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Capitolo 1 – Rudimenti di volo con elicottero

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Capitolo 1 – Rudimenti di volo con elicottero
Capitolo 1 – Rudimenti di volo con elicottero
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1.0 Fisica del volo
L’elicottero è un mezzo volante che non sfrutta alcuna forza naturale per il volo, ma che deve
trovare nel motore l’unico elemento generante l’energia che verrà trasformata in forza per dare
stabilità e creare la possibilità di alzarsi da terra.
Innanzitutto è fondamentale capire quali sono le forze fisiche che entrano in campo nel momento in
cui si deve fare volare un mezzo così innaturalmente aerodinamico. Le forze fisiche che devono
essere analizzate per permettere il volo sono quattro:
-
-
-
Peso: che ovviamente ha verso orizzontale
che punta al suolo
Resistenza: che è la forza provocata
dall’aria, la quale essendo un solido resiste
all’attraversamento.
Essa
ha
verso
orizzontale che si oppone all’avanzamento
dell’aeroveicolo
Portanza: che ha sempre (a differenza del
modello fisico degli aereoplani) direzione
opposta al peso
Trazione: che è la forza di direzione opposta
alla resistenza
Il peso è una forza pressoché costante, non è così per le altre tre forze. Infatti la resistenza aumenta
considerevolmente all’aumentare della velocità con la quale procede l’elicottero, mentre addirittura
portanza e trazione, essendo in realtà due componenti (la verticale e l’orizzontale) di un’ unica forza
(la forza totale) creata dall’inclinazione delle pale del rotore, hanno una andamenti che si riflettono
sull’andamento dell’altra, come andremo ad osservare con più attenzione durante la spiegazione
delle manovre aeree.
L’elicottero è un mezzo aereo che, come abbiamo detto, deve la portanza e trazione non ad ali fisse,
come quelle di un aeroplano ma ad a un'elica a due o più pale, detta rotore, imperniata su un asse
verticale fissato al baricentro attraverso l’uso di uno swashplate. Un elicottero può decollare e
atterrare verticalmente, rimanere fermo in aria (nel linguaggio tecnico si parla di hovering o di
'sostentazione a punto fisso') e muoversi in qualunque direzione.
Nelle prossime sezioni, presenteremo questi tre componenti, indicandone le caratteristiche
principali, con particolare attenzione a metterne in evidenza l’importanza che assumono per la
costruzione di un elicottero affidabile ed accurato e le teorie fisiche alla base di queste componenti.
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1.1 Componenti principali: funzioni e leggi fisiche
1.1.1 Rotore
Il rotore di un elicottero, costituito da due o più pale che si dipartono radialmente da un asse
verticale, è azionato da un motore. Un dispositivo di cambio, detto riduttore, fa ruotare le eliche a
poche centinaia di giri al minuto, vale a dire a una velocità nettamente inferiore rispetto a quella del
motore. Un'importante caratteristica del progetto di un elicottero è lo sviluppo di congegni concepiti
per contrastare il momento torcente, o coppia, che si produce quando la direzione di moto del rotore
tende a far ruotare la fusoliera nel verso opposto. La forma più comune di apparato anticoppia
consiste in una piccola elica (elica anticoppia) montata alla coda della fusoliera su un asse
orizzontale, che produce una forza uguale e contraria a quella che provocherebbe la rotazione della
macchina. L'elica anticoppia non è necessaria né negli elicotteri a due rotori, in cui questi vengono
fatti girare in verso opposto l’uno rispetto all’altro, né negli elicotteri con rotori a reazione, i quali
usano la potenza dei gas di scarico per generare l’anticoppia necessaria
Aerodinamica del rotore
La forza aerodinamica prodotta dal rotore
può essere giustificata per mezzo della teoria
per la determinazione della trazione delle
eliche intubate di Rankine-Froude.
Il rotore, infatti, completamente immerso
nell’aria, riceve una spinta perché esso imprime al fluido una spinta uguale e contraria, pari alla
variazione della quantità di moto del fluido che lo attraversa nell’unità di tempo.
I risultati della citata teoria di Rankine-Froude possono essere riassunti dalla seguente relazione:
in cui è stato indicato con:
m
- la massa d’aria che attraversa il rotore;
t
- il tempo di osservazione del fenomeno;
- la variazione di velocità subita dal fluido attraverso il disco del rotore;
- la portata massica d’aria che attraversa il disco del rotore;
s
𝜌
- l’area del disco;
- il salto di pressione dinamica subito dal flusso d’aria tra monte e valle del disco
del rotore.
- densità dell’aria
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1.1.2 Le Eliche
Parti costitutive
Un’elica è formata dalle seguenti parti essenziali:
-
Mozzo
Pale
Albero motore
Il mozzo è la parte centrale, fissata all’albero, su cui sono calettate le pale. La sua forma deve essere
ogivale per presentare la minima resistenza all’avanzamento.
Le pale sono gli elementi che creano la forza traente e sono vere e proprie ali rotanti.
L’albero motore è collegato tramite opportuno meccanismo al motore che applica ed esso la coppia
necessaria a mettere in rotazione l’intero organo.
Nomenclatura
Le eliche sono dotate di due moti diversi: rotazione e traslazione, da cui un moto risultante di tipo
elicoidale. Se manca il moto rotatorio l’elica è detta bloccata, mentre se è assente il moto di
traslazione l’elica è detta a punto fisso.
In relazione al senso di rotazione, un’elica può essere destrorsa o sinistrorsa a seconda che ruoti in
verso orario o antiorario rispettivamente.
Si definisce diametro dell’elica il diametro del cilindro circolare minimo circoscritto all’elica, il cui
asse coincide con quello di rotazione.
Si definisce disco dell’elica il cerchio di diametro pari al diametro dell’elica e giacente nel piano
normale all’asse di rotazione.
Le pale rotanti dell’elica operano nell’aria come le ali degli aerei. Mentre queste ultime sono
investite da una corrente di velocità pari a quella di volo dell’aeromobile, le pale dell’elica sono
interessate da una corrente la cui velocità è la risultante delle velocità dei moti rotatorio e
traslatorio.
Aerodinamica delle eliche
Il comportamento aerodinamico delle eliche, ossia la determinazione della forza da esse prodotta,
può essere affrontato facendo ricorso alla teoria di Rankine-Froude (o della variazione della
quantità di moto).
La teoria di Rankine-Froude è concettualmente estremamente semplice in quanto l’elica è vista nel
suo complesso, facendo astrazione sia da parametri geometrici (forma e numero di pale) che
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cinematici (numero di giri). La teoria consiste nel considerare un tubo di flusso a sezione variabile
ed asse rettilineo e parallelo alla direzione del peso, in cui le sezioni iniziale e finale sono
caratterizzate dall’avere le linee di corrente tra loro parallele. L’elica, che occupa la sezione
intermedia del tubo di flusso ed è perpendicolare alla direzione del flusso indisturbato (quindi, della
direzione della spinta erogata), è vista come un disco attuatore infinitamente sottile che imprime al
fluido energia sotto forma di salto discontinuo di pressione, la quale aumenta istantaneamente nel
passaggio da monte a valle del disco stesso. In base a tali assunzioni ed alle seguenti ipotesi:
-
-
Fluido incompressibile; la densità del fluido è ovunque costante nel tubo di flusso e pari a
quella del fluido indisturbato;
velocità dell’aria costante attraverso il disco;
pressione statica costante su tutto il disco, ma diversa se si guarda il disco da monte o da
valle; in pratica la pressione statica prima del disco è minore di quella dopo il disco;
rotazione impressa al fluido durante l’attraversamento del disco trascurabile; questa ipotesi
equivale a considerare solo le azioni sul fluido parallele all’asse, trascurando quelle
contenute nel piano di rotazione;
fluido che attraversa il disco separato da quello circostante;
energia fornita dall’elica al fluido convertita integralmente in salto di pressione statica sul
disco, senza incremento alcuno della pressione dinamica. Ciò ha come conseguenza che,
mentre la pressione statica subisce un incremento istantaneo nell’attraversamento del disco,
la velocità aumenta con regolarità lungo il tubo di flusso, senza alcuna discontinuità;
I risultati di questo modello, per quanto attiene alla sola trazione, possono essere riassunti dalle
seguenti relazioni:
Nelle equazioni precedenti il significato dei simboli è il seguente:
Qm , portata massica che attraversa il disco dell’elica;
DV, variazione di velocità tra monte e valle del disco dell’elica;
A , area della sezione del disco dell’elica;
Dp, variazione di pressione attraverso il disco dell’elica.
Eliche a passo variabile
Le eliche a passo variabile permettono di avere a disposizione per il volo una potenza che può
variare modificando la potenza all’albero e/o l’angolo di attacco. Diversamente, un’elica a passo
fisso può fornire una potenza variabile solo se si modifica la potenza al proprio asse, ossia il numero
di giri, con conseguenze negative sul rendimento del propulsore e sul consumo.
Con le eliche a passo variabile le piccole variazioni di potenza disponibile si possono ottenere
semplicemente variando il passo, entro i limiti consentiti, e mantenendo il numero di giri costante;
ciò permette di mantenere il motore sempre nelle stesse condizioni di funzionamento, quindi stesso
rendimento e consumo.
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Negli elicotteri è fondamentale, come vedremo la possibilità di variare l’angolo d’attacco, mentre la
potenza all’albero e i giri motore non vengono mai toccati.
Eliche a giri costanti
L’utilizzo delle eliche a passo variabile in volo richiede al pilota un impegno non indifferente, in
quanto la scelta del passo più idoneo alle varie condizioni di volo richiede la considerazione
contemporanea di fattori riguardanti sia il velivolo completo sia il motore. Il suo compito può essere
agevolato ricorrendo al criterio di far ruotare l’elica, quindi il motore, a giri costanti ed affidando ad
un regolatore il compito di modificare automaticamente il passo se i giri tendono a variare. Se,
infatti, il numero di giri tende ad aumentare il regolatore fa aumentare il passo che incrementando la
coppia resistente induce il motore a rallentare. Il fenomeno inverso si verifica quando il numero di
giri tende a diminuire. Quando le eliche hanno un simile comportamento il pilota dispone sempre
della stessa potenza nominale del motore (variabile solo in funzione della posizione della manetta),
evitando gli inconvenienti connessi con le eliche a passo fisso che richiederebbero un continuo
intervento sulla manetta del gas del motore.
Mutua influenza tra elica e velivolo
L’elica e il velivolo hanno nel loro funzionamento isolato un comportamento alquanto diverso da
quello che presentano quando sono accoppiati. Infatti, il campo aerodinamico prodotto dal velivolo
(andamento delle linee di corrente determinato dalla sua architettura) modifica la direzione della
corrente che investe l’elica, incidendo sulla componente utile della sua velocità perpendicolare al
piano del disco. Allo stesso modo, la posizione dell’asse della spinta prodotta dall’elica e la sua scia
determinano variazioni dei momenti aerodinamici (principalmente quello di beccheggio) e delle
azioni prodotte dalle superfici aerodinamiche. E’ indispensabile quindi, nello studio aerodinamico
sia dell’elica sia del velivolo,tenere conto della mutua influenza.
Il problema di questo approccio al volo riguarda il moto circolare del rotore, che crea una forte
coppia rotazionale in direzione opposta, che deve essere compensata affinché l'aeromobile possa
mantenere una direzione definita: al moto delle pale che girano in un senso, infatti, verrebbe ad
aggiungersi, per compensazione, un corrispondente moto del corpo dell'aeromobile in senso
inverso.
Per evitare questo moto indesiderato, nella coda
degli elicotteri, è installato un secondo piccolo
rotore detto rotore di coda, le cui pale girano sul
piano verticale, per bilanciare la rotazione
orizzontale di quelle del rotore principale. In
alcuni modelli, dotati di due rotori principali
controrotanti come gli Hokum russi od i
Chinook americani, questo accorgimento non è
necessario poiché le pale di ciascun rotore
hanno rotazioni antagoniste e non causano
quindi nessuna rotazione del corpo.
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1.1.3 Lo swashplate
Lo swashplate è un dispositivo che traduce i comandi del pilota all’elicottero comandando il
comportamento delle pale del rotore principale. Essa è utilizzata per trasmettere i comandi pilota
dalla fusoliera (fissa) al mozzo ed alle pale (rotanti).
Lo swashplate è diviso fondamentalmente in una parte fissa ed in una rotante.
La parte fissa (più esterna) dello swashplate è montata sull’albero motore principale ed è collegata a
controlli di ciclico e collettivo da una serie di pistoni (pushrods). Essa può inclinarsi in tutte le
direzioni e spostarsi verticalmente ed è dotata di un meccanismo di antirotazione che le permette di
rimanere fissa in sede.
La parte rotante (più interna) è montata utilizzando un cuscinetto che le permette di ruotare assieme
all’albero del rotore principale. I movimenti del rotore principale sono trasmessi alle pale attraverso
ganci laterali.
Entrambi i piatti dello swashplate si muovo verticalmente come una unica unità, e utilizzano dei
pitch e roll link per permettere i movimenti di pitch (beccheggio: inclinazioni in avanti e
all’indietro) e roll (rollio: inclinazioni a destra ed a sinistra).
Un importante sezione è quella che si interessa di capire come lo swashplate traduce sulle eliche i
comandi derivanti dal ciclico e dal collettivo. La variazione collettiva si ottiene con l’escursione di
tutto il piatto oscillante (swashplae) in alto o in basso lungo l’albero. La variazione ciclica si ottiene
con l’inclinazione del disco dell’elica nella direzione voluta trasmettendo il movimento tramite
pistoni alla barra stabilizzatrice (cioè la parte fissa del rotore) che collegati direttamente ai mozzi
portapale, imprime una inclinazione ciclica direttamente alle pale.
Swashplate di elicottero:
1.
2.
3.
4.
Piatto esterno fisso (blu)
Piatto interno rotante (metallo)
Giunto sferico
Controllo lungo l'asse di
imbardata. Inclina il rotore in
senso longitudinale (pitch) e evita
la rotazione dell'anello esterno
(compasso).
5. Controllo lungo l'asse di rollio.
Inclina il rotore lateralmente (roll)
6. Bielle di collegamento (color
metallo) alle pale del rotore
In nero le bielle che variano il
passo delle pale controllate dal
piatto interno
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1.2 Tecniche di pilotaggio
La conduzione di un elicottero è completamente differente da quella di un aereo, poiché 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 sempre avere anche
una mano per regolare la potenza del motore e l'inclinazione delle pale, quindi occorre coordinare
cinque movimenti invece di tre. Inoltre mentre l'aereo è stabile, e può proseguire il volo orizzontale
da solo, l'elicottero non appena vengono abbandonati i comandi tende ad inclinarsi od alterare la
posizione.
In realtà il volo orizzontale non presenta grandi difficoltà, mentre mantenere l'elicottero fermo in
una posizione, quota e direzione determinate è estremamente difficile, in particolare in presenza di
vento, il che complica gli atterraggi di precisione e soprattutto i recuperi con il verricello.
Negli elicotteri a turboalbero (motori esotermici) 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 (cioè sul combustibile iniettato) assicura sempre che il
rotore principale giri con la velocità prevista dal progetto e di conseguenza anche quello di coda, di
modo che l'aeromobile non perda mai efficienza rotorica. Per quanto riguarda invece gli elicotteri
equipaggiati con motori a scoppio (motori endotermici) è compito del pilota prestare particolare
attenzione a che il motore non scenda 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 si spegne, occorre molto
tempo per riaccenderlo (operazione molto difficoltosa e quindi pericolosa). Alcuni elicotteri sono
sprovvisti da 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
è sprovvista di un sistema di controllo del regime del motore.
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1.2.1 I controlli
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
attacco delle pale, cioè l'inclinazione delle pale rispetto al piano
orizzontale sul quale sono innestate (di questo piano, l'asse di
rotazione del rotore è la normale). All'aumento dell'angolo di attacco
corrisponde un incremento
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. Pensate che il rotore di coda ha molto più
braccio della prua dell'elicottero rispetto all'asse di rotazione del rotore principale quindi pochi gradi
di variazione dell'angolo di prua possono muovere facilmente quel pericoloso rotore anche di un
metro a destra od a sinistra. Occorre grande prontezza per compensare con il piede eventuali
turbolenze che colpiscano le pale in modo non uniforme.
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La manetta è un semplice acceleratore che consente di controllare il regime del motore e dunque di
trasmettere maggiore o minor potenza al rotore secondo la necessità del momento. Nei modelli più
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), rendendo non più necessario l'uso della
manetta se non in caso di emergenza. I piu' recenti elicotteri monomotore sono equipaggiati con due
FADEC ci 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, è il più sofisticato ed il più
delicato dei controlli, poiché 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 è appunto dominata dal ciclico, così chiamato perché la fa operare nel numero di
volte desiderate e possibili per ciascun giro della pala (per cicli).
La variazione è poi opportunamente anticipata
(calettatura) tenendo conto di fattori come la
processione giroscopica. Infatti, se su di un corpo
che ruota su sé stesso andiamo ad imprimere una
forza trasversalmente al suo asse di rotazione essa
risponderà 90° dopo rispetto al senso di rotazione
stesso; quindi quando diamo ciclico avanti
(ipotizziamo un rotore sinistrorso cioè che gira in
senso antiorario) le biellette del piatto oscillante si
alzeranno ed andranno a dare ulteriore passo alla
pala che sarà a sinistra cosicché la portanza si
porterà in maggior parte sul semidisco posteriore e
l'elicottero potrà traslare in avanti.
Durante la variazione ciclica il massimo innalzamento
della pala si avrà nel punto D. con circa 90° di ritardo
rispetto al punto C dove è stato applicato il massimo
aumento di passo.
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1.2.2 Le manovre
Decollo
Il decollo dell’elicottero si ottiene incrementando la spinta che le pale esercitano sull’aria; questo è
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 ed
opposta al rotore principale.
Il rotore di coda non è 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
(Terzo principio della meccanica: ad ogni movimento ne corrisponde uno uguale e contrario).
Facendo ciò l’elicottero rimane nell’assetto di volo desiderato.
Spostamento longitudinale
Il pilota per portare l’elicottero dal volo a punto fisso al volo traslato non farà altro che portare in
avanti la leva del passo ciclico, però cosi facendo l’elicottero prenderà un assetto picchiato e quindi
perderà quota, per ovviare al problema bisognerà dare un po’ di collettivo per far sì che la portanza
sia pari al peso più il difetto di assetto; però dando collettivo il pilota darà più resistenza al rotore
principale quindi la coppia generata sarà più forte, la risolverà dando pedaliera nel senso di
rotazione del rotore. Chiaramente tutte le sopracitate operazioni andranno fatte quasi
contemporaneamente.
Cambio di direzione orizzontale
La “svolta” orizzontale a sinistra od a destra, tecnicamente una virata, si ottiene con un opportuno
sfruttamento della controrotazione.
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 darà minore o maggiore contrasto al moto “istintivo” di controrotazione, facendo
perciò 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 velocità di rotazione di uno dei due rotori, con produzione di analoghi effetti ed
uguali risultati.
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Gli stalli
Lo stallo di un elicottero avviene quando i filetti fluidi di aria che viene investita dalla pala si
staccano in prossimità del bordo d’attacco quindi non si verrà a creare la zona di depressione
sull’estradosso (parte superiore della pala) e la nostra pala non avrà più portanza, tale situazione si
verifica con un angolo d’attacco superiore ai 18 gradi, costruttivamente dando tutto passo non si
raggiungono valori così alti però in determinate situazioni ci si può arrivare.
Lo stallo del rotore è la principale causa dei limiti di velocità 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 velocità abbastanza elevate noteremo che metà disco (semidisco avanzante) andrà ad
investire aria rispetto al senso di marcia mentre l’altra metà (semidisco retrocedente) la subirà
negativamente.
Tenendo conto che nella formula della portanza (P = ½ densità x coefficiente di portanza x sezione
profilo x (velocità x velocità)) la velocità entra al quadrato, al semidisco avanzante andrà sommata
la velocità dell’elicottero mentre al semidisco retrocedente questa velocità andrà sottratta, avremo
quindi un semidisco con una portanza molto elevata ed un semidisco con una portanza pressoché
nulla quindi l’elicottero comincerà a vibrare in maniera molto forte e poi comincerà a girare su sé
stesso.
In ultimo il più pericoloso la cosiddetta power settling (scaduta con potenza) comunemente
chiamato anello vorticoso o stato di vortice (in inglese è 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 velocità di discesa sostenuta c’è il rischio che l’elicottero
scenda alla velocità 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 velocità di questo flusso per cui
peggioreremo solo la situazione, l’unica maniera per uscirne è entrare in autorotazione, se la quota
lo permette, e traslare in avanti riducendo il passo collettivo, una volta fuori dal flusso potremo
ridare passo.
Il vortice può investire l’elicottero anche in caso di vento relativo in coda, cioè se l’elicottero è
fermo con vento da dietro, oppure se l’elicottero procede all’indietro. Questa situazione deve essere
assolutamente evitata perché rende l’elicottero ingovernabile.
L’autorotazione
È 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 velocità di
rotazione non può essere né troppo alta, né 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 più 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 è il fattore più importante da considerare durante l’autorotazione.
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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 potrà svolgere questa funzione poiché, ad esempio, diminuirà la componente di
portanza.
Qualunque elicottero deve essere in grado di scendere in auto rotazione; esistono però dei campi di
velocità pericolosi, cioè condizioni di volo che non consentono il passaggio in autorotazione:


una prima condizione è rappresentata da volo a bassa velocità e quota anche elevata; in
questo caso se si ferma il motore, la bassa velocità 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, anche ad elevata velocità di
traslazione, è molto vicino al suolo. In questo caso l’inevitabile perdita di quota,
conseguente all’avaria del motore, comporterà l’impossibilità di entrare in auto rotazione ed
il successivo violento impatto col suolo.
I piloti di elicottero sono a conoscenza del fenomeno e cercano di restare in queste condizioni il
minor tempo possibile.
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1.3 Un sistema elettronico di controllo: IL FADEC
Quando si discute di motori di nuova generazione, spesso si sente parlare di controllo tramite
FADEC.
Il FADEC (acronimo di Full Authority Digital Engine Control) è un sistema elettronico
computerizzato che controlla il funzionamento del motore in tutte le sue fasi operative. Lavora in
stretto contatto con gli altri sistemi dell’elicottero e, oltre a supervisionare il motore, fornisce
all’elicottero anche le informazioni per le indicazioni in cockpit e monitorizza le condizioni del
motore, facilitando la manutenzione e la ricerca di problemi.
In particolare, il FADEC si occupa di:
-
Power management (cioè la gestione della spinta in base ai comandi e alle informazioni
ottenute)
Gas generator control (controllo del generatore di gas)
Engine limit protection (protezione del motore affinchè i parametri non superino i limiti
imposti)
Automatic and manual engine start (il FADEC controlla e gestisce tutta la procedura di
avviamento)
Engine parameters transmission for cockpit indication (fornisce all’aereo i parametri per le
indicazioni in cockpit)
Transmission of engine condition monitoring parameters (trasmette i parametri di controllo
delle condizioni del motore)
Detection, isolation, memorization of its internal system failures (rileva, isola e memorizza i
guasti relativi al suo sistema interno)
IDG cooling system (controllo del raffreddamento degli Integrated Drive Generator)
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L’utilizzo del FADEC sui motori di nuova generazione permette notevoli vantaggi rispetto ai
sistemi di controllo elettromeccanici tradizionali. La gestione del motore in tutte le sue fasi di
funzionamento permette un’ottimizzazione delle prestazioni nelle varie fasi del volo, una gestione
ottimale della spinta, una notevole riduzione dei consumi e delle emissioni inquinanti, dovuti ad una
maggiore efficienza. Lo stretto controllo sul motore impedisce il superamento dei limiti, ad esempio
di EGT o di velocità di rotazione, preservando la salute del motore, le sue capacità di
monitorizzazione e memorizzazione dei guasti facilitano gli interventi di manutenzione.
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1.3.1 Architettura del sistema
Il sistema FADEC è composto da questi elementi fondamentali:
L’ECU (Electronic Control Unit), a doppio canale, che si può intendere come il “cervello” del
sistema. Essa riceve i dati dai vari sensori, li elabora, invia i segnali elettrici di comando all’HMU,
riceve i segnali di feedback, scambia dati con gli altri sistemi dell’aeromobile.
L’HMU (Hydro Mechanical Unit), che riceve e converte i segnali elettrici provenienti dall’ECU in
pressione idraulica.
Componenti periferici, come valvole, attuatori e sensori, che inviano dati all’ECU, eseguono i
comandi, trasmettono i feedback di posizione all’ECU.
FADEC Components
La figura soprastante (riferita al FADEC del CFM56-5B) rappresenta bene il sistema e tutti i
parametri ricevuti e controllati da esso.
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Oltre a ricevere l’alimentazione e l’informazione dell’angolo di manetta (TLA), riceve:
-
P0 (Ambient static pressure)
Toil (Temperatura olio)
T25 (HP compressor inlet air temperature)
N1 (Low pressure rotor rotational speed)
N2 (High pressure rotor rotational speed)
T12 (Fan inlet total air temperature)
Ps12 (Fan inlet static air pressure),
Ps3 (Compressor discharge static air pressure)
Tcase (HP turbine case temperature)
T49.5 (Exhaust gas temeprature)
T3 (Hp compressor discharge air temperature)
Fuel Flow
Ps13 (Fan outlet static air pressure)
P25 (HP compressor inlet air pressure)
T5 (Low pressure turbine discharge total air temperature).
Tramite l’HMU comanda (ricevendo poi i rispettivi segnali di feedback):
-
VBV (Variable Bleed Valve)
VSV (Variable Stator Vane)
BSV (Burner Staging Valve)
TBV (Transient Bleed Valve)
RAC/SB (Rotor Active Clearance /Start Bleed)
HPTACC (High Pressure Turbine Active Clearance Control)
LPTACC (Low Pressure Turbine Active Clearance Control).
Come si può vedere dalla figura comanda inoltre l’ignition system.
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1.3.2 Gestione della sicurezza
Il sistema è costruito per essere completamente ridondante, in modo da essere il più possibile
sicuro. L’ECU è composta da due canali indipendenti, tutti gli input sono doppi ad eccezione di
alcuni parametri di monitoraggio o indicazione che sono singoli.
Ogni canale dell’ECU è indipendente, ma sono operativi contemporaneamente; entrambi i canali
ricevono gli input e li processano, ma solo il canale attivo (active channel) fornisce i comandi in
uscita (l’altro è chiamato stand-by channel).
Il FADEC è un sistema di tipo BITE (Buil In Test Equipment); rileva e memorizza eventuali failure
o combinazioni di esse per determinare lo stato di ogni canale e trasmettere i mainteinance data
all’aereo.
La selezione Active/Stand by è stabilita dall’ECU ad ogni avvio e durante l’operatività, in base allo
stato di ogni canale: ogni canale rileva il suo stato e il canale con lo “stato” migliore è il canale
attivo. Se lo stato dei canali è identico, si alternano ad ogni engine start.
Se un canale è fuori uso e l’altro non può eseguire una determinata funzione, la funzione controllata
si pone automaticamente in “fail safe” position.
ECU del CFM56-5B
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