1

Istituto Tecnico Settore Tecnologico

“ Giulio Cesare Falco ”

nuovo indirizzo in

articolazione

opzione

a cura del prof. Luigi MASCOLO

L’Elicottero – Parte 2

SEDE CENTRALE: Via G. C. Falco - 81043 CAPUA (CE)

Distretto Scolastico n. 17 – C. S. : CETF 05000Q - C. F. :80113080610 - TEL. 0823622744 SEDE ASSOCIATA: Via Cesare Battisti 81046 GRAZZANISE ( CE)

Distretto Scolastico n° 17--- C.S. : CETF 05001R – TEL. O823991697

Appunti di Struttura, Costruzione, Sistemi e Impianti del Mezzo Aereo

Sistema di controllo e comandi di volo

Studio dell’elicottero (Parte 2) - prof. Luigi MASCOLO

L’elicottero è in grado di traslare in qualsiasi direzione inclinando nella direzione voluta il disco del rotore principale. In tal modo la componente verticale della portanza equilibra il peso, mentre quella orizzontale provvede alla trazione. L’equazioni di equilibrio in volo orizzontale uniforme si scrivono quindi :

Piatto oscillante (swash plate) L’inclinazione del disco rotore si ottiene, nella maggior parte dei casi, attraverso il meccanismo di comando, denominato piatto oscillante. Questo è un elemento costituito da due anelli vincolati in modo da rimanere sempre paralleli tra loro a distanza costante separati da un cuscinetto a sfere: la parte inferiore è fissa, mentre quella superiore ruota in modo solidale all’albero e alle pale. In particolare l’anello inferiore fisso è inclinabile in tutte le direzioni (mediante la barra di comando denominata passo ciclico) ed è movibile verticalmente scorrendo lungo l’albero rotore (mediante la barra di comando del passo collettivo).

RPsen

'PQcosP

Appunti di Struttura, Costruzione, Sistemi e Impianti del Mezzo Aereo Studio dell’elicottero (Parte 2) - prof. Luigi MASCOLO

Mediante le biellette o leve di passo (pitch links), una per ogni pala del rotore, collegate ad una estremità al piatto rotante ed all’altra estremità alla pala, si trasmettono alle pale stesse il passo ciclico ed il passo collettivo imposto dal pilota.

In particolare, il comando collettivo, imponendo lo spostamento verso l’alto o verso il basso dell’assieme piatto oscillante, produce rispettivamente un aumento o una diminuzione simultanea ed uguale del passo di tutte le pale, movimento che, come vedremo, consentirà di gestire il volo verticale.

Il comando ciclico, inclinando l’intero piatto oscillante, impone l’inclinazione del disco rotore nel verso di avanzamento voluto e la variazione, di conseguenza, del passo delle pale in funzione della posizione lungo il giro di rotazione (passo ciclico). Ciò consente di gestire il volo traslato. I due comandi, ciclico e collettivo, durante le manovre possono essere impiegati in modo combinato e, pertanto, sono miscelati mediante un cinematismo apposito.

Appunti di Struttura, Costruzione, Sistemi e Impianti del Mezzo Aereo Studio dell’elicottero (Parte 2) - prof. Luigi MASCOLO

I comandi di volo dell’elicottero

Passo ciclico Passo collettivo Pedaliera

Il controllo longitudinale e laterale dell’elicottero si ottiene agendo sulla barra situata davanti al pilota che prende il nome di passo ciclico. Agendo sul ciclico si va ad orientare il rotore in maniera tale da ottenere l’inclinazione della risultante aerodinamica necessaria per lo spostamento nella direzione e nel senso voluto. Quando il pilota va a spostare in avanti la leva, il cui rotore gira in senso antiorario, le biellette del piatto oscillante si alzeranno ed andranno ad incrementare il passo delle pale che sono a sinistra; in tal modo la portanza sarà maggiore sul semidisco posteriore e si avrà così la traslazione in avanti dell’elicottero. Spostando il ciclico indietro l’elicottero si sposterà all’indietro.

La leva situata a sinistra del seggiolino del pilota prende il nome di passo collettivo; quando avviene il sollevamento di quest’ultimo, si provoca un aumento del passo delle pale e quindi un conseguente aumento dell’incidenza dei vari profili con conseguente aumento della portanza che provoca il sollevamento del velivolo. Aumentando l’incidenza delle pale, si avrà ovviamente anche l’aumento della resistenza e quindi della coppia resistente: conseguenza di ciò sarà una diminuzione del numero di giri RPM del rotore e del motore.

Con la pedaliera il pilota gestisce il rotore di coda. In volo rettilineo orizzontale e la pedaliera in posizione neutra, ad ogni incremento di potenza (se il rotore ruota in senso antiorario) corrisponde una rotazione dell’elicottero verso destra. Viceversa, ad una riduzione di potenza una rotazione verso sinistra; per contrastare tali effetti e mantenere l’elicottero allineato, sarà necessario premere il pedale sinistro a ogni incremento di potenza, e il pedale destro ad ogni diminuzione. La pedaliera è collegata ad un meccanismo di cambio del passo delle pale del rotore di coda: quando di preme uno dei pedali, l’incidenza delle pale del rotore di coda va ad aumentare o diminuire, generando una devianza che farà ruotare la prua nella direzione desiderata.

Appunti di Struttura, Costruzione, Sistemi e Impianti del Mezzo Aereo

Volo verticale – passo collettivo

Studio dell’elicottero (Parte 2) - prof. Luigi MASCOLO

Per salire in verticale, il pilota deve provocare un aumento dell’angolo di calettamento delle pale del rotore principale. Questo avviene mediante una leva posta alla sinistra del pilota che aziona il meccanismo chiamato passo collettivo. Chiaramente l’aumento di incidenza oltre ad un aumentare il CP della pala, aumenta anche il CR , e quindi aumenta la coppia assorbita dal rotore. Per tale motivo è necessario aumentare la potenza erogata dal motore per non ridurre eccessivamente la velocità di rotazione del rotore.

Negli elicotteri a turbina il meccanismo collegato alla leva del passo collettivo aziona il regolatore di giri della turbina in modo da mantenere costante la velocità di rotazione del rotore. Negli elicotteri con motori a pistoni si deve agire sulla valvola a farfalla. Ad esempio se il pilota, salendo, vuole aumentare la potenza, dispone nell’impugnatura della leva del passo collettivo di una manopola simile all’acceleratore delle motociclette.

Appunti di Struttura, Costruzione, Sistemi e Impianti del Mezzo Aereo

Volo traslato

Studio dell’elicottero (Parte 2) - prof. Luigi MASCOLO

Variazione ciclica dell’angolo di incidenza e asimmetria di portanza che causa un effetto di rollio;

Presenza del cerchio di inversione; Stallo d’urto dell’estremità della pala avanzante e

stallo di alta incidenza per quella della pala arretrante;

Durante il volo stazionario la velocità di rotazione delle pale è proporzionale alla distanza dal centro del disco; di conseguenza l’angolo di incidenza rimane costante per tutto il giro. Nel volo traslato, le cose si complicano, perché si ha una differenza di velocità di rotazione delle pale. In tale volo, infatti, per effetto della presenza della componente v della velocità nel piano del disco, quest’ultimo risulta diviso in due parti : 0<y<180 (pala avanzante) e 180 <y <360 (pala arretrante). Gli effetti che ne derivano sono:

Variazione ciclica dell’incidenza Poiché la velocità della pala avanzante è maggiore a quella arretrante, sarà maggiore anche la portanza, di conseguenza si crea una dissimmetria di portanza che causa un effetto di rollio verso sinistra. La maggior parte dei rotori è provvista di cerniere di flappeggio, che danno la possibilità alla pala di sollevarsi, e fanno sì che la portanza si riduca nel semicerchio DAC. L’incidenza della pala avanzante si riduce progressivamente ed aumenta quella della pala arretrante. Pertanto avremo una variazione ciclica di incidenza con i valori estremi indicati al lato.

=90° → Da- max (calettamento minimo) =270° → Da max (calettamento massimo

Appunti di Struttura, Costruzione, Sistemi e Impianti del Mezzo Aereo Studio dell’elicottero (Parte 2) - prof. Luigi MASCOLO

Al contrario sull’estremità della pala retrocedente la velocità risultante è data dalla differenza WB=VP-V . Tale situazione determina, in vicinanza del mozzo, una zona di flusso invertito [la pala viene investita dalla corrente non dal bordo di attacco, ma in corrispondenza del bordo di uscita] e, se V è molto grande, una zona di stallo da basse velocità (stallo da alta incidenza) all’estremità della pala retrocedente. Pertanto la condizione aerodinamica di funzionamento della pala varia moltissimo durante il giro, andando da un Mach che può essere molto basso (addirittura nullo in certe regioni non lontane dalla radice della pala) a un Mach che può arrivare a 0.8–0.9 in corrispondenza dell’estremità, con variazioni significative dell’angolo di attacco. Per tale motivo gli elicotteri, in genere, non possono superare velocità dell’ordine di circa 300 km/h.

Cerchio di inversione e stallo delle estremità Durante il volo in transazione dell’elicottero, la velocità relativa della pala avanzante è molto elevata. Infatti sulla sua estremità la velocità risultante è data dalla somma della velocità periferica e di quella di volo (WA=VP+V ) e quindi se V è grande, si rischia facilmente di raggiungere il numero di Mach critico inferiore entrando in campo transonico con i problemi legati alla formazione di onde d’urto. Si ha lo stallo d’urto della pala (stallo ad alta velocità) con problemi di rumore e vibrazione. Infatti la pala si comporta come un’ala ad elevato allungamento, quindi, nella regione di estremità, si verifica il fenomeno del distacco di vortici (vortice a staffa) in cui si viene a trovare la pala successiva e quindi tutte le pale del rotore lavorano in un campo che è perturbato dal passaggio della pala precedente, con una forte interazione dei sistemi vorticosi da essa generati, il che produce importanti effetti a livello di vibrazione della pala stessa.

Appunti di Struttura, Costruzione, Sistemi e Impianti del Mezzo Aereo Studio dell’elicottero (Parte 2) - prof. Luigi MASCOLO

L’ Autorotazione è una manovra di emergenza fondamentale per un elicottero che consente, in caso di avaria dei motori o di carenza di carburante, di effettuare un atterraggio in condizioni di sicurezza. Il pilota, in questa manovra, deve scollegare il il rotore dall’albero motore in modo che esso possa ruotare in folle, mantenuto in rotazione dal flusso d’aria che lo investe dal basso verso l’alto. Perché ciò avvenga, la forza aerodinamica generata dal rotore deve essere rivolta in avanti per fornire, con la sua componente orizzontale, la forza capace di far ruotare il rotore. In autorotazione, le pale girano nello stesso verso di quando sono azionate dal motore, il rotore risulta inclinato all’indietro e la coppia di reazione è nulla. L’autorotazione dell’elicottero si può paragonare al volo planato dell’aeroplano, ma a differenza di quest’ultimo si può verificare sia in discesa verticale che in discesa traslata ed è indispensabile che appena il motore cessa di funzionare il pilota abbassi la leva del passo collettivo in modo da ridurre al minimo il calettamento delle pale.

Appunti di Struttura, Costruzione, Sistemi e Impianti del Mezzo Aereo Studio dell’elicottero (Parte 2) - prof. Luigi MASCOLO

Autorotazione in discesa verticale

Quando il rotore è scollegato dal motore e le pale portate al passo minimo, Il disco attuatore è suddiviso in tre zone: 1) Zona di stallo: è posta tra l’asse del rotore e il 25% del raggio della pala. In questa zona, la risultante w, tra la velocità periferica VP (molto bassa) e quella di caduta VC , investe il profilo della pala con una angolo di incidenza superiore a quello critico provocandone lo stallo. 2) Zona autorotativa: è compresa tra il 25% e il 75% del raggio della pala. In questa zona, la risultante w, tra la velocità periferica VP e quella di caduta VC , investe il profilo della pala con una angolo di incidenza tale da generare una forza aerodinamica inclinata in avanti, la cui componente orizzontale mantiene in rotazione il rotore. 3) Zona anti-rotativa: è compresa tra il 75% e il 100% del raggio della pala. In questa zona, la risultante w, tra la velocità periferica VP (molto elevata) e quella di caduta VC , investe il profilo della pala con un piccolo angolo di incidenza tale da generare una forza aerodinamica inclinata all’indietro, la cui componente orizzontale si oppone alla rotazione del rotore. Chiaramente la condizione di equilibrio si raggiunge quando le forze autorotative presenti nella zona centrale si equivalgono alle forze antirotative presenti nelle altre due zone e l’elicottero si stabilizza in discesa verticale ad una velocità di 10-12 m/s con il rotore che ruota ad un numero di giri più elevato di quello del normale volo.

Appunti di Struttura, Costruzione, Sistemi e Impianti del Mezzo Aereo Studio dell’elicottero (Parte 2) - prof. Luigi MASCOLO

Autorotazione in discesa traslata

In questo caso oltre la velocità periferica VP e quella di caduta VC , bisogna considerare anche la velocità di traslazione V e la conseguente asimmetria che si crea tra il semidisco di destra (pala avanzante) e quello di sinistra (pala arretrante). In questo caso, in aggiunta alle 3 zone di caratteristiche aerodinamiche differenti presenti nell’autorotazione in discesa verticale, si forma anche la zona del flusso invertito. Da notare che per la predetta asimmetria le zone di stallo, autorotazione e antirotazione risultano decentrate rispetto all’asse del rotore. La discesa in autorotazione traslata risulta più agevole di quella verticale in quanto la velocità verticale è minore (8-9 m/s) ed il pilota può manovrare per raggiungere una zona più idonea all’atterraggio, agendo sia sul passo ciclico che su quello collettivo.

N.B. In relazione alla velocità e alla quota di volo non sempre è possibile effettuare una discesa in

autorotazione, per tale motivo sul manuale di volo degli elicotteri si trovano dei diagrammi che indicano sia le quote “pericolose” che le velocità entro le quali è difficile, se non impossibile, effettuare l’autorotazione. Tali diagrammi sono definiti dai piloti “diagramma dell’uomo morto”.