L`ELICOTTERO - Aracne editrice

A09
129
Dott. Ing. Giovanni Di Giorgio
Teoria del volo
dell’elicottero
Aerodinamica – Meccanica del volo
Seconda edizione
Copyright © MMIX
ARACNE editrice S.r.l.
www.aracneeditrice.it
[email protected]
via Raffaele Garofalo, 133 A/B
00173 Roma
(06) 93781065
ISBN
978–88–548–2573–4
I diritti di traduzione, di memorizzazione elettronica,
di riproduzione e di adattamento anche parziale,
con qualsiasi mezzo, sono riservati per tutti i Paesi.
Non sono assolutamente consentite le fotocopie
senza il permesso scritto dell’Editore.
I edizione: novembre 2007
II edizione: giugno 2009
7
Indice
Prefazione alla seconda edizione
13
Prefazione alla prima edizione
15
Unità di misura
17
Elenco dei simboli
19
Sigle ed abbreviazioni
25
Capitolo 1 Configurazioni degli elicotteri
1.1 L’elicottero ed il volo verticale
1.2 Le configurazioni degli elicotteri
1.2.1 Sistemi non convenzionali di generazione della
spinta anticoppia
1.3 Il rotore ed i comandi di volo
1.3.1 Le tipologie costruttive fondamentali del rotore
principale e del rotore di coda anticoppia
1.3.2 I comandi ed il meccanismo del piatto oscillante
Aerodinamica del rotore nel volo in traslazione
assiale ed a punto fisso (hover)
2.1 Introduzione
2.2 Teoria impulsiva
2.2.1 Volo verticale in salita
2.2.2 Volo a punto fisso (hover)
2.2.3 Volo verticale in discesa
2.2.3 Curve della velocità indotta in volo verticale
2.3 Teoria dell’elemento di pala
2.3.1 La trazione generata dal rotore, la coppia e la
potenza richieste
2.3.2 Svergolamento lineare della pala rotore
2.3.3 Velocità indotta non uniforme
2.3.4 Perdite di radice e perdite all’estremità di pala
2.3.5 Figura di Merito
27
28
32
33
33
37
Capitolo 2
43
43
44
48
49
51
52
55
59
61
63
64
8
2.3.6
Procedura di calcolo dei parametri aerodinamici,
dei carichi sulla pala e della potenza richiesta
2.4 L’effetto suolo
2.5 Introduzione alla Teoria vorticosa
2.5.1 Richiami di dinamica dei fluidi ideali
2.5.2 Relazioni fondamentali applicate al rotore
2.5.2.1 Applicazione del Teorema di Kutta-Joukowsky
2.5.2.2 Velocità indotte dai vortici, la Legge di
Biot-Savart
2.5.3 Modellazione del rotore in hover e problematiche
di calcolo
2.5.4 Fenomeni di interazione dovuti ai vortici
d’estremità
2.5.5 Scia fissata a priori, il modello di Landgrebe in
hover
Capitolo 3
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
3.6
3.7
3.8
Capitolo 4
4.1
4.2
4.3
Dinamica del rotore
Introduzione
Assi e piani fondamentali
Il moto di flappeggio della pala
Eccentricità della cerniera di flappeggio e momenti di
controllo
Il rotore in volo avanzato: il moto di flappeggio delle
pale ed il principio della precessione giroscopica
Moto di brandeggio della pala
Variazione ciclica del passo
Accoppiamenti tra i moti fondamentali della pala
Aerodinamica del rotore in volo avanzato
Introduzione
Teoria impulsiva
Teoria dell’elemento di pala
4.3.1 Calcolo delle componenti della velocità del
flusso sulla pala rotore
4.3.1.1 Regione di flusso inverso
4.3.2 Angolo di incidenza locale
4.3.3 Le sollecitazioni aerodinamiche sul rotore,
equazioni in forma chiusa
4.3.3.1 Calcolo della trazione
4.3.3.2 Calcolo della resistenza H
4.3.3.3 Calcolo della coppia
4.4 Coefficienti di flappeggio
4.5 Piano di non flappeggio e piano del mozzo
66
71
72
74
78
79
80
82
84
85
89
89
92
95
100
102
103
105
109
110
113
113
118
119
121
124
128
132
134
137
9
4.5.1
4.6
4.7
4.8
4.9
4.10
4.11
Capitolo 5
5.1
5.2
5.3
5.4
5.5
5.6
5.7
5.8
5.9
Capitolo 6
6.1
6.2
6.3
6.4
Grandezze aerodinamiche riferite al piano di non
flappeggio
4.5.2 Grandezze aerodinamiche riferite al piano del
mozzo
Equilibrio dell’elicottero ed aerodinamica del rotore
Correzione dei risultati della Teoria dell’elemento di pala
Limiti della Teoria dell’elemento di pala
Fenomeni di stallo e compressibilità
4.9.1 Terminale di pala a freccia e numero di Mach
locale
Cenni sui modelli di scia del rotore in volo avanzato
Aerodinamica computazionale e metodologie avanzate
ad approccio multidisciplinare
L’equilibrio dell’elicottero
Introduzione
Sistemi di riferimento
Equazioni generali del moto dell’elicottero
Condizioni di equilibrio (‘trim’) dell’elicottero
5.4.1 Trattazione generale dell’equilibrio (‘trim’)
Momento di reazione del sistema rotore-fusoliera
Trattazione semplificata dell’equilibrio (trim)
5.6.1 Equazioni di equilibrio in volo avanzato
5.6.2 Espressione della Potenza in volo avanzato
orizzontale
Stima rapida delle condizioni di equilibrio longitudinale
Soluzione generale dell’equilibrio (‘trim’)
L’autorotazione
5.9.1 Autorotazione del rotore e manovra di
autorotazione dell’elicottero
5.9.1.1 Condizione aerodinamica in autorotazione
5.9.1.2 Fase finale della manovra di autorotazione ed
atterraggio
5.9.2 Limitazioni all’autorotazione e Diagramma
Quota-Velocità
5.9.3 Osservazioni conclusive
137
139
141
145
147
147
152
153
156
159
160
162
167
167
169
171
171
177
179
183
193
193
194
195
197
198
Prestazioni dell’elicottero
Introduzione
La potenza richiesta totale
Atmosfera standard
Il motore e la potenza disponibile
199
199
200
203
10
6.4.1
6.4.2
Il regime operativo del rotore principale
Configurazione costruttiva del motore turboalbero a turbina libera (free shaft turbine engine)
6.4.3 Il sistema rotore/trasmissione/motore
6.4.4 Prestazioni del motore installato: le potenze
disponibili
6.5 Prestazioni in hover
6.5.1 Le potenze richieste PRP e Prc nel volo a punto
fisso (hover)
6.5.2 Resistenza verticale dell’elicottero
6.5.3 Quota massima di hovering
6.6 Prestazioni in salita verticale
6.7 Prestazioni in volo traslato orizzontale
6.7.1 Le potenze richieste PRP e Prc
6.7.1.1 La resistenza parassita D f in volo orizzontale
6.7.2
6.7.2.1
6.7.2.2
6.7.2.3
La potenza necessaria totale in volo orizzontale
Velocità massima in volo livellato
Autonomie di volo
Correzioni della potenza richiesta per stallo
e compressibilità
6.8 Prestazioni in volo traslato in salita ed in discesa
6.8.1 La potenza necessaria PRP nel volo traslato in
salita
6.8.2 Ratei ed angoli di salita, quote di tangenza
6.8.3 La potenza necessaria PRP nel volo traslato in
discesa
6.9 Prestazioni in autorotazione
6.10 Analisi di missione
6.10.1 Peso al decollo ed in atterraggio
6.10.2 Impostazione dello studio di missione
Capitolo 7
7.1
7.2
7.3
7.4
Stabilità e controllo; introduzione alla Dinamica del
volo dell’elicottero
Introduzione
Stabilità statica e stabilità dinamica
Stabilità statica
7.3.1 Stabilità al disturbo di velocità
7.3.2 Stabilità al disturbo di ‘incidenza’
7.3.3 Stabilità direzionale (disturbo d’imbardata)
Stabilità dinamica
7.4.1 Teoria delle piccole perturbazioni
7.4.2 Introduzione delle derivate di stabilità
204
205
207
209
211
211
212
214
215
216
216
218
221
225
226
228
229
229
230
234
234
236
236
238
241
242
242
243
243
244
244
247
249
11
7.4.3
Osservazioni sul metodo di studio delle piccole
perturbazioni
7.5 Stabilità dinamica longitudinale e latero-direzionale in
hover
7.5.1 Stabilità dinamica longitudinale
7.5.1.1 Equazioni del moto, rappresentazione agli stati
7.5.2 Stabilità dinamica latero-direzionale
7.6 Stabilità dinamica longitudinale e latero-direzionale in
volo avanzato
7.6.1 Stabilità dinamica longitudinale
7.6.2 Stabilità dinamica latero-direzionale
7.7 Controllo dell’elicottero
7.7.1 Stabilità, Controllo e Qualità di volo
7.7.2 Controllo longitudinale in hover; approccio ad
un grado di libertà
7.7.3 Controllo latero-direzionale in hover; approccio
ad un grado di libertà
Manovre a traiettoria curva in un piano orizzontale
e in un piano verticale
8.1 Introduzione
8.2 Virata corretta stabilizzata
8.2.1 Cenni sulle virate
8.2.2 Momenti precessionali d’inerzia nella manovra
di virata
8.2.3 Potenza richiesta in virata corretta
8.3 Richiamata stabilizzata
251
252
252
253
258
261
261
264
265
265
266
268
Capitolo 8
Capitolo 9 Elicotteri con due rotori controrotanti coassiali o in
tandem
9.1 Introduzione
9.2 Elicotteri con due rotori controrotanti coassiali
9.2.1 Applicazione della Teoria impulsiva al volo a
punto fisso
9.2.2 Caratteristiche generali dell’elicottero
9.2.3 Equilibrio dell’elicottero intorno all’asse
velivolo Z
9.3 Elicotteri con due rotori controrotanti in tandem
9.3.1 Descrizione generale e definizioni
9.3.2 Applicazione della Teoria impulsiva e della
Teoria dell’elemento di pala al volo a punto fisso
9.3.3 Applicazione della Teoria impulsiva al volo in
avanzamento livellato
269
269
272
272
272
273
275
275
275
278
281
282
282
284
287
12
Dati sperimentali
Condizione di equilibrio longitudinale
dell’elicottero
9.3.6 Osservazioni sulla Stabilità
9.3.6.1 Stabilità al disturbo di velocità
9.3.6.2 Stabilità dinamica a comandi bloccati in hover
289
289
Definizioni dei coefficienti adimensionali del rotore
Atmosfera ISA
Richiami sulla trasformata di Laplace
295
296
297
9.3.4
9.3.5
Appendice A
Appendice B
Appendice C
Indice delle figure
Indice delle tabelle
Bibliografia
Indice analitico
292
292
293
299
304
305
309
Capitolo 1
Configurazioni degli elicotteri
1.1
L’elicottero ed il volo verticale
Differentemente dagli aeromobili ad ala fissa, per l’elicottero (aeromobile ad
ala rotante) le forze di sostentamento, di propulsione e di controllo sono
generate dal rotore, costituito dalle pale collegate ad un mozzo centrale e
mantenuto in rotazione da uno o più motori mediante uno specifico sistema
di trasmissione.
Il moto relativo tra l’aria e le pale (di opportuna forma in pianta,
svergolamento e profilo aerodinamico) necessario per generare portanza è
dovuto alla rotazione di queste ultime; in virtù di tale proprietà l’elicottero
può sostenere condizioni di volo traslato con velocità molto basse, fino alla
condizione di volo a punto fisso rispetto al suolo (definita con il termine
‘hover’, ed eseguibile per intervalli di tempo significativi), con la possibilità
di effettuare il volo in salita ed in discesa verticale, inclusi il decollo e
l’atterraggio verticale.
Il moto di avanzamento dell’elicottero si ottiene mediante l’inclinazione
dell’asse di applicazione della trazione prodotta dal rotore in conseguenza
dell’inclinazione del disco rotore (disco descritto dalle estremità delle pale in
rotazione, con la trazione perpendicolare al disco), imposta tramite sistemi e
meccanismi di comando intrinsecamente complessi e vitali per la sicurezza
del volo.
In tal modo si ottiene una componente della trazione nella direzione di
traslazione, la forza propulsiva, che equilibra la resistenza aerodinamica
all’avanzamento e consente la traslazione dell’elicottero.
28
Capitolo 1
Essendo possibile inclinare il disco rotore in ogni direzione, può essere
effettuato il volo traslato in avanti, laterale ed all’indietro.
Nell’ambito dei velivoli a decollo ed atterraggio verticale (VTOL), per gli
elicotteri il carico sul disco rotore assume valori tipicamente compresi tra
100 e 600 N/m2.
Le caratteristiche descritte conferiscono all’elicottero la capacità di eseguire
particolari e specifiche missioni.
Si ritiene opportuno, pertanto, dedicare il primo capitolo del testo alla
descrizione schematica delle configurazioni costruttive tipiche degli
elicotteri, dei rotori che essi impiegano e dei relativi comandi di volo; le
proprietà e le caratteristiche presentate saranno poi tradotte in termini
analitici.
1.2
Le configurazioni degli elicotteri
La rotazione imposta all’assieme rotore tramite un albero collegato (mediante
un sistema di trasmissione) al motore installato in fusoliera comporta la
presenza di una coppia di reazione che pone fusoliera e rotore in moto di
reciproca ed opposta rotazione (allo sviluppo della coppia di reazione ed allo
studio analitico dell’equilibrio dell’elicottero è dedicato il Capitolo 5).
Il disegno della configurazione costruttiva di un elicottero è ovviamente
condizionato dall’azione di contrasto nei confronti di tale fenomeno;
adottando una classificazione degli elicotteri secondo il tipo, il numero e la
disposizione dei rotori, le configurazioni fondamentali risultano essere le
seguenti:
·
·
·
·
con singolo rotore principale e con rotore di coda anticoppia;
con due rotori controrotanti in tandem;
con due rotori controrotanti coassiali;
con due rotori controrotanti ‘side by side’.
Nel primo caso, la coppia di reazione rotore/fusoliera è contrastata dal rotore
anticoppia di coda, mentre nei rimanenti casi è cancellata dalla mutua azione
dei due rotori controrotanti.
Elicottero con singolo rotore principale e con rotore di coda anticoppia
E’ questa la configurazione di maggiore applicazione (fig. 1-1), detta anche
configurazione convenzionale; si caratterizza per il singolo rotore principale
Configurazioni degli elicotteri
29
posto sulla parte superiore della fusoliera, al quale è demandato il
sostentamento, la spinta (che consente il moto traslato), il controllo
longitudinale, laterale e verticale dell’elicottero; in particolare il controllo
longitudinale e laterale si ottengono, rispettivamente, facendo inclinare il
disco rotore in avanti (o indietro) e lateralmente, in entrambi i casi azionando
il comando ciclico (rif. par. 1.3.2).
Il controllo verticale si ottiene, invece, facendo variare la trazione prodotta
(mediante variazione del passo collettivo, rif. par. 1.3.2).
Sulla parte di coda dell’aeromobile è installato un rotore anticoppia di
diametro minore, con moto collegato a quello del rotore principale, il quale
garantisce una spinta in direzione laterale; quest’ultima, mediante un braccio
opportuno, consente di equilibrare la coppia di reazione del rotore
principale/fusoliera ed, inoltre, consente il controllo direzionale
dell’elicottero.
Elicottero con due rotori controrotanti in tandem
Di particolare interesse è certamente la scelta di impiegare due rotori uguali
in tandem controrotanti (fig. 1-2), risultata negli ultimi decenni adeguata per
il trasporto di carichi elevati e di diversa tipologia, sia nel campo strettamente
militare che nelle missioni di protezione civile: la fusoliera può contenere
un’ampia area cargo per il trasporto di truppe, di mezzi militari, attrezzature
ed equipaggiamenti, oltre a consentire operazioni di trasporto di elevati
carichi esterni al gancio.
La soluzione tipicamente applicata prevede due rotori in tandem tripala
completamente articolati.
Il controllo longitudinale dell’elicottero viene effettuato facendo variare in
modo differente la trazione prodotta dai due rotori (mediante variazioni
differenti del passo collettivo dei due rotori, rif. par. 1.3.2); il controllo
laterale si ottiene facendo inclinare lateralmente e nello stesso verso entrambi
i rotori (mediante variazione uniforme del passo ciclico laterale, rif. par.
1.3.2).
Il controllo direzionale si effettua facendo inclinare i due rotori lateralmente
ed in verso opposto; infine, il controllo verticale si ottiene mediante
variazione uniforme della trazione prodotta da entrambi i rotori (variazione
uniforme del passo collettivo dei due rotori).
Elicottero con due rotori controrotanti coassiali
In fig. 1-3 sono rappresentate le tre viste di un elicottero a due rotori uguali
coassiali controrotanti. Tale scelta costruttiva ha trovato applicazione nei
paesi dell’Europa orientale, ed anche se non ha avuto ampia diffusione, resta
sicuramente originale.
30
Capitolo 1
Fig. 1-1 Elicottero con singolo rotore principale e rotore di coda anticoppia
(rif. AgustaWestland EH-101)
Fig. 1-2 Elicottero con due rotori in tandem controrotanti
(rif. Boeing CH-47D ‘Chinook’)
Fig. 1-3 Elicottero con due rotori coassiali controrotanti (rif. Kamov Ka50)
Configurazioni degli elicotteri
31
Si caratterizza per i rotori di raggio contenuto, con favorevole impiego nei
casi di operazioni da unità navali (per le quali le dimensioni geometriche
costituiscono un requisito di vincolo importante).
Anche in questo caso, i modelli reali che impiegano tale configurazione sono
dotati di due rotori tripala completamente articolati e coassiali.
Il controllo longitudinale dell’elicottero viene effettuato facendo inclinare in
avanti (oppure indietro) entrambi i rotori; il controllo laterale si ottiene
facendo inclinare lateralmente e nello stesso verso entrambi i rotori
(mediante variazione uniforme del passo ciclico laterale). Il controllo
direzionale si ottiene facendo variare la coppia dei rotori in maniera
differente ed il controllo verticale si effettua mediante variazione della
trazione prodotta da entrambi i rotori.
Elicottero con due rotori controrotanti affiancati (‘side by side’)
Quest’ultima configurazione ha trovato pochissime applicazioni pratiche
(alcuni elicotteri pesanti di progettazione russa) e si caratterizza per la
disposizione dei due rotori lungo la direzione trasversale rispetto alla
fusoliera, installati alle estremità di due semiali o strutture reticolari, al di
sopra dei relativi motori.
Il controllo dell’elicottero si ottiene in modalità simili al caso della
configurazione a due rotori contro-rotanti in tandem, con le differenze
introdotte dalla nuova disposizione dei rotori. Si precisa che in
configurazione ‘side by side’ non sono state previste zone di intersezione per
i due dischi rotorici.
Se tale configurazione non si è imposta per gli elicotteri, è comunque stata
scelta quale soluzione costruttiva di posizionamento dei rotori del
convertiplano, aeromobile in grado di volare sia in modalità elicottero sia in
modalità aeroplano, mediante opportuna rotazione dell’asse dei rotori
(configurazione ‘tilt rotor’, fig. 1-4) o mediante rotazione dell’ala, alla cui
estremità sono solidalmente installati i due rotori (configurazione ‘tilt wing’).
Negli ultimi decenni il convertiplano ha destato elevato interesse per il
particolare profilo di volo proposto, delineato dalle caratteristiche di forza
dell’elicottero (possibilità di eseguire il volo verticale ed il volo a punto
fisso) e dell’aeroplano (possibilità di volare a velocità dell’ordine dei 500
km/h, superando, pertanto, le limitazioni di velocità di avanzamento
dell’elicottero, rif. Cap. 4).
Si registrano numerosi modelli sperimentali e da alcuni anni è in produzione
una versione militare statunitense (Bell Boeing V22 ‘Osprey’);
prossimamente è prevista l’entrata in servizio di una versione per impieghi
governativi e commerciali, il convertiplano (tilt rotor) Bell Agusta BA609,
che comporterà senza dubbio nuove modalità di impiego operativo, con
l’abbattimento di importanti limiti di offerta dell’attuale trasporto aereo.
Capitolo 1
32
Fig. 1-4
1.2.1
Convertiplano (configurazione ‘tilt rotor’, rif. BellAgusta BA609)
Sistemi non convenzionali di generazione della spinta anticoppia
Per l’elicottero a singolo rotore principale, il controllo dell’equilibrio alla
rotazione intorno all’asse d’imbardata viene conseguito anche mediante
sistemi anticoppia sofisticati del tipo a getti d’aria, in grado di sviluppare una
spinta laterale (e che pertanto sostituiscono il rotore di coda); tale tipologia
costruttiva è indicata spesso con il termine NOTAR (no-tail-rotor) ed
attualmente non è molto diffusa (un esempio di applicazione è costituito
dall’elicottero MD 500, del costruttore McDonnel Douglas).
Tra gli elementi di interesse nei suoi confronti si citano la riduzione della
complessità meccanica del sistema di trasmissione del moto (fattore non
trascurabile), la riduzione del rumore prodotto (non essendo presenti i tipici
fenomeni di interferenza tra due rotori) e l’aumento di sicurezza d’impiego al
suolo dovuta all’assenza di un corpo rotante in coda al velivolo.
Si cita, inoltre, il sistema anticoppia a rotore di coda ‘fenestron’, costituito da
un rotore alloggiato all’interno della carena della trave di coda. Le interazioni
di scia ridotte assicurano un livello di rumore contenuto; inoltre, anche per
tale scelta costruttiva si ottiene un elevato grado di sicurezza nelle operazioni
al suolo.
In ogni caso, in questo testo la configurazione dell’elicottero presa
principalmente a riferimento per l’esposizione degli argomenti è del tipo a
Configurazioni degli elicotteri
33
singolo rotore principale con rotore anticoppia di coda (fig. 1-1), in quanto di
maggiore applicazione.
1.3
Il rotore ed i comandi di volo
1.3.1 Le tipologie costruttive fondamentali del rotore principale e
del rotore di coda anticoppia
L’assieme rotore principale è costituito da due o più pale uguali collegate ad
un mozzo centrale; quest’ultimo, mediante un innesto dentato, è calettato
sulla brocciatura superiore dell’albero rotore (mast), il quale è mantenuto in
rotazione dal motore tramite un apposito sistema di trasmissione.
I rotori sono fondamentalmente classificati in funzione della tipologia di
collegamento tra le pale ed il mozzo; il tipo di cerniera influisce in modo
determinante sulle qualità di volo (come sarà evidenziato nel prosieguo),
sugli aspetti aeroelastici e di vibrazione, ed ogni soluzione costruttiva si
caratterizza per proprietà favorevoli e per altre meno favorevoli.
Le scelte del progettista, in generale, sono dettate dall’impiego dell’elicottero
e dagli aspetti legati ai costi.
Si premette che la pala rotore è dotata di tre movimenti fondamentali, i quali,
con riferimento alla configurazione del mozzo completamente articolato a
cerniere meccaniche (riportata in fig. 1-6), sono così definiti:
a) un movimento di rotazione intorno ad un proprio e
particolare asse longitudinale (asse di variazione passo),
definito moto di variazione del passo, che consente di
controllare l’angolo d’attacco della pala;
b) un movimento intorno ad un asse giacente nel piano del
mozzo e perpendicolare alla direzione radiale della pala
stessa, definito di moto di flappeggio;
c) un movimento nel piano di rotazione, definito moto di
anticipo/ritardo o di brandeggio.
Per gli aspetti di base, si premette che il moto di variazione
(aumento/diminuzione) del passo della pala consente di controllare le forze
aerodinamiche sul rotore e pertanto di aumentare/diminuire la trazione
prodotta (perpendicolare al piano del disco). Il moto di flappeggio consente
di contrastare l’asimmetria di portanza che si avrebbe nel volo in
34
Capitolo 1
avanzamento, in virtù della diversa velocità relativa del flusso che interessa
la pala avanzante e la pala retrocedente. Il terzo moto (brandeggio), è dovuto
principalmente all’insorgere delle forze di Coriolis in conseguenza del moto
di flappeggio delle pale in rotazione.
Tali argomenti saranno ripresi e trattati nel Capitolo 3, dedicato alla dinamica
del rotore; per quanto di interesse del presente paragrafo, di seguito sono
descritte le tipologie fondamentali di rotore (nelle figure 1-5, 1-6 ed 1-7 sono
rappresentati i relativi schemi).
Per primo (fig. 1-5) si riporta il rotore di tipo ‘teetering’ o ad altalena (o
anche ‘see-saw’), caratterizzato da due pale e da un mozzetto costituenti una
struttura continua, con cerniera di flappeggio in corrispondenza dell’albero
rotore e perpendicolare a quest’ultimo.
E’ presente, inoltre, la cerniera di variazione passo per ogni pala; non è
prevista la cerniera di ritardo e pertanto tale tipo di rotore viene anche
classificato come rotore semi-rigido. I moti di rotazione nelle cerniere sono
realizzati con apposti cuscinetti.
La configurazione ‘teetering’ è semplice dal punto di vista costruttivo e
comunque richiede, per contrastare l’instabilità del rotore, l’installazione in
connessione con i comandi di una barra stabilizzatrice, avente il proprio asse
di flappeggio ortogonale all’asse di flappeggio del rotore.
Tale configurazione è stata ampiamente impiegata negli elicotteri Model 206
e 212 della Bell Helicopter Textron.
asse di variazione passo
cerniera di flappeggio
asse di flappeggio
ȍ
cerniera di variazione passo
Fig. 1-5 Schema di rotore bipala di tipo teetering o ad altalena
Configurazioni degli elicotteri
35
Il rotore completamente articolato con cerniere meccaniche si caratterizza
per la presenza, per ogni pala, delle tre cerniere per il moto di
flappeggio, di ritardo e di variazione del passo, realizzate mediante sistemi
con cuscinetti lubrificati (schema di fig. 1-6). Nelle applicazioni reali si
riscontrano varie sequenze nell’ordine delle tre cerniere, anche se
tipicamente la cerniera di flappeggio è posizionata per prima a partire dal
mozzo.
Tale rotore ha avuto ampio successo e diffusione negli ultimi anni; tra gli
aspetti che ne hanno decretato la scelta si cita il contenuto livello di carico
trasmesso al mozzo, in virtù dei gradi di libertà di movimento consentiti alle
pale; di contro, i cuscinetti sono sottoposti a condizioni severe di carico
centrifugo.
Si deve comunque considerare che sono richiesti numerosi componenti
meccanici, che rendono il montaggio complesso; di conseguenza, altrettanto
complesse (e frequenti) possono risultare le operazioni di ispezione e di
manutenzione.
cerniera di anticipo/ritardo
asse di variazione passo
cerniera di flappeggio
cerniera di variazione passo
asse di flappeggio
ȍ
asse di anticipo/ritardo
Fig. 1-6 Schema di rotore completamente articolato con cerniere meccaniche
Il rotore hingeless si differenzia dai tipi precedenti in quanto il moto di
flappeggio ed il moto di ritardo sono consentiti da elementi flessibili, mentre
il moto di variazione passo è ancora sviluppato intorno ad una cerniera con
cuscinetti meccanici.
Capitolo 1
36
In via preliminare, si osserva che il rotore di tipo hingeless, rispetto alle altre
configurazioni, presenta una migliore risposta al controllo (rif. Cap. 3).
In configurazioni recenti il collegamento tra il mozzo e le pale è costituito da
un unico componente di tipo elastomerico (uno per ogni pala, fig. 1-7),
realizzato mediante strati sovrapposti di un elastomero e di un metallo; tale
soluzione tecnica è la più avanzata.
Il componente elastomerico, indicato nella pratica tecnica anche con il nome
di cuscinetto elastomerico (elastomeric bearing), è una cerniera che consente
i tre gradi di libertà di passo, flappeggio e ritardo (fig. 1-7); con riferimento
ai tre moti consentiti, tale rotore è anche definito rotore completamente
articolato a cuscinetti elastomerici.
asse di flappeggio
asse di variazione passo
ȍ
asse di anticipo/ritardo
Fig. 1-7 Schema di rotore a cuscinetti elastomerici
Non essendo presenti le tre cerniere meccaniche che caratterizzano il rotore
articolato precedentemente definito, si elimina anche il sistema di
lubrificazione richiesto dai cuscinetti meccanici e l’assieme mozzo risulta
semplificato dal punto di vista costruttivo, essendo stato ridotto il numero di
parti componenti; in generale, possono essere semplificate anche le
operazioni di manutenzione.
In queste ultime tipologie di rotori, è inoltre presente un largo impiego di
materiali compositi per la costruzione degli elementi strutturali.
Le tipologie fondamentali descritte sono applicabili anche ai rotori di coda
anti-coppia convenzionali, con la differenza che per questi ultimi è presente
soltanto regolazione collettiva del passo (essendo privi di regolazione ciclica
del passo).
Configurazioni degli elicotteri
1.3.2
37
I comandi ed il meccanismo del piatto oscillante
Al fine di far variare l’inclinazione del disco rotore principale (ottenendo, di
conseguenza, la variazione della direzione del vettore trazione) possono
essere impiegate, in linea teorica, varie soluzioni costruttive del mozzo, dei
comandi e dell’albero rotore; in pratica, la soluzione applicata consiste in un
sistema di particolari componenti meccanici, tra i quali si deve citare, per
primo, l’assieme piatto oscillante.
Nella configurazione tipica, l’assieme piatto oscillante è costituito da due
componenti: il primo, detto piatto oscillante fisso, è non rotante, è
inclinabile in tutte le direzioni (l’inclinazione viene imposta dal pilota
mediante la barra di comando ciclico) ed è movibile verticalmente scorrendo
lungo l’albero rotore (il movimento verticale viene imposto dal pilota
mediante la barra di comando collettivo);
max collettivo in alto
collettivo
piatto oscillante rotante
piatto oscillante non rotante
in pos. media
max collettivo in basso
albero rotore
Fig. 1-8 Schema dell’assieme piatto oscillante e variazione collettiva del passo
38
Capitolo 1
il secondo, detto piatto oscillante rotante, è posizionato sul primo (mediante
un sistema di cuscinetti) dal quale riceve la stessa inclinazione e lo stesso
spostamento verticale ed è, inoltre, rotante solidalmente con il rotore dal
quale riceve il moto rotatorio mediante un collegamento meccanico con il
mozzo (il collegamento è ottenuto con il componente detto compasso rotante
o scissore; per completezza, in alcune configurazioni il piatto oscillante
rotante riceve il moto rotatorio dall’albero rotore, tramite il compasso rotante
collegato su una apposita brocciatura dell’albero).
Mediante le biellette o leve di passo (una per ogni pala del rotore), collegate
ad una estremità al piatto oscillante 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 (detto passo
collettivo) di tutte le pale (fig. 1-8, 1-9).
Il comando ciclico, imponendo l’inclinazione dell’assieme piatto oscillante,
comporta l’inclinazione del disco rotore nel verso di avanzamento voluto
(fig. 1-10, 1-11) e la variazione, di conseguenza, del passo delle pale in
funzione della posizione lungo il giro di rotazione (passo ciclico).
I due comandi, ciclico e collettivo, durante le manovre possono essere
impiegati in modo combinato e, pertanto, sono miscelati mediante un
cinematismo apposito.
In fig. 1-11 è riportato uno schema semplificato e rappresentativo dei
comandi; per semplicità di rappresentazione la vista è longitudinale; la
composizione reale è completata tipicamente da una terzo martinetto
comando passo:
i tre martinetti, collegati al piatto oscillante fisso, possono imporre, pertanto,
sia l’inclinazione longitudinale avanti/indietro che l’inclinazione laterale
destra/sinistra del piatto oscillante.
I comandi così composti e diretti all’assieme piatto oscillante fisso sono
collegati ad appositi servo-attuatori che consentono di contenere gli sforzi di
barra del pilota.
Insieme alle barre di comando ciclico e collettivo, la pedaliera completa i
comandi principali disponibili al pilota; nella configurazione dell’elicottero
a singolo rotore principale con rotore di coda anticoppia convenzionale, la
pedaliera permette il controllo del passo collettivo delle pale del rotore di
coda; un aumento/diminuzione del passo genera un aumento/diminuzione
della trazione prodotta ed è così imposto il controllo dell’elicottero intorno
all’asse di imbardata.
Configurazioni degli elicotteri
pala 2
ȍ
cerniera di variazione passo
mozzo
albero rotore
leva comando passo
della pala 1
piatto
oscillante
rotante
pala 1
Fig. 1-9 Schema del piatto oscillante, vista dall’alto
trazione T
spinta di traslazione
ciclico in basso
Fig. 1-10
ciclico in pos.
neutra
Inclinazione del disco rotore e comando ciclico
39
Capitolo 1
40
11
12
14
piano del
disco rotore
9
10
8
13
7
6
4
cabina piloti
5
3
52 15
2
1
Fig. 1-11
1
2
3
4
5
6
7
8
Schema basico dei comandi
Barra comando ciclico
Barra comando collettivo
Martinetto comando passo
Martinetto comando passo
Trasmissione
Piatto oscillante inferiore (non rotante)
Piatto oscillante superiore (rotante)
Biella comando passo della pala n.2
9
10
11
12
13
14
Biella comando passo della pala n.1
Albero rotore (‘mast’)
Leva comando passo della pala n.1
Pala n.1
Manicotto
Compasso rotante
Configurazioni degli elicotteri
41
In ultimo, i meccanismi di comando posizionati al di sopra del piatto
oscillante sono classificati come ‘comandi rotanti’, mentre i meccanismi di
comando diretti dalla cabina piloti fino al piatto oscillante non rotante sono
classificati come ‘comandi fissi’.