L'
elicottero
(dal
greco
: ?λιξ [
helix
], spira, spirale, e πτερ?ν [
pteron
],
ala
) e un tipo di
aerogiro
, adibito al trasporto di persone e cose per scopi civili e/o militari, in cui il
sollevamento
e la
spinta
sono forniti da un
rotore
che gira orizzontalmente. E generalmente dotato di uno o piu
motori a pistoni
o a
turbina
che azionano un complesso di
pale
che gli permettono di sollevarsi e abbassarsi verticalmente, restare fermo in volo, spostarsi lateralmente, all'indietro o in avanti e compiere voli similmente a quanto fa un
aeroplano
, ma con maggiori flessibilita e manovrabilita.
Piu tecnicamente l'elicottero e caratterizzato da un'ala rotante, denominata
rotore
, che consente il
decollo
e l'
atterraggio
verticali senza necessita di
pista
e il
volo a punto fisso
, ovvero un volo sostentato a velocita nulla e quota costante, che ne rappresentano dunque i vantaggi principali rispetto all'
aeroplano
in molte situazioni di pattugliamento e di emergenza. Rispetto all'aeroplano raggiunge in media
velocita
e quote piu basse (fino a 300 km/h e non piu di 6 000 m di quota) ed ha un'autonomia minore consentendo quindi percorsi piu brevi. Rappresenta oggi la categoria di aeromobili piu diffusa dopo l'aeroplano, adibito a molti usi civili e militari.
Gli elicotteri non sono a rigore dei
velivoli
, sebbene vengano talvolta erroneamente indicati in tal modo; essi appartengono infatti ad un'altra categoria di
aerodine
, denominati
aerogiri
.
La prima testimonianza storica di un oggetto in grado di sollevarsi verticalmente nell'aria grazie alla rotazione di un'elica risale alla
Cina
del
V secolo a.C.
: un
giocattolo
costruito in leggerissimo
legno
di
bambu
e costituito da un'
elica
a due pale collegata a un bastoncino che, fatto ruotare velocemente fra i palmi delle
mani
o mediante la trazione di una cordicella, lo faceva levare in volo.
[1]
Questi piccoli giocattoli, tuttora utilizzati anche in
Giappone
dove prendono il nome di
taketombo
, arrivarono in Europa presumibilmente nel
XV secolo
, dal momento che appaiono in alcuni dipinti a partire dal
1463
.
[2]
Circa vent'anni dopo
Leonardo da Vinci
, in un disegno del
1480
circa riportato nel
Codice Atlantico
,
[3]
abbozza il progetto di una "
vite aerea
" che, nelle sue intenzioni, avrebbe dovuto "avvitarsi" nell'aria sfruttandone la densita similmente a quanto fa una
vite
che penetra nel legno. La macchina era immaginata come una
vite senza fine
con una base del diametro di circa 5 metri, mossa dalla forza muscolare di quattro uomini e costituita da una struttura di legno rivestita di una tela di lino inamidato.
[4]
Non vi e tuttavia prova che Leonardo abbia effettivamente costruito la macchina da lui immaginata che rimarrebbe, quindi, una delle tante intuizioni teoriche della multiforme attivita del celebre
inventore
[5]
o, piuttosto, l'anticipazione ante-litteram di un'
elica aeronautica
.
[6]
Nel luglio
1754
l'inventore
russo
Michail Lomonosov
mostro all'Accademia russa delle scienze un piccolo birotore in tandem potenziato da una
molla
e inteso come mezzo per portare in quota strumenti meteorologici.
[7]
Nel
1783
, appena un anno dopo l'ascensione dei
fratelli Montgolfier
in pallone, il
naturalista
Christian de Launoy
, con l'aiuto del suo meccanico Bienvenu, realizzo e presento all'
Accademia della Scienza di Parigi
un giocattolo dimostrativo funzionante con due rotori controrotanti realizzati con
piume
di
tacchino
mosse da un archetto elastico metallico.
[7]
[8]
[9]
L'idea delle eliche controrotanti venne accettata come
brevetto
per la prima volta nel
1859
in risposta alla richiesta dell'inglese
Henry Bright
, cui fece seguito nel
1863
una simile registrazione di brevetti in Gran Bretagna e Francia da parte del visconte
Gustave Ponton d'Amecourt
. Questo pioniere del volo francese costrui un modello con un
motore a vapore
,
[8]
che pero non fu in grado di sollevarsi in volo durante l'esposizione aeronautica di Londra del
1868
, ma la validita del progetto si pote verificare quando volo una versione con i rotori mossi da elastici.
[10]
D'Amecourt chiamo i suoi modelli "
helicopteres
" ed e per questo considerato l'inventore del termine.
[7]
Nel
1877
l'
ingegnere
italiano
Enrico Forlanini
riusci a far sollevare fino all'altezza di circa 13 metri un modello di elicottero del peso di 3,5 kg con due rotori bipala coassiali controrotanti utilizzando un
motore
a
vapore
alimentato da una piccola
caldaia
portata ad alta pressione attraverso un
fornello
che costituiva la base da cui il modello si involava e che restava a terra per non appesantirlo.
[9]
Sembra che il primo a brevettare un modello di elicottero o meglio "un apparecchio aereo dirigibile applicabile all’industria, avente lo scopo di rimpiazzare gli aerostati" sia stato l'italiano Gaetano Granieri nel 1896 a Marsiglia
[11]
. Purtroppo, del brevetto si e persa ogni traccia.
Nel
1901
l'inventore slovacco
Jan Bahy?
costrui un modello di elicottero potenziato da un motore a combustione interna che riusci a sollevarsi di 0,5 metri e che, una volta perfezionato, il 5 maggio
1905
si sollevo dal suolo di circa 4 metri compiendo un volo di 1 500 metri.
[7]
Nel
1906
due fratelli francesi, Jacques Breguet e
Louis Charles Breguet
, avvalendosi della collaborazione del professor
Charles Richet
, primi al mondo applicarono pale dotate di profilo alare ad un prototipo di elicottero realizzando il
Breguet-Richet No.1
, potenziato da un motore
Antoinette V-8
da
45
CV
che azionava per mezzo di una trasmissione a catena quattro rotori posti ai quattro vertici di una struttura a forma di X e muniti ciascuno di quattro pale biplane. In una data incerta compresa fra il 14 agosto e il 29 settembre
1907
, lo strano velivolo riusci a sollevarsi dal suolo di 60 cm con un passeggero a bordo per circa un minuto, ma l'impossibilita di spostarsi in volo controllato per la mancanza di qualsiasi dispositivo di comando, cosa che richiedeva la presenza di un uomo munito di un lungo rampone ad ognuno dei quattro vertici della macchina per mantenerla in assetto e impedire che si rovesciasse, fece si che i voli del Gyroplane No. 1 vennero considerati come i primi voli con persone a bordo di un elicottero, ma non i primi voli liberi di un elicottero.
[7]
[12]
Il primo volo libero di un elicottero viene in generale riconosciuto alla macchina realizzata da un altro inventore francese (di origine rumena),
Paul Cornu
che, in collaborazione con il fratello Jacques e il padre Jules, progetto e costrui l'
elicottero Cornu
, un velivolo di 6 metri di lunghezza, in grado di ospitare un passeggero nel mezzo e dotato di due rotori controrotanti alle estremita messi in rotazione da un motore Antoinette da 24 cavalli.
[7]
[9]
[13]
Il 13 novembre
1907
, a
Lisieux
, Cornu fu il primo uomo ad effettuare un volo libero controllato alzandosi in volo di 30 cm per circa 20 secondi, senza la necessita di vincoli di sicurezza e l'episodio viene riconosciuto come il primo volo libero effettivo di un elicottero con passeggero. In seguito Cornu effettuo pochi altri voli, fino ad arrivare ad un'altezza di quasi due metri, ma in realta le soluzioni adottate non consentivano un efficace controllo del velivolo per cui ogni ulteriore esperimento venne abbandonato.
[14]
Durante la
prima guerra mondiale
, l'ingegnere ungherese
Theodore von Karman
, insieme al proprio assistente tenente Wilhelm Zurove? e al maggiore
Stephan von Petrocz
, realizzo per l'
Imperial regio esercito austro-ungarico
il
PKZ 1
, una macchina costituita da una semplice
struttura
triangolare in tubi d'acciaio recante quattro
eliche
orizzontali portanti in legno, due destrorse e due sinistrorse, azionate da un motore elettrico da 190 CV alimentato da cavi che la macchina sollevava con se insieme alle funi di vincolo. Dopo quattro voli di prova la macchina fini fuori uso per un guasto al motore e fu sostituito dal piu grande
PKZ 2
, ideato come piattaforma fissa da osservazione per l'artiglieria in sostituzione dei
palloni frenati
. Il velivolo era dotato di due eliche coassiali controrotanti del diametro di 6 metri, azionate da tre motori Gnome da 100 CV, era privo di qualsiasi sistema di controllo ed era destinato a sollevarsi in verticale, essendo vincolato al suolo attraverso funi. Sopra le eliche poteva essere montata una struttura cilindrica in legno per l'osservatore.
[15]
La costruzione del prototipo comincio alla fine del
1917
e l'elicottero compi il primo volo il 2 aprile
1918
vicino a
Budapest
. Durante gli oltre trenta voli successivi la macchina, priva di passeggeri, raggiunse un'altezza massima di una cinquantina di metri (ben lontana dai 500 richiesti dall'esercito imperiale) riuscendo a rimanere in volo anche per un'ora. Il 10 giugno
1918
, di fronte ad una commissione esaminatrice composta da autorita militari, l'aeromobile precipito probabilmente per un guasto meccanico, danneggiandosi seriamente. La commissione decise per la non continuazione del progetto, che venne quindi sospeso.
Nei primi
Anni 1920
, l'argentino residente in Europa
Raul Pateras-Pescara de Castelluccio
diede una delle prime dimostrazioni funzionanti di controllo del passo collettivo e di quello ciclico: le pale dei rotori coassiali controrotanti del suo prototipo potevano essere svergolate alle estremita attraverso dei cavi in modo da aumentare o diminuire la spinta prodotta. Nel suo progetto era prevista anche l'inclinazione in avanti di pochi gradi del mozzo dei rotori, in modo da consentire il moto in avanti dell'aeromobile senza dover usare un'elica separata come negli aeroplani. L'elicottero, denominato "No. 1", venne provato nel gennaio
1924
, ma si rivelo sottopotenziato e non in grado di sollevare il proprio peso. Il governo britannico finanzio ulteriori ricerche di Pescara che portarono alla realizzazione del modello "No. 3" che, equipaggiato con un motore radiale da 250 hp, nel gennaio
1924
riusci ad sollevarsi dal suolo rimanendo in volo per circa dieci minuti. Pateras-Pescara fu anche in grado di dimostrare il principio dell'
autorotazione
.
[7]
[16]
[17]
Il 14 aprile
1924
il francese
Etienne Oehmichen
stabili il primo record del mondo riconosciuto dalla
Federation Aeronautique Internationale
(FAI), volando con il suo elicottero
quadrirotore
per 360 metri. Il 18 aprile
1924
Pescara batte il record di Oemichen, coprendo la distanza di 736 metri in 4 minuti e 11 secondi con una velocita quindi di circa 13 km/h, mantenendosi ad una altezza di sei piedi (circa 1,8 m). Record di distanza che fu di nuovo reclamato da Oehmichen il 4 maggio, quando, col suo modello N°2, copri la distanza di 1,69 km in 14 minuti volando ad un'altezza di 15 metri.
[7]
[18]
Il 4 maggio, Oehmichen stabili il primo record su circuito chiuso di 1 km per elicotteri, coprendo la distanza in 7 minuti e 40 secondi con il suo modello "No. 2".
[7]
[19]
Nello stesso periodo negli Stati Uniti, al
Wright Field
a
Dayton (Ohio)
, l'ingegnere e matematico rumeno
Gheorghe Botezatu
realizzo un elicottero per l'
United States Army Air Service
, ma pur ricevendo dei buoni risultati confermati anche da parte della stampa mondiale l'esercito cancello il programma nel
1924
e il prototipo venne demolito, per presentare poi un altro elicottero, la cui indicazione era GB5 e come registrato nel libro "Storia Aeronautica ", pubblicato a
Parigi
nel
1932
, era il " piu perfetto elicottero vintage". Nel
1928
, l'ingegnere aeronautico ungherese Oszkar Asboth costrui un prototipo di elicottero che riusci a volare per non meno di 182 volte con una durata massima del singolo volo di 53 minuti.
[7]
Albert Gillis von Baumhauer
, un ingegnere aeronautico olandese, inizio ad occuparsi di elicotteri nel
1923
. Il suo primo prototipo volo (in realta si limito ad alzarsi in volo e rimanere in volo stazionario) il 24 settembre
1925
, con ai comandi il capitano Floris Albert van Heijst dell'arma aerea dell'esercito olandese. L'elicottero era dotato di un rotore principale e un rotore anticoppia in coda mosso da un motore indipendente. La macchina era poco stabile e non ebbe seguito finendo distrutta in un incidente. La macchina di von Baumhauer era dotata di controllo del passo ciclico e di quello collettivo per i quali egli ottenne nel
1927
dal Ministero britannico dell'aviazione un brevetto d'invenzione con il numero 265 272.
[7]
Nel
1925
l'ingegnere italiano
Corradino D'Ascanio
e il barone
Pietro Trojani
fondarono la
Societa D'Ascanio-Trojani
che si prefiggeva di costruire un elicottero realmente funzionante. Dopo i primi due prototipi
D'AT1
e
D'AT2
, che a malapena riuscirono a sollevarsi dal suolo, venne realizzato il
D'AT3
, una macchina relativamente grande rispetto agli altri prototipi, dotata di due rotori coassiali e controrotanti. Il controllo avveniva utilizzando delle ali ausiliarie e piccole superfici di controllo comandabili sul
bordo d'uscita
delle pale,
[20]
un'idea in seguito utilizzata anche da altri progettisti di elicotteri, tra cui Bleeker e Kaman. Venivano inoltre impiegate tre piccole eliche montate sulla struttura per controllare sui tre assi rollio, beccheggio e imbardata. Pilotato dal
maggiore
Marinello Nelli all'
aeroporto di Ciampino di Roma
, il D'AT3 miglioro di poco i record FAI dell'epoca ottenendoli per l'altezza (17,4
m
), durata (8 minuti e 45
secondi
) e distanza (1078 m), ma si rivelo il primo prototipo di elicottero realmente funzionante e utilizzabile. Ciononostante le autorita militari non permisero all'inventore di accedere ai finanziamenti pubblici, indispensabili allo sviluppo del prototipo. Nel
1932
la Societa D'Ascanio-Trojani, esaurite le disponibilita finanziarie, si sciolse e l'ingegnere D'Ascanio venne assunto dalla
Piaggio
per la progettazione di eliche. L'azienda consenti al progettista abruzzese, nel
1939
, di costruire due prototipi di elicotteri, il "
PD1
" e "
PD2
" che andarono distrutti nel 1943, a causa dei
bombardamenti alleati
sugli stabilimenti di
Pontedera
.
[20]
[21]
In
Unione Sovietica
due ingegneri aeronautici, Boris N. Yuriev e Alexei M. Cheremukhin, che lavoravano al
Tsentralniy Aerogidrodinamicheskiy Institut
(TsAGI, l'istituto centrale di aeroidrodinamica), realizzarono e fecero volare il
TsAGI 1-EA
, un elicottero basato su una struttura tubolare aperta, un rotore principale a quattro pale e due coppie di rotori gemelli da 1,8 metri di diametro con funzione anticoppia sistemate l'una sul muso e l'altra in coda. Potenziato da due motori M-2, copia russa del motore rotativo Gnome Monosoupape della prima guerra mondiale, lo TsAGI 1-EA fu in grado di compiere diversi voli a bassa quota con successo. Il 14 agosto
1932
Cheremukhin porto l'elicottero a una quota di 605 metri, superando abbondantemente il record di D'Ascanio, ma poiche l'Unione Sovietica non era ancora un membro della FAI il record non gli venne riconosciuto.
[7]
Un altro modello di elicottero era lo
Kamov A7-3A
che vantava 220
km
di autonomia a 130
Km/h
e con 500
kg
di carico, vagamente somigliante a un popolare aereo da caccia sovietico di quegli anni, il
Polikarpov I-16
. Costruito in una dozzina di esemplari per la V-VS venne testato sul campo durante la
Guerra d'inverno
, per aggiustare il tiro dell'artiglieria in qualita di ricognitore, per terminare la sua carriera agli inizi dell'
operazione Barbarossa
, utilizzato dai disperati comandi sovietici persino per l'attacco al suolo. Tutti i velivoli vennero persi dopo appena due settimane di servizio operativo. Questo e stato quindi probabilmente il primo elicottero d'assalto della storia, armato con bombe e razzi, protetto in coda da una piccola mitragliatrice.
L'ingegnere russo
Nicolas Florine
in quegli anni costrui il primo elicottero a rotori in tandem che effettuo il primo volo in Belgio a
Sint-Genesius-Rode
presso il
Laboratoire Aerotechnique de Belgique
(oggi
von Karman Institute
) nell'aprile
1933
e raggiunse la quota di sei metri e il record di resistenza in volo di otto minuti. Sebbene i rotori non fossero controrotanti, la compensazione della coppia era comunque ottenuta attraverso una leggera inclinazione dell'asse dei rotori in direzioni opposte. La scelta di non usare rotori controrotanti fu determinata dalla volonta di sfruttare la stabilizzazione fornita dall'effetto giroscopico. L'uso della co-rotazione dei rotori e la mancanza di cerniere nell'attacco delle pale con l'asse, rese l'elicottero particolarmente stabile in confronto alle macchine contemporanee.
[7]
[22]
Il forte impulso allo sviluppo dell'
aeronautica
avvenuto nel periodo della
seconda guerra mondiale
, aveva fatto maturare grosse esperienze di volo con gli aerei che potevano ormai fornire il necessario supporto per mettere a punto macchine capaci delle prestazioni caratteristiche dell'elicottero.
Proprio con l'aereo ci si era ritrovati di fronte al problema della controrotazione dovuta alla coppia generata dal motore negli aerei monoelica, ma la presenza delle ali fisse e la proporzione fra la portanza (dipendente dalla
superficie alare
) e le
velocita
di quei velivoli rendeva agevole la soluzione. L'elicottero invece non aveva ali fisse, e si dovette attendere che qualcuno mettesse meglio a punto i concetti di eliche controrotanti o quello dei rotori anticoppia per avere degli aeromobili stabilizzati.
Ma il problema principale da risolvere era dovuto al fatto che quando un elicottero inizia a muoversi in avanti, le pale del rotore avanzanti si muovono ad una velocita assoluta maggiore poiche su di esse alla velocita dell'aeromobile si somma quella dovuta al movimento di rotazione, mentre su quelle retrocedenti accade il contrario. Quindi le prime sviluppano una portanza maggiore delle seconde e di conseguenza l'aeromobile tende a ribaltarsi di lato. Questo problema fu brillantemente risolto dall'ingegnere spagnolo
Juan de la Cierva
e utilizzato su un velivolo di sua invenzione, l'
autogiro
. De la Cierva applico ad ogni pala del rotore una cerniera di flappeggio che consentiva alle pale avanzanti di ruotare verso l'alto a quelle retrocedenti di ruotare verso il basso in modo da compensare la differenza di portanza fra pale avanzanti e pale retrocedenti.
[23]
[24]
Proprio sfruttando l'esperienza acquisita attraverso la costruzione su licenza degli autogiri di Juan de la Cierva, il professore
Henrich Focke
e l'ingegnere
Gerd Achgelis
, riuscirono a realizzare nel 1936 in Germania il primo vero elicottero della storia, il
Focke-Achgelis Fw 61
che, nettamente superiore ai suoi predecessori, porto i primati mondiali di quota, distanza e velocita a ben
3
427
m, 230,348 km e 122,5 km/h, esibendosi anche in una spettacolare dimostrazione all'interno della Deutschlandhalle di Berlino pilotato dalla famosa aviatrice tedesca
Hanna Reitsch
.
[25]
Il primo modello militare impiegato attivamente fu invece il
Flettner Fl 282
Kolibri
(rispondente alla formula del cosiddetto
sincrottero
, con due rotori controrotanti intersecantisi le cui coppie si annullavano a vicenda, una formula che dopo la guerra venne ripresa dalla ditta americana
Kaman
) progettato da
Anton Flettner
e usato dalla
Kriegsmarine
, la marina militare tedesca, durante la
seconda guerra mondiale
per il pattugliamento antisommergibile a bordo delle
navi
di scorta ai convogli.
[25]
Tuttavia l'elicottero si affermo negli Stati Uniti ad opera del progettista aeronautico di origine ucraina
Igor Sikorsky
, che il 14 settembre 1939 porto in volo il suo
Vought-Sikorsky VS-300
. Questo elicottero, migliorato e sviluppato, segno il definitivo successo della formula monorotore con rotore anticoppia in coda (secondo lo schema suggerito fin dal 1912 da Boris Yuriev), oggi comune alla maggior parte degli elicotteri ma che all'epoca pionieristica non aveva goduto di molta fortuna.
[25]
Invece, la formula birotore a rotori coassiali venne portata al successo dal progettista sovietico
Nikolaj Ili? Kamov
, che nel 1952 realizzo il
Ka-15
, primo elicottero costruito in serie di una lunga serie di macchine progettate da Kamov a partire dagli anni della seconda guerra mondiale.
[26]
Seguendo lo sviluppo storico dell'elicottero e stato possibile vedere quali siano stati i principali problemi tecnici da superare per ottenere una macchina in grado di volare affidabilmente. Questi problemi erano gia stati riconosciuti e descritti dai vari pionieri, come ad esempio Sikorsky nel suo classico "The Story of the Winged-S: An Autobiography"
[27]
. Per comprendere l'elicottero da un punto di vista tecnico e quindi interessante ricapitolare brevemente anche da un punto di vista fisico queste problematiche.
Dato un corpo aerodinamico che si muove con certa velocita in un fluido, esso genera una forza
aerodinamica
"
"perpendicolare alla velocita (detta
portanza
) ed una parallela (detta
resistenza
visto che e sempre orientata in modo tale da rallentare il corpo nel suo movimento) le quali hanno una intensita proporzionale alla
densita
del fluido "ρ", alla superficie del corpo "S", al
quadrato
della velocita "V" e all'
angolo d'attacco
o d'incidenza "α":
Purtroppo questa semplice relazione (ed ovviamente altre piu complicate) non era nota ovvero non venne applicata all'ala rotante se non dopo gli anni '10 del 1900 e quindi fino ad allora sia la potenza del motore necessaria a vincere la resistenza aerodinamica delle pale sia la forma stessa delle pale necessaria a produrre sufficiente portanza per vincere il peso dell'elicottero erano scelti piu ad intuito che matematicamente.
Da questa semplice relazione si vede che la chiave per variare la portanza e quindi comandare l'elicottero consiste nel variare la velocita (di rotazione delle pale) e/o l'incidenza. I primi pionieri furono costretti ad utilizzare il primo metodo dato che per avere un meccanismo semplice ed efficace per modificare l'angolo d'incidenza delle pale bisognera aspettare il 1906 con il brevetto di
Crocco
. Oggi la velocita di rotazione del rotore e mantenuta fissa tramite dispositivi di
controllo automatico
e si preferisce variare l'angolo d'attacco delle pale.
Il
principio di azione e reazione
era noto grazie a
Isaac Newton
gia dalla fine del '600. Tipicamente lo si vede in azione durante lo sparo di un
cannone
: l'effetto di
azione
e quello del cannone che spinge il
proiettile
in avanti a grande velocita ma a questo effetto si aggiunge quello di
reazione
del proiettile che spinge il cannone all'indietro generando il caratteristico
rinculo
.
In un elicottero, le pale possono essere viste come il proiettile dell'esempio precedente ed il motore (con la fusoliera a cui e attaccato) come il cannone. Fintantoche il motore-cannone e piantato a terra non succede niente di strano ma non appena esso si solleva dal suolo le pale-proiettile lo fanno ruotare nel verso opposto, appunto per reazione. Un concetto che, seppur gia noto anche matematicamente, sembrava sfuggire ai primi pionieri e addirittura a
Leonardo
, il quale non aveva previsto alcun mezzo anticoppia per la sua
vite aerea
.
Per ovviare a cio e necessario quindi compensare la reazione per esempio utilizzando un numero pari di rotori ruotanti in senso opposto (come ad esempio in Cornu e Breguet), oppure un rotore ausiliario in coda che crea una forza opposta (come ad esempio in Von Baumhauer); quest'ultima configurazione e diventata quella standard per gli elicotteri moderni ed e percio definita "convenzionale". Un altro metodo e quello di sparare direttamente un fluido ad alta velocita fuori dalle estremita del rotore il quale diventa cosi esso stesso il cannone dell'esempio precedente (e il fluido sparato fuori ne diventa il proiettile). In questo modo la reazione agisce direttamente sul rotore e non sulla fusoliera. Rotori di questo tipo sono detti
tip jet
ed il
Fairey Rotodyne
fu uno degli esempi piu famosi.
Igor Sikorsky
riassunse bene quale fu l'idea dietro la nascita dell'elicottero: "l'idea di un velivolo capace si sollevarsi dal suolo e librarsi fermo nell'aria nacque probabilmente nello stesso istante in cui l'uomo sogno per la prima volta di volare"
[28]
.
Tuttavia l'elicottero deve anche essere in grado di raggiungere il luogo in cui librarsi a mezz'aria per compiere il lavoro principale per cui e stato progettato e deve quindi anche essere in grado di volare in avanti in quello che viene definito "moto avanzato".
Quando un rotore si muove, la forza
aerodinamica
creata dalla pala non e piu costante ma varia durante la sua rotazione di 360° attorno al mozzo. Per comprendere cio, si osservi un rotore dall'alto e si segua il movimento dell'estremita di una sua pala, come mostrato nell'immagine qui a lato.
Chiamando Vr la velocita delle pale dovuta alla
rotazione
e Vv la velocita costante di volo dell'elicottero (e quindi del rotore con le sue pale), si vede che:
- quando la pala si trova sul lato destro, la sua estremita si muove ad una velocita totale pari alla somma Vr+Vv;
- mentre sul lato sinistro essa si muove ad una velocita totale pari alla differenza Vr-Vv, dato che la Vv ha qui verso opposto alla Vr.
Ma dato che la forza
aerodinamica
agente su una superficie aerodinamica e proporzionale al (quadrato della) velocita, essa sara quindi diversa sui due lati proprio per effetto della velocita di volo Vv; in particolare, la forza aerodinamica sara maggiore sul lato destro e minore sul lato sinistro. Il lato destro e detto "avanzante" mentre la zona sinistra e detta "retrocedente".
Come sperimentato da
de la Cierva
sui suoi primi tre prototipi di
autogiro
, questa asimmetria, se non corretta opportunamente, porta ad effetti disastrosi. In particolare:
- la dissimmetria della portanza genera un
momento
di
rollio
che fa ruotare l'elicottero in senso orario in una vista posteriore, un po' come avviene su una
bilancia
a piatti sulla quale vi siano due pesi uno maggiore dell'altro. L'esempio della bilancia a piatti aiuta anche a capire la soluzione adottata da de la Cierva: quando i bracci della bilancia ruotano per effetto dei differenti pesi, essi non si trascinano in rotazione anche tutta la struttura della bilancia stessa perche i bracci sono liberi di ruotare rispetto alla struttura. Se ora si vedono i bracci della bilancia come le pale del rotore, si capisce che per evitare il ribaltamento (della bilancia-elicottero) e sufficiente collegare la pala al mozzo con una semplice cerniera. Questa cerniera permette alla pala di muoversi liberamente verso l'alto ed il basso ed e percio definita di flappeggio (dall'inglese "to flap").
- per quanto riguarda le variazioni della
resistenza aerodinamica
, in una vista dall'alto si vede che l'effetto e quello di scaricare sul rotore una
coppia
variabile sul giro. Questo effetto e normalmente abbastanza piccolo dato che le resistenze aerodinamiche hanno generalmente un
ordine di grandezza
inferiore alla portanza ma si somma all'effetto della
forza di Coriolis
. Alla lunga, questa continua sollecitazione variabile genera sull'attacco pala-mozzo uno stress meccanico con possibile rottura per
fatica
. Per ovviare a cio, sempre de la Cierva aggiunse un'ulteriore cerniera all'attacco pala-mozzo che permetteva la libera rotazione della pala anche in avanti e all'indietro, chiamata cerniera di ritardo (dall'inglese "lead-leg").
A queste due cerniere se ne deve aggiungere una terza: come detto, per il controllo dell'elicottero e necessario variare l'incidenza delle pale per variarne la portanza generata. Cio si ottiene con la
cerniera di variazione passo
, posta sempre verso la radice della pala. L'attacco pala-mozzo e piuttosto affollato di cerniere.
Ogni pala genera la propria forza aerodinamica; la somma su tutte le pale viene definita trazione. La trazione agisce al centro del rotore ed e perpendicolare al disco del rotore, cioe al disco descritto dall'estremita delle pale durante la loro rotazione. Il controllo dell'elicottero passa attraverso la modifica del valore e dell'orientazione della trazione.
Mentre per i velivoli ad
ala fissa
la massima velocita di volo puo raggiungere valori elevati (l'esempio estremo e lo
Space Shuttle
con i suoi quasi 28 000 km/h), per un elicottero sono tipiche velocita di crociera non superiori ai 350 km/h e questo valore rappresenta un limite massimo che non puo essere superato se non adottando configurazioni aerodinamiche particolari come ad esempio nel caso del
Sikorsky S-67 Blackhawk
. La motivazione ha origine da una serie di compromessi aerodinamici e meccanici, i piu importanti dei quali sono elencati di seguito:
- Quando la pala durante la sua rotazione si trova sul lato retrocedente, alla sua velocita di rotazione Vr si sottrae la Vv con cui vola l'elicottero. Dato che il totale deve restare maggiore di zero (se si annullasse la portanza si annullerebbe di conseguenza), deve sempre essere:
- Vv<Vr
- Che sia Vv<Vr non e sufficiente. Se infatti la velocita sul lato retrocedente e positiva ma molto bassa, per generare comunque portanza di valore sufficiente l'angolo d'incidenza deve essere aumentato di conseguenza. Ma questo aumento d'incidenza e limitato dallo
stallo
della pala. Quindi non basta che la Vv sia minore della Vr ma essa deve effettivamente essere "molto minore" per restare lontani da questa situazione. Quindi:
- Vv<<Vr
- Quando la pala si trova sul lato avanzante, invece, le due velocita si sommano. Anche in questo caso la loro somma non puo pero crescere indefinitivamente perche quando essa si avvicina ad un valore
critico
prossimo alla
velocita del suono
"Vs", la resistenza aerodinamica cresce notevolmente e la portanza diminuisce. Quindi:
- Vv+Vr<Vs
- Anche se con un legame non semplice, il tipico rumore prodotto da un elicottero e proporzionale alla Vr, che deve quindi essere contenuta per motivi di inquinamento acustico. Quindi:
- Vr piu piccola possibile
- Il rotore e collegato al motore tramite una
ruota libera
esattamente come i pedali di una bicicletta alla ruota posteriore. In questo modo, se durante il volo il motore (o i motori) cessa di funzionare (pedalare), il rotore non si blocca ma continua a ruotare per inerzia. In particolare, il rotore deve continuare a ruotare per inerzia per un certo tempo necessario al pilota per riconoscere il problema ed iniziare la manovra d'emergenza chiamata
autorotazione
. L'inerzia del rotore e proporzionale al suo peso ed alla sua Vr, che deve quindi essere elevata per dare al pilota maggior tempo di intervento per effettuare questa manovra di vitale importanza. Quindi:
- Vr piu grande possibile
Come si vede, sia la Vr che la Vv sono determinate da molti requisiti fra loro contrastanti i quali impongono alla fine un valore medio di circa:
- Vr ≅ 700 km/h (che vuol dire che le pale di un tipico elicottero da
elisoccorso
ruotano a 5-6 giri al secondo)
- Vv di volo massima ≅ 350 km/h
Da un punto di vista matematico, il rotore e un sistema in movimento con un
moto armonico forzato
in
risonanza
. Al di la della trattazione matematica, cio significa in pratica che se si potesse dare un colpetto verso l'alto alla pala quando transita per esempio posteriormente sulla coda, essa flappeggerebbe si verso l'alto ma raggiungendo il massimo non sulla coda stessa, come ci si aspetterebbe, bensi quando si trova sul lato destro, ovverosia con un ritardo di 1/4 di giro (90°). Questo effetto di ritardo, detto
effetto giroscopico
, puo essere osservato piu semplicemente in una
trottola
. Ovviamente nel caso del rotore il "colpetto" e costituito da una variazione di portanza. Questo implica che se si vuole ottenere ad esempio il massimo del flappeggio in corrispondenza del lato destro, l'aumento dell'incidenza della pala (ovverosia della portanza) deve essere imposto in corrispondenza della coda. Anche questo concetto fisico, seppur ben noto anche matematicamente, sfuggi ai pionieri. Lo stesso Sikorsky non aveva previsto questo sfasamento di 90° sui comandi del sul suo primo
VS-300
, che risultava quindi non intuitivamente controllabile.
Il rotore e il cuore dell'elicottero dato che ha la funzione non solo di generare la trazione necessaria a sostenere l'elicottero in volo ma anche la
propulsione
necessaria a vincere la resistenza aerodinamica e le forze e i momenti necessari a
manovrarlo
(solo per comparazione, in un aereo queste tre funzioni sono assolte da tre componenti ben distinte, ovverosia l'
ala
, il
propulsore
ed i
piani di coda
rispettivamente).
Nel seguito sono elencati gli elementi principali del rotore.
Solitamente in
titanio
o materiale composito, e il complesso a cui sono attaccate le pale e che si innesta sull'albero.
Solitamente in materiale metallico, ha sezione circolare ed e cavo all'interno per limitarne il peso. Una estremita si innesta nella trasmissione mentre all'altra si innesta (oppure e un tutt'uno con) la testa del rotore.
E lo snodo meccanico attraverso il quale le pale sono collegate al mozzo. Nei primi elicotteri degli
anni 1950
esse erano delle semplici cerniere a
cuscinetti
. A causa delle elevate forze centrifughe che su di esse si scaricavano dalle pale, la loro usura era piuttosto veloce e comportava una frequente sostituzione, con elevati costi di manutenzione. Una prima soluzione a questo problema fu l'eliminazione completa delle cerniere di flappeggio e di ritardo attraverso la costruzione di pale dotate di una radice molto soffice ed in grado quindi di lasciare flappeggiare e ritardare la pala liberamente anche senza la presenza fisica di una cerniera; precursore di questa soluzione fu il
MBB Bo 105
. Rotori di questo tipo si definiscono
hingeless
(senza cerniera, appunto) o
semirigidi
. Nei rotori semirigidi la cerniera di variazione passo, con i relativi cuscinetti, viene mantenuta essendo meno soggetta ad usura non dovendo supportare direttamente le forze centrifughe. In rotori piu moderni la cerniera di variazione passo e sostituita da una piu semplice cerniera in materiale
elastomerico
oppure e anch'essa eliminata in favore di una radice della pala costruita in modo tale da lasciare alla pala completa liberta di rotazione attorno ai tre assi di flappeggio, di ritardo e di variazione passo. Rotori di questo tipo si definiscono
bearingless
(senza cuscinetti) o
rigidi
, che e una definizione fuoriviante dato che, all'opposto, la radice della pala e in realta soffice (un rotore propriamente rigido, ovvero con una radice della pala effettivamente rigida e collegata rigidamente al mozzo, e quello ad esempio del
Sikorsky X2
).
Come visto il rotore e fisicamente un sistema in
risonanza
, tuttavia i movimenti delle pale attorno alle cerniere non mostrano i fenomeni distruttivi tipici della risonanza (ben evidenziati ad esempio dal famoso
crollo del Ponte di Tacoma
), questo perche i relativi movimenti vengono
smorzati
. In particolare, il moto attorno:
- alla cerniera di flappeggio viene fortemente smorzato dalle forze aerodinamiche.
- alla cerniera di variazione passo viene smorzato dal collegamento meccanico e/o idraulico con i comandi di volo attraverso il piatto oscillante.
- alla cerniera di ritardo non e invece sufficientemente smorzato aerodinamicamente e/o meccanicamente e quando l'elicottero e a terra esso si puo
accoppiare
con il movimento dovuto all'
elasticita
dei carrelli d'atterraggio generando una pericolosa
risonanza
detta "ground resonance" la quale puo portare alla distruzione della struttura in pochi secondi; per tale motivo si adottano
smorzatori viscosi
attorno a questa cerniera.
La pala e l'elemento che genera tutte le forze aerodinamiche e che le trasmette al mozzo e di conseguenza all'elicottero. La forma ed il numero delle pale sono definiti da requisiti meccanici ed aerodinamici spesso contrastanti. Senza entrare nel merito, in generale:
- per limitare la
resistenza aerodinamica indotta
, le pale devono avere un elevato
allungamento alare
; per soddisfare tale requisito l'
apertura
della pala deve quindi essere la piu elevata possibile e la
corda
la piu piccola possibile, esattamente come avviene per l'ala degli
alianti
.
- la lunghezza delle pale deve comunque essere contenuta per limitarne il peso, mentre la corda deve essere superiore ad un certo valore per massimizzare l'
efficienza aerodinamica
, che e bassa per corde basse (per i modelli di elicottero radiocomandati, ad esempio, l'efficienza aerodinamica e piuttosto scarsa).
- la
velocita
Vr dovuta alla
rotazione
attorno al mozzo, aumenta man mano che ci si sposta dalla radice alla estremita della pala, essendo nulla alla radice. Dato che la portanza va col quadrato della velocita, essa assumerebbe valori via via maggiori spostandosi verso l'estremita della pala; si compensa questo effetto
svergolando
la pala lungo l'apertura in modo tale che l'angolo d'incidenza sia via via minore.
- la superficie totale delle pale e determinata, in maniera complessa, in base alle prestazioni che l'elicottero deve essere in grado di sviluppare in volo. Una volta determinata, essa viene suddivisa fra le pale il cui numero e determinato oltre che dai requisiti appena elencati, anche da altri; ad esempio, il loro numero deve essere il piu basso possibile per contenere sia il peso complessivo del rotore, sia il suo costo, sia la sua resistenza aerodinamica (un mozzo con poche pale e aerodinamicamente piu "pulito"); deve essere elevato per limitare le vibrazioni prodotte dalle pale (che e proporzionale al numero delle pale stesse); molte pale implica corde piu basse e quindi minore efficienza aerodinamica; corde basse implica anche minore spazio per la struttura della pala che quindi tende a deformarsi troppo.
- anche la forma del
profilo alare
e determinato da requisiti contrastanti.
La conduzione di un elicottero e completamente differente da quella di un aereo, poiche i principi fisici in gioco sono solo parzialmente gli stessi. Nell'aereo si usa sostanzialmente una mano per l'assetto orizzontale e laterale ed i piedi per la direzione. Nell'elicottero occorre avere una mano anche per regolare la potenza del motore e l'inclinazione delle pale, quindi occorre coordinare cinque movimenti invece di tre. Inoltre, mentre l'aereo e stabile e puo proseguire il volo orizzontale da solo, l'elicottero non appena vengono abbandonati i comandi tende ad inclinarsi o ad alterare la posizione.
In realta il volo orizzontale non presenta grandi difficolta, mentre mantenere l'elicottero fermo in una posizione, quota e direzione determinate e estremamente difficile, in particolare in presenza di vento, il che complica gli atterraggi di precisione e soprattutto i recuperi dall'alto con il
verricello
.
Negli elicotteri a
turboalbero
non occorre prestare particolare attenzione a non far perdere giri al motore, in quanto questa incombenza viene normalmente demandata al
governor
della turbina che agendo sul
fuel control
(cioe sul controllo del combustibile iniettato) assicura che il rotore principale giri sempre con la velocita prevista dal progetto e di conseguenza anche quello di coda, in modo che l'aeromobile non perda mai efficienza rotorica. Per quanto riguarda invece gli elicotteri equipaggiati con motori a
ciclo Otto
e compito del pilota prestare particolare attenzione a non far scendere il motore dal regime di rotazione previsto, altrimenti si potrebbe perdere drasticamente potenza, con la conseguente perdita di controllo dell'aeromobile dovuta ad una inefficienza rotorica. Quindi, se viene aumentato l'angolo delle pale eccessivamente senza compensarlo con un aumento dell'acceleratore, il motore perde giri e anche ridando "tutta manetta", non si riprende, se non riportando le pale in posizione neutra. Se il motore finisce per spegnersi, occorre molto tempo per riaccenderlo (operazione molto difficoltosa e pericolosa).
Alcuni elicotteri sono sprovvisti della manetta di controllo del motore, inoltre la maggior parte degli elicotteri a turbina (esotermici) vengono pilotati con la o le manette completamente frizionate, rendendo impossibile una regolazione istantanea da parte del pilota. La maggior parte degli elicotteri con motore a pistoni e al giorno d'oggi provvista di un sistema automatico di controllo del regime del motore (governor).
I controlli dell'elicottero sono il
collettivo
, la
manetta
, il
ciclico
e la
pedaliera
.
Il
collettivo
(o CPC -
collective pitch control
) controlla l'angolo di calettamento geometrico delle pale, il quale non va confuso con l'
angolo di attacco
, cioe l'inclinazione delle pale rispetto al piano orizzontale sul quale sono innestate (di questo piano, l'asse di rotazione del rotore e la normale). All'aumento dell'angolo di attacco corrisponde un aumento di incidenza e conseguente di portanza ed esso e solo in parte regolato dal collettivo, in quanto e il ciclico che varia l'inclinazione della pala ad ogni rotazione per spostare l'aeromobile nelle varie direzioni, mentre il collettivo comporta una variazione dell'inclinazione su tutte le pale contemporaneamente in modo da ricevere piu o meno spinta verso l'alto dell'elicottero.
La
manetta
e un semplice
acceleratore
che consente di controllare il regime del motore e dunque di trasmettere maggiore o minor
potenza
al rotore secondo la necessita del momento. Nei modelli piu recenti con motore a turbina si utilizza un sistema
computerizzato
di gestione dei regimi che consente di delegare al
software
accelerazione
e decelerazione del motore. Questo sistema e chiamato
FADEC
(Full Authority Digital Engine Control), termine usato anche per il sistema presente negli aerei che svolge la stessa funzione, rendendo non piu necessario l'uso della manetta se non in caso di emergenza. I piu recenti elicotteri monomotore sono equipaggiati con due FADEC di cui uno e alimentato da una batteria indipendente, in modo tale da assicurare un perfetto funzionamento dell'elicottero anche in caso di completa avaria elettrica e/o elettronica.
Il
ciclico
, con comando a
cloche
, e il piu sofisticato ed il piu delicato dei controlli, poiche governa la variazione ciclica dell'angolo di attacco delle pale: le pale, durante il loro giro di 360° non hanno un angolo di attacco costante, ma hanno una variazione di inclinazione che serve in generale ad ottimizzare la propulsione, ed in particolare a distribuire opportunamente la spinta in modo da consentire variazioni di assetto e spostamento dell'elicottero.
Questa variazione e appunto dominata dal ciclico, cosi chiamato perche la fa operare nel numero di volte desiderate e possibili per ciascun giro della pala (per cicli).
La variazione e poi opportunamente anticipata (calettatura) tenendo conto di fattori come la
precessione
giroscopica
. Infatti, se su un corpo che ruota su se stesso andiamo ad imprimere una forza trasversalmente al suo asse di rotazione essa rispondera 90° dopo rispetto al senso di rotazione stesso; quindi quando diamo ciclico avanti (ipotizziamo un rotore sinistrorso, cioe che gira in senso antiorario) le biellette del
piatto oscillante
si alzeranno ed andranno a dare ulteriore passo alla pala che sara a sinistra cosicche la portanza si portera in maggior parte sul semidisco posteriore e l'elicottero potra traslare in avanti.
La
pedaliera
aziona tramite leveraggi il
rotore di coda
(se esistente) il quale consente il controllo della direzione della prua dell'aeromobile rispetto alla direzione di avanzamento, ovvero il controllo dello "yaw axis". Essa svolge una importantissima funzione durante i decolli e gli atterraggi verticali: l'abbassarsi o l'innalzarsi della leva del passo collettivo comporta infatti variazioni della coppia di reazione che cambiano la direzione della prua. Poiche il rotore di coda ha molto piu braccio della prua dell'elicottero rispetto all'asse di rotazione del rotore principale, pochi gradi di variazione dell'angolo di prua possono muovere facilmente il pericoloso rotore anche di un metro a destra o a sinistra. Occorre grande prontezza per compensare con il piede eventuali turbolenze che colpiscano le pale in modo non uniforme.
Il decollo dell'elicottero si ottiene incrementando la spinta che le pale esercitano sull'aria; questo e possibile aumentando il passo collettivo (angolo d'incidenza delle pale) che determina una maggiore esposizione all'aria della superficie alare. In questa fase il numero di giri del rotore rimane costante come del resto in tutte le fasi del volo (manetta su flight). Bisogna inoltre esercitare una pressione sulla pedaliera che comanda il rotore di coda in modo da esercitare una forza pari e opposta al rotore principale.
Il rotore di coda non e altro che "un'anticoppia" che si contrappone alla coppia del rotore principale che determinerebbe una rotazione della
fusoliera
nel senso opposto alla rotazione del rotore, per il
terzo principio della dinamica
, che ad ogni azione ne corrisponde una uguale e contraria.
Facendo cio l'elicottero si alza e rimane nell'assetto di volo desiderato.
Il pilota per portare l'elicottero dal
volo a punto fisso
al volo traslato non fara altro che portare in avanti la leva del passo ciclico, pero cosi facendo l'elicottero prendera un assetto picchiato e quindi perdera quota, per ovviare al problema bisognera dare un po' di collettivo per far si che la portanza sia pari al peso piu il difetto di assetto; pero dando collettivo il pilota dara piu resistenza al rotore principale quindi la coppia generata sara piu forte, la diminuira dando pedaliera nel senso di rotazione del rotore. Chiaramente tutte le sopracitate operazioni andranno fatte quasi contemporaneamente.
La "svolta" orizzontale a sinistra o a destra, tecnicamente una
virata
, si ottiene con un opportuno sfruttamento di quella controrotazione che era il problema da superare per il genio di Leonardo.
In volo, i due rotori sono in moto rispettivamente bilanciato e producono l'uno lo spostamento (verticale) e l'altro la stabilizzazione (longitudinale).
Nell'elicottero tradizionale, quindi, il rotore di coda consente il cambio di direzione (taluni dicono "cambio di prua") semplicemente intervenendo sul passo delle pale: aumentandolo o diminuendolo, il rotore di coda dara minore o maggiore contrasto al moto "istintivo" di controrotazione, facendo percio spostare la coda dell'aeromobile e dunque cambiare di direzione.
Nell'elicottero ad eliche controrotanti (come il Chinook), invece, un principio simile consente di intervenire sulla velocita di rotazione di uno dei due rotori, con produzione di analoghi effetti ed uguali risultati.
Lo
stallo
di un elicottero avviene quando i filetti fluidi di aria che viene investita dalla pala si staccano in prossimita del bordo d'attacco quindi non si verra a creare la zona di depressione sull'
estradosso
(parte superiore della pala) e la nostra pala non avra piu portanza: tale situazione si verifica con un angolo di incidenza superiore ai 18
°
, costruttivamente dando tutto passo non si raggiungono valori cosi alti pero in determinate situazioni ci si puo arrivare.
Lo stallo del rotore e la principale causa dei limiti di velocita di un elicottero, se noi consideriamo che le pale girando vanno a creare un disco e mettiamo questo disco in VRO (volo rettilineo orizzontale) a velocita abbastanza elevate noteremo che meta disco (semidisco avanzante) andra ad investire aria rispetto al senso di marcia mentre l'altra meta (semidisco retrocedente) la subira negativamente.
Tenendo conto che nella formula della
portanza
la velocita entra al quadrato, al semidisco avanzante andra sommata la velocita dell'elicottero mentre al semidisco retrocedente questa velocita andra sottratta, avremo quindi un semidisco con una portanza molto elevata ed un semidisco con una portanza pressoche nulla quindi l'elicottero comincera a vibrare in maniera molto forte e poi comincera a girare su se stesso.
In ultimo il piu pericoloso degli stalli: il cosiddetto
power settling
(scaduta con potenza) comunemente chiamato anello vorticoso o stato di vortice (in inglese e detto anche
vortex ring state
); calcolando che il rotore genera un flusso d'aria che lo attraversa dall'alto verso il basso se il pilota si appresta ad un atterraggio quasi verticale con una
velocita di discesa
sostenuta c'e il rischio che l'elicottero scenda alla velocita dell'aria da lui stesso generata e quindi avremo il rotore che "naviga nel vuoto"; aumentando il passo collettivo non faremo altro che aumentare la velocita di questo flusso per cui peggioreremo solo la situazione, l'unica maniera per uscirne e entrare in autorotazione, se la quota lo permette, e traslare in avanti riducendo il passo collettivo, una volta fuori dal flusso potremo ridare passo (Vedi nota
[29]
).
Il vortice puo investire l'elicottero anche in caso di vento relativo in coda, cioe se l'elicottero e fermo con vento da dietro, oppure se l'elicottero procede all'indietro. Questa situazione deve essere assolutamente evitata perche rende l'elicottero ingovernabile.
|
|
Descrizione del fenomeno della autorotazione. Durante un'autorotazione, il flusso diretto verso l'alto dell'aria permette al rotore principale di girare alla velocita normale. In pratica, regolando l'incidenza della pala in discesa, si garantiscono nel contempo, la componente in avanti e la componente di portanza del vettore risultante "forza aerodinamica".
|
E la manovra di emergenza effettuata durante la discesa dopo un'avaria all'impianto motore, simulata o reale. Durante questa discesa controllata, il rotore principale gira a causa del flusso d'aria verticale attraverso il disco del rotore. Il pilota deve abbassare il collettivo per mantenere il numero di
giri al minuto
del rotore principale durante la discesa entro parametri prestabiliti. La velocita di rotazione non puo essere ne troppo alta ne troppo bassa per evitare danneggiamenti strutturali. Il pilota, poco prima dell'atterraggio, alza il collettivo e frena l'elicottero.
Nell'elicottero l'autorotazione equivale alla planata con motore spento in un aeroplano. I piloti si esercitano nell'autorotazione in modo da riuscire ad effettuare un atterraggio di emergenza. Durante l'autorotazione, viene disattivato il collegamento tra il rotore principale ed il motore, che non fornisce piu al rotore l'energia necessaria per girare. L'energia viene invece generata dal passaggio dell'aria attraverso le pale durante la discesa e dalla forza d'inerzia del rotore principale. Il numero di giri al minuto del rotore e il fattore piu importante da considerare durante l'autorotazione. Girando, il rotore fornisce la portanza necessaria a stabilizzare la discesa ed immagazzina l'energia utilizzata per ammortizzare l'atterraggio. Se il numero di giri al minuto diminuisce eccessivamente, il rotore non potra svolgere questa funzione poiche, ad esempio, diminuira la componente di portanza.
Qualunque elicottero deve essere in grado di scendere in autorotazione; esistono pero dei campi di velocita pericolosi, cioe condizioni di volo per le quali l'autorotazione non garantisce un buon esito:
- una prima condizione e rappresentata da volo a bassa velocita e a bassa quota; in questo caso se si ferma il motore, la bassa velocita di traslazione non permette di ottenere un flusso d'aria attraverso il disco sufficiente a produrre una portanza idonea a frenare la discesa ed evitare l'impatto con il suolo.
- la seconda condizione critica di volo si ha quando l'elicottero vola comunque al sotto di una certa altezza dal suolo, anche ad elevata velocita di traslazione. In questo caso, l'inevitabile perdita di quota conseguente all'avaria del motore, comportera l'impatto con il suolo, senza che ci sia il tempo di effettuare in sicurezza la manovra di frenata all'ultimo istante, che garantirebbe l'incolumita (detta
flare
).
L'insieme di queste condizioni di volo e rappresentato sul grafico caratteristico quota-velocita, con un'area al di sotto di una curva che prende il nome di
curva dell'uomo morto
.
[30]
I piloti di elicottero sono a conoscenza del fenomeno e cercano di restare in queste condizioni il minor tempo possibile, guadagnando quota e velocita, appena possibile, e permanendo nelle condizioni quota-velocita critiche solo per lo stretto necessario, o quando non sia possibile farne a meno.
Gli impieghi civili dell'ala rotante sono molteplici. Questa qualita specifica deriva dal fatto che l'elicottero puo atterrare e decollare in spazi ristretti, puo rimanere immobile in aria e muoversi in tutte le direzioni, anche all'indietro.
Tra gli utilizzi civili, sicuramente e da annoverare il trasporto di persone e di materiale e merci. Uno degli elicotteri piu grandi al mondo, il russo
Mi-6
, puo trasportare 90 passeggeri oppure 12.000
kg
di carico.
Il servizio di eliambulanza (o
elisoccorso
), invece, ha assunto un particolare rilievo grazie alla possibilita concreta di salvare molte vite umane. Molti elicotteri vengono progettati dalle aziende costruttrici gia in versione "eliambulanza" che prevede un ampio vano di carico per ospitare a bordo anche piu barelle. Il servizio di eliambulanza in Italia e gestito dal
118
che ha basi in varie regioni. Dispone di 7 modelli di elicotteri che sono
AgustaWestland AW139
,
Bell 412
,
AgustaWestland AW109
,
Eurocopter EC 135
,
Eurocopter BK117
,
Eurocopter EC145
e
Eurocopter AS 365
.
L'utilizzo antincendio viene effettuato con elicotteri equipaggiati di
benna
, un recipiente semirigido che puo essere riempito d'
acqua
facilmente ed in breve tempo. Esistono anche modelli di elicottero che invece aspirano l'acqua da un tubo mobile per immagazzinarla in un serbatoio posto sul fondo dell'aeromobile. In Italia il primo reparto elicotteri dei vigili del fuoco e stato creato a
Modena
nel
1954
con un AB.47G-2 poi denominato
Bell 47
. L'iniziativa fu un successo e l'anno successivo vennero acquistati altri elicotteri e vennero creati due nuovi nuclei a
Roma
e
Napoli
. Oggi i vigili del fuoco dispongono di tre modelli dei elicotteri che sono
Bell 412
,
Bell 206
e
Bell UH-1 Iroquois
.
Altri impieghi sono la costruzione di
teleferiche
e
funivie
, la realizzazione e la manutenzione di
reti elettriche
e di comunicazione in aree impervie, il trasporto in
montagna
e l'utilizzo per le riprese
televisive
.
Un impiego civile degli elicotteri e anche il monitoraggio e l'irrorazione delle colture agricole come il progetto
Yamaha R MAX
di
Yamaha Motor Company
.
Di solito gli elicotteri dei vari corpi di polizia nel mondo vengono impiegati in attivita di soccorso, monitoraggio, recupero in mare o in montagna. Vengono anche impiegati durante le manifestazioni di vario genere o partite di calcio, passando per il monitoraggio del traffico automobilistico su strade e autostrade nei week-end e durante i periodi di estivi, in generale durante i periodi delle vacanze, oppure vengono utilizzati per contrastare i fenomeni di contrabbando. Grazie alle loro ridotte dimensioni, sono sempre pronti a entrare in azione per garantire la sicurezza dei cittadini dall'alto.
In Italia elicotteri sono in dotazione in tutte le
forze armate
e
forze dell'ordine
, in particolare nella
Polizia di Stato
, nell'
Arma dei Carabinieri
, nella
Guardia di Finanza
, nell'
Esercito Italiano
, nell'
Aeronautica Militare
, nella
Marina Militare
, nel
Corpo Forestale dello Stato
, nel
Corpo Nazionale dei Vigili del Fuoco
, nel
Corpo delle capitanerie di porto - Guardia costiera
e nella
Protezione Civile
. In Italia il primo gruppo volo della
polizia di stato
e stato costituito ufficialmente il 1º gennaio
1971
a
Pratica di Mare
(
Roma
). Oggi conta 11 gruppi che coprono tutto il territorio nazionale. La polizia di stato ha in dotazione tre modelli di elicotteri:
Agusta-Bell AB206
,
AgustaWestland AW109
e
Agusta-Bell AB 212
.
L'
arma dei Carabinieri
, invece, ha una lunga storia con il volo visto che durante la prima guerra mondiale ci furono dei piloti carabinieri. Ma il reparto volo con elicotteri viene costituito il 25 marzo
1960
con l'acquisto da parte dell'arma di quattro AB 47 J "Ranger" poi denominato
Bell 47
che operavano in
Sardegna
,
Puglia
e
Sicilia
.
Oggi L'arma ha a disposizione tre tipi di elicotteri (
Agusta-Bell AB206
,
AgustaWestland AW109
e
Agusta-Bell AB 412
) che operano su tutto il territorio nazionale.
La prima struttura del reparto volo dei carabinieri e nata il 1º giugno
1965
a
Pratica di Mare
.
Gli eserciti utilizzano gli elicotteri ovviamente come
mezzi di combattimento
, ma anche come supporto per i militari e mezzi a terra, esplorazione di scenari di guerra e il trasporto di militari, mezzi o di feriti (
elicotteri cargo
). I mezzi dell'esercito vengono utilizzati anche nelle emergenze e nelle catastrofi ambientali come accaduto in
Abruzzo
dove elicotteri militari hanno aiutato il trasporto dei feriti gravi e il trasporto degli aiuti che arrivavano da tutto il paese.
L'
esercito italiano
ha in dotazione gli stessi modelli delle forze dell'ordine (
AB206
,
AB205
,
AW109
,
AB412
e
AB212
) inoltre utilizza, come elicottero da combattimento, il
AgustaWestland AW129
ideato e prodotto completamente in Italia, anche se ricorda per fisionomia l'Apache statunitense, e come elicotteri da trasporto l'esercito ha in dotazione due modelli il
Boeing CH-47 Chinook
che puo trasportare mezzi o militari e il
NHIndustries NH90
che e impiegato per il trasporto di persone.
Vari competitori europei del settore difesa-aerospazio, fra i quali l'italiana
Leonardo
, producono e commercializzano velivoli aeronautici detti
dual purpose
(elicotteri duali) perche impiegati:
Dal punto di vista sia tecnico che economico risulta
fattibile
(
cost-effective
) la conversione operativa da un impiego militare ad uno civile e viceversa, con costi minimi rispetto ai benefici attesi. Tali benefici per un investimento pubblico in genere sono stimati con una piu puntuale e accurata
analisi costi-efficacia
.
Questi velivoli aeronautici sono progettati e dimensionati specificamente per un duplice scopo e con la flessibilita necessaria nell'eventualita di una diversa tipologia di impiego. Gli "adeguamenti" tecnici non dovrebbero prevedibilmente comportare modifiche strutturali e geometriche per le parti
piu complesse
e costose, quanto l'installazione di parti d'arma, dotazioni elettroniche di rilevamento e simili.
Nelle
contabilita del bilancio pubblico
i singoli capitoli di spesa (nel previsionale, e consultivo) hanno la propria copertura finanziaria (mediante corrispondenti entrate fiscali, stanziamenti o trasferimenti fra organi della pubblica amministrazione). L'acquisto di un bene dato in proprieta e impiegato da un
corpo non militare
non e a carico del bilancio del
Ministero della difesa
.
[31]
Un'eventuale conversione da scopi civili all'impiego per finalita militari finisce per sottostimare l'effettiva
spesa militare
e i relativi vincoli di bilancio, ovvero per permettere investimenti di acquisto che, senza il contributo di altri Ministeri, non sarebbero possibili per mancanza di copertura finanziaria.
I rumori troppo forti possono causare danni irreparabili all'
apparato uditivo
o alterazioni psicofisiche. Il suono viene misurato in
decibel
, con il
fonometro
. La soglia minima di udibilita e 20 decibel (rumore di una
foglia
che cade). Un suono superiore a 80 decibel viene considerato molesto o fastidioso.
Al pari degli aerei, gli elicotteri generano un forte rumore. Molti studi sono stati fatti e vengono svolti per la riduzione del rumore e buoni risultati si sono ottenuti agendo sulle configurazioni dei rotori di coda. Il
NOTAR
, il
Fenestron
e le pale dei rotori di coda degli elicotteri moderni sono disegnate tenendo in gran conto la riduzione del rumore e delle vibrazioni, ricevendo una grossa spinta e finanziamenti dal mondo militare per il quale la furtivita e un requisito molto importante.
[32]
L'intensita sonora percepita a terra e proporzionale alla velocita relativa dell'elica/rotore/ciclomotore e il flusso libero del fluido circostante
[33]
, il coefficiente di propulsione (
thrust coefficient
[34]
) e dall'angolo di attacco fra l'ala e l'aria che, unitamente al profilo geometrico, determinano il valore del coefficiente di
portanza
. L'intensita sonora lungo la superficie ideale di una sfera circoscritta al rotore puo essere parametrizzata in funzione di queste grandezze al fine di controllare e mitigare il flusso sonoro prodotto.
[35]
Gli elicotteri hanno un vasto impiego nella produzione cinematografica e televisiva. I moderni sistemi girostabilizzati, consentono l'utilizzo degli elicotteri come piattaforme stabili e versatili per girare riprese aeree di grande impatto
[36]
, sia nei film che nelle pubblicita.
[37]
Esistono societa specializzate ed autorizzate all'utilizzo di elicotteri per riprese cinematografiche.
[38]
[39]
In molti casi, particolarmente nei film di guerra o di azione, l'elicottero e presente nelle scene, contribuendo con alta spettacolarita.
[40]
Di seguito alcuni esempi:
[41]
- Bell 47 Sioux
- Il primo elicottero certificato per uso civile, protagonista di
Avventure in elicottero
(
Whirlybirds
), una serie televisiva statunitense in 111 episodi andati in onda dal 1957 al 1960 negli Stati Uniti e negli anni sessanta in Italia sulla RAI. Negli Stati Uniti la serie e conosciuta anche con il nome di
Copter Patrol
. E stato inoltre protagonista del film e della serie TV
M*A*S*H
(
1970
) nella versione
eliambulanza
, e nei film di
James Bond
(interpretato da
Sean Connery
)
A 007, dalla Russia con amore (film)
(
1963
), in cui dopo essere sceso dal treno viene attaccato da un elicottero della Spectre che viene poi abbattuto da Bond, e
Agente 007 - Si vive solo due volte
(
1967
) in cui vola su un
autogiro
alla ricerca di una base della Spectre e viene attaccato da una squadriglia di questi elicotteri.
- Bell UH-1 Iroquois
, soprannominato Huey dagli equipaggi - Impiegato largamente durante la
guerra del Vietnam
, e presente in tutte le principali pellicole ambientate nel conflitto. Celebre e la sequenza dell'attacco al villaggio sulla musica della
cavalcata delle valchirie
in
Apocalypse Now
(
1979
). Si ricordano anche le sequenze drammatiche per l'evacuazione di feriti in
Platoon
(
1986
) e
We Were Soldiers - Fino all'ultimo uomo
(
2002
). Oltre ai film sul Vietnam, l'elicottero e stato largamente impiegato nel cinema di Hollywood fino a tempi recenti. In
Matrix
(
1999
) viene utilizzato per salvare il protagonista dopo un corso di pilotaggio di pochi secondi ricevuto via computer dalla coprotagonista impersonata da
Carrie-Anne Moss
. In
Behind Enemy Lines - Dietro le linee nemiche
(
2001
) il team di salvataggio del pilota abbattuto utilizza dei
Bell UH-1N Twin Huey
in versione armata di razzi e minigun.
- Hughes OH-6 Cayuse
detto anche Loach - Elicottero da osservazione coprotagonista della sequenza della cavalcata delle valchirie con lo Huey in
Apocalypse Now
.
- Sikorsky UH-60 Black Hawk
- Al centro della
battaglia di Mogadiscio
del
1993
in
Somalia
, ricostruita nel film
Black Hawk Down - Black Hawk abbattuto
, diretto da
Ridley Scott
nel
2001
. La versione
HH-60J Jayhawk
della
United States Coast Guard
e protagonista delle riprese di
ricerca e salvataggio
in
La tempesta perfetta
(
2000
) e
The Guardian - Salvataggio in mare
(
2006
); invece, nel film
Caccia a Ottobre Rosso
un Seahawk della marina statunitense decolla per silurare il sommergibile russo.
- Apache
- Protagonista del film
Apache pioggia di fuoco
, titolo originale
Fire Birds
del
1990
, incentrato sull'addestramento di un pilota da combattimento (
Nicolas Cage
) nella guerra a narcotrafficanti che utilizzavano un elicottero da combattimento di finzione chiamato Scorpion, in realta derivato dall'OH-6 Cayuse. Nel film
L'incredibile Hulk
, Hulk viene attaccato da un Apache che abbatte lanciandogli un rottame di ferro. In
G.I. Joe: la nascita di Cobra
2 Apache fanno da scorta al convoglio che i Cobra intercettano, e vengono abbattuti dalle armi futuristiche della
gunship
(cannoniera) di Cobra
- OH-58D Kiowa
- Versione militare del Bell 206 JetRanger, utilizzato come elicottero da osservazione e coprotagonista con l'Apache nel film
Apache pioggia di fuoco
. Utilizzato anche estesamente nel ruolo di elicottero della polizia in molti telefilm girati in USA.
- MD-520N NOTAR
- Compare nel film
Mission: Impossible
(
1996
) in un inseguimento a un treno
TGV
che si conclude all'interno dell'
Eurotunnel
.
- MH 53 Pave Low
- E l'elicottero in cui si trasforma il
Decepticon
Blackout nel film
Transformers
di
Michael Bay
del
2007
. In
Transformers - La vendetta del caduto
appare un modello simile di colore leggermente diverso, tratto dal giocattolo Grindor, un
redeco
di Blackout. In
L'incredibile Hulk
, il generale Ross si reca con la sua squadra a New York a bordo di un MH-53, che poi si intromettera nello scontro tra Hulk e Abominio e verra abbattuto.
- RAH-66 Comanche
- 4 Comanche attaccano Hulk nel
film del 2003
; Hulk ne abbatte uno rilanciandogli addosso un missile Hellfire, e salta addosso ad un altro facendolo schiantare per il peso e lo spostamento del baricentro; i due rimasti lo inseguono e tentano di seppellirlo tra le montagne colpendo le rocce con i missili.
- Aerospatiale SA 341 Gazelle
- due esemplari di questo modello furono modificati (la cabina era simile a quella di un
Apache
o un
Cobra
) per il film
Tuono blu
e per la
serie tv omonima
.
- Nel film di
Frank Capra
Accadde una notte
(1934) il promesso sposo di
Claudette Colbert
atterra per le nozze nel prato della villa utilizzando un prototipo di elicottero (
autogiro
nella versione italiana).
A partire dai primi videogiochi di guerra arcade degli anni 80, gli elicotteri sono comparsi spesso nei videogames, raramente come protagonisti; il primo e forse
Microsoft Flight Simulator
, (1982), che pero includera la possibilita di pilotare elicotteri solo negli anni 90 (con la versione '98). Tra i piu famosi c'e la serie
Comanche
,
Extreme Assault
,
Desert Storm
(basata sul controllo in un Apache) e
Desert Storm 2.
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