L’elicottero: Come fa a volare questo prodigio?

Abbiamo già parlato di come vola un aereo, e del principio di funzionamento del profilo alare. Il funzionamento di questo è centrale anche nel volo degli elicotteri e dei velivoli ad ala rotante in genere. Ma, viste le peculiarità dell’ala rotante, l’elicottero ha delle necessità particolari.

Queste peculiarità permettono di fare cose che le altre macchine volanti non possono fare, o che possono fare solo con grande dispendio di energia. Una di queste cose è proprio il decollo verticale.

Il decollo verticale

Ormai il decollo verticale non è prerogativa esclusiva dell’elicottero. Esistono infatti aerei VTOL (vertical take-off and landing) o V/STOL (vertical and/or short take off and landing), tra cui convertiplani e, appunto, elicotteri.

Creando un paragone evocativo, gli elicottero fuzionano come i razzi: anch’essi sono a decollo verticale, se si vuole. Il loro funzionamento è semplicemente di creare abbastanza spinta da vincere la forza di gravità. Che poi è proprio quello che fanno tutti i velivoli a decollo verticale. Infatti, l’unico modo per vincere la forza di gravità è avere una forza (almeno) uguale e opposta.

È interessante, però, vedere i processi che generano questa forza. Come per tutto il volo atmosferico, viene generata dal movimento d’aria e dall’aerodinamica. Ci sono due importantissimi parametri del flusso d’aria, che sono il volume d’aria spostato e la velocità dell’aria. Queste due grandezze sono inversamente proporzionali, se una è piccola, l’altra dev’essere grande.

Quindi, se si vuole spostare poca aria, la si deve spostare a una velocità alta, e viceversa. Questa è una cosa molto importante. Infatti, è il motivo della vittoria degli elicotteri e dei convertiplani (che però hanno altri problemi) rispetto ad altri velivoli a decollo verticale. Le pale dell’elicottero muovono una grandissima quantità d’aria.

Al contrario, gli aerei a decollo verticale muovono molta meno aria. Ad esempio, l’Harrier Jump Jet, ha solo quattro ugelli da cui esce l’aria. Di conseguenza, il motore deve espellere l’aria a velocità molto alta.

La soluzione ibrida dell’F-35B

Il nuovo F-35B ha leggermente risolto questo problema. Invece di muovere solo l’aria che sarebbe mossa dal motore, questo aereo è dotato di una grossa ventola, messa in rotazione dal motore. Di conseguenza l’aereo ha a disposizione un maggior volume d’aria.

È importante notare che è sempre meglio muovere più aria meno velocemente, perché l’aria va accelerata alla velocità necessaria. Inoltre, una velocità più alta comporta un dispendio di energia molto maggiore.

Il volo dell’elicottero

La particolarità dell’elicottero, oltre al decollo verticale, è l’ala rotante. Questa locuzione significa che, per sostentare il volo, l’elicottero usa un’ala che non è fissa ma che ruota su sé stessa. Non richiede infatti superfici quali le ali o altre superfici di controllo, anche se alcuni elicotteri ne sono dotati per comodità.

L’ala rotante funziona allo stesso modo in cui funziona un’elica, quale quella degli aerei o delle imbarcazioni. Le pale sono formate da tanti profili alari uno accanto all’altro, funzionando come un’ala. La rotazione delle pale permette di creare la forza aerodinamica necessaria a generare portanza. La portanza a sua volta permette di trasformare velocità e coppia del motore in spinta. La spinta permette di muovere l’aereo o la nave nel caso dell’elica, di staccarsi da terra nel caso dell’elicottero.

Il controllo del volo dell’elicottero

L’elicottero è molto più difficile da controllare in volo rispetto a un aereo, o a un qualsiasi altro velivolo, per le sue particolarità. Infatti, il rotore dell’elicottero da solo permette al velivolo soltanto di sollevarsi da terra.

L’insieme di tutte le pale in volo formano un disco, che si chiama con molta fantasia disco del rotore. Ora, per volare in avanti, il disco del rotore dev’essere inclinato in avanti.

Questo movimento viene attuato da un comando chiamato “passo ciclico” perché muove ciclicamente l’angolo delle pale. A ogni rotazione, quindi, cambierà l’inclinazione della singola pala a seconda dell’angolo di rotazione. Questa operazione è particolarmente complicata. Per colpa della cosiddetta precessione giroscopica, bisogna muovere il ciclico tra i 60 e i 90° prima dell’effetto desiderato.

Per alzarsi e abbassarsi, l’elicottero sfrutta le pale in modo molto simile a un’elica a velocità costante e passo variabile. Quindi, non si deve agire sulla velocità di rotazione del rotore, quanto più sull’angolo di incidenza delle pale.

A seconda che si voglia salire o scendere e, come conseguenza a quanto detto prima, se si vuole andare più o meno veloci, bisogna agire sul collettivo. Questo comando permette di cambiare l’incidenza delle pale tutte allo stesso momento, indipendentemente dalla posizione angolare nella rotazione.

Il rotore di coda nell’elicottero

Una volta che l’elicottero si alza da terra, è attaccato a un grosso disco di acciaio rotante. Alzandosi da terra, perde la reazione data dal terreno che permette di mantenerlo fermo. Di conseguenza, senza nulla che ne impedisca la rotazione, comincerebbe a ruotare su sé stesso in direzione opposta alle pale.

Come si può immaginare, non sarebbe un’esperienza particolarmente edificante. Per questo si usa un rotore di coda. Inoltre, il rotore di coda permette un ottimo controllo della rotta dell’elicottero, molto più fine di quello ottenuto dal movimento del rotore principale.

Non è sempre necessario, ad esempio, il Kamov Ka 50 Black Shark, ha due rotori principali controrotanti che permettono di eliminare la necessità del rotore di coda. Anche altre configurazioni simili, quali i rotori in tandem, rotori intersecanti o trasversali non necessitano del rotore di coda.