deportanti in posizione neutra così che il si abbia un controllo migliore del beccheggio, ossia il movimento del muso in verticale (su e giù). Per questioni legate all’aerodinamica di un profilo alare portante (come le semi ali) e per la distribuzione voluta dei pesi, in assenza dei piani di coda l’aereo tenderebbe a picchiare. Con i piani di coda si stabilizza il comportamento.

Infine, non per importanza, è presente il piano di coda verticale che permette un controllo dell’imbardata per correggere l’assetto in fase di virata o di vento traverso.

Pilotaggio

Sia che si parli un aereo con configurazione tradizionale o più complessa, i comandi sono sempre gli stessi: volantino o barra di comando, pedaliera e manetta.

Il volantino o la barra di comando (in alcuni casi ci può essere un joystick) permettono il controllo del rollio, inclinazione a destra e sinistra del comando con rispettivo comportamento dell’aereo, e del beccheggio, inclinazione avanti e indietro con rispettiva picchiata e cabrata.
Per far avvenire ciò si usano gli alettoni. Non sono altro che superfici mobili presenti verso l’estremità delle ali nella parte posteriore. Per inclinazioni verso destra l’alettone destro sale e quello sinistro scende e viceversa. Non si muovono mai allo stesso modo
Mentre per controllare il beccheggio si usano le superfici di coda orizzontali, o parti di esse. Quando si inclinano verso il basso si picchia, verso il basso si cabra.

La pedaliera è usata per controllare la superficie mobile del piano di coda verticale. Quando si preme un pedale l’altro sale. Premendo il pedale di destra la superficie si inclinerà verso destra generando un’imbardata con muso verso destra, caso opposto con il pedale sinistro.
In molto aerei, specialmente i più semplici, hanno anche il controllo dei freni delle ruote nella pedaliera. Quando si fa scorrere il pedale avanti e indietro si aziona il timone verticale, quando lo si preme come in automobile si frenano le ruote.

Infine la manetta comanda la potenza richiesta. Essa è un leva posta al centro dell’abitacolo che se spinta in avanti, fa aumentare la potenza disponibile. Questa è usata in modo più o meno frequente in base agli automatismi dell’aereo. Tutti gli aerei però avranno sempre manetta al 100% in fase di decollo.

Affinché non ci siano continue correzioni da parte del pilota per controllare l’aeromobile quando è in fase di crociera, sono presenti altre superfici mobili che rispecchiano il funzionamento di quelle già citate detti trim. Con piccoli aggiustamenti l’aero tenderà a mantenere quell’assetto in autonomia salvo un cambiamento delle condizioni esterne.

Progettazione di un aereo

Come fatto con il pilotaggio si riportano solo le basi e le informazioni più comuni tra gli aerei a configurazione standard.
Quindi avremo due semi ali, un piano di coda orizzontale e uno verticale.

Si inizia sempre dal tipo di utilizzo del velivolo. Quindi le sue dimensioni e ma soprattutto il suo peso massimo.
Per questioni legate alla semplicità di pilotaggio, il baricentro sarà sempre davanti al punto di applicazione della portanza, questo porterà l’aereo sempre a picchiare.

Ora è possibile pensare alle due semi ali che dovranno generare più portanza del peso massimo del velivolo. Quanta di più dipende da tanti fattori complessi come la forma delle ali, della fusoliera, dei piani di coda, delle prestazioni, eccetera.

Stabilite più o meno le semi ali si guarda ai piani coda orizzontali che dovranno compensare il momento picchiante che l’aereo avrebbe naturalmente. Questo momento picchiante lo si vuole annullare nelle fasi di crociera, ossia quando si viaggia ad alta quota a velocità costante. Quindi in base alla velocità che si stima l’aereo abbia si fanno i conti.

Una formula molto semplice per conoscere la portanza è la seguente:

La formula può sembrare molto semplice, ma dietro ci sono calcoli complessi, in particolare relativamente al coefficiente di portanza (Cp). Se ne parla un po’ di più qui.

Infine si guarda al timone verticale che dovrà essere sufficientemente grande per permettere all’aeromobile di non avere imbardate involontarie in seguito alle manovre e avere una buona direzionalità. Non potrà nemmeno essere troppo grande altrimenti sarebbe un eccesso di peso inutile oltre che generare una grande quantità di resistenza aerodinamica.

Impieghi

Gli impieghi più noti sono quelli per il trasporto di persone e cose, sia commerciali che privati.
Poi ci sono gli aerei militari per la difesa di tutte le dimensioni e spesso ci si dimentica di quelli anti-incendio.

I più noti sono di una società acquisita da altri nota come Canadair. Questi sono considerati mezzi anfibi. Sono in grado di volare con parte della fusoliera in acqua così da imbarcarne e gettarla sugli incendi. Anche se sembrano molto semplici, da un punto di vista tecnico sono abbastanza complessi.

*Makers ITIS Forlì non si assumono alcuna responsabilità per danni a cose, persone o animali derivanti dall’utilizzo delle informazioni contenute in questa pagina. Tutto il materiale contenuto in questa pagina ha fini esclusivamente informativi.

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Elicottero

Introduzione

L’elicottero è un velivolo facente parte della aerodine, ossia un velivolo che sfrutta la portanza per sostentarsi. Fa parte della categoria delle ali rotanti, quindi in seguito alla rotazione di un rotore genera portanza e può essere controllato.
Anche un quadricottero è considerato un’ala rotante ma questo sfrutta delle “ali”, o meglio pale.
La differenza sostanziale tra un rotore e un’ala rotante (o elica) è che il primo sfrutta la geometria variabile di esso per muoversi.
Ma come funziona?

*Partendo dall’etimologia della parola, fa capire che è come se le singole pale facessero una spira nell’aria. Per immaginare meglio la cosa basti pensare ad una vite che fora il legno oppure al famoso velivolo di Leonardo Da Vinci.

Il funzionamento di questo esempio fa capire bene come un elicottero (ma una qualsiasi ala rotante in realtà) sia capace di prendere quota verticalmente. Per quanto riguarda una qualsiasi altra manovra è tutto più complesso.

Come funziona un elicottero?

Come molti sapranno un elicottero è costituito da un rotore principale, quello adibito a sollevare il velivolo e da un rotore di coda.

Sia il rotore di coda che il rotore principale hanno almeno 2 pale e queste possono variare la loro inclinazione. Potrebbero averne anche usa ma si avrebbero più vibrazioni. Nel caso del rotore di coda l’inclinazione delle pale è uguale per tutte allo stesso momento. Le pale del rotore principale non è detto che abbiano tutte la stessa inclinazione, o meglio, quasi mai.

Il rotore principale è costituito da una piatto oscillante e dalle pale. Queste due parti sono interconnesse tra loro.

Il piatto oscillante è costituito una parte che non ruota ma può inclinarsi, insieme a una parte che ruota.
Con il comando del pilota si inclina la parte non rotante che fa inclinare anche la parte rotante e le pale.

Il rotore di coda oltre a dare direzionalità, ossia controllo di imbardata (cioè attorno all’asse verticale), evita che l’elicottero giri su se stesso. In particolare se si vede il rotore principale girare in senso orario, in assenza del rotore di coda, tutto il velivolo girerebbe in senso antiorario. Questo fenomeno è noto come controcoppia o anticoppia del rotore. Questa è una manifestazione del terzo principio della dinamica, ossia il principio di azione e reazione.
I motori esercitano una coppia sul rotore principale e questo provoca una controcoppia sul resto del velivolo.

Questo velivolo è molto complesso oltre che da progettare anche da pilotare perché a causa delle varie masse in rotazione si generano fenomeni giroscopici.

Pilotaggio di un elicottero

Per pilotare un elicottero sono presenti in abitacolo 3 comandi.
Una pedaliera, costituita da due pedali affiancati, un ciclico, mano destra del pilota in figura, ed un collettivo, mano sinistra pilota in figura.
Il ciclico è una leva che che si può muovere avanti, indietro, a destra e a sinistra.
Il ciclico è una leva che si muove su e giù

La pedaliera consente di fare ruotare il velivolo attorno all’asse verticale, movimento di imbardata, agendo sul rotore di coda.
Il ciclico, inclinando il piatto oscillante, consente di inclinare l’elicottero verso l’alto o il basso e verso destra e sinistra. I movimenti verso l’alto e il basso rappresentano il beccheggio. I movimenti verso destra e sinistra rappresentano il rollio.
Infine il collettivo permette salire e scendere di quota alzando o abbassando il piatto oscillante.
Sui più moderni, non è presente il controllo della manetta in quanto una volta accesso/i il/i motore/i i giri saranno constanti. Quindi per salire o scendere di quota ci si affiderà esclusivamente all’inclinazione delle pale comandata dal ciclico.

Diversamente da altri velivoli qui gli effetti secondari dovuti ai corpi in rotazione sono molto evidenti.
Per salire o scendere di quota basta semplicemente azionare il ciclico e vale anche al decollo.
Mentre, per esempio, per avanzare si dovrà azionare il ciclico in avanti che permette l’inclinazione delle pale così che l’elicottero si sbilanci in avanti, inclinandosi. Questa inclinazione provoca una beccheggio verso il basso quindi si tenderà a perdere quota. Sarà necessario l’intervento sul collettivo per mantenere la quota. In più per effetto giroscopico causato dal rotore principale il velivolo subirà un rollio indotto. Il velivolo si inclinerà a destra o a sinistra a seconda del verso di rotazione delle pale. Ci dovrà quindi essere anche una correzione del rollio con il ciclico.

Ogni manovra con un elicottero è abbastanza complessa a causa di fenomeni secondari da correggere.
Per questo esistono elicotteri moderni che riesco a correggere automaticamente grazie a controlli software molto avanzati.

Progettazione di un elicottero

In fase di progettazione, oltre a tenere conto di come si andrà a pilotare il velivolo bisogna tenere conto anche della sua struttura. In particolare le eliche sono sottoposte a grandissimo sforzi e il modo più semplice per far che resista sarebbe ideale farle di metalli pieni.
Questa soluzione non viene mai adottata in quanto andrebbe bene solo per piccoli elicotteri ed il peso sarebbe troppo elevato.
Si opta quindi per pale in materiale composito e che siano flessibili.

Come si vede dall’elicottero nell’immagine qui sopra le pale subiscono una flessione sotto il loro stesso peso.
Questa soluzione di pale flessibili è l’unica attuabile al momento per ragioni legate al peso ma porta diversi problemi noti in italiano come “flappeggio” e “brandeggio”.

Il flappeggio non è altro che l’oscillazione verticale della pala mentre il rotore ruota. Questo fenomeno causa problemi di vibrazione di effettiva portanza generata dalla pala. Avviene a causa della differenza di velocità tra la parte più vicina la rotore che è molto più lenta di quella esterna che provoca una portanza differente lungo la pala.

Il brandeggio è l’oscillazione della pala sul piano di rotazione della pala e si verifica quando l’elicottero è in movimento. La causa principale è il moto relativo tra la pala in rotazione e il movimento. In un momento la pala avrà verso concorde al moto in un altro discorde… L’alternarsi di queste situazioni provoca un’oscillazione di brandeggio.

Non è possibile evitare questi fenomeni quindi si adottano degli smorzatori così che le oscillazioni siano ridotte.

Impieghi

Gli elicotteri non sono adatti a lunghe percorrenze e sono anche particolarmente costosi in quanto consumano molto, senza parlare dei costi di manutenzione. Questo li rende quasi inutilizzati per scopi commerciali. Gli impieghi principali sono da parte delle forze dell’ordine, dei soccorsi e dei militari per operazioni di ricerca e soccorso. L’unico vero grande vantaggio è il decollo e atterraggio verticale. Questa loro caratteristica è sfruttata molto da velivoli per il trasporto di oggetti pesanti che spesso diversamente necessiterebbero di soluzioni più costose.
Opportunamente allestiti, sono impiegati per il trasporto di tralicci della corrente, parti di edifici pre-assemblati o container.

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