Lezioni di Meccanica del Volo 11 - Analisi delle traiettorie in volo manovrato L. Trainelli 1 2 Indice 1 1.1 1.2 1.3 2 2.1 2.2 2.3 2.4 3 3.1 3.2 3.3 3.4 INTRODUZIONE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Equazione generale del moto traslazionale . . . . . . . . . . Fattore di carico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.1 Definizione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.2 Componenti del fattore di carico . . . . . . . . . . . 1.2.3 Limitazioni fisiologiche e strutturali . . . . . . . . . 1.2.4 Requisiti normativi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Esubero di potenza specifico e manovre . . . . . . . . . . . 1.3.1 Bilancio delle potenze . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.2 Manovra simmetrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.3 Polare parabolica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . RICHIAMATA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Considerazioni cinematiche . . . . . . . . . . . . . . . . . . Equazioni del volo simmetrico in un piano verticale . . . . . Richiamata stazionaria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.1 Equazioni della richiamata stazionaria . . . . . . . . 2.3.2 Fattore di carico in richiamata stazionaria . . . . . . Volo parabolico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VIRATA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Considerazioni cinematiche . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tipi di virata . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Virata piatta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.1 Equazioni del volo orizzontale non simmetrico . . . . 3.3.2 Fattore di carico in virata piatta . . . . . . . . . . . Virata corretta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4.1 Equazioni generali del volo orizzontale simmetrico . 3.4.2 Fattore di carico in virata corretta . . . . . . . . . . 3.4.3 Virata sostenuta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4.4 Esecuzione della virata corretta – Virosbandometro . 9 luglio 2008 (Versione 3.1) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 3 4 4 5 7 8 11 11 13 14 15 15 16 17 17 18 18 20 20 20 21 22 23 24 24 25 27 27 1 INTRODUZIONE 3 Problem: Turn & slip indicator ball stuck in center during turns. Action: Congratulations. You just made your first coordinated turn! – one of the ‘QUANTAS squawks’ (from the Internet). 1 INTRODUZIONE In questa sezione consideriamo l’analisi delle traiettorie relative alle condizioni di volo curvilineo, o ‘manovrato’. Si tratta di una classe di condizioni di volo molto vasta che include di fatto ogni situazione in cui si manifesta un’accelerazione normale alla traiettoria, che può determinare un percorso contenuto o meno in un piano. Nel seguito, porremo particolare attenzione alle traiettorie curvilinee contenute in un piano verticale e a quelle contenute nel piano orizzontale. Queste ultime, attraverso le quali il velivolo cambia rotta, sono generalmente dette virate. 1.1 Equazione generale del moto traslazionale L’equazione generale di equilibrio alla traslazione (equazione di bilancio delle forze) in forma vettoriale per il velivolo in volo è: m V̇ = T + F + W, (1) dove T rappresenta la spinta (o trazione), F il risultante delle azioni aerodinamiche (detto talvolta ‘reazione’ aerodinamica), m la massa e W il peso, mentre V è la velocità di volo (velocità all’aria, TAS). Dal momento che, in questa sede, siamo interessati all’analisi delle traiettorie e non del moto di rotazione del velivolo, non ci interessiamo all’equazione di equilibrio alla rotazione (equazione di bilancio dei momenti). Rispetto agli assi dei diversi sistemi di riferimento definiti per il velivolo, possiamo esprimere alcuni dei termini che compaiono nelle equazioni di equilibrio nel modo seguente: • la spinta, supponendo che abbia retta d’azione solidale al velivolo, si scrive T = T ebx , (2) avendo assunto per semplicità l’asse corpo longitudinale (asse di rollio), di versore ebx , proprio coincidente con la direzione della spinta; • il risultante delle azioni aerodinamiche si scrive F = −(D eax + Q eay + L eaz ), (3) 1 INTRODUZIONE 4 dove (D, Q, L) rappresentano rispettivamente la resistenza, la devianza e la portanza, ossia le componenti lungo gli assi vento, di versori (eax , eay , eaz ), cambiate di segno; inoltre, si scrive anche F = X ebx + Y eby + Z ebz , (4) dove (X, Y, Z) rappresentano rispettivamente la forza longitudinale, la forza laterale e la forza trasversale, ossia le componenti lungo gli assi corpo, di versori (ebx , eby , ebz ); • il peso si scrive W = W ehz , (5) dove W = m g, essendo g l’intensità del campo gravitazionale, ossia il modulo dell’accelerazione di gravità g = g ehz , allineata e concorde col versore verticale locale rivolto verso il basso; • la velocità di volo si scrive V = V eax , (6) facendo riferimento agli assi vento, oppure V = V cos α cos β ebx + V sin β eby + V sin α cos β ebz , (7) facendo riferimento agli assi corpo, essendo (α, β) gli angoli d’incidenza e di deriva, o ancora V = V cos χ cos γ ehx + V sin χ cos γ ehy − V sin γ ehz , (8) facendo riferimento agli assi corpo, essendo (χ, γ) gli angoli di rotta e di rampa. Nonostante che alcune delle espressioni precedenti appaiano semplici, il fatto di essere riferite a terne d’assi differenti comporta che le equazioni di equilibrio in forma scalare (ossia le proiezioni dell’eq. 1) rispetto ad ognuno dei sistemi di riferimento siano relativamente complesse. Per questo motivo, non le riportiamo in questa sede, limitandoci in seguito a precisare le espressioni che si ricavano nei casi di interesse. 1.2 1.2.1 Fattore di carico Definizione L’eq. 1 può essere riscritta nella forma seguente: 0 = (T + F) + (W − m V̇), (9) in modo da mostrare l’equilibrio che sussiste tra il risultante delle forze totali di superficie e quello delle forze totali di massa. Tali risultati, infatti, sono dati rispettivamente dalla somma della spinta e del risultante delle azioni aerodinamiche (T+F) e dalla somma del peso e della forza d’inerzia (W−m V̇), essendo 1 INTRODUZIONE 5 quest’ultima definita dal prodotto della massa per l’accelerazione cambiata di segno. Le forze di superficie, dette anche azioni di contatto, sono definite come quelle forze che si esercitano attraverso un’azione di contatto (fondamentalmente quindi attraverso una distribuzione di sforzi) e che pertanto dipendono da una misura di superficie. Si tratta chiaramente dell’insieme delle forze aerodinamiche F, generate dal contatto dell’aria circostante con le superfici esterne del velivolo, e delle forze propulsive T, generate da un simile contatto con le eliche oppure con le superfici interne del propulsore nei motori a getto.1 Le forze di massa, dette anche azioni a distanza, invece sono definite come quelle forze che si esercitano attraverso un’azione a distanza e che pertanto dipendono da una misura di massa. Si tratta chiaramente dell’insieme delle forze gravitazionali W e delle forze d’inerzia del velivolo (−m V̇). Il risultante delle forze di massa è spesso detta peso apparente in quanto è responsabile della sensazione del peso percepito a bordo del velivolo, aumentato o diminuito per effetto della manovra. È chiaro infatti che, mentre le forze di superficie sono applicate alle sole superfici esterne del velivolo, le forze di massa si esercitano sulla struttura del velivolo e su tutto ciò che vi è contenuto (equipaggio e carico, ma anche strumentazione, impianti, etc.). È di fondamentale interesse quindi valutare di quanto il peso apparente si discosti dal peso effettivo al fine di valutare la tollerabilità o meno di una manovra. A questo scopo si definisce il fattore di carico (load factor ) n come il vettore adimensionale dato dal peso apparente del velivolo diviso il suo peso effettivo: n := 1 (W − m V̇). W (10) Notiamo che risulta 1 1 (g − V̇) = ehz − V̇, (11) g g il che mostra che il fattore di carico risulta pari a ehz (con intensità pari a 1) in condizioni di volo rettilineo uniforme, quando il peso apparente coincide con quello effettivo, mentre quando il volo è accelerato (non necessariamente curvilineo) si discosta da tale valore, tanto in intensità, quanto in orientazione. Il fattore di carico è una grandezza adimensionale e come tale non ha bisogno di un’unità di misura. Tuttavia, nella pratica aeronautica, si fa spesso riferimento ad esso in termini di numero di ‘g’, indicando quindi una manovra a fattore di carico pari a x come una manovra ‘a x-g’. n= 1.2.2 Componenti del fattore di carico Usando l’eq. 10 per il fattore di carico, il risultante delle forze di massa vale W n e quindi il bilancio delle forze può essere posto nella forma (T + F) + W n = 0. 1 (12) In effetti, il meccanismo di generazione delle forze aerodinamiche e di quelle propulsive è il medesimo, cosicché sussiste una certa arbitrarietà nel separare i due termini. In alcune occasioni si fa riferimento alla loro somma come alle forze ‘aeropropulsive’. 1 INTRODUZIONE 6 Tale espressione, esplicitata rispetto a n, viene spesso utilizzata quale definizione stessa del fattore di carico: n=− 1 (T + F). W (13) Per valutare l’entità delle forze di massa a cui è sottoposto il velivolo conviene proiettare il fattore di carico su una terna d’assi solidali. Definiamo le componenti di n rispetto agli assi corpo: nbx := ebx · n, nby := eby · n, nbz := ebz · n. (14) Inserendo le espressioni 2 e 4 nell’eq. 13 abbiamo dunque nbx = − T +X , W nby = − Y , W nbz = − Z . W (15) Ora, delle tre forze (T + X), Y e Z, l’ultima è quella che tipicamente assume i valori maggiori, dato che si tratta della componente della forza aerodinamica perpendicolare al piano dell’ala. Corrispondentemente, il fattore di carico trasversale (o normale), ossia la componente del peso apparente percepito a bordo del velivolo lungo l’asse di imbardata, è quello che assume i valori più elevati. Si tratta perciò di un fattore dimensionante fondamentale nel progetto e nell’operatività di ogni velivolo. Considerando la relazione tra gli assi del riferimento aerodinamico (assi vento) e quelli del riferimento solidale (assi corpo), si può dimostrare che Z = −(D sin α cos β − Q sin α sin β + L cos α). (16) Tale espressione si semplifica significativamente se si assume che il volo si svolga • ad incidenze moderate, α ¿ 1 rad; • a derive moderate, β ¿ 1 rad; • ad efficienze aerodinamiche medie o elevate, E ≥ O(1). Tutte queste condizioni sono ampiamente verificate nella stragrande maggioranza delle condizioni di volo livellato d’interesse. Applicando tali condizioni, si può assumere che la componente legata alla devianza sia del tutto trascurabile dato che è moltiplicata per il prodotto sin α sin β, ossia due numeri piccoli, e che la componente legata alla resistenza sia trascurabile rispetto alla portanza. Infatti, per angoli piccoli abbiamo Z = −(D α − Q α β + L) µ ¶ D = − 1 + α L + Qαβ L ³ α´ =− 1+ L + Q α β. E (17) 1 INTRODUZIONE 7 Sotto le ipotesi precedenti, sia α/E, sia α β risultano ¿ 1 rad e quindi si possono trascurare rispetto a 1. Di fatto, quindi, risulta Z = −L (18) con buona approssimazione. Quindi, il fattore di carico normale coincide col rapporto portanza/peso (lift to weight ratio), normalmente indicato con n: n := L . W (19) Si tratta di un parametro adimensionale di uso molto frequente in Meccanica del Volo, che mostra quale sia l’aggravio imposto da una manovra in termini di portanza necessaria, normalizzata rispetto al valore corrispondente al volo livellato (pari al peso). Nelle condizioni assunte, possiamo dunque confondere il fattore di carico normale col rapporto portanza/peso, nbz = n. (20) D’ora in poi faremo quindi riferimento a n, denominandolo tout court fattore di carico normale. 1.2.3 Limitazioni fisiologiche e strutturali Come abbiamo detto, il fattore di carico è una misura della sollecitazione che agisce sulla struttura del velivolo e su ciò che vi è contenuto. Pertanto, ad esso si applicano delle limitazioni (tipicamente conseguenti a specifiche normative) per garantire la sicurezza del volo: • limitazioni fisiologiche, dovute al fatto che l’organismo umano risente dei valori elevati (positivi e negativi) di accelerazione, producendo malessere, riduzione della capacità di controllare il velivolo ed eseguire la missione, fino alla perdita di coscienza; • limitazioni strutturali, dovute alla resistenza delle strutture e degli equipaggiamenti, nonché alle capacità di funzionamento corretto degli impianti. Le limitazioni fisiologiche, nel caso di fattori di carico longitudinale e laterale, si traducono tipicamente in fastidio e malessere generale, mentre, nel caso del fattore di carico normale (che può assumere valori elevati), si può arrivare a severe riduzioni delle capacità di pilotaggio. Infatti, da un lato, i movimenti stessi per agire sui comandi di volo, ed in particolare sulla barra e sulla manetta, possono risultare parzialmente o totalmente impediti per limiti muscolari, dall’altro condizioni di fattore di carico normale positivo possono portare alla ‘visione nera’ (deflusso del sangue dalla testa verso i piedi), mentre condizioni di fattore di carico normale negativo possono portare alla ‘visione rossa’ (deflusso del sangue dai piedi verso la testa). Oltre un certo limite, poi, si ha la perdita di coscienza. 1 INTRODUZIONE 8 I valori del fattore di carico normale per cui si producono effetti negativi per la sicurezza del volo dal punto di vista fisiologico possono variare leggermente da individuo ad individuo, ed in particolare risentono significativamente di un addestramento mirato (come nel caso dei piloti acrobatici e da caccia). Nel caso di velivoli civili, si tende generalmente ad evitare condizioni di volo che producano fastidi significativi, senza arrivare ai limiti di sicurezza. Dal punto di vista strutturale, il fattore di carico massimo ammissibile, detto fattore di contingenza (ultimate load factor ) tiene conto di tutte le limitazioni strutturali rilevanti (carico a snervamento, fatica, etc.). 1.2.4 Requisiti normativi Diagramma di manovra Le limitazioni sul fattore di carico in condizioni di volo manovrato si compendiano nel diagramma di manovra (maneuvering load factor envelope). In tale grafico, vengono diagrammati i limiti massimi ammissibili per il fattore di carico normale n in funzione della velocità equivalente di volo VEAS , in configurazione pulita (ipersostentatori retratti e carrello retratto). Un diagramma tipico, per quanto riguarda il semipiano n > 0, è costruito come segue: • si disegna la curva corrispondente alle condizioni di stallo per n crescenti con inizio nel punto (VS , 1), essendo VS = VEAS stall la velocità equivalente di stallo in volo livellato; tale curva è un tratto di parabola, dato che L = n W e quindi n= L = W 1 2 1 2 2 ρ0 VEAS S max CL V2 = 2 EAS ; 2 VEAS stall ρ0 VEAS stall S max CL (21) • giunti al valore positivo massimo ammissibile, indicato con n1 , si traccia un segmento orizzontale; il punto iniziale di questo segmento è A = (VA , n1 ), dove con VA si indica la velocità equivalente di stallo alla quale si ottiene n = n1 , √ VA = n1 VEAS stall , (22) detta velocità di manovra di progetto (design maneuvering airspeed ); • il segmento orizzontale di ordinata n1 supera il punto C = (VC , n1 ), dove con VC si indica la velocità di crociera di progetto (design cruising airspeed ) e si arresta nel punto D = (VD , n1 ), dove con VD si indica la velocità di affondata di progetto (design diving airspeed ), che rappresenta la massima velocità consentita nelle normali operazioni di volo; • giunti al valore VD , si traccia una segmento verticale fino ad intercettare l’asse delle ascisse, nel punto E = (VD , 0). Infine, un segmento verticale unisce i punti (VS , 0) e (VS , 1). Per quanto riguarda il semipiano n < 0, il diagramma è completato come segue: 1 INTRODUZIONE 9 • si disegna la curva corrispondente alle condizioni di stallo negativo per |n| crescenti, con inizio nel punto (VN S , −1), dove VN S è la velocità equivalente di stallo in volo livellato rovescio (stallo negativo); tale curva è un tratto di parabola, normalmente diverso da quello del semipiano positivo in quanto lo stallo negativo avviene tipicamente con | min CL | < max CL ; • giunti al valore negativo massimo ammissibile, indicato con n3 , si traccia un segmento orizzontale; il punto iniziale di questo segmento è H = (VH , n3 ), dove con VH si indica2 la velocità equivalente di stallo alla quale si ottiene n = n3 , √ VH = n3 VEAS stall ; (23) • il segmento orizzontale di ordinata n3 si arresta nel punto F = (VF , n3 ), dove con VF si indica la velocità di progetto con ipersostentatori estesi (design airspeed with fully deflected flaps); • il punto F ed il punto E sono convenzionalmente uniti da un segmento di retta. Infine, un segmento verticale unisce il punti (VN S , −1) e (VN S , 0). Il significato del diagramma è il seguente: i punti non compresi nell’area racchiusa dai tratti di curva descritti non sono consentiti, vuoi per motivi aerodinamici (valori di VEAS inferiori a quelli di stallo, positivo o negativo), vuoi per motivi fisiologici o strutturali (valori di n superiori a n1 od inferiori a n3 ), vuoi per motivi di ordine aeroelastico (valori di VEAS superiori alle massime velocità equivalenti consentite). I valori assunti per n1 e n3 variano a seconda del tipo di velivolo: • per velivoli civili non acrobatici, per velivoli militari da trasporto, pattugliamento, etc., valori tipici sono n1 = 2.5, n3 = −1.0; (24) • per velivoli civili acrobatici e per velivoli militari da combattimento valori tipici sono n1 ≥ 7.0, n3 ≤ −3.5. (25) Questi valori sono scalati di un fattore 1.5 rispetto a quelli effettivamente dimensionanti, per ulteriore garanzia. Il diagramma di manovra descritto è uno strumento fondamentale per caratterizzare il velivolo e la sua missione, e viene sempre riportato sul manuale di volo. 2 Questa notazione, di uso frequente in campo tecnico, non deve generare confusione con la notazione identica che si usa, anch’essa in campo tecnico, per indicare la velocità massima in volo orizzontale. 1 INTRODUZIONE 10 Diagramma di raffica Un altro strumento di grande importanza è il diagramma di raffica (gust load factor envelope). In tale grafico, vengono ancora diagrammati i limiti massimi ammissibili per il fattore di carico normale n in funzione della velocità equivalente di volo VEAS , in configurazione pulita (ipersostentatori retratti e carrello retratto), ma questa volta tenendo conto degli effetti di raffiche di vento verticali sul volo livellato. Infatti, nel volo in aria agitata, il velivolo può subire raffiche verticale che ne variano pressoché istantaneamente l’incidenza e quindi il coefficiente di portanza. Supponiamo che il velivolo, in volo livellato, incontri una raffica verticale la cui velocità relativa al velivolo stesso sia U , positiva verso l’alto. L’incidenza passa dal valore di equilibrio ³w´ α = atan , (26) u dove u = V cos α cos β e w = V sin α cos β sono le componenti della velocità lungo gli assi di rollio e d’imbardata, al valore ¶ µ w+U . (27) αg = atan u Come si vede, una raffica ascendente aumenta l’angolo d’incidenza, mentre una raffica discendente la diminuisce. Supponendo che sia α ¿ 1 rad, possiamo linearizzare l’espressione 26 ottenendo w α= , (28) V e supponendo che anche l’effetto della raffica sia piccolo, αg ¿ 1 rad, anche αg = w−U w U U = − =α− . V V V V (29) A comandi bloccati, il coefficiente di portanza del velivolo s’incrementa dunque del valore U ∆CL = CL α (αg − α) = CL α , (30) V e quindi il fattore di carico passa istantaneamente dal valore di equilibrio n = 1 al valore L W 1 2 ρ0 VEAS S (CL + ∆CL ) = 2 1 2 2 ρ0 VEAS S CL CL α U =1+ CL V CL α UEAS =1+ . CL VEAS n= (31) 1 INTRODUZIONE 11 Sostituendo a CL il suo valore di equilibrio, abbiamo n=1+ CL α 2 W 1 2 ρ0 S VEAS UEAS CL α =1+ UEAS VEAS , VEAS A0 (32) dove A0 := ρ20 W S . L’ultima espressione mostra che il fattore di carico, fissata la velocità equivalente della raffica, cresce linearmente con la velocità equivalente a partire dal valore di equilibrio. Ponendo k := CLα UEAS /A0 abbiamo dunque n = 1 + k VEAS , (33) Pertanto, il luogo dei punti (VEAS , n) per una data velocità equivalente di raffica è rappresentato da un fascio di rette passanti per (0, 1). Le normative prevedono dunque una serie di valori ammissibili per le velocità di raffica a seconda delle condizioni di volo, attenuate opportunamente da un fattore di attenuazione di raffica (gust alleviation factor ) Kg che tiene conto del fatto che la raffica non si presenta istantaneamente nella realtà, ma secondo una curva continua. L’espressione del fattore di carico diviene dunque n = 1 + Kg CLα UEAS VEAS . A0 (34) Il diagramma di raffica dunque tiene conto di una velocità di raffica massima ammissibile in condizioni di stallo (normalmente pari a ±66 ft/s, ovvero circa ±20 m/s), una massima ammissibile in condizioni di crociera di progetto alla VC (normalmente pari a ±50 ft/s, ovvero circa ±15 m/s), ed una massima ammissibile in condizioni di affondata di progetto alla VD (normalmente pari a ±25 ft/s, ovvero circa ±7.5 m/s).3 Sul diagramma, questo comporta la definizione del punto B = (VB , nB ), dove con VB si indica la velocità equivalente di stallo alla quale si raggiunge il valore di fattore di carico corrispondente alla massima velocità di raffica ammissibile, detta velocità di progetto per la massima intensità di raffica (design airspeed for maximum gust velocity o anche rough airspeed ). La sovrapposizione dei diagrammi di manovra e di raffica consente di determinare l’effettivo inviluppo del fattore di carico (load factor flight envelope) all’interno del quale dev’essere garantita la sicurezza tanto in relazione a manovre comandate dal pilota, quanto a raffiche di vento dovute a condizioni di turbolenza atmosferica. 1.3 1.3.1 Esubero di potenza specifico e manovre Bilancio delle potenze La possibilità di manovrare è chiaramente legata alla presenza di un esubero di spinta/potenza, ossia alla differenza tra la spinta/potenza disponibile e quella necessaria al volo livellato per uguali condizioni di quota, velocità e peso. 3 I valori riportati sono desunti da un’analisi statistica delle condizioni di turbolenza atmosferica in relazione alle diverse fasi del volo. Inoltre, si riferiscono tipicamente al volo a quote comprese tra il livello del mare e 20000 ft (circa 6100 m). A quote superiori, le normative prevedono una riduzione progressiva di tali valori. 1 INTRODUZIONE 12 Moltiplicando scalarmente l’eq. 1 per il vettore velocità di volo V si ottiene l’equazione di bilancio delle potenze: m V V̇ = Pa − Pr − W Vv , (35) dove Pa := T · V = T V cos α cos β rappresenta la potenza disponibile, Pr := D · V = D V la potenza necessaria relativa alla manovra in esame e Vv = V sin γ la velocità verticale. Definendo l’esubero di potenza specifico (specific excess power, SEP) come la differenza tra potenza disponibile e potenza necessaria al volo livellato per gli stessi valori di (h, V, W ) divisa per il peso, risulta che tale grandezza uguaglia una combinazione di accelerazione lungo la traiettoria e velocità verticale (come si vede nel volo in salita), più un termine legato al fatto che la traiettoria è curvilinea: µ ¶ Pa − Pr LF V Pr − Pr LF = Vv + V̇ + , (36) W g W avendo indicato con Pr LF = DLF V la potenza necessaria al volo livellato. Introducendo la quota totale, o quota energetica (energy height), htot , htot := h + V2 , 2g (37) che rappresenta il rapporto tra l’energia meccanica totale (somma di energia potenziale gravitazionale ed energia cinetica) del velivolo ed il suo peso in un dato istante, è immediato rendersi conto che ḣtot := ḣ + Pertanto, essendo V V̇ . g (38) ḣ = −VGS · ehz . (39) ehz il versore dove VGS rappresenta il vettore velocità al suolo (groundspeed ) e verticale del sistema di riferimento orizzonte locale,4 e ricordando che VGS = V + VWS , (40) dove VWS rappresenta il vettore velocità del vento (windspeed ), otteniamo ḣ = Vv − VWS · ehz . (41) Quindi, in assenza di una componente di vento verticale, VWS · ehz = 0, abbiamo ḣ = Vv e di conseguenza anche ḣtot = Vv + 4 V V̇ . g (42) Ricordiamo che tale versore è normale alla superficie terrestre e diretto verso il basso. 1 INTRODUZIONE 13 Possiamo, perciò, concludere sinteticamente che l’esubero di potenza specifico (SEP) si traduce nella variazione della quota totale del velivolo più il termine legato alla curvatura della traiettoria: Pa − Pr LF Pr − Pr LF = ḣtot + . W W (43) Il termine (Pr − Pr LF )/W è dato dalla differenza tra le componenti indotte delle potenze necessarie relative alla manovra e al volo livellato a pari condizioni di quota, velocità e peso (le componenti passive essendo uguali). Pertanto, essendo le componenti indotte funzione delle forze aerodinamiche normali alla traiettoria, il termine in oggetto è funzione delle componenti normali alla traiettoria del fattore di carico, ossia nay e naz , definiti in base alle equazioni seguenti: nay := eay · n, naz := eaz · n. (44) Per una generica forma della polare, la dipendenza del termine in oggetto da (nay , naz ) non è tuttavia esplicitabile in forma analitica. 1.3.2 Manovra simmetrica Le condizioni di volo simmetriche sono caratterizzate dal fatto che l’angolo di deriva è identicamente nullo, β = 0. (45) Ciò comporta, dal punto di vista cinematico, che i piani xa y a del riferimento aerodinamico e xb y b del riferimento solidale (di simmetria per il velivolo) coincidano, ossia che coincidano i versori ad essi normali, eay ≡ eby . (46) In questo caso, le relazioni tra i versori degli assi nel piano di simmetria del velivolo si riducono alla sola rotazione dell’angolo d’incidenza, eax = cos α ebx + sin α ebz , eaz = − sin α ebx + cos α ebz . (47) Inserendo le espressioni 2 e 4 nell’eq. 13 abbiamo dunque nay = Q , W naz = L . W (48) Dal punto di vista dinamico, assumendo che il piano xb y b sia di simmetria per le azioni aerodinamiche, la devianza risulta identicamente nulla, Q = 0, (49) sicché in una manovra simmetrica. il fattore di carico laterale in assi vento risulta nullo, mentre il fattore di carico normale in assi vento coincide con il rapporto portanza/peso, nay = 0, naz = n. (50) 1 INTRODUZIONE 14 In queste condizioni, per (h, V, W ) fissati, il coefficiente di resistenza CD dipende dal solo fattore di carico normale n. 1.3.3 Polare parabolica Assumiamo per la polare la consueta forma parabolica semplice (valida per condizioni di volo simmetrico) CD (CL ) = CD 0 + K C2L , (51) ed indichiamo con CL LF il coefficiente di portanza corrispondente al volo livellato con identici valori di (h, V, W ), CL LF = 1 2 W A = 2, V ρ V 2S (52) dove 2 W (53) ρ S rappresenta il quadrato di una velocità di riferimento, introdotta per comodità di scrittura.5 In manovra abbiamo L = n W , e quindi A := CL = n CL LF (54) e quindi CD = CD 0 + n2 K CL 2LF ¡ ¢ = CD 0 + K CL 2LF + (n2 − 1) K CL 2LF 2 (55) 2 = CD LF + (n − 1) K CL LF , avendo indicato con CD LF il coefficiente di resistenza corrispondente al volo livellato con identici valori di (h, V, W ). Ciò mostra che la differenza tra i coefficienti di resistenza in manovra simmetrica ed in volo livellato è proporzionale al fattore (n2 − 1), che per valori elevati di n può essere approssimato con n2 . Analogamente, la resistenza in manovra risulta A D = DLF + (n2 − 1) K W 2 , (56) V e la potenza necessaria Pr = Pr LF + (n2 − 1) K W A . V (57) L’eq. 43 dunque risulta, sotto le ipotesi considerate, data da Pa − Pr LF A = ḣtot + (n2 − 1) K . W V (58) 5 Si tratta, evidentemente, della velocità di equilibrio in volo livellato corrispondente a CL = 1. 2 RICHIAMATA 15 L’esubero di potenza specifico (SEP) dunque può tradursi in una combinazione di variazioni della quota totale (ossia di quota e/o velocità di volo) e di curvatura della traiettoria. Nel caso di mantenimento della quota totale, come nel volo orizzontale stazionario, il fattore di carico risulta quindi legato all’esubero di potenza specifico secondo la relazione seguente: n2 = 1 + 1 V Pa − Pr LF K A W (59) e quindi, a parità di SEP, n risulta tanto maggiore, quanto più sono elevata la velocità, bassa la quota, basso il carico alare ed elevato l’allungamento alare. 2 2.1 RICHIAMATA Considerazioni cinematiche Ci interessiamo della manovra simmetrica del velivolo nel piano verticale (in queste condizioni, il piano verticale coincide con il piano di simmetria materiale del velivolo). Si tratta di una manovra compiuta allo scopo di cambiare angolo di rampa γ, definito come l’angolo formato dalla velocità di volo col piano orizzontale xh y h : γ := −asin(ehz · eax ). (60) Ricordiamo che, attraverso l’angolo di rampa, la velocità verticale Vv (positiva verso l’alto) e la velocità orizzontale Vh si scrivono Vv = V sin γ, Vh = V cos γ. (61) L’angolo di rotta è costante e può essere posto pari a zero per comodità. In generale l’accelerazione si scrive V̇ = V̇ et + ω V en , ω ≥ 0, (62) rispetto ai versori del triedro intrinseco (et , en ), detti rispettivamente versore tangente e versore normale principale alla traiettoria. Quando ω = +γ̇, abbiamo en = −eaz , mentre quando ω = −γ̇, abbiamo en = +eaz ; essendo et ≡ eax abbiamo, rispetto agli assi vento, V̇ = V̇ eax − γ̇ V eaz . (63) La manovra è detta richiamata (pull-up) se porta ad un aumento dell’angolo di rampa, γ̇ > 0, affondata (push-over ) se porta ad una diminuzione dell’angolo di rampa, γ̇ < 0. Se la richiamata o l’affondata sono sostenute per un giro completo dell’angolo di rampa, si parla di una gran volta (loop), rispettivamente positiva o negativa. 2 RICHIAMATA 2.2 16 Equazioni del volo simmetrico in un piano verticale Le equazioni di equilibrio alla traslazione relative ad un generico volo accelerato simmetrico nel piano verticale sono le seguenti: m V̇ = T cos α − D − W sin γ, m V γ̇ = T sin α + L − W cos γ, (64) dove T rappresenta la spinta (o trazione), D la resistenza aerodinamica, L la portanza, m la massa e W = m g il peso, mentre V è la velocità di volo e γ l’angolo di rampa. Queste equazioni rappresentano, nell’ordine, il bilancio delle forze in direzione tangenziale al moto (ossia la direzione del vettore velocità di volo V) ed il bilancio delle forze in direzione normale al moto. Le ipotesi che soggiaciono alla scrittura delle equazioni precedenti sono • volo simmetrico (β = 0), per cui tutte le azioni latero-direzionali sono nulle e l’equazione di equilibrio alla traslazione laterale si riduce ad un’identità banale. Si è inoltre assunto per comodità l’asse corpo longitudinale coincidente con l’asse orientato del vettore spinta T. Le eq. 64 si semplificano significativamente se si assume che il volo si svolga • ad incidenze moderate, α ¿ 1 rad; • ad efficienze aerodinamiche medie o elevate, E ≥ O(1). Bisogna notare che queste condizioni non sono sempre verificate in una richiamata, in quanto comandando la barra non è difficile avvicinarsi alle condizioni di stallo e quindi ad incidenze elevate ed efficienze relativamente ridotte. Ad ogni modo, quando è lecito assumere tali condizioni, le equazioni di equilibrio alla traslazione si semplificano nelle seguenti: m V̇ = T − D − W sin γ, m V γ̇ = L − W cos γ. (65) Data l’eq. 652 , sostituendo alla portanza il prodotto del peso e del fattore di carico normale, L = n W , otteniamo n= V γ̇ + cos γ. g (66) Quest’equazione mostra che il fattore di carico in richiamata può variare nel tempo, anche considerevolmente. 2 RICHIAMATA 2.3 2.3.1 17 Richiamata stazionaria Equazioni della richiamata stazionaria Per una richiamata, la nozione di stazionarietà può dare luogo ad una certa ambiguità. Infatti, non è possibile in generale che tutte le grandezze (V, α, γ̇) siano costanti nel tempo. Dal punto di vista della traiettoria, la manovra risulta stazionaria se (V, γ̇) sono costanti. Denotiamo quindi con Ω := γ̇ = const la velocità angolare sulla traiettoria con segno,6 ottenendo 0 = T − D − W sin (Ω t + γ0 ), m V Ω = L − W cos (Ω t + γ0 ), (67) essendo γ = Ω t + γ0 . L’angolo d’incidenza, in generale, varia nel tempo per garantire l’equilibrio verticale: infatti, il coefficiente di portanza deve soddisfare l’eq. 672 , che si può riscrivere nella forma seguente: m V Ω + W cos (Ω t + γ0 ) 1 2 2 ρV S ¶ µ cos (Ω t + γ0 ) Ω + , =A gV V2 CL = dove A := 2 W ρ S (68) (69) rappresenta il quadrato di una velocità di riferimento, introdotta per comodità di scrittura.7 Risulta quindi CL = CL (t), per cui α = α(t). In particolare, ciò comporterà un moto non stazionario dal punto di vista dell’equilibrio alla rotazione, come vedremo in altra sede. In una richiamata (affondata) stazionaria a partire da condizioni di volo livellato (γ = 0), il pilota tira (spinge) rapidamente la barra per aumentare (diminuire) il coefficiente di portanza e procurarsi cosı̀ la forza necessaria per curvare la traiettoria, dopodiché riduce progressivamente il comando longitudinale per far fronte ai fattori di carico via via decrescenti, fino alle condizioni di volo orizzontale rovescio (γ = π). Contemporaneamente, deve manovrare la manetta in modo da garantire l’equilibrio tangenziale, prima aumentando e poi diminuendo la spinta per compensare l’aumento e la diminuzione della resistenza per coefficienti di portanza prima crescenti e poi decrescenti. Successivamente, aumenta progressivamente il comando longitudinale per far fronte ai fattori di carico via via crescenti, fino a raggiungere nuovamente le condizioni di volo orizzontale. 6 Quindi Ω = ω oppure Ω = −ω a seconda che si tratti di una richiamata o di un’affondata. Si tratta, evidentemente, della velocità di equilibrio in volo livellato corrispondente a CL = 1. 7 2 RICHIAMATA 2.3.2 18 Fattore di carico in richiamata stazionaria Nel caso di una richiamata stazionaria (nel senso precedentemente illustrato), abbiamo VΩ n= + cos γ. (70) g con V e Ω costanti. Pertanto, il fattore di carico assume il valore massimo per γ = 0, pari a VΩ + 1, (71) max n = g che, in richiamata positiva risulta certamente maggiore di 1, mentre in richiamata negativa (affondata) può essere maggiore o minore di 1, ed eventualmente anche negativo a seconda dei valori di V e Ω. Analogamente, il fattore di carico assume il valore minimo per γ = π, pari a min n = VΩ − 1, g (72) che, in richiamata positiva può essere maggiore o minore di 1, ed eventualmente anche negativo a seconda dei valori di V e Ω, mentre in richiamata negativa (affondata) risulta certamente negativo. Si nota quindi che, per richiamate stazionarie ‘a basso numero di g’ si può avere una variazione molto netta del fattore di carico lungo la traiettoria, finanche il passaggio da valori positivi a valori negativi e viceversa. Se invece esaminiamo richiamate stazionarie ‘ad alto numero di g’, il rapporto tra le differenze dei valori massimo e minimo (sempre pari a 2) e il massimo fattore di carico tendo a decrescere, tendendo, in linea di principio. ad una manovra a fattore di carico costante.8 Dal punto di vista prestazionale, soprattutto a fini acrobatici o di combattimento, la velocità della richiamata è caratterizzata dal rateo Ω= g (max n − 1) V (73) e quindi assume valori maggiori del rapporto g/V in richiamata positiva, mentre il raggio di curvatura della traiettoria vale R= V2 , g (max n − 1) (74) e risulta perciò minore del rapporto V 2 /g in richiamata positiva. 2.4 Volo parabolico Una richiamata particolare (non stazionaria) è quella eseguita nel cosiddetto volo parabolico per consentire di sperimentare condizioni di assenza di gravità. 8 In pratica bisognerà tenere conto dei limiti imposti dal diagramma di manovra. 2 RICHIAMATA 19 Il volo, eseguito ad alta quota, consiste in un’affondata lieve per accelerare il velivolo, seguita da una richiamata positiva con max n ≈ 2 per 10 ÷ 20 s; a questo punto, viene tolta manetta ed il velivolo segue una curva simile ad una traiettoria balistica, consentendo circa 20 ÷ 30 s a fattore di carico praticamente nullo, n = O(10−2 ); infine, si esegue un’altra richiamata positiva con max n ≈ 2 per 10 ÷ 20 s allo scopo di riportare il velivolo in volo livellato. In effetti, per una traiettoria balistica in coordinate relative ad un riferimento terrestre con condizioni iniziali x(0) = x0 , y(0) = y0 , ẋ(0) = V0 cos γ0 , ẏ(0) = V0 sin γ0 , (75) abbiamo la soluzione x(t) = x0 + V0 cos γ0 t, y(t) = y0 + V0 sin γ0 t − g t2 , 2 (76) e quindi ẋ(t) = V0 cos γ0 , ẏ(t) = V0 sin γ0 − g t. (77) Supponendo l’assenza di una componente di vento verticale, abbiamo Vh (t) = ẋ e Vv (t) = ẏ, per cui tan γ = Vv V0 sin γ0 − g t g = = tan γ0 − t. Vh V0 cos γ0 V0 cos γ0 (78) Nella regione attorno all’apice della traiettoria, ossia il vertice della parabola, si ha γ ¿ 1 rad e quindi γ = const − g t V0 cos γ0 (79) e, derivando rispetto al tempo, γ̇ = − g . V0 cos γ0 (80) Ora, inserendo l’ultima espressione per γ̇ nell’eq. 66 ed imponendo γ = 0 e quindi V = Vh , otteniamo n= V γ̇ V0 cos γ0 g + cos γ = − + 1 = 0. g g V0 cos γ0 (81) Naturalmente, l’adesione ad una specifica tecnica di pilotaggio è fondamentale perché si riesca ad ottenere una traiettoria più prossima possibile a quella balistica. Ciò comporta in particolare che l’incidenza del velivolo venga opportunamente ridotta in corrispondenza alla riduzione della manetta e quindi controllata in modo adeguato per tutta la durata della fase ‘a 0-g’. 3 VIRATA 3 20 VIRATA 3.1 Considerazioni cinematiche Per virata (turning flight) s’intende una manovra compiuta nel piano orizzontale allo scopo di cambiare l’angolo di rotta (track angle) χ, definito come l’angolo formato dalla proiezione della velocità di volo sul piano orizzontale xh y h con una direzione fissata su tale piano, convenzionalmente quella dell’asse xh : χ := atan ehy · V . ehx · V (82) Ricordiamo che, attraverso l’angolo di rotta, la velocità V (il cui modulo coincide con la componente orizzontale, V ≡ Vh ) si scrive V = V cos χ ehx + V sin χ ehy , (83) essendo ehx il versore di una direzione di riferimento nel piano dell’orizzonte locale e ehy il versore normale nello stesso piano, tale da formare una terna destra col versore verticale ehz diretto verso il basso. L’angolo di rampa è identicamente pari a zero. In generale l’accelerazione si scrive V̇ = V̇ et + ω V en , ω ≥ 0, (84) rispetto ai versori del triedro intrinseco (et , en ), detti rispettivamente versore tangente e versore normale principale alla traiettoria. Quando ω = +χ̇, abbiamo en = +eay , mentre quando ω = −χ̇, abbiamo en = −eay ; essendo et ≡ eax abbiamo, rispetto agli assi vento, V̇ = V̇ eax + χ̇ V eay . (85) La virata è detta positiva se porta ad un aumento dell’angolo di rotta, χ̇ > 0, negativa se porta ad una diminuzione dell’angolo di rotta, χ̇ < 0. Una virata ‘completa’ comporta un mezzo giro (un’inversione di rotta), ossia una variazione di χ pari a ±π. 3.2 Tipi di virata Il pilota ha diverse opzioni per eseguire la virata. Fondamentalmente, ci sono due meccanismi possibili per sviluppare la forza normale alla traiettoria necessaria a mantenere il velivolo in virata: • manovrando il timone, può determinare la nascita di un’ulteriore forza aerodinamica normale alla traiettoria, ossia una devianza, in aggiunta alla portanza; • manovrando gli alettoni, può inclinare il velivolo in modo che la portanza abbia una componente nel piano orizzontale. 3 VIRATA Manovra Virata a destra Virata a sinistra 21 Rateo di virata χ̇ > 0 χ̇ < 0 Angolo di deriva β<0 β>0 Devianza Q<0 Q>0 Tab. 1: Caratteristiche cinematiche e dinamiche in virata piatta. Naturalmente, è possibile combinare i due meccanismi accennati. Tuttavia, nella pratica, le virate vengono eseguite facendo riferimento ad uno solo dei due meccanismi:9 nel primo caso si ha la virata piatta (flat turn), nel secondo la virata corretta (coordinated turn oppure true banked turn). Dagli sviluppi seguenti, appare chiaro che la virata corretta è di gran lunga preferibile nella maggior parte dei casi, per motivi di praticità, di economia e di prestazioni. Di fatto, nelle ordinarie operazioni di volo, le virate corrette sono normalmente usate per significativi cambiamenti di rotta, mentre le virate piatte vengono utilizzate solitamente per aggiustamenti della rotta di pochi gradi. 3.3 Virata piatta Nella virata piatta, la principale forza agente nel piano orizzontale perpendicolarmente alla traiettoria è la devianza Q. Per un velivolo materialmente simmetrico, tale forza è generata da un angolo di deriva β 6= 0, per cui la virata piatta è una condizione di volo non simmetrico. In particolare, se la virata è positiva, secondo le convenzioni di segno adottate, necessita una devianza negativa e quindi un angolo di deriva anch’esso negativo; se la virata è negativa necessita invece una devianza positiva e quindi un angolo di deriva positivo. Pertanto, in entrambi i casi, la prua del velivolo punta leggermente all’interno della traiettoria, cioè verso il centro di curvatura. Rispetto al volo livellato alla medesima velocità, la portanza richiesta in virata piatta è la stessa (pari al peso) e quindi il fattore di carico normale naz = n è pari a 1. La presenza della devianza induce però un fattore di carico laterale nay 6= 0. Inoltre, a seguito della derapata e quindi della generazione della devianza, la resistenza aumenta in quanto compare un termine di resistenza indotta legato alla devianza, per il medesimo meccanismo che genera la resistenza indotta dalla portanza. Pertanto, la richiesta di spinta in virata piatta supera quella necessaria al volo livellato alla stessa velocità. Quest’incremento è tanto maggiore, quanto maggiore è la devianza generata e quindi quanto minore è il raggio di curvatura della traiettoria. 9 Fatta salva la necessità di piccole correzioni con gli altri comandi, necessarie per garantire l’equilibrio alla rotazione (coordinazione dei comandi). 3 VIRATA 3.3.1 22 Equazioni del volo orizzontale non simmetrico Le equazioni di equilibrio alla traslazione relative ad un generico volo non simmetrico nel piano orizzontale, nell’ipotesi che tale piano coincida con il piano xa y a , sono le seguenti: m V̇ = T cos α cos β − D, m V χ̇ = −T cos α sin β − Q, 0 = T sin α + L − W, (86) dove T rappresenta la spinta (o trazione), D la resistenza aerodinamica, Q la devianza, L la portanza, m la massa e W = m g il peso, mentre V è la velocità di volo, α e β gli angoli d’incidenza e deriva. Queste equazioni rappresentano, nell’ordine, il bilancio delle forze in direzione tangenziale al moto (ossia la direzione del vettore velocità di volo V), il bilancio delle forze in direzione normale al moto nel piano orizzontale ed il bilancio delle forze in direzione verticale. Si è assunto per comodità l’asse corpo longitudinale coincidente con l’asse orientato del vettore spinta T. Nella virata piatta, la maggior parte della spinta è impiegata per vincere la resistenza e produrre un’accelerazione tangenziale, mentre la portanza, assieme ad una piccola porzione della spinta, equilibra il peso. La devianza, assieme ad una piccola porzione della spinta, produce l’accelerazione centripeta, ovvero – in termini di moto relativo – bilancia la forza centrifuga. Le eq. 86 si semplificano significativamente se si assume che il volo si svolga • ad incidenze moderate, α ¿ 1 rad; • a derive moderate, β ¿ 1 rad; • ad efficienze aerodinamiche medie o elevate, E ≥ O(1). Queste condizioni sono ampiamente verificate nella stragrande maggioranza delle condizioni di virata piatta d’interesse. Applicando tali condizioni, si può assumere che, trascurando T sin α rispetto a L e ponendo T cos α cos β ≈ T , tutta la spinta agisca in direzione della velocità di volo: m V̇ = T − D, (87) m V χ̇ = T β − Q, 0 = L − W, Per semplicità, supponiamo che sia possibile trascurare T β rispetto a Q, ottenendo l’ulteriore semplificazione per l’eq. 872 : m V χ̇ = −Q. (88) Quest’equazione implica che per una virata destra (sinistra) si ha un angolo di deriva negativo (positivo), come riportato nella Tabella 1. Inoltre, da essa 3 VIRATA 23 ricaviamo l’espressione per la velocità di virata in termini della velocità di volo e del coefficiente di devianza: χ̇ = − Q g =− mV W 1 2 ρ V 2 S CQ V = −g CQ , V A dove A := 2 W ρ S (89) (90) rappresenta il quadrato di una velocità di riferimento, introdotta per comodità di scrittura.10 Il raggio di curvatura istantaneo risulta R= V V 1 A = = , ω |χ̇| g |CQ | (91) sicché, fissati quota e carico alare, il raggio di virata dipende dall’inverso del modulo del coefficiente di devianza CQ . Ora, il coefficiente di devianza, per angoli di deriva moderati, è un numero relativamente piccolo, decisamente minore di 1, in quanto dominato dal rapporto σ v := S v /S tra la superficie di riferimento della deriva verticale e quella alare. Ne risultano quindi raggi di virata relativamente elevati e ratei di virata relativamente bassi. 3.3.2 Fattore di carico in virata piatta Il fattore di carico n ha le seguenti componenti in assi vento: nax = − T −D , W nay = Q , W naz = L , W (92) che, date le ipotesi su (α, β), possono essere confuse con le componenti in assi corpo. Risulta quindi che il fattore di carico normale nbz ≈ naz ≈ n è pari a 1, come nel volo livellato (a bordo del velivolo si percepisce un peso in direzione verticale identico al peso effettivo), mentre si determina un fattore di carico laterale nby ≈ nay pari al rapporto tra devianza e peso. Si tratta dell’effetto dell’accelerazione centripeta, che si manifesta con una forza centrifuga che, per fattori di carico anche di poco superiori a 0, può risultare molto fastidiosa per il pilota e gli eventuali passeggeri. Notiamo che il rateo di virata, in termini del fattore di carico laterale, vale ω= |Q| W |Q| g = = |nay |, mV mV W V (93) e risulta in generale assai minore del rapporto g/V , mentre il raggio di virata vale V2 , (94) R= g |nay | e risulta in generale assai maggiore del rapporto V 2 /g. 10 Si tratta, evidentemente, della velocità di equilibrio in volo livellato corrispondente a CL = 1. 3 VIRATA 24 Manovra Rateo di virata Angolo di bank Virata a destra Virata a sinistra χ̇ > 0 χ̇ < 0 Φ>0 Φ<0 Componente centripeta della portanza L sin Φ > 0 L sin Φ < 0 Tab. 2: Caratteristiche cinematiche e dinamiche in virata corretta. 3.4 Virata corretta Nella virata corretta, la principale forza agente nel piano orizzontale perpendicolarmente alla traiettoria è una parte della portanza L. Tale forza è generata imponendo un angolo d’inclinazione laterale (bank angle) Φ 6= 0, mantenendo condizioni di volo simmetrico. In particolare, se la virata è positiva, secondo le convenzioni di segno adottate, necessita un angolo d’inclinazione laterale positivo; se la virata è negativa necessita invece un angolo d’inclinazione laterale negativo. Dato che il volo è simmetrico, la fusoliera del velivolo si mantiene tangente alla traiettoria. Rispetto al volo livellato alla medesima velocità, la portanza richiesta in virata corretta è maggiore e quindi il fattore di carico normale è sempre maggiore di 1. La simmetria del volo, e quindi l’assenza della devianza, escludono la nascita di un fattore di carico laterale. Inoltre, a seguito dell’aumento della portanza, la resistenza aumenta in quanto si incrementa il termine di resistenza indotta dalla portanza. Pertanto, la richiesta di spinta in virata piatta supera quella necessaria al volo livellato alla stessa velocità. Quest’incremento è tanto maggiore, quanto maggiore è la portanza generata e quindi quanto minore è il raggio di curvatura della traiettoria. 3.4.1 Equazioni generali del volo orizzontale simmetrico Le equazioni di equilibrio relative ad un generico volo simmetrico nel piano orizzontale sono le seguenti: m V̇ = T cos α − D, m V χ̇ = (T sin α + L) sin Φ, 0 = (T sin α + L) cos Φ − W, (95) dove T rappresenta la spinta (o trazione), D la resistenza aerodinamica, L la portanza, m la massa e W = m g il peso, mentre V è la velocità di volo, α e Φ gli angoli d’incidenza e inclinazione laterale. Le eq. 95 si semplificano significativamente se si assume che il volo si svolga • ad incidenze moderate, α ¿ 1 rad; • ad efficienze aerodinamiche medie o elevate, E ≥ O(1). 3 VIRATA 25 Entrambe queste condizioni sono ampiamente verificate nella stragrande maggioranza delle condizioni di virata corretta d’interesse, con l’eccezione di manovre particolarmente strette, per le quali ci si può avvicinare alle condizioni di stallo e quindi ad incidenze elevate ed efficienze relativamente basse. Applicando tali condizioni, si può assumere che, trascurando T sin α rispetto a L e ponendo T cos α ≈ T , tutta la spinta agisca in direzione della velocità di volo: m V̇ = T − D, m V χ̇ = L sin Φ, 0 = L cos Φ − W, (96) Quest’equazione implica che per una virata destra (sinistra) si ha un angolo d’inclinazione laterale positivo (negativo), come riportato nella Tabella 2. Inoltre, da essa ricaviamo l’espressione per la velocità di virata in termini della velocità di volo, del coefficiente di portanza e dell’angolo d’inclinazione laterale: χ̇ = L sin Φ g = mV W 1 2 ρ V 2 S CL sin Φ V = g CL sin Φ, V A (97) dove 2 W (98) ρ S rappresenta il quadrato di una velocità di riferimento, introdotta per comodità di scrittura.11 Il raggio di curvatura istantaneo risulta A := R= V V 1 A = = | sin Φ|, ω |χ̇| g CL (99) sicché, fissati quota, carico alare e angolo d’inclinazione laterale, il raggio di virata dipende dall’inverso del coefficiente di portanza CL . Ora, il coefficiente di portanza può assumere valori relativamente elevati, dell’ordine di 1. Pertanto, supponendo di poter operare ad angoli d’inclinazione laterale relativamente elevati, risultano raggi di virata relativamente ridotti e ratei di virata relativamente alti. In realtà, il discorso appena svolto non tiene conto del fatto che coefficiente di portanza ed angolo d’inclinazione laterale sono legati, dovendo la portanza assolvere contemporaneamente al compito di bilanciare il peso e creare l’accelerazione centripeta. Vedremo nel seguito come caratterizzare più compiutamente tale relazione. 3.4.2 Fattore di carico in virata corretta Il fattore di carico n ha le seguenti componenti in assi vento: nax = − T −D , W nay = 0, naz = L , W (100) 11 Si tratta, evidentemente, della velocità di equilibrio in volo livellato corrispondente a CL = 1. 3 VIRATA 26 Angolo di bank 15◦ 30◦ 45◦ 60◦ 75◦ 80◦ 85◦ 89◦ Fattore di carico normale 1.035 1.155 1.414 2.000 3.864 5.759 11.474 57.299 Incremento del peso apparente + 3% + 15% + 41% + 100% + 286% + 476% + 1047% + 5630% Tab. 3: Corrispondenza angolo d’inclinazione laterale e fattore di carico normale in virata corretta. che, date le ipotesi su α, possono essere confuse con le componenti in assi corpo. Risulta quindi che il fattore di carico normale nbz ≈ naz ≈ n è maggiore di 1 (a bordo del velivolo si percepisce un peso in direzione verticale maggiore del peso effettivo), mentre è identicamente nullo il fattore di carico laterale nby ≈ nay . In altre parole, l’effetto dell’accelerazione centripeta si manifesta con una forza centrifuga che, componendosi con il peso, fornisce una risultante delle forze di massa verticale in assi corpo. Questo tipo di accelerazione risulta più facilmente sopportabile per il pilota e gli eventuali passeggeri, e quindi preferibile agli effetti fastidiosi presenti invece nella virata piatta. Data l’eq. 962 , sostituendo alla portanza il prodotto del peso e del fattore di carico normale, L = n W , otteniamo 1 . (101) cos Φ Quest’equazione mostra che il fattore di carico normale in virata corretta è sempre positivo e anzi maggiore di 1, cresce con l’angolo d’inclinazione laterale e può assumere valori considerevoli, essendo n → ∞ per |Φ| → π/2. Risulta chiaro che la virata ‘a coltello’, ossia con |Φ| = π non può essere eseguita in condizioni di virata corretta, essendo impossibile bilanciare il peso quando la portanza si dispone perpendicolarmente alla direzione della gravità.12 Essendo L = W/ cos Φ dall’eq. 963 , sostituendo nell’eq. 962 ed esplicitando otteniamo g χ̇ = tan Φ, (102) V per la velocità di virata e n= R= V2 1 V = , |χ̇| g | tan Φ| (103) 12 In realtà, come si vedrà in altra sede, i limiti per la virata corretta sopraggiungono molto prima di raggiungere valori di |Φ| prossimi a 90◦ , dato che la manovra del velivolo è limitata aerodinamicamente dallo stallo, propulsivamente dalla massima spinta disponibile e strutturalmente dal massimo valore ammissibile per il fattore di carico. 3 VIRATA 27 Manovra Richiamata Velocità angolare g V Virata corretta | max n − 1| √ g n2 − 1 V g V Virata piatta Raggio di curvatura |nay | V2 1 g | max n−1| 2 V √ 1 g n2 −1 V2 1 g |na y| Tab. 4: Confronto tra i parametri cinematici caratteristici di alcune manovre stazionarie. per il raggio di curvatura istantaneo. Data la relazione tra Φ e n, è immediato ricavare le relazioni precedenti in funzione del fattore di carico normale come g p 2 |χ̇| = n − 1, (104) V per la velocità di virata e R= V V2 1 √ . = 2 |χ̇| g n −1 (105) Dalle formule appena ricavate si deduce che, in virata corretta, il rateo di virata assume valori maggiori del rapporto g/V , mentre il raggio di virata risulta minore del rapporto V 2 /g. Confrontando queste deduzioni con quelle corrispondenti tratte a proposito della virata piatta, risulta evidente quanto a quest’ultima sia preferibile la virata corretta in termini di prestazioni. 3.4.3 Virata sostenuta In una virata corretta stazionaria, ossia con (V, χ̇) costanti nel tempo, il fattore di carico è anch’esso costante nel tempo. Tale condizione di volo viene indicata spesso col termine di virata sostenuta (sustained turn) proprio per il fatto che il fattore di carico si mantiene costante. Per fattori di carico elevati, si tratta di una manovra molto significativa, dato che sia le strutture del velivolo, sia il carico pagante ed i suoi occupanti risultano sottoposti ad un’accelerazione prolungata. Nella pratica aeronautica vengono identificate, a titolo di riferimento, quattro valori della velocità di virata, riportati nella tabella 5. Quella compiuta alla velocità detta ‘Rate 1’, in cui il velivolo compie un mezzo giro sul piano orizzontale in un minuto, è detta virata standard. 3.4.4 Esecuzione della virata corretta – Virosbandometro Per eseguire una virata corretta, il pilota deve impostare il corretto angolo d’inclinazione laterale per la velocità ed il raggio di curvatura desiderati. Ciò si esegue fondamentalmente manovrando gli alettoni (barra a destra per una virata positiva, a sinistra per una negativa) mantenendo l’azione fino quasi all’angolo cercato, quindi riportando la barra al centro. Tuttavia, l’angolo di bank può risultare insufficiente o eccessivo rispetto alle necessità della traiettoria: 3 VIRATA 28 Rate Rate Rate Rate 1 2 3 4 Velocità di virata 3 /s = 0.0524 rad/s 6◦ /s = 0.1047 rad/s 12◦ /s = 0.2094 rad/s 24◦ /s = 0.4189 rad/s ◦ Tempo di virata 60 s 30 s 15 s 7.5 s Tab. 5: Ratei di virata di riferimento (il tempo di virata corrisponde all’inversione della rotta, ossia ad una rotazione della velocità di volo di 180◦ ). • nel primo caso, quando |Φ| è insufficiente si ha la situazione detta skidding out of turn (‘slittamento all’esterno della curva’); il velivolo, dato che la forza centrifuga non è completamente bilanciata dalla componente orizzontale della portanza, tende ad allargare la virata, assumendo un angolo di deriva β < 0 per χ̇ > 0 e viceversa; • nel secondo caso, quando |Φ| è eccessivo si ha la situazione detta slipping into turn (‘scivolamento all’interno della curva’); il velivolo, dato che la forza centrifuga è superata dalla componente orizzontale della portanza, tende a stringere la virata, assumendo un angolo di deriva β > 0 per χ̇ > 0 e viceversa. Lo strumento che aiuta il pilota a controllare l’esecuzione della virata è il virosbandometro (turn and bank indicator 13 ). Si tratta di uno strumento composto che fornisce due distinte indicazioni: la prima è il rateo di virata, mentre la seconda rappresenta una misura indiretta dell’angolo di bank (inclinometro o sbandometro).14 L’indicazione del rateo di virata è fornita solitamente da un ago mobile. Questa misura è ottenuta attraverso l’uso di giroscopi. Sul quadro tipicamente vengono indicati due segni in corrispondenza del rateo di virata standard. L’indicazione dell’inclinometro è fornita semplicemente dalla posizione assunta da una sferetta inserita in un condotto trasparente a forma di toro. Quando la virata è corretta, il risultante delle forze di massa ha l’asse corpo verticale z b come retta d’azione, sicché la sferetta si dispone nel centro dell’inclinometro. Quando si ha la situazione detta skidding out of turn, il risultante delle forze di massa ha una retta d’azione che forma con l’asse verticale z h un angolo superiore a |Φ| e quindi la sferetta si dispone fuori centro, in direzione opposta a quella della virata. Al contrario, quando si ha la situazione detta slipping into turn, il risultante delle forze di massa ha una retta d’azione che forma con l’asse verticale z h un angolo inferiore a |Φ| e quindi la sferetta si dispone fuori centro, nella stessa direzione della virata. 13 Anche detto turn and slip indicator oppure needle and ball indicator. Un’evoluzione del virosbandometro è lo strumento detto turn coordinator, il quale è costruito in modo tale da essere sensibile anche alle manovre di rollio, indicando quindi sia la velocità di virata, sia quella di rollio. Il principio di funzionamento è il medesimo, sia per la parte giroscopica, sia per l’inclinometro. 14 3 VIRATA 29 Avvertenza Questo testo è fornito per uso personale degli studenti. Viene reso disponibile in forma preliminare, a supporto per la preparazione dell’esame di Meccanica del Volo. È gradita la segnalazione di errori e refusi. Copyright Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale Politecnico di Milano (Legge italiana sul Copyright 22.04.1941 n. 633)