Rotori: le architetture per gli elicotteri d’attacco

Fin dal secondo dopoguerra, e in particolare dalla guerra del Vietnam, l’elicottero ha dimostrato di essere un mezzo militare fondamentale nelle vicende belliche del tardo ventesimo e ventunesimo secolo. Il suo successo è principalmente legato alla versatilità con cui può compiere svariate missioni: dal trasporto truppe alle operazioni antisommergibile, dall’evacuazione rapida dei feriti alle missioni d’attacco e di supporto alla fanteria, il tutto senza necessitare di una pista di decollo e atterraggio. Di conseguenza, la specificità di ogni missione ha richiesto la diversificazione delle configurazioni di tali mezzi dal punto di vista strutturale, propulsivo ed avionico, come avvenuto anche nel mondo dell’aviazione ad ala fissa.

Anche all’interno della stessa “area operativa”, sono emerse diverse filosofie di impiego che hanno comportato una ulteriore differenziazione dei mezzi. L’architettura dei rotori degli elicotteri, ad esempio, è un aspetto che mostra un’ampia varietà progettuale, riscontrabile persino in elicotteri con lo stesso compito. Basti pensare al Boeing AH-64 “Apache” e al Kamov KA-50 (foto apertura), entrambi concepiti per essere elicotteri d’attacco ma sviluppati con scelte progettuali totalmente differenti tra loro.

Generalità sui rotori

Il rotore è l’elemento meccanico composto da più pale che, mediante una rotazione, produce la forza aerodinamica necessaria al pilotaggio e al sostentamento dell’elicottero. È composto da un albero meccanico, posto in rotazione dai motori del velivolo, sul quale è montato un mozzo. Al mozzo sono applicate le pale. La generazione della forza aerodinamica è resa possibile proprio dalla rotazione delle pale: mentre nel caso degli aerei il flusso d’aria investe le ali fisse a causa del moto di avanzamento dell’aereo stesso, nel caso dell’elicottero sono le “ali” (ossia le pale) a muoversi, fendendo l’aria circostante (da qui la definizione di mezzi ad ala rotante).

Un’altra componente fondamentale del rotore è il piatto oscillante, ossia l’organo meccanico che consente, modificando la direzione in cui si sviluppa la risultante forza aerodinamica e l’intensità di tale forza, il movimento dell’elicottero in qualunque direzione. Sostanzialmente, il piatto oscillante può compiere due azioni: modificare l’incidenza di tutte le pale del rotore oppure modificare l’incidenza delle pale in modo differente durante la rotazione. Il primo comando è chiamato passo collettivo e permette di variare il valore della portanza prodotta, e di conseguenza è il comando responsabile del cambio di quota dell’elicottero. Il secondo comando è detto passo ciclico e il suo scopo consiste nell’inclinare il rotore e di conseguenza la risultante forza aerodinamica, in modo tale da sviluppare una componente di forza laterale che renda possibile lo spostamento del mezzo nelle quattro direzioni orizzontali (avanti, indietro, a destra e a sinistra). Infatti, la variazione ciclica dell’incidenza delle pale comporta che alcune pale sviluppino più portanza di altre e ciò causa un’inclinazione del rotore nella direzione in cui viene sviluppata meno portanza.

A tutto ciò bisogna aggiungere la necessità di introdurre un secondo rotore che produca una forza (e quindi un momento) atta a contrastare la contro coppia agente sulla struttura dell’elicottero. Infatti, per il terzo principio della dinamica, il fatto di applicare una coppia che metta in rotazione le pale dell’elicottero significa originare una coppia di reazione avente verso opposto applicata alla fusoliera, comportando la rotazione del mezzo attorno al proprio asse di imbardata (asse verticale).

Nella configurazione classica, il secondo rotore è posto in coda all’elicottero ed ha il solo compito di annullare tale coppia di reazione; pertanto, si distingue il rotore principale dal rotore di coda, avendo compiti differenti. Tale architettura fu realizzata per la prima volta da Igor Sikorsky nel 1940.

Il rotore di coda è montato in direzione verticale (perpendicolarmente al rotore principale), in modo tale che la portanza prodotta vada ad originare una coppia che annulli la coppia di reazione.

Una seconda soluzione per risolvere il problema della coppia di reazione consiste nel dotare l’elicottero di rotori accoppiati controrotanti, ossia una o più paia di rotori principali che ruotano in direzione opposta. In questo modo, le coppie di reazione prodotte avranno verso opposto e di conseguenza si annulleranno tra loro, senza che vi sia quindi la necessità di introdurre un rotore di coda.

Questa architettura presenta quattro configurazioni possibili:

1. Rotori in tandem

2. Rotori coassiali

3. Rotori intersecantisi

4. Rotori trasversali

Analisi delle possibili architetture per gli elicotteri d’attacco

Veniamo al caso degli elicotteri d’attacco. Normalmente, le architetture del rotore scelte per tale mezzo sono quella classica oppure, in alcuni casi, quella con rotori controrotanti coassiali. Ma quali sono i vantaggi e gli svantaggi dell’una e dell’altra configurazione?

La nostra analisi può iniziare confrontando la potenza consumata dai due assetti. Nel caso della configurazione standard, parte della potenza fornita dal motore viene trasferita al rotore di coda per bilanciare la contro coppia, senza quindi che questa venga utilizzata per sostentare o muovere l’elicottero. In altre parole, la si può considerare come una potenza “sprecata”.

Nel caso dell’architettura coassiale, invece, entrambi i rotori sono principali, cioè entrambi producono una forza aerodinamica utile alla propulsione dell’elicottero. Di conseguenza, a parità di potenza fornita dal motore e di forma e struttura delle pale, un elicottero con rotori coassiali sarà in grado di produrre una portanza complessiva maggiore, che si traduce in un maggiore carico trasportabile e in una maggiore spinta nel moto d’avanzamento.

Nel caso della configurazione classica, per ottenere la stessa capacità di carico bisognerebbe ingrandire il rotore, ma ciò comporterebbe problemi di comprimibilità alle estremità delle pale. Infatti, la velocità tangenziale in ogni punto della pala è data da:

Incrementando il raggio, alle estremità verrebbero raggiunte velocità prossime a quella del suono. Ciò comporterebbe l’insorgenza di onde d’urto e della conseguente resistenza aerodinamica d’onda, danneggiando la struttura e l’aerodinamica delle pale.

La portanza prodotta dalla configurazione coassiale, comunque, non è doppia rispetto al caso standard ma semplicemente maggiore, poiché bisogna considerare l’interazione aerodinamica tra le pale dei due rotori.

Da un punto di vista aerodinamico, i rotori coassiali riescono a gestire in modo migliore gli effetti causati dalla dissimmetria di portanza.

Per spiegare questo fenomeno, consideriamo un elicottero con un singolo rotore principale in volo avanzato. Le pale del rotore possono essere divise in due gruppi per ogni ciclo di rotazione: le pale avanzanti sono quelle che si muovono nella stessa direzione di avanzamento dell’elicottero, mentre le pale retrocedenti si muovono in direzione opposta a quella di avanzamento del mezzo. Le pale avanzanti, di conseguenza, avvertiranno una velocità del vento relativo pari alla somma della loro velocità tangenziale più la velocità di avanzamento dell’elicottero, mentre le pale retrocedenti avvertiranno una velocità del vento relativo pari alla loro velocità tangenziale meno la velocità di avanzamento dell’aeromobile. Di conseguenza, poiché la portanza è legata al quadrato della velocità relativa --, le pale avanzanti produrranno più portanza di quelle retrocedenti (“dissimmetria di portanza”), causando la nascita di un momento di rollio pericoloso per il mezzo.

La soluzione trovata per ridurre questo fenomeno consiste nel lasciare libere le pale del rotore di compiere un movimento verticale tramite l’applicazione di cerniere, detto “flappeggio”, che modificando gli angoli di incidenza riesce a minimizzare la differenza di portanza tra le due regioni. Infatti, le pale retrocedenti tenderanno a muoversi verso il basso, incrementando di conseguenza il loro angolo d’attacco a causa della componente di velocità verticale relativa verso l’alto e dunque la portanza prodotta. Le pale avanzanti, invece, tenderanno a muoversi verso l’alto, diminuendo l’angolo d’attacco a causa della componente di velocità verticale relativa verso il basso e quindi la portanza prodotta.

Il problema relativo a questo sistema di bilanciamento nasce dal fatto che maggiore è la velocità di avanzamento dell’elicottero, minore sarà la velocità relativa percepita dalle pale retrocedenti, quindi maggiore dovrà essere l’angolo d’attacco assunto per poter produrre la portanza richiesta a bilanciare la dissimmetria. Tuttavia, oltre ad un certo angolo d’attacco le pale stallano, ossia le vena fluida si distacca dal profilo alare causando una perdita completa di portanza e un aumento della resistenza aerodinamica. Tale fenomeno, chiamato stallo della pala retrocedente, risulta in un capovolgimento improvviso dell’elicottero (la portanza prodotta dalle pale avanzanti produce un momento rispetto all’asse di rollio del velivolo) con conseguente perdita di controllo. Per tale ragione, ogni elicottero ha una certa Never Exceed Speed, ossia una velocità di avanzamento che non può essere superata.

Nella configurazione con i rotori coassiali, invece, lo stallo delle pale retrocedenti avviene in regioni opposte nei due rotori, poiché essi ruotano in verso opposto. Di conseguenza, non si viene a creare nessuno sbilanciamento di portanza tra le due metà e non nasce nessun momento di rollio che avrebbe causato il capovolgimento dell’elicottero. La Never Exceed Speed nel caso di elicotteri con tale configurazione è quindi maggiore, non essendo lo stallo della pala retrocedente così vincolante come nella configurazione standard, pur tuttavia sempre limitata dalla velocità che innesca i fenomeni di comprimibilità alle estremità delle pale.

Avendo parlato del “flappeggio”, è quindi doveroso sottolineare una problematica correlata a questo aspetto presente nei rotori coassiali controrotanti. Le pale dei singoli rotori devono essere libere di flappeggiare, in modo tale da minimizzare la dissimmetria di portanza. Di conseguenza, i due rotori devono essere posti ad una certa distanza l’uno dall’altro, per evitare contatti catastrofici tra le loro pale. Ciò significa che l’ingombro in altezza di un elicottero con tale configurazione sarà decisamente maggiore rispetto a quello di un elicottero con configurazione classica.

Per contro, il fatto di non necessitare un rotore di coda consente loro di essere molto più compatti, il che rende l’architettura coassiale una scelta interessante anche per elicotteri imbarcati. Inoltre, una delle principali cause di perdita di elicotteri è legata a danni subiti al rotore di coda o alla trasmissione che lo alimenta.

In un contesto militare, il fatto di non possedere il rotore di coda rende quindi più sicuro lo svolgimento della missione, nonché riduce il rischio di essere colpiti in parti vitali della macchina. È infatti possibile corazzare maggiormente la zona in cui sono presenti gli alberi di trasmissione e le altre componenti meccaniche dei rotori senza andare a gravare troppo sul peso, considerando la maggior concentrazione di tali apparati rispetto al caso della configurazione standard e quindi alla minor superficie che richiede una maggior protezione.

Infine, un ulteriore vantaggio della configurazione coassiale consiste nel minore rumore prodotto rispetto alla configurazione standard. Un’importante fonte di rumore in un elicottero è data dall’interazione tra i vortici prodotti dalle pale del rotore principale con il rotore di coda e dall’alta velocità di rotazione di quest’ultimo, necessaria a causa delle sue piccole dimensioni. Eliminando il rotore di coda, l’elicottero risulta essere quindi decisamente più silenzioso, pur producendo un maggiore rumore nella zona dei due rotori principali rispetto all’architettura con monorotore.

Conclusioni

La maggior parte degli elicotteri d’attacco sviluppati presenta una architettura classica, con rotore principale e rotore di coda, nonostante i diversi vantaggi mostrati dalla configurazione con due rotori principali coassiali controrotanti. La motivazione risiede nella complessità meccanica richiesta dall’architettura coassiale. Basti pensare alla necessità di implementare due piatti oscillanti, uno per rotore, in grado di inclinarsi in modo differenziale e con sincronismo perfetto e accoppiamenti meccanici in grado di fornire coppie opposte ai due rotori. Tutto ciò ha come conseguenza la progettazione di sistemi meccanici complessi, quindi più inclini a guasti e più difficoltosi da manutenere.

Non è da sottovalutare anche la componente relativa al Know-how necessario per progettare sistemi di tale complessità, attualmente posseduta da poche aziende al mondo. Basti pensare che gli unici elicotteri militari d’attacco che sfruttano compiutamente tale tecnologia sono prodotti dalla Kamov, mentre sul “fronte occidentale” la Sikorsky ha sviluppato l’S-97 “Raider” (attualmente finalista con il prototipo "Raider X" nella competizione per lo U.S. Army Future Attack Reconnaissance Aircraft).

_{Foto: MoD Fed. Russa / web / U.S. Army / Lockheed Martin}