Caratteristiche dei PROFILI ALARI

GEOMETRIA

• Bordo d’attacco: il punto geometricamente più avanzato del profilo;
• Bordo d’uscita: il punto geometricamente più arretrato del profilo;
• Corda: la linea retta che unisce il bordo d’attacco con il bordo d’uscita;
• Extradosso (Dorso): la linea che delimita superiormente il profilo;
• Intradosso (Ventre): la linea che delimita inferiormente il profilo;
• Linea curvatura media: la linea che unisce i punti equidistanti tra dorso e ventre;
• Spessore: la distanza tra dorso e ventre misurata perpendicolarmente alla corda o alla linea di inarcamento medio;
• Freccia (Massima curvatura): distanza tra linea media e corda misurata perpendicolarmente alla corda;
• Angolo d’attacco geometrico (Incidenza geometrica): angolo formato dalla corda con la direzione della corrente indisturbata;
• Linea di portanza nulla: linea lungo la quale è investito il profilo senza generare portanza;
• Angolo di portanza nulla: angolo formato tra la corda e la direzione di portanza nulla;
• Incidenza aerodinamica: angolo formato dalla linea di portanza nulla con la direzione della corrente indisturbata;
• Centro di pressione: punto in cui possiamo immaginare applicata la risultante delle forze aerodinamiche; al variare dell’angolo d’attacco, varia la posizione del centro di pressione.

Andamento portanzaAll’aumentare dell’incidenza la portanza aumenta in maniera lineare, fino allo stallo (portanza nulla) ed il centro di pressione si sposta in avanti.
TIPI

• Biconvesso simmetrico: l’angolo di portanza nulla è 0°, possiede portanza e resistenza modesti, con piccoli spessori è impiegato in aerei a reazione, acrobatici (hanno le stesse caratteristiche nel volo rovescio) e nei piani di coda;
• Biconvesso asimmetrico: garantisce una bassa resistenza ed una portanza media, utilizzato nella maggior parte degli aerei;
• Piano convesso: tipo di profilo non ottimale, ma economico, impiegato nei veleggiatori da volo libero ed in alcuni aerei da turismo.
• Concavo convesso: sia l’intradosso che l’estradosso hanno la parte centrale della curvatura più in alto rispetto ai punti di ingresso e di uscita. Possiede portanza alta, è utilizzato in alcuni ultraleggeri e con grossi spessori in aerei lenti;
• Autostabile: l’argomento verrà approfondito in un articolo futuro. Viene impiegato negli aerei tutt’ala.
• Laminari: il massimo spessore del profilo viene spostamento verso il bordo di uscita, in modo che il flusso laminare si mantenga su una parte rilevante della corda; entro un intervallo dell’angolo di incidenza la resistenza è bassa.

Stallo nell’aereo

Teoria
Q = P = ½ ρ S V² Cp
Come si evince dalla formula, per ottenere l’equilibrio tra peso Q e portanza P, al diminuire della velocità V deve aumentare il coefficiente di portanza Cp.Dal diagramma sopra, Cp aumenta con l’aumentare dell’angolo di attacco a o d’incidenza.
Quando si raggiunge l’angolo d’incidenza critico, il Cp è massimo e la velocità corrisponde a quella di stallo o velocità minima di sostentamento.
Come si manifesta lo stalloOsservando la figura sopra si nota che nel volo normale, l’aria che scorre sulla superficie superiore ed inferiore dell’ala è aderente al profilo alare e scorre in modo regolare.
Mano a mano che la velocità si abbassa, l’aereo per creare portanza, deve volare con angoli d’incidenza via via più alti, cioè con il muso puntato verso l’alto.Questo flusso d’aria crea un’alta depressione sull’estradosso ed un’alta pressione sul ventre dell’ala, pressioni che generano la portanza.
Ad incidenze molto elevate i filetti fluidi che scorrono sulla superficie superiore dell’ala cominciano ad essere instabili ed irregolari e tendono a staccarsi dall’ala, il gradiente di pressione sull’estradosso s’inverte e di conseguenza la portanza crolla.
Nel caso di manovre molto brusche la variazione dell’angolo d’attacco del profilo alare può essere così elevata, che l’aereo supera i valori dell’incidenza critica ed entra in stallo.
Lo stallo ad alte velocità è molto più pericoloso dello stallo a basse velocità, in quanto si possono superare i fattori di carico limite (G) consentiti dalla struttura del velivolo.
In conclusione ogni qualvolta che l’aereo supera l’angolo d’incidenza critica, indipendentemente dalla velocità, l’aereo entra in stallo.
Pilotaggio
Allo stallo si può rimediare (a meno che si sia a quote basse), facendo recuperare  velocità all’aereo durante la caduta, in modo che i filetti d’aria ritornino a scorrere regolari sulla parte superiore dell’ala e riportando l’aereo in volo uniforme.
Può accadere che una semiala raggiunga la condizione di stallo prima dell’altra, creando una asimmetria nello stallo, per cui il velivolo tende ad entrare in vite. In questo caso, per ripristinare la posizione corretta si utilizza l’effetto indotto del timone dando piede dal lato contrario alla caduta e cercando di mantenere la pallina del virosbandometro al centro.
Soluzioni costruttive
Ipersostentatori
Per migliorare le prestazioni di un profilo alare nei confronti dello stallo, è necessario ritardare l’avanzamento del punto di separazione del flusso d’aria sulla superficie superiore dell’ala; questo si ottiene con gli ipersostentatori.
Gli ipersostentatori vengono estesi nella fase di decollo ed atterraggio e non in quella di volo, in quanto generano molta resistenza.Svergolamento
Per impedire che lo stallo inizi all’estremità alare, dove sono posizionati gli alettoni, si svergola l’ala, dotandola di un angolo di calettamento maggiore vicino alla fusoliera e minore alle sue estremità.In questo modo lo stallo inizia alla radice dell’ala e poi si propaga verso l’estremità, per cui gli alettoni funzionano anche in condizioni critiche.
Il distacco graduale del flusso d’aria genera dei segni premonitori, come vibrazioni dell’aereo e la perdita di efficienza dei comandi.

ALETTE CANARD

Queste alette sono stabilizzatori orizzontali disposti davanti al baricentro ed all’ala.
ALA A DELTAL’ala a delta non prevede la coda classica che monta gli equilibratori, ma è un tutt’ala, dove la funzione degli impennaggi viene svolta dalle alette canard.Con questa soluzione l’equilibrio viene raggiunto da:
Lc * a = L * b
Lc = portanza delle alette canard
L   = portanza
a   = braccio alette canard
b   = braccio portanza
SchemaCaratteristiche
Pregi

• configurazione aerodinamicamente più efficiente della classica disposizione con stabilizzatori in coda perché in quest’ultima la forza necessaria ad equilibrare le rotazioni attorno al baricentro si ottiene con impennaggi in condizione di deportanza, mentre i canard generano una portanza che si somma a quella generata dalle ali. Conseguentemente si riduce il carico alare;
• l’ala delta è molto più resistente di un’ala fortemente rastremata ed è più semplice da costruire;
• buona agilità del velivolo: la posizione molto avanzata delle alette canard rispetto alla posizione del baricentro ne aumenta il loro effetto come superfici di controllo, consentendo l‘esecuzione di manovre estreme;
• riduzione della resistenza delle alette quando sono impiegate come trim;
• i vortici generati dalle alette investono l’ala consentendo al flusso d’aria di rimanere attaccato alla superficie alare anche ad alti angoli d’incidenza e durante le manovre;
• alle alte incidenze prima entra in stallo il pianetto canard, poi l’ala; per cui si ottiene un naturale effetto di picchiata dell’aeromobile che naturalmente esce dallo

Difetti

• la configurazione canard è altamente instabile longitudinalmente;
• le ali principali sono molto arretrate, per cui l’utilizzo degli ipersostentatori (flap) può risultare molto difficile se non impraticabile, in quanto l’aumento di portanza che ne deriverebbe potrebbe provocare un notevole momento picchiante;
• i disturbi aerodinamici sul bordo d’uscita o sulle superfici di controllo e l’alta resistenza indotta dovuta la piccolo allungamento alare, produce una perdita di portanza.

Conclusioni
Questo tipo di configurazione, ingestibile senza l’aiuto di sistemi di controllo informatici avanzati,  viene utilizzata principalmente negli aerei militari, dove la maneggevolezza è requisito fondamentale.

Equilibrio e Stabilità longitudinale dell’aereo

Simboli

• T  = Trazione, forza esercitata dal gruppo propulsore
• R = Resistenza aerodinamica
• Q = Peso
• P = Portanza
• Mo = Momento aerodinamico del profilo alare
• G  = Baricentro
• CA = Centro aerodinamico o fuoco, punto in cui viene applicato il momento creato dalla risultante delle forze aerodinamiche agenti sul profilo alare. In tale punto il momento di beccheggio rimane costante, indipendentemente dall’angolo di incidenza
• Lt = forza applicata all’impennaggio orizzontale (stabilizzatore)
• x = braccio della portanza rispetto al baricentro G
• lt = braccio dell’impennaggio orizzontale rispetto a G

EQUILIBRIO
Forze
Nel volo rettilineo uniforme a quota costante la risultante di tutte le forze e dei momenti agenti valutato rispetto al baricentro devono essere nulli.
T = R
P = QMomenti
Caso in cui CA è davanti a G.La condizione di equilibrio si ottiene quando:
Mo – Lt*lt – P*x = 0
Per ridurre la superficie dei piani di coda, si allontana la loro distanza dall’ala, cioè si allunga la coda.
STABILITA’
Riguarda la tendenza del velivolo a tornare nella sua posizione di equilibrio dopo un disturbo. Da notare che il velivolo può essere staticamente stabile ma dinamicamente instabile, mentre un velivolo dinamicamente stabile implica anche la stabilità statica.
Per capire se un aereo è stabile longitudinalmente, si analizza la variazione del momento attorno all’asse di beccheggio, che insorge per effetto di una variazione dell’angolo di incidenza dovuta a cause accidentali (ad esempio ad una raffica), a partire dalla condizione di equilibrio.
Portanza dell’ala davanti al centro di gravità dell’aereoSe a causa di una perturbazione aumenta l’incidenza (si alza un po’ il muso), aumenta anche la portanza, che provoca una ulteriore rotazione a cabrare attorno al baricentro e via di seguito.
Il sistema è instabile.
In questa tipologia di volo il pilota è costretto continuamente a correggere l’assetto per evitare di capovolgersi.
Portanza dell’ala dietro al centro di gravità dell’aereoSe a causa di una perturbazione aumenta l’incidenza (si alza un po’ il muso), aumenta anche la portanza, che provoca una diminuzione della rotazione a cabrare attorno al baricentro, con conseguente diminuzione dell’incidenza, e quindi il ripristino della condizione iniziale.
Il sistema è stabile.
Il pilota non deve intervenire di continuo sui comandi.
Per contro se G viene spostato troppo in avanti, i comandi diventano duri.

LA PORTANZA in soldoni

La portanza è la forza, generata dalle ali, che è in grado di sollevare e di far mantenere in volo l’aereo, superando ed eguagliando la forza peso.
Simboli
α = Angolo incidenza geometrica = angolo formato dalla corda alare e la direzione della corrente fluida
Corda alare = segmento immaginario che unisce il bordo d’attacco al bordo d’uscita di un profilo alare
ρ = densità dell’aria
S = superficie alare
V = Velocità
Cp = Coefficiente di portanza (dipende dal profilo alare e dall’angolo d’incidenza)
Leggi fisiche
Continuità
La portata di un fluido incomprimibile attraverso un tubo di sezione variabile resta costante. Significa se il condotto si stringe la velocità del fluido aumenta.
Principio di Bernoulli
Esprime la legge di conservazione dell’energia, argomento trattato nell’articolo ANCE per strumenti a fiato
Spiegazione
Come si evince dalla figura sotto, la vena fluida che scorre sul dorso, è costretta a passare attraverso sezioni decrescenti; questo provoca l’accelerazione della corrente (legge di continuità).Se il profilo possiede un angolo d’incidenza, la velocità della vena fluida sul dorso aumenta ulteriormente, mentre la corrente sul ventre diminuisce, in pratica sull’estradosso l’aria scorre più velocemente rispetto all’intradosso.A questo punto subentra il principio di Bernoulli, che, nel rispetto della legge di conservazione dell’energia, ad un aumento di velocità fa corrispondere una diminuzione di pressione e viceversa.
In conclusione l’ala risulta in depressione sul dorso ed in pressione sul ventre.Facendo la sommatoria delle forze complessive che si creano sull’ala si ottiene la PORTANZA.Il valore totale della portanza è pari a circa 1/3 sul ventre e di 2/3 sul dorso, in pratica il velivolo viene prevalentemente risucchiato verso l’alto.
La sua direzione è sempre ortogonale a quella del moto.
Formula Portanza
P = ½ ρ S V² Cp