Elicotteri

Il fatto che l’elicottero ottenga la sua potenza di sollevamento per mezzo di un profilo rotante (il rotore) complica notevolmente i fattori che influenzano il suo volo, perché non solo il rotore gira, ma si muove anche su e giù con un movimento oscillatorio ed è influenzato dal movimento orizzontale o verticale dell’elicottero stesso. A differenza dei soliti profili aerei, i profili dei rotori degli elicotteri sono di solito simmetrici. La linea di corda di un rotore, come la linea di corda di un’ala, è una linea immaginaria tracciata dal bordo di entrata al bordo di uscita del profilo aereo.

Il vento relativo è la direzione del vento in relazione al profilo aereo. In un aeroplano, la traiettoria di volo dell’ala è fissa in relazione al suo volo in avanti; in un elicottero, la traiettoria di volo del rotore avanza in avanti (verso il naso dell’elicottero) e poi all’indietro (verso la coda dell’elicottero) nel processo del suo movimento circolare. Il vento relativo è sempre considerato in direzione parallela e opposta alla traiettoria di volo. Considerando il volo dell’elicottero, il vento relativo può essere influenzato dalla rotazione delle pale, dal movimento orizzontale dell’elicottero, dallo sbattimento delle pale del rotore e dalla velocità e direzione del vento. In volo, il vento relativo è una combinazione della rotazione delle pale del rotore e del movimento dell’elicottero.

Come un’elica, il rotore ha un angolo di passo, che è l’angolo tra il piano orizzontale di rotazione del disco del rotore e la linea di corda del profilo alare. Il pilota usa il controllo del passo collettivo e ciclico (vedi sotto) per variare questo angolo di passo. In un aereo ad ala fissa, l’angolo di attacco (l’angolo dell’ala in relazione al vento relativo) è importante nel determinare la portanza. Lo stesso vale in un elicottero, dove l’angolo di attacco è l’angolo in cui il vento relativo incontra la linea di corda della pala del rotore.

L’angolo di attacco e l’angolo di beccheggio sono due condizioni distinte. Variando l’angolo di passo di una pala del rotore, cambia il suo angolo di attacco e quindi la sua portanza. Un angolo di passo più alto (fino al punto di stallo) aumenterà la portanza; un angolo di passo più basso la diminuirà. Le singole pale di un rotore hanno i loro angoli di passo regolati individualmente.

La velocità del rotore controlla anche la portanza – più alti sono i giri al minuto (rpm), più alta è la portanza. Tuttavia, il pilota generalmente cercherà di mantenere costante il numero di giri del rotore e cambierà la forza di portanza variando l’angolo di attacco.

Come per gli aerei ad ala fissa, la densità dell’aria (il risultato di temperatura, umidità e pressione dell’aria) influenza le prestazioni dell’elicottero. Maggiore è la densità, maggiore è la portanza generata; minore è la densità, minore è la portanza generata. Proprio come negli aerei ad ala fissa, un cambiamento nella portanza si traduce anche in un cambiamento nella resistenza. Quando la portanza viene aumentata allargando l’angolo di passo e quindi l’angolo di attacco, la resistenza aumenterà e rallenterà i giri del rotore. Sarà quindi necessaria una potenza aggiuntiva per sostenere il numero di giri desiderato. Così, mentre un elicottero è influenzato come un aereo convenzionale dalle forze di portanza, spinta, peso e resistenza, il suo modo di volo induce ulteriori effetti.

In un elicottero, le forze totali di portanza e spinta generate dal rotore sono esercitate perpendicolarmente al suo piano di rotazione. Quando un elicottero si libra in una condizione senza vento, il piano di rotazione del rotore (il piano del tip-path) è parallelo al suolo, e la somma delle forze di peso e di resistenza sono esattamente bilanciate dalla somma delle forze di spinta e di portanza. Nel volo verticale, le componenti del peso e della resistenza sono combinate in un unico vettore che è diretto verso il basso; le componenti della portanza e della spinta sono combinate in un unico vettore che è diretto verso l’alto. Per ottenere il volo in avanti in un elicottero, il piano di rotazione del rotore è inclinato in avanti. (Si dovrebbe capire che l’albero del rotore dell’elicottero non si ribalta, ma piuttosto le singole pale del rotore all’interno del piano di rotazione hanno il loro angolo di passo variato). Per il volo laterale, il piano di rotazione del rotore è inclinato nella direzione desiderata. Per il volo all’indietro, il piano di rotazione del rotore è inclinato all’indietro.

Perché il rotore è motorizzato, c’è una reazione di coppia uguale e contraria, che tende a far ruotare la fusoliera in direzione opposta al rotore. Questa coppia è compensata dal rotore di coda (rotore antitorsione) situato all’estremità della fusoliera. Il pilota controlla la spinta del rotore di coda per mezzo di pedali, neutralizzando la coppia come richiesto.

Ci sono altre forze che agiscono su un elicottero non presenti in un aereo convenzionale. Queste includono l’effetto di precessione giroscopica del rotore, cioè la dissimmetria della portanza creata dal movimento in avanti dell’elicottero, con il risultato che la pala che avanza ha più portanza e quella che si ritira meno. Questo accade perché la lama che avanza ha una velocità combinata della velocità della lama e la velocità dell’elicottero nel volo in avanti, mentre la lama che si ritira ha la differenza tra la velocità della lama e la velocità dell’elicottero. Questa differenza di velocità causa una differenza di portanza: la pala che avanza si muove più velocemente e quindi genera più portanza. Se non controllato, questo porterebbe l’elicottero a rotolare. Tuttavia, la differenza di portanza è compensata dal flap delle pale e dal feathering ciclico (cambiando l’angolo di beccheggio). Poiché le pale sono attaccate al mozzo del rotore da cerniere orizzontali, che permettono il loro movimento in un piano verticale, la pala che avanza si alza, diminuendo il suo angolo di attacco, mentre la pala che si ritira si abbassa, aumentando il suo angolo di attacco. Questa combinazione di effetti equalizza la portanza. (Le pale sono anche attaccate al mozzo da una cerniera verticale, che permette ad ogni pala di muoversi avanti e indietro nel piano di rotazione. La cerniera verticale smorza le vibrazioni e assorbe l’effetto di accelerazione o decelerazione). Inoltre, nel volo in avanti, la posizione del controllo del passo ciclico causa un effetto simile, contribuendo all’equalizzazione della portanza.

Altre forze che agiscono sugli elicotteri includono il coning, l’effetto di flessione verso l’alto delle pale causato dalla forza centrifuga; l’effetto Coriolis, l’accelerazione o la decelerazione delle pale causata dal movimento di flappeggio che le avvicina (accelerazione) o le allontana (decelerazione) all’asse di rotazione; e la deriva, la tendenza della spinta del rotore di coda a spostare l’elicottero in hovering.