Variazione della Portanza e della Resistenza in funzione dell’angolo di attacco.
La portanza e la resistenza di un profilo dipendono da tre fattori:
Equazioni della resistenza e della portanza;
Angolo di attacco;
Configurazione dell’ala - Per l’ala fissa l’uso di slats, flaps e spoilers influenza
considerevolmente la portanza e la resistenza.
Un incremento dell’angolo d’attacco porterà ad un incremento della portanza
connesso ad un incremento della resistenza, ma questo è vero solo fin a un
determinato punto. L’angolo al quale la portanza raggiunge il suo massimo è subito
prima dell’angolo di stallo, dopo di questo, la portanza decresce rapidamente e la
resistenza aumenta bruscamente.
Angolo di stallo
Quando aumenta l’angolo d’attacco, il flusso d’aria trova maggiore difficoltà a
rimanere laminare sul dorso.
C’è un punto di transizione nella parte posteriore del dorso in cui il flusso d’aria da
laminare si trasforma in turbolento ,e quando l’angolo d’attacco aumenta questo
punto si sposta in avanti.
A circa 15° di angolo d’attacco (con ala pulita), il flusso d’aria non può più a lungo
rimanere laminare sul dorso, si separerà e diverrà turbolento. Ciò distruggerà la
portanza in quest’area e la resistenza aumenterà bruscamente. A questo punto si dice
che il profilo è in stallo. Il profilo non è più a lungo capace di sostenere il peso
dell’aereo (sebbene ci sia ancora un po’ di portanza) e perde rapidamente quota.
L’a/m scenderà rapidamente e l’altimetro si riavvolgerà velocemente. Il pilota non
può far nulla per prevenirlo ed il recupero consiste nello spingere la manetta in avanti
(più potenza) , spingendo la barra in avanti ( mettendo giù il muso per dare più
velocità a seguito della diminuzione dell’angolo di attacco).
Allorché si è ristabilito il normale flusso attorno all’ala il pilota tira la barra e rialza il
muso dell’a/m. Questo processo fa perdere parecchia altitudine ed i tests di stallo
vengono effettuati a sufficiente altitudine per permettere il recupero.
Lo stallo è di solito accompagnato da buffeting (dovuto alla turbolenza), talvolta
perdita di controllo e problemi ai motori. La perdita di controllo può essere dovuta
alla turbolenza che investe gli alettoni e talvolta gli elevoni. (aria turbolenta
proveniente dalle ali). Gli elevoni sono superfici di controllo che combinano le funzioni di
equilibratore (adoperato per il controllo del rollio) e di alettone (adoperato per il controllo del rollio) da ciò
il nome. Sono usati frequentemente sugli a/m privi di coda come vere e proprie ali. Un elevone che non fa
parte dell’ala ma che invece è una separata superficie di coda è lo stabilatore. La parola elevon è la
combinazione di elevator e aileron.
Gli elevoni son installati nelle due semiali sul bordo d’uscita. Quando sono mossi nella stessa direzione
(sopra o sotto) daranno origine ad una forza che causerà un moto di beccheggio (cabrata o picchiata).
Quando sono mossi in maniera differenziata (uno su, l’altro giù) daranno origine ad una forza che causerà
un rollio. Queste forze possono essere applicate simultaneamente da un appropriato posizionamento degli
elevoni as es. un elevone completamente giù e l’altro parzialmente giù.
Un a/m dotato di elevoni è controllato come se il pilota avesse a disposizione separatamente l’equilibratore
e l’alettone, controllati dalla barra. Gli inputs per i due controlli sono mescolati meccanicamente o
elettronicamente per provvedere a dare una appropriata posizione per ogni elevone.
Furono anche usati sul Concorde.
Uno stabilator (stabilizer – elevator, stabilizzatore – equilibratore o anche piano di coda completamente
mobile o coda tutta volante) è una superficie di controllo che combina le funzioni di un equilibratore e di
uno stabilizzatore orizzontale. La maggior parte degli a/m ad ala fissa controllano il beccheggio adoperando
un flap orizzontale - l’equilibratore - fissato su cardini alla parte posteriore del piano stabilizzatore
orizzontale fisso, ma alcuni a/m hanno l’intero stabilizzatore mobile.
Nei motori a getto montati posteriormente, l’aria turbolenta proveniente dalle ali può
talvolta causare lo stallo dei motori (aria turbolenta all’aspirazione che provoca lo
stallo delle palette del compressore. Con lo stallo dei motori e l’inefficienza degli
equilibratori l’a/m è in serio pericolo. Questo è chiamato Super Stallo con l’a/m che
precipita in maniera quasi piatta con poche possibilità di recupero da parte del pilota.
Dato che il cosiddetto fenomeno del "superstallo" è una diretta conseguenza di un altro fenomeno, detto "pitch-up",
che affligge le ali a freccia, prima di parlare del superstallo è opportuno trattare le cause e gli effetti del pitch-up
(letteralmente: "cabra su").
L'ala a freccia è adatta a raggiungere una maggior velocità massima, però presenta anche la tendenza a stallare prima
alle estremità; la perdita di portanza alle estremità fa sì che il Centro di Pressione dell'ala si sposti in avanti, generando
un momento cabrante. La generazione di portanza si concentra nella parte interna dell'ala, causando in quella zona un
downwash di maggiore intensità che va ad investire i piani di coda, aggiungendo un ulteriore momento cabrante.
Questo effetto può essere ridotto collocando il piano di coda più in basso possibile, allineato con la corda alare o
addirittura sotto, in modo da portarlo in una zona meno influenzata dal downwash alare.
Per quanto detto sopra, non appena l'ala inizia a stallare, l'aeroplano cabra bruscamente, aumentando ancora di più
l'angolo di incidenza e quindi peggiorando ulteriormente il fenomeno; è chiaramente una situazione cosiddetta di
"divergenza". Un simile comportamento allo stallo è evidentemente indesiderato e inaccettabile e può portare alla
completa perdita di controllo in beccheggio, e il recupero del controllo del velivolo può essere molto difficile o in certi
casi addirittura impossibile.
Veniamo quindi al cuore del nostro argomento, il superstallo.
Ricapitolando, un'ala a freccia positiva tende a stallare prima verso le estremità. Dato che le estremità sono situate
dietro al baricentro, la perdita di portanza alle estremità provoca un rapido incremento dell'assetto longitudinale, e di
conseguenza un ulteriore aumento dell'angolo d'incidenza. Questo aumento spontaneo dell'angolo d'incidenza,
causato dal pitch-up, fa sì che la zona di ala stallata si estenda sempre più. La resistenza aumenta velocemente, la
portanza diminuisce, e il velivolo comincia a perdere quota ad un assetto costante "a muso alto". Ciò causa un
ulteriore rapido incremento dell'angolo d'incidenza.
Se il piano di coda orizzontale è montato alla sommità della deriva, cioè ha la configurazione detta "a T", finirà proprio
immerso nella zona di flusso separato che arriva dall'ala stallata, in cui l'aria presenta forte turbolenza e poca energia.
L'efficacia dell'equilibratore risulta fortemente ridotta, col risultato che il pilota non riesce più a diminuire l'angolo di
incidenza. L'aeroplano è diventato stabile in quella condizione di volo, conosciuta come super-stallo, o stallo profondo.
La cosa più importante da sottolineare per comprendere la vera natura del fenomeno è proprio che il velivolo non
viene portato fino all'assetto di superstallo dai comandi di volo, ma ci si porta da solo; se fossero i comandi di volo a
portarlo nell'assetto di superstallo, non ci sarebbe motivo per cui non potessero anche farlo uscire. Invece l'aereo
raggiunge l'assetto di superstallo per colpa del fenomeno del pitch-up, una volta che i comandi di volo l'hanno portato
ad un'incidenza per così dire "di innesco". Chiaramente, questo fenomeno è provocato dalla combinazione di due
fattori: l'ala a freccia positiva e gli impennaggi a T; dei due, l'ala a freccia è il fattore che contribuisce maggiormente.
La tendenza di un'ala a freccia positiva a presentare il fenomeno del pitch-up può essere ridotta adottando dispositivi
aerodinamici che minimizzano lo scorrimento laterale dello strato limite; tali dispositivi (alette antiscorrimento,
generatori di vortici, denti di sega) ritardano lo stallo delle estremità alari, e quindi bloccano il fattore scatenante del
super-stallo.
Inoltre, una protezione dallo stallo profondo si può ottenere facendo in modo che le radici alari stallino per prime; ciò
si può ottenere mediante l'applicazione al bordo d'attacco delle radici alari di piccoli prismi triangolari metallici,
oppure usando alla radice un profilo diverso, oppure ancora adottando ipersostentatori tipo Kruger anziché tipo slat
nella porzione più interna del bordo d'attacco delle semiali. Velivoli quali il DC-9, l'MD-80, il Boeing 727, i Fokker 28,
100 e 70 e quasi tutti i jet regionali ed executive hanno ali a freccia e impennaggi a T, per cui sono soggetti al
fenomeno del super stallo. Pertanto, sono equipaggiati con un dispositivo che impedisce loro di stallare: questo
dispositivo è lo stick pusher. Una volta che un aereo come quelli sopracitati comincia a stallare, è già tardi; la
progressione verso lo stallo profondo è troppo rapida per essere contrastata dalla reazione del pilota, e una volta che
l'aereo è entrato in super-stallo, non ne può più uscire. Lo stick pusher entra in azione prima che l'aereo inizi a stallare,
ad un prescritto margine di sicurezza (di solito ad una velocità di 1,05 V s; un pistoncino spinge in avanti la cloche, e di
conseguenza tutta la catena di comando longitudinale fa abbassare il naso dell'aereo fino a fargli raggiungere un
valore dell'angolo d'incidenza ritenuto sicuro; l'inizio dello stallo non può essere mai raggiunto. La forza con cui il
pistoncino spinge è di solito circa 36 kg (80 libbre), considerata sufficientemente efficace ma non esagerata. Esiste la
possibilità di escludere lo stick pusher nel caso che si verifichino dei malfunzionamenti; una volta escluso, di solito il
dispositivo non può essere riattivato in volo.
Incrementando continuamente l’angolo di attacco (senza incrementare la potenza)
fino a quando il profilo stalla non è l’unica possibilità di far stallare un’ ala. Si può
stallare riducendo gradualmente la velocità d’avanzamento anche mantenendo l’a/m
in linea retta in volo livellato. Quando la IAS diminuisce l’a/m volerà più lentamente
e per mantenere la quota l’angolo d’attacco sarà gradualmente incrementato. Ad un
certo punto si raggiungerà una IAS in cui l’ala sarà all’angolo d’attacco di stallo,
l’ala non potrà più sostenere il peso dell’a/m e l’ala stalla. Questa è chiamata velocità
di stallo ed è importante per calcolare la velocità di atterraggio di un a/m. In generale
è preferibile che la velocità di stallo sia la più bassa possibile.
E’ interessante notare che la velocità di stallo è la stessa a tutte le altitudini.
Si noti che nella maggior parte degli a/m ci sono avvisatori di pericolo di stallo
posizionati in cabina di pilotaggio che includono avvisi orali e visuali, sistemi che
scuotono la barra (stick shaker) e stick pushers (che buttano giù il muso dell’a/m ma
il pilota può annullarli se vuole) tutti per avvertire l’avvicinamento allo stallo.
Ricorda che l’angolo d’attacco è l’angolo tra la corda ed il vento relativo. L’a/m con
potenti motori può salire pressoché a qualsiasi angolo rispetto all’orizzontale, ma
l’angolo di attacco deve essere sempre più piccolo di 15° affinché l’ala non sia in
condizioni di stallo.
Il carico alare è il peso (massa) dell’a/m diviso la superficie alare. Per superficie alare
si considera l’area totale dell’ala in pianta compresa quella inclusa nella fusoliera. Per
peso dell’a/m si considera quello all’istante. L’a/m con un basso carico alare ( in
generale aerei leggeri con grande superficie alare, alianti per esempio) possiedono
una più bassa velocità di stallo che porta ad una più bassa velocità d’atterraggio.
Aeroplani con elevato carico alare, quali caccia, possiedono elevate velocità di
atterraggio.
La curva della portanza
La curva della portanza viene rilevata ponendo una sezione di ala in una galleria
aerodinamica, facendo variare gli angoli d’attacco e leggendo la portanza (e la
resistenza) prodotta ad ogni angolo d’attacco. Queste forze possono essere misurate
da bilance a molla o trasduttori piezoelettrici.
La prima lettura è presa a circa -4°, incrementando poi l’angolo di 1°
progressivamente fino a circa 20°. Le letture vengono poi riportate in un grafico in
funzione dell’angolo d’attacco ed il risultato è il grafico seguente che mostra come
partendo da un AoA da 0° fino a 20° il CL varia linearmente partendo da un valore di
0,02 fino ad un massimo di 1,2 corrispondente allo stallo ad un AoA di 15°.
Al punto in cui l’ala stalla, questa perde rapidamente portanza e l’a/m perde quota.
Può verificarsi del Buffeting dovuta all’aria turbolenta proveniente dalle ali che
colpisce le altre parti dell’a/m come i piani di coda e le superfici di controllo. Un’ala
può stallare prima dell’altra provocando un rollio mentre perde quota. Il pilota può
incontrare difficoltà nel controllare l’a/m. Se la parte esterna dell’ala stalla prima
dell’interna allora l’aria turbolenta proveniente dalla parte stallata influenzerà gli
alettoni. Il pilota perderà il controllo del rollio durante lo stallo e questo potrà
condurre ad un avvicinamento alle condizioni di autorotazione(vite) – situazione non
piacevole.
Per prevenire questa situazione le ali di alcuni a/m sono provviste di “stall bar” o
“stall spoiler” montati sul bordo d’attacco nella parte interna dell’ala. Questo fa sì che
la parte interna dell’ala stalli prima dell’esterna, durante lo stallo, aiutando così il
pilota a mantenere il controllo del rollio durante lo stallo.
Questo significa che quando l’a/m stalla c’è una parte interna che stalla e che le altre
sezioni hanno ancora una lamina d’aria che scorre su di loro e che gli alettoni sono
ancora efficienti.
Per riprender dallo stallo il pilota deve riguadagnare velocità e controllo dell’a/m. Per
fare questo spinge la barra in avanti e dà (apre la) manetta.
Immediatamente dopo lo stallo l’a/m perde quota rapidamente, con l’altimetro che
ruota velocemente e la velocità all’aria comincia lentamente ad incrementarsi come
mostrato nell’anemometro(ASI = Air Speed Indicator).
Si spera che ci sia sufficiente altitudine per permettere un sufficiente incremento della
velocità prima che l’altimetro indichi una altitudine troppo bassa ed il GPWS
(sistema di allarme in prossimità del suolo) si metta a suonare.
Quando la velocità si è incrementata sufficientemente il pilota può riguadagnare il
controllo dell’a/m; ritirare la barra, annullando il rateo di discesa e sistemando la
manetta.
Prima che avvenga lo stallo, i sistemi di pericolo di stallo devono aver provveduto ad
avvisi visivi ed audio e devono mettersi in funzione gli “stick shakers” e/o gli “ stick
nudger” così che il pilota abbia il tempo di prevenire lo stallo prima che esso
avvenga.
Su a/m con ala a freccia, se l’ala esterna (verso l’ estremità) stalla prima dell’interna
allora questa perdita di portanza può causare un momento cabrante. Ciò perché questa
parte dell’ala può trovarsi dietro il baricentro sull’asse longitudinale e questo
elemento portante causerà una coppia picchiante. Con la sua rimozione (come nello
stallo di un’ala esterna) il naso può sollevarsi momentaneamente.
