AEROMOBILE

AEROMOBILE (App. III,1, p. 23)

Aeroplani. - Gli a. più significativi realizzati nell'ultimo quindicennio possono essere raggruppati nelle seguenti tre classi: aeroplani da trasporto supersonici; aeroplani giganti; aeroplani a geometria variabile.

A riguardo degli aeroplani per uso civile c'è da osservare che il rapido incremento del traffico aereo di passeggeri e di merci (v. aviazione: Aviazione civile, in questa App.) ha reso necessario lo studio e la realizzazione di nuovi tipi di aeroplani oltre l'ampliamento e la ristrutturazione delle infrastrutture aeronautiche (aeroporti, assistenza al volo, ecc.).

L'aumento del volume di traffico aereo è conseguenza naturale della tendenza all'aumento delle linee servite e all'aumento del traffico per linea.

Alla prima tendenza si può far fronte con l'impiego di un maggior numero di aerei classici; questa soluzione, però, non può soddisfare anche la seconda tendenza, perché ciò implicherebbe un intollerabile congestionamento degli aeroporti ed elevati costi di esercizio; pertanto si è pensato di far ricorso a un aumento della loro capacità di carico.

Maggiori velocità di crociera dei velivoli attuali possono ottenersi o avvicinandosi, per quanto possibile, alla velocità sonica, o con il superamento della barriera del suono, raggiungendo quindi il campo supersonico.

D'altra parte nel campo subsonico si è arrivati quasi al limite massimo di velocità (fig.1); qualche possibilità di miglioramento potrebbe essere ottenuta dai velivoli con ala supercritica allo studio da parte della americana NASA, mentre il volo supersonico comporta un notevole salto di qualità che coinvolge tutta una serie di problemi nuovi.

Per quanto riguarda invece l'aumento della capacità di carico c'è da rilevare che non deve essere ottenuto a scapito delle prestazioni di velocità. Solo così si possono realizzare aerei giganti competitivi rispetto agli aerei classici, cioè capaci di determinare risparmi nei costi di esercizio tali da giustificare la loro acquisizione da parte delle compagnie di navigazione aerea.

A riguardo degli aeroplani per uso militare c'è da osservare che l'innovazione di maggior rilievo consiste nella geometria variabile, o più propriamente nell'ala a freccia variabile (v. oltre). L'esigenza e la logica giustificazione di tale sofisticata formula va ricercata nella necessità di coprire una vasta gamma di condizioni di volo tra loro molto diverse e tale da non ammettere una soluzione architettonica di compromesso.

Aeroplani da trasporto supersonici. - L'aeroplano anglo-francese Concorde e il russo Tupolev 144 costituiscono i due velivoli da trasporto civile supersonici dei quali a tuttoggi sono state costruite diverse unità: i loro primi voli risalgono alla fine del 1968 e inizio del 1969. Va ricordato inoltre l'aereo SST (Super Sonic Transport) americano, il Boeing 2707-300, del quale però, pur essendo stati effettuati studi avanzati, non sono stati costruiti prototipi per il veto posto allo sviluppo di tale progetto nel 1971 dal Congresso degli Stati Uniti.

In linea generale, però, l'avvenire degli aerei da trasporto supersonici non sembra avere le stesse prospettive di successo di quello dei velivoli con grande capacità di carico; ciò non tanto per motivi strettamente tecnici, quanto principalmente per ragioni economiche ed ecologiche.

L'impegno finanziario e tecnico-scientifico legato al programma di realizzazione di un aereo da trasporto supersonico è di portata tale da non poter essere sostenuto da una soltanto delle nazioni dell'Europa occidentale. È questa una delle ragioni della collaborazione franco-britannica per la realizzazione del Concorde. Tale collaborazione risale al 1962, anno in cui furono stipulati gli accordi tra i due governi e tra l'industria francese Aerospatiale e quella britannica B.A.C.

Sotto il profilo aerodinamico l'impostazione del Concorde si presenta decisamente nuova e scaturisce da un attento compromesso tra le opposte esigenze di ottenere una resistenza quanto più bassa possibile durante il volo supersonico e una buona governabilità e maneggevolezza a bassa velocità, cioè nelle fasi di decollo e atterraggio. La sottile ala a delta gotico, od ogivale, con bordo d'attacco falcato e di piccolo allungamento, costituisce un naturale dispositivo di ipersostentazione.

Nel Concorde, che può raggiungere velocità all'incirca doppie di quella del suono, la componente della velocità normale al bordo di attacco è, però, sempre subsonica; questa circostanza avrebbe permesso un bordo di attacco arrotondato, ma si è preferito realizzarlo aguzzo al fine di utilizzare le particolari proprietà del campo aerodinamico che così si genera sull'ala.

A riguardo c'è da notare che dal bordo anteriore alla radice dell'ala del Concorde si staccano due vortici molto intensi, i quali per la particolare forma geometrica dell'ala finiscono con l'esplicare un'azione di riattacco della corrente sulla superficie alare. In altri termini l'iniziale distacco della corrente in corrispondenza del bordo di attacco non si propaga a valle di questo, per cui il fenomeno dello stallo nell'ala del Concorde è praticamente assente anche per incidenze molto alte.

Per il Concorde e per aerei con ali aventi configurazioni simili, il coefficiente di portanza massimo attinge valori più bassi rispetto a quelli conseguibili con le ali a freccia, dotate di sofisticati sistemi di ipersostentazione adottate nei trasporti subsonici. Tale circostanza si ripercuote negativamente sulle corse di decollo e atterraggio; in particolare per il decollo è stato necessario far ricorso all'adozione di motori con postcombustione.

Il Concorde manca del piano orizzontale di coda e quindi il controllo longitudinale del velivolo è affidato a elevoni disposti sul bordo d'uscita dell'ala; detti elevoni, come noto, sono utilizzati anche per il controllo laterale.

È da tener presente che negli aerei supersonici nei diversi regimi di volo si hanno accentuati spostamenti del centro di pressione del velivolo; pertanto, al fine di soddisfare i richiesti requisiti di equilibrio e di stabilità del velivolo, occorre anche far variare la posizione del baricentro. È per tale motivo che nel Concorde e in alcuni aerei supersonici è stato studiato un sistema per il trasferimento automatico del combustibile dai serbatoi principali ad altri, detti di equilibramento, al fine di conservare praticamente inalterata la distanza tra il centro di pressione e il baricentro (vedi fig. 2).

Il Concorde ha una velocità di crociera di 2,2 mach a 16.000 m di quota (2300 km/h). La scelta di tale valore è stata prevalentemente suggerita dalla possibilità di mantenere entro limiti tollerabili il fenomeno del riscaldamento aerodinamico; infatti con 2,2 mach la temperatura massima sulle parti più esposte del velivolo (prora e bordo di attacco) raggiunge i 150 °C, e mediamente la temperatura del rivestimento è di 120 °C. Entro tali limiti di temperatura le leghe di alluminio, usualmente adoperate nelle costruzioni aeronautiche, conservano ancora in buona parte tutte le loro caratteristiche di resistenza e pertanto nel Concorde è stato possibile far largo uso di tali leghe e conseguentemente di tecniche già largamente collaudate, mentre l'acciaio e il titanio sono adoperati solo in misura ridotta.

Dal punto di vista strutturale, l'ala del Concorde è multilongherone e nella zona compresa tra le gondole dei motori i longheroni attraversano senza soluzione di continuità la fusoliera. La fusoliera, a sua volta, nella zona centrale è a sezione trasversale costante mentre le estremità hanno forma conica. La prora è inclinabile per consentire al pilota una migliore visibilità durante le manovre di decollo e di atterraggio. La struttura della fusoliera è a guscio.

In generale, nella progettazione è adottato il criterio fail-safe, per cui il cedimento di un elemento strutturale non compromette il funzionamento degli altri. Nell'impostazione del calcolo a fatica è stata prevista una durata di 46.000 ore di volo, di cui circa 25.000 a velocità supersonica e con riscaldamento aerodinamico elevato, corrispondenti a circa 15 anni di servizio.

L'ala è utilizzata in larga percentuale (≈ 60%) come serbatoio del combustibile; la cabina è, ovviamente, pressurizzata, il carrello di atterraggio è del tipo triciclo.

Il Concorde è equipaggiato con quattro motori Olympus, costruiti dalla Rolls Royce e dalla SNECMA. L'Olympus è un reattore semplice e non a doppio flusso. Tale ultimo tipo di motore, che, com'è noto, è caratterizzato da una diminuzione della velocità V_e di eiezione del getto e quindi un aumento del rendimento propulsivo, η_e = 2/(1 + V_e /V_o), non è indispensabile nei velivoli supersonici, e in particolare nel Concorde, nei quali il rendimento propulsivo è già alto per l'elevata velocità V_o di avanzamento.

Originale, almeno per velivoli non militari, è l'adozione del postcombustore che consente di ridurre la corsa di decollo e di superare senza difficoltà la transizione dalle velocità subsoniche a quelle supersoniche.

L'ugello di scarico e la presa d'aria sono entrambe a geometria variabile. Particolare cura è stata posta nello studiare l'accessibilità e la possibilità di smontaggio per la manutenzione dei motori, il cui funzionamento è controllato da un'ampia gamma di strumenti.

Nel Concorde qualora, per difetto di funzionamento, la spinta di uno dei quattro motori dovesse diminuire o addirittura annullarsi, gli altri tre compensano automaticamente tale diminuzione e il timone di direzione, a sua volta, automaticamente assume un orientamento in grado di mantenere l'equilibrio.

Nella sostanza il velivolo Tupolev 144 è molto simile al Concorde; le principali differenze sono: i propulsori (Kuznecov NK 144) a doppio flusso e più vicini alla fusoliera; un più elevato numero di Mach (≈ 2,5); un maggiore peso a vuoto; una minore rumorosità; la presenza delle alette anteriori retrattili.

Sotto l'aspetto economico il trasporto supersonico sembrerebbe essere non molto conveniente per molteplici ragioni, d'altra parte, però, non può ignorarsi il fascino che sempre l'elevata velocità ha esercitato sugli uomini e l'effettiva riduzione della durata del viaggio; fattori questi che, secondo alcuni esperti, potrebbero svolgere un ruolo essenziale nel fissare su valori accettabili l'entità del coefficiente di riempimento del velivolo.

Inoltre, al momento attuale, l'avvenire degli aerei supersonici civili è incerto anche per gl'inconvenienti legati al rumore dei motori e soprattutto a quello prodotto dal boato sonico. Le notevoli spinte richieste ai propulsori e le conseguenti elevate velocità di eiezione dei gas di scarico hanno incrementato di molto l'entità del rumore prodotto dai turboreattori. Questo inconveniente, che è presente anche in altri aerei non supersonici (per es., il rumore prodotto dai turboreattori Olympus che sono montati sul Concorde è paragonabile a quello prodotto dai motori del DC-8), non è certo il più preoccupante; del resto la maggior velocità di salita degli aerei supersonici rispetto a quelli tradizionali riduce la durata del fastidio. L'inconveniente maggiore è invece quello legato al boato sonico, tanto che molti governi hanno proibito il sorvolo a velocità supersonica dei loro territori. È questa un'ulteriore ragione di antieconomicità in quanto velivoli come il Concorde e il Tupolev 144 sono stati progettati per fornire il migliore rendimento a velocità supersonica.

Dal punto di vista ecologico le preoccupazioni relative all'adozione dei velivoli supersonici riguardano anche il ventilato pericolo di una diminuzione dell'ozono con una perdita di efficacia della funzione schermante svolta dallo strato di ozono nei riguardi delle radiazioni ultraviolette del sole.

Aeroplani giganti. - Nel 1963, per rispondere alle esigenze delle forze armate americane di trasportare materiali e truppe a grandi distanze, venne aperta una gara, fra le maggiori ditte aeronautiche americane, per lo studio e la realizzazione di un idoneo velivolo da trasporto militare. Ad essa parteciparono con distinti progetti la Boeing, la Lockheed e la Douglas. Alla fine della valutazione il governo americano assegnò la commessa, per la costruzione di circa 100 velivoli, alla Lockheed, che aveva presentato il progetto designato come C-5A Galaxy.

Quando il 30 giugno 1968 il C-5A Galaxy effettuò il suo primo volo, risultò essere il più grande aereo realizzato fino ad allora, avendo un peso totale massimo al decollo di poco inferiore a 350.000 kg.

L'esigenza di velivoli giganti era sentita anche dall'aviazione civile; pertanto le stesse tre ditte, approfittando delle esperienze acquisite, furono in grado di sviluppare singolarmente dei progetti di velivoli per impieghi civili.

Il segno evidente che l'esigenza di tali velivoli fosse comunque già presente, si evince dal fatto che gli aerei civili così realizzati videro la luce con breve ritardo rispetto al Galaxy.

Storicamente, dei tre velivoli, il primo è stato il Boeing 747, meglio noto come Jumbo, che è risultato poi essere anche il più grande aereo mai realizzato superando, con i suoi 351.000 kg. di peso totale massimo al decollo, anche il Galaxy. Il primo volo del 747 è stato effettuato il 9 aprile 1969, mentre il primo esemplare operativo, consegnato alla compagnia aerea americana PAN-AM, inaugurò il servizio regolare di linea il 22 gennaio 1970 con un ritardo rispetto alla consegna del primo Galaxy di poco più di un mese.

Successivamente, il 29 agosto 1970, effettuava il primo volo un altro gigante dell'aria, iI DC-10 della Douglas-McDonnel, e poco dopo, il 16 novembre 1970, il terzo della serie, il Lockheed L-1110 Tristar. La Lockheed è ultima nella corsa al gigante civile, sia perché impegnata nel programma militare del Galaxy, sia perché il suo velivolo presenta caratteristiche alquanto diverse dagli altri.

In URSS, proseguendo sulla strada delle grosse realizzazioni, fu costruito l'Antonov AN-22 (peso max al decollo di 250.000 kg), che avendo volato per la prima volta il 27 febbraio 1965 può essere considerato storicamente il primo esempio operativo di velivolo gigante, anche se la sua concezione architettonica è di carattere tradizionale ed è propulso a elica.

In Europa occid. si è riusciti solo a dare corpo a un programma di carattere internazionale (con partecipazione di Francia, Rep. Fed. di Germania, Paesi Bassi e Gran Bretagna) per un velivolo designato con la sigla Airbus A-300, destinato a impiego civile su tratte corte-medie (peso max al decollo 150.000 kg), che ha fatto il suo primo volo il 28 ottobre 1972, ma che per il suo peso non può essere considerato della stessa classe dei precedenti.

Nella progettazione e realizzazione degli aerei a grande capacità di carico (big-lift) è stato necessario affrontare e risolvere numerosi nuovi problemi tecnologici derivanti, oltre che dal notevole incremento del peso totale, anche dalla necessità di diminuire il livello di rumore, di ridurre i costi di esercizio, ecc.

Tra i problemi più interessanti, per la novità delle soluzioni impiegate, sono da ricordare quelli connessi con i sistemi di atterramento, di propulsione e di ipersostentazione.

Per quanto riguarda il sistema di atterramento è interessante soprattutto quello del Galaxy che, dovendo permettere l'atterraggio di un velivolo di circa 300 t di peso su piste di fortuna, è composto (fig. 3) da 4 carrelli principali di 6 ruote ognuno e da uno anteriore di 4 ruote, per un totale di ben 28 ruote. Sui 5 carrelli è previsto un sistema di abbassamento e sollevamento che, azionato simultaneamente, permette di variare l'altezza del piano di carico del velivolo di circa 1,5 m, mentre azionato singolarmente permette tutte le operazioni di manutenzione di ogni singolo carrello senza la necessità di sollevare il velivolo. Un'altra particolarità consiste nella possibilità di ruotare tutti i carrelli simultaneamente di ± 18° rispetto al piano di simmetria del velivolo permettendogli quindi atterraggi in volo derapato in presenza di forti venti laterali. I carrelli principali hanno anche un dispositivo che permette al velivolo, lungo 75 m, di avere un raggio di sterzata di 25 m.

Il sistema propulsivo degli aerei giganti è basato essenzialmente sull'impiego dei nuovi propulsori turbofan ad alto rapporto di diluizione (fino a 8:1) capaci di circa 20.000 kg di spinta al decollo. I principali vantaggi di un tale tipo di turbomotore sono: un consumo specifico di circa il 25% in meno rispetto ai primi tipi di turbofan, una notevole diminuzione del livello di rumore e una produzione di fumi più bassa rispetto ai motori a getto convenzionali.

A rendere critico il proporzionamento del sistema di ipersostentazione negli aerei giganti contribuiscono essenzialmente gli elevati valori del carico alare e i bassi valori del rapporto spinta/peso, specie alla velocità di decollo. Da qui la necessità, per poter operare su piste convenzionali, di attingere in condizioni di decollo e atterraggio valori elevati del coefficiente di portanza massimo, dell'ordine di 2,5 ÷ 3. Per poter arrivare a tali valori è stato, quindi, necessario impiegare sofisticati sistemi di ipersostentazione in corrispondenza dei bordi d'attacco e d'uscita.

L'avvento dei velivoli giganti, tra l'altro, ha reso possibile l'utilizzazione, per il trasporto aereo, di containers di dimensioni unificate, precedentemente impiegati solo nel trasporto marittimo e terrestre, con notevole riduzione dei costi di trasporto delle merci. La fig. 4 mette in evidenza il vantaggio economico dei nuovi velivoli a grande capacità di trasporto, riportando i costi per passeggero miglio in funzione del numero di posti per alcuni tipi di aeroplani giganti.

Aeroplani a geometria variabile. - Il precursore degli attuali velivoli con ali a freccia variabile è stato in pratica l'aereo sperimentale Bell X5, realizzato per conto dell'aeronautica militare americana sotto la supervisione della NASA, il cui primo volo risale al 20 giugno 1951.

Il primo aereo operativo ad adottare la formula a freccia variabile, entrato in servizio nel 1967, è stato lo statunitense General Dynamics F 111. Di successiva realizzazione sono invece il Mirage G, il Grumman F 14 e il MRCA (Multi Role Combat Aircraft) della Panavia, nonché il Mikoytm e Sukhoi SU-17.

Per comprendere come l'ala a freccia variabile sia la soluzione praticamente unica per un velivolo cosiddetto multiruolo è opportuno analizzare più da vicino le caratteristiche che tale tipo di aereo deve possedere. Si richiede infatti: crociera subsonica di lunga autonomia, crociera supersonica, buon comportamento a bassa velocità con caratteristiche di decollo e atterraggio corti, elevata manovrabilità, accettabile comportamento in turbolenza nel volo transonico e a bassa quota.

Mentre le caratteristiche di decollo e di atterraggio corto e quelle di lunga autonomia richiedono bassi carichi alari, le prestazioni relative alla crociera supersonica, all'elevata manovrabilità alle alte velocità e al buon comportamento in turbolenza richiedono, invece, elevati carichi e forti frecce. Si consideri infatti il diagramma qualitativo di fig. 5 in cui sono indicate le curve dell'efficienza (portanza/resistenza) in funzione del numero di mach di volo per tre valori della freccia in pianta: si nota chiaramente come l'uso di un'ala a basso angolo di freccia sia conveniente per il volo subsonico mentre per il campo transonico e supersonico è più conveniente adottare angoli di freccia sempre più accentuati.

La necessità di avere caratteristiche di decollo e atterraggio corti richiede l'adozione dell'ala diritta, cui compete un elevato valore del coefficiente di portanza massimo, anche per la possibilità di adottare efficaci sistemi di ipersostentazione in corrispondenza dei bordi d'attacco e d'uscita.

A riguardo poi dell'autonomia a parità di consumo specifico e di rapporto tra peso iniziale e peso finale, l'ala a geometria variabile consente elevate autonomie in volo subsonico senza compromettere la stessa prestazione in volo supersonico. L'ala a freccia migliora anche il comportamento del velivolo nel volo veloce in aria turbolenta.

Da quanto detto risultano evidenti i vantaggi offerti dall'adozione dell'ala a freccia variabile, anche se con una tale formula generalmente non si riescono a ottenere le stesse prestazioni raggiungibili con velivoli progettati per operare in specifiche condizioni di volo.

Ai vantaggi finora esposti si contrappongono maggiori complessità strutturali con incremento dei pesi e dei costi. Uno dei punti delicati dell'ala a freccia variabile è costituito dal meccanismo di rotazione; la cerniera rappresenta un punto fortemente sollecitato, essendo l'unico collegamento tra l'ala e la fusoliera.

Sorgono pertanto problemi di ridistribuzione dei carichi con la necessità di adottare strutture non tradizionali, più pesanti, più delicate dal punto di vista della sicurezza e necessariamente costose per i particolari materiali e le tecnologie adottate nella loro realizzazione.

Sotto l'aspetto meccanico basta ricordare che il sistema di rotazione dell'ala deve assicurare la simmetria del velivolo e il perfetto allineamento con l'asse di fusoliera degli eventuali carichi esterni disposti, come di consueto in velivoli militari, sotto l'ala, con l'aggiunta di ulteriori organi meccanici di orientamento di detti carichi.

Un perfetto sfruttamento della formula a freccia variabile richiede un ben determinato angolo di freccia per ogni condizione di volo. Da qui la necessità di installare complesse apparecchiature elettroniche per il controllo di detto angolo.

Un altro problema connesso all'adozione della freccia variabile è quello dello spostamento del centro di pressione al variare dell'angolo di freccia. A tale scopo si adotta la configurazione cosiddetta "a guanto" che, con un'opportuna dislocazione dell'asse di cerniera, consente una sensibile riduzione di detto spostamento.

Elicotteri. - L'elicottero nell'ultimo quindicennio ha subito notevoli modifiche, anche se non così vistose come quelle subite, per es., dagli aeroplani supersonici civili. Ciò è dovuto alla circostanza che il rotore, organo portante e propulsivo dell'elicottero, ha delle intrinseche limitazioni che condizionano l'evolversi della macchina.

Tra le caratteristiche degli elicotteri attuali c'è da ricordare la maggiore velocità di avanzamento che sono in grado di raggiungere, non tanto per i miglioramenti sotto il profilo aerodinamico, quanto per la maggiore potenza disponibile con l'impiego dei motori a turbina.

Le più elevate potenze installate hanno anche favorito la tendenza, già presente in passato, alla costruzione di elicotteri di elevate capacità di carico; si ricordano gli elicotteri sovietici Mil MI 6 e Mil MI 10 e quelli statunitensi Boeing-Vertol CH 47C-D e Sikorsky S-61 e S-64.

Gli elicotteri attuali sono alquanto più semplici rispetto ai loro predecessori, e ciò soprattutto per l'impiego del rotore rigido e semirigido in sostituzione di quello articolato con tre cerniere (di flappeggio, di ritardo e di variazione del passo) ad assi mutuamente ortogonali. Infatti col rotore rigido il bilanciamento delle portanze agenti sulle pale avanzanti e retrocedenti è interamente ottenuto attraverso un'opportuna variazione del passo.

L'adozione del rotore rigido consente una certa capacità acrobatica anche a una macchina come l'elicottero; a riguardo la fig. 6 mostra il tedesco Bolkow BO-1o5 mentre effettua un looping.

Molte delle innovazioni presenti negli elicotteri attuali sono state imposte da esigenze militari esposte in specifiche quali, per es., quelle statunitensi per l'UTTAS (Utility Tactical Transport Aircraft System), che hanno portato, tra l'altro, allo studio e all'esecuzione di mozzi con largo impiego di titanio, di articolazioni realizzate mediante tamponi a strati di gomma e di fogli metallici, e di pale realizzate con titanio, fibre di vetro e carbonio impregnato di resine.

Tra le caratteristiche degli elicotteri UTTAS c'è da ricordare anche una maggiore solidità del rotore, ossia una maggiore superficie delle pale rispetto al disco battuto dal rotore; questo consente di ridurre gli effetti limitativi dello stallo sulle pale retrocedenti e dei fenomeni legati alla comprimibilità dell'aria alle estremità delle pale avanzanti. Vedi Tav. f. t.

Bibl.: Jane's, All the World's Aircraft, Londra 1974-75; riviste: Aviation Week & Space Technology: Interavia; Aircraft Engineering; AIAA (American Institute of Aeronautics and Astronautics) Journal; Flight International; The Aeronautical Journal; L'aerotecnica, missili e spazio.