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Questo articolo è stato pubblicato su “SCIENZA E MESTIERI”, la rivista dell’Ordine degli Ingegneri di Trento

Ciò che mi spinge a scrivere questo articolo è la passione per gli elicotteri ed il desiderio di parlare di qualcosa di positivo con cui sono venuto a contatto. Mi spiego meglio: seguendo l’informazione che viene dai mass media ho l’impressione che ciò a cui viene dato risalto sono solo le cose negative, al contrario io ritengo che ci siano aspetti positivi della nostra vita di cui non ci rendiamo conto, persone che tutti i giorni si prodigano per aiutare gli altri, macchine create per aiutare le persone e che senza le quali tante vite non potrebbero essere salvate. Tutto questo si concretizza nell’elisoccorso di Trento, realtà con cui sono venuto a contatto tramite il mio vicino di casa ed amico Giovanni Prisma, che presta servizio come infermiere. Dapprima sono andato a trovarlo a Mattarello spinto dalla voglia di vedere da vicino gli elicotteri, mi sono poi reso conto che il velivolo è la parte meccanica di qualcosa che ha un cuore. Questo cuore è composto da cinque elementi: il pilota, il motorista, il TE (tecnico elisoccorritore del soccorso alpino), il medico rianimatore e l’infermiere. Ognuno di loro svolge un compito ben preciso: il pilota ed il motorista si occupano del pilotaggio, il tecnico di elisoccorso è la figura centrale che ha il compito di coordinare l’intervento e di garantire la sicurezza di tutti, soccorritori e feriti, il medico e l’infermiere hanno il compito di intervenire sull’infortunato in maniera da stabilizzarne le condizioni per rendere possibile l’imbarco sull’elicottero, che molto spesso avviene tramite il verricello, essendo impossibile atterrare. L’équipe riceve le istruzioni per effettuare l’intervento dalla COP118 (Centrale Operativa Provinciale) che ha il compito di raccogliere le segnalazioni e mandare in soccorso i mezzi adeguati a gestire di volta in volta le emergenze.

Detta così sembra in fondo qualcosa di “normale” ma vi assicuro che non lo è: si tratta di una miscela di competenze, tecnologie e, perché no, generosità davvero straordinaria se la osserviamo da vicino. Ok, le persone sono pagate per fare questo, tuttavia io ritengo che chi accetta di mettere la propria vita in gioco per salvarne delle altre, mettendosi su di un elicottero, non lo faccia esclusivamente per denaro.

Per completare il quadro parlerò della parte tecnologica: l’elicottero.

Chiunque di noi ne ha visto volare uno almeno una volta ma quello che magari non è evidente è che si tratta della macchina volante più versatile ed anche più instabile che sia mai stata costruita. Pertanto molto difficile da pilotare.

A questo punto possiamo passare ad illustrane il funzionamento ed i principi fisici sfruttati. Lo faremo in maniera non troppo rigorosa, rimandando l’approfondimento a siti internet e pubblicazioni specifiche che indicherò in bibliografia. Nella configurazione più nota l’elicottero ha un rotore principale con asse verticale, proprio sopra la cabina di pilotaggio, ed uno ad asse orizzontale, più piccolo, in coda.

Il rotore principale ha il compito di generare la spinta di sostentamento ed è la parte più complessa sia dal punto di vista fisico che tecnologico. Per capirne il funzionamento possiamo vederlo come un disco rotante che provoca una variazione di velocità in senso assiale nella colonna cilindrica di aria che lo sovrasta spingendola verso il basso, un po’ come un compressore assiale. Questo approccio prende il nome di “teoria del disco attuatore”. L’aria è così assoggettata ad una variazione della propria quantità di moto che fa nascere una spinta verso l’alto agente perpendicolarmente al rotore e quindi sull’elicottero, secondo il terzo principio della dinamica
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Il principio fisico sfruttato può essere analizzato, in prima approssimazione, mediante l’equazione di Bernoulli. Finché il disco in parola si mantiene orizzontale, il velivolo si trova in condizioni di volo verticale (climbing) con la spinta generata che supera la il peso proprio dell’elicottero provocandone una accelerazione verso l’alto, o in volo stazionario (hovering)quando la spinta ed il peso si eguagliano. Per ottenere i volo traslato occorre inclinare il disco rotore verso la direzione di traslazione voluta in maniera da far nascere la componente orizzontale necessaria alla traslazione. In questo caso per ottenere in volo livellato occorre aumentare la spinta dal momento che essa adesso viene scomposta in due componenti: quella orizzontale per la traslazione e quella verticale per sostentare il velivolo. Va da sé che, partendo da una condizione di volo stazionario la semplice inclinazione del rotore ci restituisce una componente verticale non più sufficiente al sostentamento dell’aeromobile, da qui la necessità di aumentare la spinta.tecnica2

La funzione del rotore di coda può essere facilmente compresa pensando al rotore non come un disco attuatore ma analizzando l’interazione delle pale che lo compongono con l’aria. Ognuna delle pale può essere vista come un profilo alare con un angolo di incidenza non nullo rispetto alla corrente fluida generata dal moto relativo: in questo caso si ha il fenomeno della portanza, il profilo alare è soggetto ad una forza che avrà una componente orizzontale ed una verticale. Ricordando però che la pala ruota attorno all’asse del rotore, la componente verticale genera la spinta di sostentamento quella orizzontale fa nascere una coppia. Quest’ultima può essere vista come un effetto indesiderato, farebbe infatti ruotare la fusoliera dell’elicottero se non ci fosse il rotore di coda (per il quale vale quanto detto per il rotore principale mutatis mutandis) a fornire una spinta orizzontale che, moltiplicata per la distanza tra gli assi dei rotori, dà vita ad un momento in grado di contrastare la coppia generata dal rotore principale. In entrambi i casi ovviamente la spinta generata è proporzionale alla velocità di rotazione del rotore ed è importante non superare la condizione di stallo della pala (o ala rotante) che annullerebbe la portanza.tecnica3

 

L’aumento e la gestione della spinta verticale per il decollo, il climbing e l’hovering vengono ottenute facendo ruotare la pala  del rotore principale attorno al proprio asse longitudinale, ortogonale all’asse del rotore: in questo modo varia l’angolo di incidenza della pala e quindi la sua portanza. La pala descrive così un’elica di cui andiamo a variare il passo. Il valore del passo imposto non varia sui 360° del disco rotore. Per questa ragione questo comando prende il nome di “collettivo”. Contemporaneamente aumenta la coppia del rotore che  deve essere equilibrata dal momento generato dal rotore di coda. Questo viene ottenuto regolando opportunamente il passo del rotore di coda (mediante la pedaliera), esattamente come si fa per il rotore principale.

Per ottenere l’inclinazione del disco rotore si ricorre ad una sorta di artifizio dato che l’elevato momento di inerzia impedirebbe una rotazione vera e propria dell’asse. Mentre il comando collettivo agisce su tutto il disco rotore (descritto dalle pale nella loro rotazione) il comando “ciclico” impone una variazione di passo “localizzata” sul giro: la portanza aumenta nel settore in corrispondenza del muso dell’elicottero (o comunque nella direzione dello spostamento desiderata), per generare la componente di forza orizzontale, necessaria al volo traslato orizzontale.

In realtà il moto della pala è soggetto agli effetti della precessione, il che significa che deve essere applicato a 90° in anticipo.tecnica4

Accenniamo ora a due fenomeni che complicano ulteriormente il moto della pala in volo traslato: la differenza di velocità relativa tra la pala avanzante e quella retrocedente e la accelerazione di Coriolis. Nel primo caso, in volo avanzato, pensando di guardare il disco rotore dall’alto, che ruota in verso antiorario si ha la pala destra che avanza contro il moto e quella sinistra che retrocede. Ciò in mancanza di correzioni provoca una differenza di portanza tra le due metà del disco rotore che si traduce in un momento che ribalterebbe l’aeromobile. Questo effetto viene corretto mediante il flappeggio: la pala può muoversi ortogonalmente al piano del disco rotore, attorno ad una cerniera orizzontale all’estremità vincolata della pala stessa.
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Quello che succede è che lungo il giro che la pala fa attorno all’asse si dispone secondo la risultante tra la forza centrifuga, la portanza, il suo peso proprio.tecnica7

L’effetto è una correzione della dissimmetria nella portanza: gli angoli di incidenza si modificano in quanto nel tratto avanzante la pala flappeggia verso l’alto e nel tratto retrocedente verso il basso. Gli angoli di incidenza reali, dati dalla composizione della velocità relativa e di trascinamento danno luogo alla portanza che composta vettorialmente con la forza peso e la forza centrifuga, danno luogo alla configurazione di equilibrio che annulla la dissimmetria delle portanze.

L’accelerazione di Coriolis è data dal prodotto vettoriale della velocità relativa e la velocità angolare e provoca un moto di brandeggio attorno all’asse verticale di incernieramento della pale, non coincidente con l’asse del rotore. Bisogna precisare che quanto esposto riguarda il caso generale di un rotore con la pala munita di cerniere, che prende il nome di rotore articolato. Nel caso presente il nostro elicottero ha un rotore “hingeless” cioè senza cerniere: i movimenti della pala sono ottenuti mediante la deformazione di una parte che si trova alla radice della pala, progettata per lo scopo. Inoltre il rotore di coda è come intubato, questa soluzione prende il nome di “FENESTRON”

Modernamente gli elicotteri sono mossi da motori a turbina che assicurano un rapporto peso/potenza ragguardevole. Nel nostro caso si tratta di un Eurocopter “DAUPHIN” AS 365N3

ed  è dotato di due motori Turbomeca per una potenza complessiva di 737sHP, ha un peso al decollo pari a 4250 kg, è lungo 11,6m ed ha un rotore del diametro di 11,9m. L’autonomia è di 860km per 4h di volo ed una velocità massima di 287km/h.

Questo per dare un’idea della complessità dell’elicottero e dello sforzo necessario per il pilotaggio.

Tutte le volte che ne vedo volare uno penso che sto osservando una sorta di miracolo tecnologico, per realizzare il quale sono stati risolti un numero quasi infinito di problemi.

Però senza questo mezzo non sarebbe possibile intervenire tempestivamente in situazioni di emergenza in un territorio “difficile” come quello del trentino.

Come mi faceva notare Giovanni Prisma, oltre ai mezzi + avanzati ciò che è determinante è sempre l’aspetto legato al comportamento di chi chiama il 118: se non vengono forniti pochi ma essenziali dati (LUOGO DELL’EMERGENZA, NUMERO DI PERSONE COINVOLTE E LORO CONDIZIONI per esempio) è impossibile approntare qualunque azione efficace. Sarebbe importante ricordarsene qualora veniamo coinvolti in situazioni di emergenza. Infatti il soccorritore occasionale può fare molto sul luogo dell’emergenza a condizione che mantenga la calma, che conosca un minimo di nozioni di primo soccorso sempre sotto la guida della centrale operativa con cui è bene mantenere il contatto anche dopo aver lanciato l’allarme, Proprio per sensibilizzare la popolazione e far conoscere le tematiche legate alle emergenze, il 118 è costantemente impegnato in iniziative di formazione rivolte soprattutto alle scuole.

Infine chi volesse provare l’esperienza del volo può farlo con un pc e molta fantasia, con uno dei software di simulazione di volo oggi in commercio, oppure recarsi presso il museo “Caproni” di mattarello, proprio nei pressi dell’aeroporto e visitare la mostra “prova a volare”, fino all’11 gennaio 2009, e farsi guidare lungo il percorso espositivo per vedere gli aerei dal vero prima, e provare la simulazione di volo nelle varie postazioni poi. È possibile provare il volo a vela, passando al Cessna fino ad arrivare ai grossi aerei commerciali tipo Boeing 777. C’è anche una sezione dedicata alla storia della simulazione con alcuni apparati creati per l’addestramento a terra dei piloti

Per saperne di più si può visitare il sito: http://www.museocaproni.it/

BIBLIOGRAFIA:

ARRA MICHELEL’elicottero – Aerodinamica – Prestazioni – Controllo – Sistemi – HOEPLI

Basic Helicopter Aerodynamics: An Account of First Principles in the Fluid Mechanics and Flight Dynamics of the Single Rotor Helicopter (Aiaa Education Series) by J. Seddon and Simon Newman (Hardcover – Jul 1, 2001)

SITI INTERNET:

www.x-plane.com

www.hovercontrol.com

www.eurocopter.com

fsx

 

 

 

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