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.

Vite Aerea 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.

Rotore principale elicottero

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.

Elicottero di piccole dimensioni fermo

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.

Elicottero

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Mario Campagna
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