Aerodinamica

Dissimetria della portanza

Consideriamo ora, oltre alla rotazione, anche il movimento di traslazione in avanti. In questo caso possiamo distinguere le due pale del nostro rotore. La pala avanzante sarà quella che “avanza” nella direzione del moto, viceversa quella che “retrocede” rispetto alla direzione di moto sarà la pala “retrocedente”.

Quando al rotore si aggiunge la traslazione in avanti si crea un fenomeno che renderebbe l’ autogiro ingovernabile se non fosse annullato accuratamente. Tale comportamento è dovuto alla composizione della velocità periferica, della pala in rotazione, e la velocità di traslazione in avanti. Il vento relativo che investe la pala passerà da un valore minimo, verso della velocità periferica V opposto alla velocità di traslazione Vt, e un valore massimo, velocità periferica e velocità di traslazione con verso concorde.
Esaminando la pala avanzante e quella retrocedente si può notare un contributo di portanza molto maggiore da parte della pala avanzante rispetto a quella retrocedente. Il risultato è appunto una dissimetria laterale, nel senso che è localizzata dal lato della pala avanzante, della portanza. Questo è un effetto indesiderato che viene annullato dal movimento di flappeggio.

Il flappeggio è il movimento che consente alla pala di salire e scendere verticalmente.

Tale libertà di movimento è fondamentale per un rotore poiché annulla la dissimmetria laterale della portanza che abbiamo appena esaminato.
Il movimento della pala si arresta quando essa risulta essere allineata con la risultante fra la forza aerodinamica Fn e la forza centrifuga Fc a cui è soggetta la pala.
Tale escursione è di circa 8°.
Per poter comprendere l’azione del flappeggio dobbiamo prima di tutto osservare come nel rotore, e in tutti i corpi in rotazione, l’effetto agisce 90° in ritardo rispetto alla causa che l’ha generato.
Questo comportamento è dovuto alle forze d’inerzia giroscopiche. Nel caso del rotore se nel punto D in cui ho il massimo valore di vento relativo Vr, si avrà la massima portanza ma l’effetto si avrà 90° dopo, quindi nel punto A, dove ci sarà la massima escursione di flappeggio verso l’alto. Viceversa il minimo di Vr si ha nel punto B mentre il minimo di portanza si avrà solo nel punto C, punto di massima escursione di flappeggio verso il basso.
Il movimento di flappeggio è in grado di eliminare la dissimmetria laterale della portanza grazie al suo effetto sull’angolo di incidenza i. Nel caso della pala avanzante, flappeggio verso l’alto, l’angolo d’incidenza diminuisce; la direzione della velocità periferica V è lungo la traiettoria che
la pala assume mentre sale. Questa si compone con la velocità di traslazione Vt. La velocità risultante Vris che otteniamo è uguale ed opposta al vento relativo Vr che investe la pala. Il movimento della pala che sale, molto semplicemente, modifica la direzione del vento relativo. Esso investe la pala con un piccolo angolo d’incidenza.

Viceversa per la pala retrocedente la Vr formerà con la corda del profilo un angolo d’incidenza maggiore. L’effetto della variazione dell’angolo d’incidenza compensa l’effetto della variazione del vento relativo.

Forze autorotative ed antirotative

Il compito di mantenere in rotazione il rotore dell’ autogiro spetta alle forze autorotative che sono contrastate da quelle antirotative e che agiscono entrambe sulle pale.
Prendendo in esame la portanza L, che come sappiamo è la componente della forza aerodinamica agente sul profilo con direzione nomale alla direzione del vento relativo Vr, questa può essere a sua volta scomposta in una componente verticale che chiameremo Fs, forza di sostentamento, ed in una componente parallela alla direzione di Vr che prenderà il nome di Fa, che può essere a seconda dei casi forza autorotativa o forza antirotativa. Quando l’ angolo d’ incidenza diminuisce avremo che anche la portanza diminuirà la propria inclinazione. La forza Fa diverrà sempre più piccola fino ad invertire il proprio verso; in tal caso l’azione di Fa è quella di frenare il moto della pala.

Il caso opposto si verifica quando l’incidenza aumenta, ed allora si avrà una forza autorotativa.

Il fatto che ogni sezione del rotore lavora ad un angolo di incidenza diverso l’uno dall’altro ci permette di individuare sul disco del rotore tre zone differenti:
- zona di stallo;
- zona autorotativa;
- zona antirotativa.
Consideriamo inizialmente il rotore privo di traslazione in avanti, quindi in discesa verticale. In prossimità della radice delle pale l’angolo di incidenza è talmente grande da determinare lo stallo della sezione di pala considerata (circa 1/4 del suo raggio). Nel tratto compreso tra 1/4 ed i 2/3 del raggio tale angolo è abbastanza grande da permettere al rotore di generare forza portante e di produrre la forza necessaria per permettere al rotore di rimanere in moto. Nella zona periferica si ha basso valore di incidenza, perciò la forza Fa inverte il proprio senso diventando una forza antirotativa.

Supponiamo ora che oltre a ruotare il rotore trasli. L’aumento del’ incidenza della pala che retrocede determina uno spostamento della zona autorotativa verso la metà del dico rotante della pala retrocedente.

Il fattore che più limita l’inviluppo di volo di questa macchina è lo stallo che si verifica sulla pala retrocedente quando si hanno forti velocità di traslazione. Questo perché l’incidenza di tale pala tende ad aumentare finche non si raggiunge e si supera l’incidenza di stallo. Quando si verifica questa condizione, si propagano per la struttura vibrazioni verticali. Nel caso di rotori bipala, si verificano due vibrazioni per ogni giro del rotore.
In questo tipo di velivolo bisogna inoltre che il rotore sia sempre sottoposto a carico, e quindi non va mai sottoposto ad accelerazioni G negative.

Forze agenti in virata