IMODELLI COMPUTERIZZATI danno la possibilità di simulare il comportamento

aerodinamico e aeroelastico delle ali flessibili di un F/A-18A Hornet modificato.

In questo esempio, le superfici di controllo esterne di bordo d'attacco (la parte piùanteriore dell'ala e del piano di coda, dove si ha il primo impatto con la corrente d'aria)sono deflesse di 10 gradi verso il basso mentre il velivolo vola a 10.000 piedi a Mach

0,9.1 colori mostrano variazioni di pressione superficiale; la regione trasparente

indica dove la velocità locale di flusso d'aria raggiunge Mach 1.

Forse gli aerei del futuro potranno volare come uccelli, alterando la geometria delle ali per adattarsi alle mutevoli condizioni di volo

Volare su aliflessibili

di Steven Ashley i solito gli aerei hanno lo stesso aspetto sia in volo sia a terra.

redattore di «Scientific American»

Quasi sempre le ali sporgono formando un angolo fisso con la

fusoliera, e sono abbastanza rigide da non spostarsi o torcer-

si più di tanto durante il volo: cosa certamente rassicurante

per piloti e passeggeri. Negli anni a venire, però, la situazionepotrebbe essere rivoluzionata da un concetto d'ala radicalmente

diverso, destinato ai velivoli avanzati. Le cosiddette ali «deformabili» (in grado

di cambiare forma a seconda delle necessità, dall'inglese morphing wing) saran-

no strutture sofisticate in grado di riconfigurare automaticamente la propria for-

ma e struttura superficiale per adattarle alle variazioni rilevate delle condizioni di

volo. Queste capacità imiteranno in qualche modo gli impercettibili e quasi istan-

tanei aggiustamenti che gli uccelli fanno con le ali, la coda e le penne mentre so-

no in volo. Le ali deformabili si conformeranno all'occorrenza in base al tipo di

missione e di manovra. Un aereo da combattimento telecomandato— o, come si

dice, un drone — della prossima generazione, per esempio, potrebbe volteggiare

per ore su un potenziale bersaglio con le ali estese, a bassa resistenza aerodina-

mica. Al momento di sganciare le sue bombe, le ali potrebbero piegarsi all'indie-

tro e un poco verso il basso per preparare il velivolo a un attacco fulmineo. Allo

stesso modo, gli aerei passeggeri potrebbero modificare le ali in volo per rispar-

miare carburante o per giungere più rapidamente a destinazione.

IL BORDO D'ATTACCO DELL'ALA, su questo aereosperimentale, si deflette verso il basso.

Flap di bordod'attacco

Flusso d'aria ~01.

Coppia o forzadi torsione

I p ala aeroelastica attiva di

Lquesto F/A-18A riprogettato

ha iniziato i suoi primi voli di

valutazione nel novembre 2003

presso il Dryden Flight Research

Centre della NASA. Il velivolo

sperimentale — un progetto

congiunto di NASA, USAir Force

Research Laboratory e Phantom

Works della Boeing— è progettato

per usare la deflessione di flap

d'ala esterni di bordo d'attacco

(dettaglio ingrandito) al fine di

torcere l'intera ala per un migliore controllo del rollio. Il velivolo

dimostrativo è un prototipo rielaborato di caccia McDonnell

Douglas F-18 dei primi anni ottanta. L'Hornet prototipo era noto

per le scarse prestazioni di rollio a velocità elevate, un problema

causato dall'eccessiva flessione dell'ala. Il programma di ala

aeroelastica attiva (MW) ha fatto ritornare la struttura rigida

dell'aereo al suo stato originale, più

elastico, in modo che i controlli di

svergolamento alare fossero più

efficienti. Secondo i progettisti la

nuova tecnologia potrà migliorare

notevolmente le performance del

velivolo in termini di manovrabilità.

Nel disegno è illustrato il modo

in cui un aereo può effettuare

manovre sfruttando la tecnologia

MW. Per far rollare il velivolo a

sinistra, l'ala destra subisce una

torsione in modo che il bordo d'ala

anteriore si alzi, facendo deflettere il flap esterno di bordo

d'attacco verso l'alto. Una maggiore forza di rollio si ottiene

deflettendo verso il basso per mezzo di servo-attuatori il flap di

bordo d'attacco dell'ala sinistra. Si noti che gli alettoni

convenzionali dell'aereo possono essere azionati per

aumentare l'effetto di torsione.

3

UN APPROCCIO FLESSIBILE AL VOLOAerei con questo tipo di flessibilità so-no ancora di là da venire, e coinvolgeran-no materiali e meccanismi che, semplice-mente, non sono ancora neppure abboz-zati. Un precursore di questi velivoli, però,è già in fase di sviluppo e di collaudo:sfrutta forze aerodinamiche generate daflap e superfici di controllo relativamenteconvenzionali per far sì che ali sottili eleggere si torcano in volo per offrire pre-stazioni ottimali. Per l'aeronautica, questeali flessibili sono un passo avanti, ma an-che, in un certo senso, un passo indietro.

Ritorno al futuro

Ogni ciclista principiante deve impara-re a bilanciare il mezzo per tenerlo dritto estabile, quale che sia la manovra da fare.Lo stesso valeva per i primi piloti di aerei.

Molto prima di iniziare a costruire mo-delli di alianti, Wilbur e Orville Wright,caparbi meccanici di biciclette, si reseroconto che la possibilità di controllare ilvolo dipendeva in gran parte dalla capa-cità di regolare la stabilità laterale del veli-volo nell'aria. In particolare, i due fratelliavevano bisogno di un modo per gover-nare il rollio, vale a dire la rotazione delvelivolo intorno al proprio asse longitudi-nale. Solo con il controllo del rollio si sa-rebbe potuto tenere in rotta il velivolo oeffettuare una morbida virata.

Nel 1900 Wilbur aveva osservato che«quando sono sbilanciate da mia raffica divento, le poiane riacquistano il proprioequilibrio laterale... con una torsione del-l'estremità delle ali.» Questa torsione, no-tava, altera l'angolo di attacco dell'ala ri-spetto all'aria che proviene in senso con-trario, il che fa variare la portanza. E l'al-terazione, a sua volta, ridistribuisce il bi-lancio delle forze di portanza lungo tuttal'apertura alare. Proprio come spostare ilpeso può aiutare a sostenere una biciclettavacillante, il bilanciamento attivo delleforze di portanza sulle estremità d'ala è lachiave per il controllo del rollio. All'epoca,Wilbur concepì un elegante meccanismoa cavi e pulegge che provocava la torsionedi una flessibile ala di tessuto per tutta lasua lunghezza, in modo che un'estremitàpotesse generare una portanza maggiore,e l'altra minore. Il differenziale di forzaavrebbe fatto inclinare il velivolo verso illato a portanza inferiore. Era nato il con-cetto di svergolamento alare.

Per quanto i progettisti di aerei abbianocontinuato per anni a sfruttare tecniche disvergolamento dell'ala (specialmente suiprimi monoplani come il Bleriot XI), le ve-locità di volo sempre più elevate li hannospiriti a irrobustire la struttura delle ali perresistere a sollecitazioni sempre maggiori.Strutture rigide e nervature volevano direali troppo rigide per potersi flettere di

LA TORSIONE, O «SVERGOLAMENTO», DELLE ALI agisce in modo da generare maggiore portanza su

un lato di questo aliante costruito dai fratelli Wright nel 1911, permettendo al pilota di controllare il

rollio del mezzo. Questa tecnica pionieristica di svergolamento alare continuò a essere adottata

finché le alte velocità di volo imposero l'uso di ali dalla struttura rigida.

Osservando il modo in cui gli uccelli cambiavano la forma delle loro ali in volo per

controllare la stabilità, i fratelli Wright provarono a sviluppare ali di aereo flessibili,

usando cavi e pulegge per modificare la portanza dell'ala così da controllare i

movimenti di rollio.• Con l'aumentare della velocità, negli anni successivi, i costruttori adottarono ali

rigide che potessero sopportare le sollecitazioni aerodinamiche risultanti. Queste ali

impiegavano flap ad alettone per creare la portanza differenziale richiesta per far

rollare l'aereo.

Oggi gli ingegneri aeronautici stanno studiando in che modo ali leggere

e flessibili possano subire torsioni (usando forze generate dai flap di bordo d'attacco

dell'ala) per migliorare le prestazioni dei moderni velivoli.

In futuro gli aeroplani potrebbero alterare radicalmente la forma dell'ala

a seconda delle esigenze per meglio gestire condizioni mutevoli di volo, imitando

il volo degli uccelli.

molto nel senso di torsione, così i costrut-tori installarono gli alettoni, flap situatisulla parte esterna delle ali, al loro bordodi uscita. Queste superfici di volo su cardi-ni potevano deflettere il flusso d'aria permodificare la portanza e permettere così ilcontrollo del rollio. La maggior parte deicostruttori abbandonò presto le ali flessi-bili. Solo nelle macchine volanti lente eleggere - come aeromodelli e velivoli apedali quale il Gossamer Albatross utiliz-zato per attiaversare il canale della Mani-ca nel 1979 - l'uso dello svergolamentoalare ha avuto un seguito.

Dopo i primi decenni della storia delvolo, i progettisti di aeroplani sono passa-ti dallo sfruttare la flessibilità dell'ala al-l'evitarla in ogni modo possibile, e conbuone ragioni: la grande pressione aero-dinamica prodotta dalle alte velocità puòfar sì che le ali con alettoni si torcano nelmodo sbagliato. A velocità più basse, laforza di torsione indotta dal flusso dell'a-ria riduce la possibilità, da parte del pilo-

fa, di indurre un rollio, perché la torsionedell'ala fa diminuire il flusso d'aria che glialettoni possono deflettere, spiega JamesGuffrey, un project manager della Boeingche ha diretto i programmi per sviluppareali flessibili per velivoli ad alte prestazio-ni. A velocità più elevate, un aumentodella flessione delle estremità alari puòcomportare il disastroso fenomeno notocon il nome di «inversione dei comandi»:quando il pilota aziona i comandi per ef-fettuare una vite orizzontale in un senso,l'aereo compie esattamente la manovraopposta. «Le ali flessibili possono produr-re un momento di rollio opposto e mag-giore di quello applicato dalle superfici dicontrollo», dice Guffrey.

Per queste ragioni, sui velivoli recenti leali sono in generale più robuste e rigide diquelle della prima parte del XX secolo.Come osserva Guffrey, «una lunga ala sot-tile, per sua natura, è leggera e dotata diottime caratteristiche di portanza e resi-stenza aerodinamica. La ragione per cui

non usiamo ali lunghe e sottili è data dal-la preoccupazione che la struttura internadell'ala possa subire sollecitazioni eccessi-ve. In passato, la risposta alla torsione èstata quella di eliminarla.»

done

Ma una migliore comprensione del-l'aerodinamica, oltre all'avvento dell'elet-tronica e dei materiali dell'era spaziale, haspinto a riconsiderare i vantaggi dellaflessibilità per gli aeroplani ad alte presta-zioni. Un gruppo di ricercatori del Gover-no statunitense e dell'industria aeronauti-ca ha modificato le ali di un caccia-bom-bardiere F/A-18A Hornet per renderle me-no rigide, trasformando l'Hornet nel pri-mo aeroplano convenzionale recente do-tato di ali in grado di torcersi deliberata-mente. Verso la fine dell'anno scorso ilgruppo ha iniziato a far volare il jet mo-dificato sopra i letti prosciugati dei laghidel deserto californiano di Mojave. Nei

90 LE SCIENZE 424 /dicembre 2003

www.lescienze.it 91

Durante una picchiata a velocità fulminea su un'ignara preda, un falco pellegrino piega le ali

fino a farle aderire strettamente al corpo. Quando invece si aggira in cerca di una vittima — involo livellato, cioè a quota costante — il rapace si estende in tutta la sua apertura alare: una

conformazione che gli consente di risparmiare energia. Gli ingegneri che sviluppano progetti per

gli aerei del futuro vorrebbero imitare questi tipi di trasformazioni per conseguire una migliore

prestazione di volo. Si immaginano un aereo rivoluzionario, in grado di modificare la formadell'ala convertendone la struttura per sfruttare al meglio le condizioni di volo.

I ricercatori della NASA stanno lavorando all'idea di velivoli ad ali deformabili che potrebbero

diventare realtà entro il 2030. Concepiscono una macchina che sia in grado di rispondere a

condizioni costantemente variabili usando propri sensori (un po' come fa un uccello quando usa ilsuo apparato sensoriale) per monitorare le variazioni di pressione sull'intera superficie dell'ala.

La risposta a queste misurazioni indurrà

gli attuatori interni di generazione di

movimento (che funzioneranno comei muscoli in un'ala di uccello) ad alterare

la forma dell'ala fino a una posizione

ottimale.Per il volo ad alta velocità, per esempio,

le ali si piegheranno all'indietro e

muteranno forma per ridurre la resistenza

aerodinamica e per silenziare i bang

sonici. Le prese d'aria e gli ugelli dei motoripotrebbero a loro volta cambiare forma.

Piccoli getti d'aria e superfici di controllo

simili a penne potrebbero fornire forze di controllo addizionali per compiere manovre estreme e

per una maggiore sicurezza. Per convertirsi a una configurazione da bassa velocità, le ali sidispiegherebbero, oltre a crescere in spessore, per migliorare l'efficienza. Al posto di una coda

verticale, il velivolo potrebbe impiegare sistemi a vettore di spinta. Awicinandosi all'atterraggio, le

estremità alari si dividerebbero per meglio controllare i vortici, e le ali si allungherebbero in modo

da permettere una più breve corsa di atterraggio sulla pista. Una coda potrebbe dispiegarsi peroffrire uno schermo antirumore, un aumento della portanza e un controllo addizionale.

A più breve termine, la tecnologia delle ali deformabili è lo scopo di un programma di ricerca e

sviluppo da 25 milioni di dollari che viene sponsorizzato dalla Defense Advanced ResearchProjects Agency. Uno dei principali contraenti, la NextGen Aeronautics, sta lavorando a un

concetto di aereo progettato per trasformarsi da una modalità di crociera a bassa velocità a una

configurazione veloce e viceversa (a destra).

UN AEREO AD ALI DEFORMABILI in una visione artistica.

Assetto di crociera

Configurazioneda alta velocità

IL VOLO SU ALI CONVERTIBILItest di volo che saranno condotti nei pros-simi anni, i ricercatori pensano di appu-rare i vantaggi offerti dalle ali flessibili, oaeroelastiche. Uno dei primi obiettivi, peresempio, è quello di dimostrare la capa-cità dei nuovi flap di bordo d'attacco del-1T/A-18 di generare una coppia, vale adire una forza di torsione. Gli ingegneri siaspettano che la deflessione dei flap dibordo anteriori, controllata con precisio-ne, possa torcere l'intera struttura dell'alaabbastanza da far rollare l'Hornet ad altevelocità più efficacemente di quando nonpossa fare un F/A-18 standard.

Il progetto di ala aeroelastica attiva (daActive Aeroelastic Wing, AAW) è un pro-gramma congiunto insolito che coinvolgela US Navy, lo US Air Force Research La-boratory (AFRL) della Wright-PattersonAir Force Base, il Dryden Flight ResearchCenter della NASA e la Phantom Worksdella Boeing. I 45 milioni di dollari di fi-nanziamenti provengono dall'Air VehiclesDirectorate della AFRL e dall'Office of Ae-rospace Technology della NASA, con per-sonale della Boeing e a contratto che ese-gue le modifiche all'F/A-18A messo a di-sposizione dalla US Navy.

unere

Venticinque anni fa, quando l'F/A-18fu collaudato per la prima volta, il prototi-po manifestava problemi di rollio alle al-te velocità perché le sue ali si torcevanotroppo. I piloti lamentavano perdita di ef-ficacia di controllo fino all'inversione del

anni», commenta Guffey. Gli ingegnerihanno anche aggiunto al prototipo un e-lemento detto coda di rollio, o «stabilato-re» (una combinazione di stabilizzatore edelevatore), un dispositivo impiegato damolti altri modelli di punta dell'aeronauti-ca militare per offrire un ulteriore control-lo del rollio ad alte pressioni dinamiche.

Ciò che era inaccettabile per un jet dacombattimento in prima linea negli anniottanta, comunque, è ideale per la piat-taforma aerodinamica sperimentale di og-gi.11 gruppo di studio AAW ha constatatodi poter trarre beneficio proprio da quelliche erano i difetti delle ali del primo F/A-18. La US Navy era ben disposta a offrireil proprio velivolo: le ali troppo flessibilidel prototipo erano ancora disponibili, ilche dispensava dal costo di progettarne dinuove, e la struttura del velivolo era giàcollaudata per il volo. Inoltre, i ricercatoriavevano accesso a una grande quantità didati del controllo di volo sull'F/A-18 daprogrammi precedenti. Infine, l'F/A-18Aha meccanismi di piegamento delle ali checonsentono di risparmiare spazio durantele operazioni a bordo delle portaerei, cioèha flap di bordo d'attacco separati, anzi-ché un solo grande flap. Sebbene i flap dibordo d'attacco sui segmenti interno ed e-sterno dell'ala standard dell'Hornet agi-scano all'unisono, potrebbero anche esse-re adattati per funzionare in modo indi-pendente: una caratteristica chiave per ilvolo con ali aeroelastiche attive.

L'approccio che si usa per creare unAAW si basa su un'idea concepita da Jan

nali relativamente piccoli. Impiegando l'e-nergia disponibile nel campo di flusso d'a-ria per controllare simultaneamente latorsione e la bombatura (il leggero arco)dell'ala, i membri del gruppo ritengono dipoter ottenere una prestazione migliore.Dato che ali del genere richiederebberomeno parti in movimento per il controllodi volo, potrebbero essere rese più sottili,leggere e aerodinamiche delle ali attuali,consentendo così una maggiore autono-mia di volo, carico superiore e minor con-sumo di carburante. Sorprendentemente,secondo i ricercatori, durante le fasi dimanovra del velivolo un AAW può tor-cersi meno di un'ala convenzionale.

Le stime del risparmio di peso preventi-vato sono incoraggianti. 11 nostro eserciziodi progettazione suggeriva che le ali ae-roelastiche potessero ridurre il peso di unaereo da combattimento transonico (chevola cioè in prossimità della velocità delsuono) del 7-10 per cento, e quello di uncaccia supersonico avanzato fino al 18 percento. Anche i principi dell'AAW potreb-bero permettere di eliminare del tutto lesuperfici di coda del velivolo (che induco-no resistenza aerodinamica e sono radar-riflettenti), in quanto la loro funzione puòessere espletata dalle ali.

Collaudi estremi

I primi voli dell'Hornet rimodernatohanno fatto seguito a un periodo di treanni di modifiche e collaudi a terra pressoil Dryden Flight Research Centre della

Se l'ala tene • Igr • rsi, tanto vale vederese non si possa volgere la cosa a nostro vantaggio E

controllo degli alettoni. 11 problema dipen-deva dall'inesperienza degli ingegneri coni nuovi materiali compositi leggeri usatiper sostituire i metalli nella struttura del-l'ala, ricorda David Riley, successore diGuffer alla direzione del programma AAWalla Boeing. «LT/A-18 era la prima incur-sione dell'industria aerospaziale nell'usostrutturale dei compositi polimerici e il ri-sultato fu piuttosto insoddisfacente in ter-mini di rigidità alla torsione», dice Riley.

I responsabili del programma Hornetmandarono in deposito le ali difettose delprototipo e le sostituirono con un designche incorporava centine più resistenti (glielementi strutturali che determinano ilprofilo dell'ala) e pannelli di rivestimentopiù rigidi. Purtroppo, il peso strutturaleaggiuntivo fece diminuire le prestazionidel velivolo. «In sostanza, l'aereo ha avu-to un'ala infelice per tutti gli ultimi 25

Tulinius della North American RockwellOperations, una società che si è fusa conla Boeing. «Tulinius se ne venne fuori conl'idea che, se l'ala tendeva in ogni caso atorcersi, tanto valeva vedere se non si po-tesse volgere la cosa a nostro vantaggio»,dice Peter Flick, direttore del programmaAAW dell'aeronautica. «Anziché contra-stare l'effetto di torsione, sfruttiamolo.»Dal 1984 al 1988 una squadra di ricer-catori ha messo alla prova con successoquesto concetto in galleria del vento.

11 ragionamento che sta dietro all'AAWè molto semplice: per prima cosa, un'alarigida è più pesante di una flessibile, datoche bisogna aggiungere strutture di rin-forzo per irrigidirla. Poi, un'ala comple-tamente flessibile può offrire molta piùarea superficiale per deviare il flusso d'a-ria, e creare così forza di rollio, rispetto aquanto possono fare alettoni convenzio-

NASA. I tecnici della Phantom Worksdella Boeing hanno modificato le ali del-l'F/A-18A con attuatori addizionai, unflap di bordo d'attacco diviso e rivesti-menti delle ali più sottili, il che consenteai pannelli d'ala esterni di ruotare fino acinque gradi (molto più del normale). Itecnici hanno dotato le ali di misuratoridi deformazione e di altri sensori per mo-nitorare i carichi strutturali. Poi, hannoapplicato grandi pesi alle ali per simularele sollecitazioni che le ali subirebbero du-rante il volo.

La chiave per un efficace svergolamen-to alare, dice Guffey, è assicurare che lesollecitazioni meccaniche siano osservateda vicino e annullate rapidamente. «Ab-biamo un paio di centinaia di sensori di-stribuiti su entrambe le ali e sulla fusolie-ra, e in questo modo possiamo monitora-re tutti i carichi strutturali durante il volo.

Usando le superfici di controllo - flap, a-lettoni e così via - possiamo ridistribuirequalunque carico di cui l'ala risenta pertorsione, in modo da non sovraccaricar-la». Senza alleggerimento del carico, conl'andare del tempo la fatica dei materialidanneggerebbe la struttura.

I voli preliminari di raccolta dati com-pletati all'inizio di quest'anno stanno per-mettendo di creare leggi di controllo chesfruttano l'aeroelasticità delle ali, spiegaLarry Myers, project manager AAW dellaNASA. «Uno per uno, abbiamo valutatogli effetti dell'attivazione di ciascuna su-perficie presa da sola», dice. I membri delgruppo hanno misurato le prestazioni del-l'ala e la sua risposta strutturale a diversigradi di flessione. «Sui flap di bordo d'at-tacco, per esempio, siamo andati da piùtre gradi [in su] a meno tre gradi [in giù].»Quindi, piloti esperti hanno condotto il

velivolo sperimentale attraverso una seriedi manovre da combattimento ravvicina-to, per collaudare la tecnologia.

Con un'attenta misurazione del caricoaeroelastico e degli effetti di manovrabi-lità osservati duranti i voli di collaudo, gliingegneri AAW possono ora lavorare sumodelli digitali dei fenomeni dinamici as-sociati alle ali flessibili, dice David Vor-cek, ingegnere capo AAW della NASA.Armati di questi dati, possono sviluppareleggi di controllo appropriate e controllidi volo computerizzati, ad azione rapida,che possano evitare gli effetti avversi eprodurne di favorevoli, spiega.

Nei prossimi test di volo, previsti perla primavera-estate 2004, il gruppo AAWprevede di dimostrare gli effetti aeroelasti-ci con le nuove ali, conseguendo, si spera,velocità di rollio più elevate di quelle con-sentite allT/A-18 senza impegnare la pro-

pria coda «stabilatrice». Se quei test avran-no successo, i membri del gruppo si aspet-tano di sviluppare i criteri di progettazionedi riferimento per un'intera gamma di ae-romobili della prossima generazione. DiceFlick: «Accade così che quando le velocitàaumentano fino al punto in cui le superfi-ci di bordo di uscita convenzionali [gli a-lettoni] cominciano a diventare inefficaci,le superfici di bordo d'attacco diventanoefficaci nella torsione dell'ala».

Un'altra possibilità, secondo Riley, con-siste nell'impiegare una retroazione attivaper sopprimere la vibrazione aeroelastica,una reazione ciclica alle forze aerodina-miche, potenzialmente pericolosa, che puòpeggiorare rapidamente. Egli ritiene chequalche tipo di sistema di apprendimentodigitale (come una rete neurale) possa es-sere usato per osservare l'esordio del pro-blema e quindi contrastarlo.

92 LE SCIENZE 424/dicembre 2003

www.lescienze.it 93

AL BATTERE DELLE ALI, la

loro superficie adattabile

si flette lateralmente,

riconfigurando in modo

ottimale il profilo alare.

Ornitottero(sezione frontale)

—Bordo diuscitaconfenditure

Longheronerigido

Ala (sezione laterale)

BIBLIOGRAFIA

PENDLETON E., LEE M. e WASSERMAN L.,Application of AFW Technology to the Agi-le Falcon, in «Journal of Aircraft», vol. 29,n. 3, maggio-giugno 1992.MILLER G. D., An Active Flexible Wing Multi-Disciplinary Design Optimization Method,

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BATTENDO LE ALI COME UCCELLI

L

e ali flessibili possono essere utili per

un volo ad ala battente come quello

degli uccelli (nel caso del cosiddetto

ornitottero), ma anche per il volo

convenzionale. Un gruppo di appassionati

del volo ad ala battente con base presso

l'Institute forAerospace Studies

dell'Università di Toronto, sta utilizzando

una struttura specializzata di ala

flessibile nel tentativo di dare

compimento al più antico sogno

aeronautico dell'uomo: quello di volare

realmente come un uccello.

Guidato da James DeLaurier,

professore di aeronautica, questo gruppo

malfinanziato di studenti lavora dal 1995

a perfezionare un proprio modello di

ornitottero nella speranza di farlo

sollevare da terra (si veda la fotografia e ildisegno dell'ala]. Dopo aver ricostruito

alcune strutture rimaste danneggiate in

un tentativo dello scorso anno, i membri

del gruppo sperano di fare un'altra prova

quest'anno o forse il prossimo.

Chiave della loro macchina volante è

un'ala capace di flessione pertaglio, un

concetto innovativo ideato dal

collaboratore di più lunga data di

DeLaurier nella ricerca sull'ornitottero,

Jeremy M. Harris. I due si erano incontrati

nel 1973, quando entrambi lavoravano

presso il Battelle Memorial Institute di

Columbus, nell'Ohio. Nel 1976, scrive

Harris, la coppia aveva iniziato «a

considerare i problemi interrelati della

forma del profilo aerodinamico e della

libertà di beccheggio», la capacità di un

piano a profilo aerodinamico di variare il

proprio angolo di attacco nel flusso d'aria.

In un ornitottero, afferma Harris, il

modo ideale per beccheggiare lungo le

sezioni esterne dell'ala prende la forma di

una torsione lineare che consente a

ciascuna parte dell'ala di evitare appena

lo stallo (la perdita di portanza dovuta

alla diminuzione dell'angolo di attacco al

di sotto di un punto critico] in ogni istante

durante il ciclo di battuta [su-giù).

«L'azione deve awenire in modo

dinamico: vale a dire, l'ala deve andare da

una torsione positiva a una negativa e

viceversa ogni volta che compie un ciclo

di battuta», egli spiega. Come si potesse

ottenere questo movimento complesso

con qualcosa che si avvicinasse a una

struttura di ala convenzionale, era il

grosso problema.

Nel 1979, scrive Harris, «riflettemmo

sul fatto ben noto che un tubo circolare

perde una buona parte della sua rigidità

torsionale se in esso vengono praticati

tagli longitudinali. Quando un tubo

tagliato con attenzione viene infilato su

un albero di supporto e sottoposto a

torsione, i bordi dei tagli scorrono

dolcemente l'uno di fianco all'altro con

un'azione di taglio, producendo una

deflessione in torsione che non si

potrebbe mai ottenere con un tubo non

tagliato. La sua soluzione? Far girare il

tubo cilindrico tagliato nell'intera ala in

modo che il taglio si abbia al bordo di uscita

di un piano a profilo aerodinamico «cavo»

con un rivestimento capace di spostarsi in

modo confacente.

I successivi collaudi hanno mostrato

che l'idea era valida: l'angolo di attacco del

piano a profilo aerodinamico varia come

desiderato quando l'ala si muove su e giù,

dato che la flessione pertaglio consente

alla struttura di torcersi attorno al

longherone alare rigido per mantenere la

portanza. I due ricercatori si accorsero più

tardi che una costruzione con nervature di

rinforzo e longherone avrebbe potuto

funzionare con la flessione pertaglio,

sempre che le nervature fossero separate

in parti superiori e inferiori per consentire

Io scorrimento al bordo di uscita diviso.

Un'ala capace di flessione pertaglio offre

quindi una buona approssimazione dell'ala

pennuta di un uccello.

«L'AAW è applicabile a un'ampia va-rietà di futuri concetti di velivolo aereoche sono attualmente allo studio; non so-lo al volo supersonico», nota Flick. I ricer-catori possono immaginare di impiegarele AAW su velivoli di alta quota, ricogni-tori a lungo raggio e aerei da attacco, siapilotati, sia comandati a distanza. Le tec-nologie dell'ala aeroelastica potranno an-che trovare uso sugli aerei commerciali.

La forma delle aliche verranno

Per alcuni aspetti, gli esperti vedono ilprogramma AAW come un primo passosul lungo percorso che condurrà a una ve-ra ala deformabile in grado di rilevare lecondizioni circostanti e adattare la pro-pria forma per una performance ottimalein un'ampia gamma di condizioni di vo-lo Chiaramente, i complessi flap anterioridi atterraggio e i sistemi di scanalatureper l'aumento della portanza degli aereiattuali, come pure le ali a geometria va-riabile dell'F 14 Tomcat o del Tornado,presentano una certa capacità di ricordi-gurazione in volo. Ma queste tecnologie,e anche l'AAW, non sono paragonabili a

ciò che si prevede per il futuro. I beneficidei progetti di ala oscillante, per esempio,sono stati intralciati dalla grande penaliz-zazione in termini di peso associata alleparti mobili necessarie. Un velivolo mul-tiruolo con un'ala in grado di cambiare lapropria forma richiederebbe lo sviluppodi materiali «intelligenti» per i sensori, perla generazione di movimento e, forse, pervarietà completamente nuove di mecca-nismi di controllo del volo.

Questo tipo di tecnologia è l'obiettivo diun programma di ricerca e sviluppo da 25milioni di dollari sponsorizzato dalla De-fense Advanced Research Projects Agency(DARPA). (Un lavoro della stessa natura èin corso anche alla NASA e al Centro ae-rospaziale tedesco.) Sono stati adocchiativari tipi di materiali per produrre lo sver-golamento alare dall'interno anziché pereffetto dell'aria. Tra questi si annoveranoleghe a memoria di forma, che rispondonoa variazioni di temperatura, e materialipiezoelettrici, elettroattivi e magnetostrit-tivi, che si contraggono o si espandonocon l'applicazione di campi magnetici ocorrente elettrica (si veda l'articolo Musco-li artificiali, di Steven Ashley, sul numerodi novembre).

icie alare

La scala delle modifiche geometrichepreviste dai dirigenti della DARPA com-prende un cambiamento del 200 per cen-to nel rapporto di aspetto (il quadrato del-l'apertura alare diviso per la superficiedell'ala), un cambiamento del 50 per cen-to della superficie dell'ala, un'alterazionedi cinque gradi della torsione dell'ala, eun cambiamento di 20 gradi nell'angolodi attacco dell'ala alla fusoliera. Inoltre, ilpeso finale dell'ala non dovrebbe supera-re quello di una struttura alare conven-zionale. I sistemi strutturali attivi dovran-no essere progettati, fabbricati e collauda-ti nei prossimi due anni. La DARPA si a-spetta che i sottosistemi e le componentiper i meccanismi di adattamento alare sa-ranno integrati in un velivolo prototipoverso la fine del 2004, per essere poi col-laudati nella galleria del vento.

Una delle attrattive dell'uso dei cam-biamenti di forma rispetto alle superfici dicontrollo di volo tradizionali degli aerei èdata dal fatto che flap e simili sono gran-di riflettori radar. Il bombardiere B-2 Spi-rit invisibile al radar, per esempio, usaflap divisi per il controllo, che compro-mettono le caratteristiche di invisibilitàuna volta dispiegati.

Distend e le iTre contraenti principali, la Lockheed

Martin, la Raytheon Missile Systems e laNextGen Aeronautics di Torrance, in Ca-lifornia, nonché diversi programmi di ri-cerca su base universitaria, stanno stu-diando la tecnologia dell'ala deformabi-le. La Lockheed Martin sta sviluppandoun piccolo velivolo senza equipaggio u-mano (UAV, Unmanned Aerial Vehicle)con ali in grado di ripiegarsi per missio-ni di tipo militare; il progetto della Ray-theon si focalizza su un missile da cro-ciera Tomahawk per la marina dotato diali telescopiche.

Lo sforzo di ricerca della NextGen hauno scopo più generale e utilizza un ae-reo telecomandato Firebee della North-rop Grumman come piattaforma di pro-gettazione di base. «Stiamo lavorando sutecniche che possono cambiare la super-ficie dell'ala e modificare le odierne ali abassa resistenza aerodinamica in qual-cosa che possa sostenere alte velocità dimanovra», dice Jayanth Kudva, presi-dente della NextGen. «Progettiamo dirimboccare le ali, per poi piegarle all'in-dietro riducendo al tempo stesso la su-perficie alare» (si veda l'illustrazione apagina 93).

Per quanto i ricercatori della NextGenstiano considerando diverse alternativeprogettuali per ottenere queste alterazioniin volo, Kudva dice che «questo approccio

in un certo senso organico alla distensio-ne ed espansione delle ali ha diversi bloc-chi di costruzione». Questi includono losviluppo di un rivestimento flessibile perl'ala che possa dolcemente adattarsi aicambiamenti desiderati dell'area superfi-ciale; una sottostruttura non tradizionaleche possa sostenere il carico e al tempostesso espandersi o contrarsi a secondadella necessità; un sistema distribuito diattuatori (generatori di movimento); e unappropriato sistema di controllo.

«Se avremo successo nello sviluppo diqueste componenti, sarà possibile fare ameno delle superfici di controllo conven-zionali e utilizzare i cambiamenti diffe-renziali di superficie alare per controllareil velivolo, il che compenserebbe qualun-que penalizzazione, dal punto di vista delpeso, causata dall'aggiunta di nuovi mec-canismi», egli aggiunge. Per le manovredi rollio, si potrebbe espandere legger-mente la superficie di un'ala per otteneremaggiore portanza su quel lato.

«Per quanto sia un po' di parte - con-clude Kudva - mi sento di azzardare cheun UAV ad ali deformabili potrebbe es-sere in produzione entro un decennio opoco più.» Gli aerei passeggeri con alicangianti potrebbero seguire da lì a po-co. Se ciò accadrà davvero, si potrà fi-nalmente dire che il vecchio sogno di unvolo umano a imitazione degli uccelli a-vrà avuto la sua completa realizzazionein poco più di un secolo.

Progettiamo di rimboccare le ali, per poi piegarleall'indietro, ridt Ido la

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