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 I dispositivi di controllo dell'aereo

Vediamo quali sono i dispositivi di controllo del nostro aeroplano e come si fa ad attivarli usando il mouse e la tastiera. Faremo riferimento al modello di Cessna C-172RG a carrello retraibile simulato da ACM. Alcuni controlli sono disponibili solo sugli altri modelli di aeroplano.



Gli assi principali dell'aereo

Il centro di gravità dell'aeroplano (baricentro) è anche il punto in cui si incrociano gli assi di riferimento dell'aereo. Per essere precisi, questi assi sono gli assi principali dell'ellissoide d'inerzia dell'aereo, e calcolati rispetto al baricentro. Per quello che interessa i nostri discorsi, e purché l'aereo non abbia forme particolarmente "strane", l'asse trasversale è perpendicolare al piano verticale di simmetria dell'aereo, l'asse longitudinale è più o meno diretto come la fusoliera, mentre l'asse verticale è perpendicolare ai primi due.

Le proprietà inerziali di ogni aereo sono determinate dalla sua massa e dai momenti d'inerzia intorno agli assi principali. Agendo sul motore e muovendo le varie superfici aerodinamiche, il pilota imprime la voluta accelerazione lineare o rotazionale. Ogni variazione richiede un certo tempo prima che risulti avvertibile; questo ritardo nella risposta è legato proprio alle proprietà inerziali dell'aereo.

Il movimento di traslazione dell'aereo rispetto all'aria circostante avviene sempre lungo una direzione prossima all'asse longitudinale, direzione rispetto alla quale l'aereo offre la resistenza minore all'avanzamento. La deviazione angolare rispetto a questa direzione si misura come angolo di attacco (deviazione verso l'alto) e come angolo di vento laterale (deviazione verso destra o sinistra).

I movimenti di rotazione intorno agli assi hanno una denominazione più articolata (guardare la figura in alto):

Come si genera la portanza

Tutte le considerazioni che faremo, assolutamente qualitative e senza pretesa di rigore né di completezza, dovrebbero comunque bastare per capire quali problemi noi come piloti dovremo affrontare. Diversamente da un gioco di aeroplani, dove semplicemente l'aeroplano si muove nella direzione verso la quale puntiamo il joystick, il nostro simulatore di aeroplani riproduce una serie di complessi fenomeni dinamici meno intuitivi. Un po' di studio e di pratica sono quindi necessari per mantenere il controllo dell'aeroplano in ogni situazione ed evitare le manovre pericolose.

Ogni oggetto investito da un flusso d'aria risente di una certa forza. Questa forza si può scomporre in due componenti perpendicolari: la componente parallela al flusso d'aria si chiama resistenza aerodinamica e viene anche detta Drag, mentre la componente trasversale al flusso d'aria si chiama portanza e viene detta anche Lift (vedi figura qui sotto).


La "patata" volante: lift e drag.


Ovviamente un oggetto di forma arbitraria come la nostra patata volante subirebbe anche dei momenti di forze che la farebbero ruotare. E' per questo che gli aerei hanno una caratteristica simmetria rispetto al piano lungitudinale verticale. Inoltre per un oggetto orientato arbitrariamente il lift risulterebbe anch'esso orientato in modo arbitrario, magari verso il basso!

Il progettista di aeroplani deve rendere massimo il lift e minimo il drag. In una parola, deve rendere massimo il rapporto lift/drag. Notare che il rapporto lift/drag è determinato dall'intera struttura dell'aereo, non solo dalle ali: anche la fusoliera, il vano motore, la coda, ecc. danno il loro contributo al lift e al drag. Di conseguenza nel programma simulatore (e nella realtà) quando si parla dei coefficienti aerodinamici di un aereo e del suo rapporto lift/drag, è sottinteso che ci si riferisce all'intera struttura dell'aereo. Quando nel seguito parleremo di "portanza", resistenza e "angolo di attacco", nella realtà il programma considera l'intera struttura dell'aereo e non solo le ali.

Nel documento Atterraggio in modalità visiva vedremo come determinare sperimentalmente il rapporto L/D di un aeroplano usando il nostro simulatore. Scopriremo che il C-172RG con il carrello retratto si comporta come un buon aliante, avendo il miglior rapporto L/D=14 a una velocità intorno a 68 kt. Questa è la velocità ideale per percorrere la massima distanza con il motore spento. La velocità ideale per viaggiare effettivamente è un po' superiore, tra 90 e 100 kt. Se abbiamo fretta possiamo accelerare a 120, ma aspettiamoci un brusco aumento dei consumi. Il manuale di ogni aereo riporta le prestazioni e l'autonomia massima di volo per ogni combinazione di quota, velocità e peso.

Da un punto di vista intuitivo, il meccanismo principale che sostiene l'aereo in volo è il flusso d'aria che le ali deviano verso il basso. Come conseguenza, l'aereo riceve una spinta verso l'alto. Di tutte le parti che compongono l'aereo, le ali sono quelle deputate a generare la maggior parte del lift (e, ahimé, anche del drag). L'inclinazione delle ali rispetto al flusso dell'aria si chiama angolo di attacco. L'angolo di attacco determina l'entità del flusso d'aria che viene deviato verso il basso.

Quando l'angolo di attacco è nullo, il flusso dell'aria lambisce le ali senza essere deviato in modo significativo. Di solito la parte superiore dell'ala è convessa per ridurre la turbolenza, e questo fatto contribuisce un poco alla portanza anche quando l'angolo di attacco è zero. Questo fenomeno è comunque trascurabile, e in ACM la portanza a una data velocità è una funzione del solo angolo di attacco.

All'aumentare dell'angolo di cabrata (rotazione intorno all'asse trasversale) aumenta l'angolo di attacco, e quindi la portanza e la resistenza aerodinamica. Riducendo l'angolo di attacco, o rendendolo addirittura negativo, l'aereo precipita (picchiata).

Per basse velocità il drag e il lift sono proporzionali al quadrato della velocità. Una conseguenza importante di questo fatto è che il rapporto lift/drag non dipende dalla velocità del flusso d'aria (o comunque ne dipende poco). Dunque, fissato un certo lift (necessario per bilanciare il peso dell'aereo), al crescere della velocità possiamo ridurre l'angolo di attacco e il drag diminuisce. Per velocità più elevate, diciamo oltre 130 kt, la relazione tra L e D non è più così semplice e l'aereo incontra presto un limite alla velocità massima che può raggiungere. Solo aerei con motori particolarmente potenti si possono spingere fino alla barriera del suono e anche oltre.

Il discorso si ribalta per ottenere un'altra importante considerazione: in generale gli aerei rallentano alla velocità minima prima di atterrare; in queste condizioni l'angolo di attacco deve essere grande, e altrettanto grande risulta il drag e la potenza richiesta al motore. Anche la quota incide sull'efficienza: man mano che si sale l'aria diventa più rarefatta e l'angolo di attacco tende a crescere facendo peggiorare il rapporto L/D; quindi man mano che si sale bisogna aumentare la velocità in modo da sfruttare al meglio il carburante.

Organi di comando

Il pilota può controllare il movimento dell'aereo a terra agendo sul motore, sterzando il ruotino anteriore e azionando i freni delle ruote. Per il controllo dell'aereo in volo il pilota agisce sulla potenza del motore e sulle appendici aerodinamiche mobili: sulle ali ci sono gli alettoni e i flap; nella coda ci sono il timone, l'equilibratore e lo stabilizzatore. Gli aerei più veloci dispongono anche del freno aerodinamico.

Approfondimenti


Umberto Salsi

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