Il buon aereo. Ingredienti.

O del perché gli aerei moderni non sono meglio di quelli più vecchi.

di Bill Welch (Traduzione e adattamento di L. Pavese)

Spesso molti piloti se lo chiedono: cos’è che rende un aereo buono, e un altro una carretta? (Ammesso che ci siano aerei carretta). Le risposte potrebbero anche sorprendervi, perché tutti direbbero che la ragione è il “design moderno”, o qualcosa del genere. Ma non è così. Chiaro, nuove ideucce ingegnose di design, o qualche nuovo aggeggio, possono anche aiutare, ma non fanno né disfano un aereo.

Date un’occhiata ad alcuni degli aerei dal disegno più vecchio che ancora si vedono nei nostri aeroporti; e che offrono prestazioni migliori dei velivoli più recenti. O fate un paragone fra alcuni aerei “anziani” e i corrispettivi aeroplani più moderni. Per esempio:

Modello A:

Peso massimo al decollo: Libbre 1670 (kg 757)

Velocità di crociera: Nodi 108

Potenza: hp 112 (kW 82)

Modello B:

Peso massimo al decollo: Libbre 1700 (kg 770)

Velocità di crociera: Nodi 105

Potenza: hp 115 (kW 84,5)

Sareste in grado di determinare qual è il quadriposto degli anni 1950, e qual è invece l’addestratore biposto, prodotto dalla stessa azienda (Piper), negli anni 1970?

Il modello più recente è più attraente; è ovviamente più moderno;  e bisogna ammettere che ha un guscio solido, mentre invece l’altro è ricoperto in tela verniciata. Ma chiaramente c’è qualcosa di strano: perché il modello A è il biposto moderno (che può disporre di solo due terzi del carico utile del suo antenato), e ottiene prestazioni praticamente identiche del modello B (che è il Piper PA-16 della foto di testa), con quasi la stessa potenza motrice.

Modello A (PA-38)

Vi ricordate il Wittman Tailwind? Era un aeroplanetto dall’aspetto angoloso e umile, con un’aletta corta; ma con un motore di 85 hp (kW 62,5) riusciva a dare la birra a ogni aereo prodotto vent’anni dopo. Per quale ragione? Perché Steve Wittman sapeva come dare a un aereo le proporzioni più adatte per quello che voleva ottenere. Ed è per quello che i suoi aerei da corsa continuarono a vincere in competizione anno dopo anno.

Wittman Tailwind

Ci sono dei paralleli in natura, che ci aiutano a illustrare ciò che per quanto riguarda la progettazione di un aereo è vitale, e ciò che invece sta lì solo per bellezza. Per esempio, i falchi e gli altri uccelli che veleggiano, sono i volatili più “efficienti” (Cioè le loro ali hanno un ottimo rapporto fra portanza, sostentamento, e resistenza all'avanzamento nell'aria) . Senza eccezione, le loro ali sopportano un carico relativo all’apertura alare (span-loading) decisamente basso: per un falchetto il carico si aggira sulle 0,3 libbre per piede di apertura alare, cioè kg/m 0,270. L’ala di un aliante veleggiatore, con un rapporto fra Portanza e Resistenza P/R equivalente, sopporta circa 15 libbre per piede di apertura (kg/m 20), e ottiene il medesimo rapporto P/R a una velocità rispetto all’aria molto più alta.

Grifone (Gyps Fulvus). A. Sacchetti

Il carico alare (cioè il rapporto fra peso e superficie alare) dell’aliante si aggira sulle tre o quattro libbre per piede quadrato (circa kg/m² 16), mentre quello del falchetto è probabile che sia sui kg/m² 2.

Il rateo minimo di discesa del falco è di circa 15 pollici al secondo (m/s 0,38), ma agli alianti veleggiatori va già bene se riescono a scendere a meno di m/s 0,76.

Un aereo leggero tipico ha un rapporto peso-apertura alare fra le 60 e le 75 libbre per piede (circa kg/m 88), e un carico alare di circa kg/m² 70.

La cosa interessante, riguardo al falco, è che il suo allungamento alare è di circa 6,5. Proprio così, 6,5. (L'allungamento alare è il rapporto fra l'apertura alare e la corda, cioè la larghezza, media, dell'ala) Il che potrebbe risultare sorprendente a molte persone, le quali sono abituate a pensare che l’allungamento alare sia il fattore determinante, per quanto riguarda l’efficienza alare (che poi equivale al rapporto di planata, cioè a quanti metri riescono ad avanzare nell'aria, per ogni metro di quota che perdono).

In realtà, un’ala “efficiente”, cioè un’ala con un buon rapporto fra portanza e resistenza, è semplicemente un’ala che ha l’apertura e la superficie adatta al lavoro che deve compiere.

Un basso rapporto fra peso e  apertura alare determina, fondamentalmente, la potenza necessaria alle basse velocità (o in crociera ad altissima quota, la quale richiede anche un alto coefficiente di portanza). Perciò, per quanto riguardo le prestazioni di decollo e salita, a rendere un aereo migliore di un altro è il basso carico rispetto all’APERTURA ALARE.

Figura 1

 

Nella figura 1 il grafico illustra la variazione del rateo di salita (rate of climb) in piedi al minuto (fpm), in relazione all'apertura alare (wingspan), e in relazione alla superficie alare (wing area). Come si vede, per quanto riguarda le prestazioni di salita, il rapporto peso-apertura alare (span-loading) è più determinante del carico alare. L. Pavese.

Alle alte velocità predominano la resistenza del profilo alare, e la resistenza parassita della fusoliera (cioè la resistenza causata dall’attrito e dalla forma), e ciò significa che l’area totale, di tutte le superfici, dev’essere ridotta al minimo (se si vuole andar veloci).

Per volare alla velocità (rispetto all’aria) di 130 nodi, un’ala che offra la minima resistenza, usando un profilo NACA Serie 65 (che risale agli anni 1940) dovrà essere caricata a circa 35 libbre per piede quadrato, cioè circa kg/m² 170. Però la velocità di stallo di un’ala del genere sarà di almeno 92 nodi (o di 65 nodi con dei grandi iper-sostentatori lungo tutto il bordo d’uscita alare).

Figura 2

Nella figura 2, la prima curva illustra la relazione fra superficie alare e velocità massima in nodi (knots), e la seconda la relazione fra superficie alare in piedi quadrati (square feet) e velocità massima. Il terzo grafico secondo me è il più interessante: illustra come la distanza necessaria a salire a 50 piedi varia in funzione della superficie alare (area) e dell'apertura alare (span). L. Pavese

A questo punto è ovvio che ci voglia un compromesso.

La potenza necessaria a spingere un aereo è determinata dal rapporto fra quella che riesce a erogare il motore e l’efficienza dell’elica. Un’ampia apertura alare va a favore delle prestazioni alle basse velocità per la stessa identica ragione; e lo stesso vale per un’elica dal grande diametro. Tutto si riduce a quanta forza residua rimane al flusso d’aria, dopo che l’ala, o l’elica, hanno agito su di esso per produrre la portanza e la spinta necessaria. Il lavoro risulta tanto più efficace quanto più grande è la massa di aria disclocata; a basse velocità ciò implica un flusso d’aria di grande sezione. Invece, nel volo in crociera, c’è massa a sufficienza, grazie alla velocità rispetto all’aria; e un’elica di piccolo diametro, o un’ala di corta apertura, sono adeguate.

Ancora una volta la parola chiave è compromesso; e tutto dipende da quale campo di velocità si voglia privilegiare. Naturalmente ciò influenza anche, in misura notevole, la scelta del motore; perché la velocità di rotazione alla quale i diversi motori erogano la potenza massima varia di molto, e potrebbe anche richiedere l’impiego di un riduttore di giri per l’elica (qui l’autore sta ovviamente pensando alla grande varietà di motori disponibile per gli aerei auto-costruiti).

Quando l’aereo sarà stato finalmente proporzionato, in modo corretto, per il lavoro a cui è destinato, il fattore successivo, in ordine d’importanza, è la pulizia aerodinamica del design, racchiuso nelle proporzioni stabilite.

La forma è l’elemento chiave;  ed è qui che un design “moderno” può dare il suo contributo più importante, perché la configurazione aerodinamica, specialmente con i materiali in fibra più moderni, può essere ottimizzata. La resistenza di profilo dell’ala, e la resistenza parassita, variano con la forma più di quanto siano influenzati dalla qualità dei rivestimenti.

La forma migliore, al contrario di ciò che credono in molti, non è necessariamente una forma affusolata e dalle lunghe curve. Per quanto riguarda la resistenza parassita, l’aerea totale, a contatto con l’aria, è un fattore importantissimo; di conseguenza, la forma migliore, per un volume come la fusoliera, potrebbe risultare anche sorprendentemente tozza. Si tratta di nuovo di un compromesso, in questo caso appunto fra area totale e dolci curve: a volte la lunghezza ideale (della fusoliera) potrebbe risultare di solo due volte e mezza più grande del diametro. Questa è la ragione per cui, sugli aerei leggeri, tanti progettisti disegnano un tronco di coda relativamente sottile, alla fine di una fusoliera tracagnotta.

GeeBee Racer. Lucio Perinotto

Se essere un po’ corpulenti potrebbe anche andar bene per la parte posteriore della fusoliera, è diverso per quanto riguarda il muso, specialmente se è davanti che si trova l’elica. Una cofanatura del motore grossa può ridurre l’efficienza dell’elica anche del 10%, o più.

Le eliche non operano in un flusso d’aria bello diritto; ma vengono piuttosto confuse, per esempio, dall’aria che ascende davanti a un’ala; o dal fatto che il flusso si debba dividere per passare ai lati del cofano del motore; in poche parole, dal fatto che il flusso non è mai simmetrico né imperturbato, né tanto meno raggiunge il disco dell’elica ad angolo retto.

Infatti, più il flusso d’aria in arrivo devìa dalla perpendicolare, più peggiora l’efficienza dell’elica. Quindi, un flusso dell’elica libero di scorrere imperturbato, davanti e all’indietro, sarebbe l’ideale. In quel senso, un bel musetto affusolato dietro il propulsore è uno degli ingredienti nella ricetta per un buon aereo. Non a caso, le prolunghe degli alberi di trasmissione sono molto popolari (fra gli autocostruiti).

Il peso delle strutture è ovviamente un altro fattore molto importante. Non lasciatevi ingannare da qualche esempio di cellula tradizionale che è più leggera di una struttura moderna. Se ben progettata, una moderna struttura in materiali compositi sarà senza dubbio più leggera; e il vantaggio si rifletterà sicuramente nelle prestazioni dell’aereo.

A parte gli ovvi vantaggi in termini d’aerodinamica, le strutture in compositi possono essere robuste dove c’è bisogno, senza aggiungere peso che non è necessario.

Struttura in legno. Hughes H-4 Hercules

Quando struttura e forma esterna sono determinate da elementi differenti della cellula, il costo si misura in peso extra. Ma distribuire il materiale strutturale il più vicino possibile alla superficie più esterna lo fa lavorare meglio. Dal punto di vista dell’efficienza, non c’è soluzione migliore.

Quando il peso superfluo si intrufola in un progetto, lo fa col passo furtivo dei molti piccoli compromessi. Ognuno di essi sembra innocuo, ma presi tutti insieme sono una vera e propria àncora. Ogni componente della struttura deve essere considerato parte del processo generale di dimensionamento; e ciascuna decisione deve sottostare alla rigida disciplina delle priorità stabilite dal progettista.

Il peso strutturale, di qualunque materiale, dipende da vari fattori. Per esempio, l’apertura alare e il diametro dell’elica influenzano direttamente il peso. Persino il peso del carrello d’atterraggio, in molti casi, è una conseguenza delle dimensioni dell’elica (se l’elica è grande, le gambe del carrello devono essere più lunghe). Ma il peso dell’aereo ha un effetto diretto sulle prestazioni, e sulla potenza necessaria per ottenerle. Il cerchio si chiude.

Quindi la progettazione (quella fatta bene) è un processo iterativo. Prima si definisce un design provvisorio, soppesando i vari fattori concorrenti nel modo migliore in cui la capacità di giudizio del progettista lo consente; e qui subentra il realismo, sotto forma di stime del peso e delle prestazioni basate sulle dimensioni del disegno preliminare.

Poi i risultati vengono presi come punto di partenza per un secondo round; e il processo continua, finché il risultato cambia solo in misura trascurabile, o finché il progettista è soddisfatto che gli obiettivi siano stati raggiunti.

Benché i computer siano di grande aiuto, come in tutte le attività di ingegneria, sono solo degli strumenti. Non possono sostituire la riflessione intelligente, né la capacità di giudizio, ma possono solo facilitare l’applicazione di quegli attributi tipicamente umani; e un lavoro di progettazione assistito da un computer sarà esattamente tanto buono quanto l’abilità professionale, e la capacità di giudizio, della persona assistita.

L'articolo originale era stato pubblicato sul numero di Luglio 1988 della rivista statunitense PrivatePilot (che non esiste più). Spero che l'abbiate trovato interessante e, come sempre, i vostri commenti saranno molto graditi.

Grazie,

Leonardo Pavese