La maggior parte degli elicotteri hanno un singolo rotore principale ma richiedono un rotore separato per superare la coppia. Questo viene realizzato attraverso un rotore antitorsione a passo variabile o un rotore di coda. Questo è il design che Igor Sikorsky ha scelto per il suo elicottero VS-300, ed è diventato la convenzione riconosciuta per il design degli elicotteri, anche se i design variano. Visto dall’alto, la maggior parte dei rotori degli elicotteri gira in senso antiorario; i rotori degli elicotteri francesi e russi girano in senso orario.
Singolo rotore principaleModifica
Con un elicottero a singolo rotore principale, la creazione di una coppia quando il motore fa girare il rotore crea un effetto di coppia che fa girare il corpo dell’elicottero nella direzione opposta al rotore. Per eliminare questo effetto, una sorta di controllo antitorsione deve essere utilizzato con un margine sufficiente di potenza disponibile per consentire all’elicottero di mantenere la sua direzione e fornire il controllo dell’imbardata. I tre controlli più comuni utilizzati oggi sono il rotore di coda, il Fenestron di Eurocopter (chiamato anche fantail) e il NOTAR di MD Helicopters.
Rotore di codaModifica
Il rotore di coda è un rotore più piccolo montato in modo da ruotare verticalmente o quasi verticalmente alla fine della coda di un elicottero tradizionale monorotore. La posizione e la distanza del rotore di coda dal centro di gravità gli permettono di sviluppare la spinta in una direzione opposta alla rotazione del rotore principale per contrastare l’effetto di coppia creato dal rotore principale. I rotori di coda sono più semplici dei rotori principali poiché richiedono solo cambiamenti collettivi del passo per variare la spinta. Il passo delle pale del rotore di coda è regolabile dal pilota tramite i pedali anti-torsione, che forniscono anche il controllo direzionale consentendo al pilota di ruotare l’elicottero intorno al suo asse verticale, cambiando così la direzione di puntamento del mezzo.
Ventola canalizzata
Fenestron e FANTAIL sono marchi di fabbrica per un ventilatore canalizzato montato all’estremità del braccio di coda dell’elicottero e utilizzato al posto di un rotore di coda. I ventilatori canalizzati hanno da otto a diciotto pale disposte con spaziatura irregolare in modo che il rumore sia distribuito su diverse frequenze. L’alloggiamento è integrale con la pelle del velivolo e permette un’alta velocità di rotazione; quindi, un ventilatore canalizzato può avere dimensioni più piccole di un rotore di coda convenzionale.
Il Fenestron fu usato per la prima volta alla fine degli anni ’60 sul secondo modello sperimentale dell’SA 340 della Sud Aviation e prodotto sul successivo modello Aérospatiale SA 341 Gazelle. Oltre a Eurocopter e ai suoi predecessori, un rotore di coda a ventola canalizzata è stato utilizzato anche sul progetto di elicottero militare cancellato, il RAH-66 Comanche dell’esercito degli Stati Uniti, come FANTAIL.
NOTAREdit
NOTAR, acronimo di NO TAil Rotor, è un sistema antitorsione per elicotteri che elimina l’uso del rotore di coda su un elicottero. Anche se il concetto ha richiesto un po’ di tempo per essere perfezionato, il sistema NOTAR è semplice in teoria e fornisce antitorsione nello stesso modo in cui un’ala sviluppa la portanza utilizzando l’effetto Coandă. Una ventola a passo variabile è racchiusa nella sezione poppiera della fusoliera immediatamente davanti alla barra di coda ed è azionata dalla trasmissione del rotore principale. Per fornire la forza laterale per contrastare la coppia in senso orario prodotta da un rotore principale che gira in senso antiorario (visto da sopra il rotore principale), il ventilatore a passo variabile spinge l’aria a bassa pressione attraverso due fessure sul lato destro della trave di coda, causando il downwash dal rotore principale per abbracciare la trave di coda, producendo portanza e quindi una misura di antitorsione proporzionale alla quantità di flusso d’aria dal lavaggio del rotore. Questo è aumentato da un propulsore a getto diretto che fornisce anche il controllo direzionale dell’imbardata, con la presenza di un empennage a superficie fissa vicino alla fine della coda, che incorpora gli stabilizzatori verticali.
Lo sviluppo del sistema NOTAR risale al 1975 quando gli ingegneri di Hughes Helicopters hanno iniziato il lavoro di sviluppo del concetto. Nel dicembre 1981, Hughes ha fatto volare per la prima volta un OH-6A dotato di NOTAR. Un prototipo dimostrativo più pesantemente modificato ha volato per la prima volta nel marzo 1986 e ha completato con successo un programma avanzato di prove di volo, convalidando il sistema per la futura applicazione nella progettazione di elicotteri. Attualmente ci sono tre elicotteri di produzione che incorporano il design NOTAR, tutti prodotti da MD Helicopters. Questo design antitorque migliora anche la sicurezza, eliminando la possibilità che il personale cammini nel rotore di coda.
Un predecessore (di sorta) di questo sistema esisteva nella forma dell’elicottero britannico Cierva W.9, un aereo della fine degli anni ’40 che utilizzava la ventola di raffreddamento del suo motore a pistoni per spingere l’aria attraverso un ugello costruito nel timone di coda per contrastare la coppia del rotore.
Tip jetsModifica
Il rotore principale può essere guidato da tip jet. Tale sistema può essere alimentato da aria ad alta pressione fornita da un compressore. L’aria può o non può essere mescolata con carburante e bruciata in ram-jets, pulse-jets, o razzi. Anche se questo metodo è semplice ed elimina la reazione di coppia, i prototipi che sono stati costruiti sono meno efficienti nel consumo di carburante rispetto agli elicotteri convenzionali. Tranne che per i tip jet azionati da aria compressa incombusta, i livelli di rumore molto elevati sono la ragione più importante per cui i rotori alimentati da tip jet non hanno ottenuto un’ampia accettazione. Tuttavia, la ricerca sulla soppressione del rumore è in corso e potrebbe contribuire a rendere questo sistema praticabile.
Ci sono diversi esempi di rotori a getto di punta. Il Percival P.74 era sottopotenziato e non poteva volare. L’Hiller YH-32 Hornet aveva una buona capacità di sollevamento ma si comportava male per il resto. Altri aerei usavano una spinta ausiliaria per il volo traslazionale in modo che i tip jet potessero essere spenti mentre il rotore si autorotava. Il Fairey Jet Gyrodyne sperimentale, i prototipi passeggeri Fairey Rotodyne da 48 posti e i giroplani composti McDonnell XV-1 volavano bene usando questo metodo. Forse il progetto più insolito di questo tipo era il Rotary Rocket Roton ATV, che era originariamente previsto per decollare utilizzando un rotore con punta a razzo. Il francese Sud-Ouest Djinn utilizzava aria compressa incombusta per azionare il rotore, il che riduceva al minimo il rumore e lo aiutava a diventare l’unico elicottero con rotore con punta a reazione ad entrare in produzione. Lo Hughes XH-17 aveva un rotore azionato dal tip jet, che rimane il più grande rotore mai montato su un elicottero.
Rotori gemelliModifica
I rotori gemelli girano in direzioni opposte per contrastare l’effetto di coppia sull’aereo senza fare affidamento su un rotore di coda antitorsione. Questo permette all’aereo di applicare la potenza che avrebbe spinto un rotore di coda ai rotori principali, aumentando la capacità di sollevamento. Principalmente, tre configurazioni comuni utilizzano l’effetto di controrotazione sui velivoli a rotore. I rotori tandem sono due rotori, uno montato dietro l’altro. I rotori coassiali sono due rotori montati uno sopra l’altro sullo stesso asse. I rotori intermeshing sono due rotori montati uno vicino all’altro con un angolo sufficiente per permettere ai rotori di intrecciarsi sopra la parte superiore dell’aereo. Un’altra configurazione – trovata sui convertiplani e su alcuni primi elicotteri – è chiamata rotori trasversali, dove un paio di rotori sono montati ad ogni estremità di una struttura tipo ala o outrigger.
TandemEdit
I rotori in tandem sono due gruppi di rotori principali orizzontali montati uno dietro l’altro. I rotori tandem ottengono cambiamenti di assetto per accelerare e decelerare l’elicottero attraverso un processo chiamato passo ciclico. Per il passo in avanti e l’accelerazione, entrambi i rotori aumentano il passo nella parte posteriore e riducono il passo nella parte anteriore (ciclico) mantenendo la stessa coppia su entrambi i rotori, il volo laterale si ottiene aumentando il passo da un lato e riducendo il passo dall’altro. Il controllo dell’imbardata si sviluppa attraverso il passo ciclico opposto in ogni rotore. Per girare a destra, il rotore anteriore si inclina a destra e quello posteriore a sinistra. Per girare a sinistra, il rotore anteriore si inclina a sinistra e quello posteriore a destra. Tutta la potenza del rotore contribuisce alla portanza, ed è più semplice gestire i cambiamenti nel centro di gravità avanti-indietro. Tuttavia, richiede la spesa di due grandi rotori piuttosto che il più comune un grande rotore principale e un rotore di coda molto più piccolo. Il Boeing CH-47 Chinook è il più comune elicottero con rotore in tandem.
CoassialeModifica
I rotori coassiali sono una coppia di rotori montati uno sopra l’altro sullo stesso albero e che girano in direzioni opposte. Il vantaggio del rotore coassiale è che, nel volo in avanti, la portanza fornita dalle metà che avanzano di ciascun rotore compensa la metà che si ritira dell’altro, eliminando uno degli effetti chiave della dissimmetria della portanza: lo stallo delle pale in ritirata. Tuttavia, altre considerazioni progettuali affliggono i rotori coassiali. C’è una maggiore complessità meccanica del sistema del rotore perché richiede collegamenti e piatti oscillanti per due sistemi di rotori. Inoltre, poiché i rotori devono ruotare in direzioni opposte, l’albero è più complesso, e i collegamenti di controllo per i cambiamenti di passo al sistema rotore superiore devono passare attraverso il sistema rotore inferiore.
IntermeshingEdit
Intermeshing rotors on a helicopter are a set of two rotors turning in opposite directions with each rotor mast mounted on the helicopter with a slight angle to the other so that the blades intermesh without colliding. Questa configurazione è talvolta chiamata sincroforo. I rotori intermeshing hanno un’alta stabilità e una potente capacità di sollevamento. La disposizione è stata sperimentata nella Germania nazista nel 1939 con il progetto di successo Flettner Fl 265 di Anton Flettner, e poi messo in produzione limitata come il successo Flettner Fl 282 Kolibri, usato dalla Kriegsmarine tedesca in piccoli numeri (24 cellule prodotte) come un elicottero leggero sperimentale per la guerra antisommergibile. Durante la guerra fredda, una società americana, la Kaman Aircraft, produsse l’HH-43 Huskie per le missioni di soccorso e antincendio dell’USAF. L’ultimo modello Kaman, il Kaman K-MAX, è un design dedicato alle gru da cielo.
TrasversaleModifica
I rotori trasversali sono montati all’estremità delle ali o degli stabilizzatori perpendicolarmente al corpo dell’aereo. Simile ai rotori tandem e ai rotori intermeshing, il rotore trasversale utilizza anche il passo collettivo differenziale. Ma come i rotori intermeshing, i rotori trasversali usano il concetto per i cambiamenti nell’assetto di rollio del rotore. Questa configurazione si trova su due dei primi elicotteri praticabili, il Focke-Wulf Fw 61 e il Focke-Achgelis Fa 223, così come il più grande elicottero del mondo mai costruito, il Mil Mi-12. È anche la configurazione che si trova sui convertiplani come il Bell-Boeing V-22 Osprey e l’AgustaWestland AW609.
Quad rotorEdit
Etienne Oehmichen, Parigi, Francia, 1921 Source
A quad rotor or quadrotor comprises four rotors in an “X” configuration. Rotors to the left and right are in a transverse configuration while those in the front and to the rear are in a tandem configuration.
An advantage of quad rotors on small aircraft such as drones is the opportunity for mechanical simplicity. A quadcopter using electric motors and fixed-pitch rotors has only four moving parts. Passo, imbardata e rollio possono essere controllati cambiando la portanza relativa delle diverse coppie di rotori senza cambiare la portanza totale.
Le due famiglie di profili alari sono
- profili alari simmetrici
- profili alari asimmetrici
Le pale simmetriche sono molto stabili, il che aiuta a mantenere la torsione delle pale e i carichi di controllo del volo al minimo.Questa stabilità si ottiene mantenendo il centro di pressione virtualmente invariato mentre l’angolo di attacco cambia. Il centro di pressione è il punto immaginario sulla linea di corda dove la risultante di tutte le forze aerodinamiche sono considerate concentrate.Oggi, i progettisti usano profili più sottili e ottengono la rigidità richiesta utilizzando materiali compositi.
Inoltre, alcuni profili sono asimmetrici nel design, cioè la superficie superiore e inferiore non hanno la stessa curvatura.Normalmente questi profili non sarebbero così stabili, ma questo può essere corretto piegando il bordo di uscita per produrre le stesse caratteristiche dei profili simmetrici. Questo è chiamato “reflexing”. Utilizzando questo tipo di pala del rotore allowsthe sistema rotore di operare a velocità superiore forward.One delle ragioni una pala del rotore asimmetrico non è come stabile è che il centro di pressione cambia con cambiamenti in angolo di attacco. Quando il centro della forza di sollevamento della pressione è dietro il punto di rotazione su una pala del rotore, tende a causare il disco del rotore per pitch up. Quando l’angolo di attacco aumenta, il centro di pressione si sposta in avanti; se si sposta davanti al punto di rotazione, il passo del disco del rotore diminuisce. Dal momento che l’angolo di attacco delle pale del rotore cambia costantemente durante ogni ciclo di rotazione, le pale tendono a sbattere, piume, piombo e fluttuare in misura maggiore.