GLI ELICOTTERI : LA TECNICA

Per risolvere il problema, lasciato insoluto dall'autogiro, del volo verticale con l'ala rotante, l'esperienza ha mostrato che una sola può essere la soluzione: partire col rotore in movimento ad una velocità tale da generare una forza portante superiore al peso dell'aerodina, il che può essere ottenuto solo collegando il rotore direttamente con un motore a scoppio o a turbina.

Si arriva così, dopo l'ala battente e quella autorotante, all'ala rotante per mezzo di un motore, cioè a quella dell'elicottero.

Quest'ala non sviluppa solo la forza portante, ma può essere utilizzata anche per produrre contemporaneamente una forza propulsiva in tutte le direzioni. Infatti quando la forza portante o portanza è verticale, l'elicottero è costretto a muoversi solo verso l'alto, ma se la portanza viene inclinata in avanti ed è maggiore del peso, una parte serve per il sostentamento e la rimanente forza come spinta propulsiva. Lo stesso accade inclinando la portanza a destra, a sinistra, indietro: l'elicottero si sposta a destra, a sinistra, indietro, ed è per questo uno dei pochissimi aeromobili che ha tutte le libertà di movimento (gli altri sono i vari tipi di gettosostentati e gli elicotteri compound, che vedremo parlando delle aerodine a sostentazione mista).

Come la portanza possa inclinarsi a piacimento del pilota risulta chiaramente dalle illustrazioni; per fissare il principio fondamentale basta dire che è sufficiente inclinare tutto il rotore nel senso e nella direzione voluti: si fa questo con un meccanismo situato nel mozzo del rotore. Tale dispositivo cambia continuamente l'incidenza delle pale - seguendo il comando del pilota - durante ogni giro del rotore, quindi, ciclicamente, in modo che una pala possa aumentare la sua forza portante mentre la pala opposta da una portanza minore. La differente forza sviluppata dalle due pale opposte, costringendo una ad alzarsi e l'opposta ad abbassarsi, provoca la voluta inclinazione del rotore in avanti o indietro o lateralmente.

L'elicottero differisce perciò strutturalmente dall'autogiro per il modo con il quale è risolto il problema della propulsione, appunto perché non ha un motopropulsore per la spinta in avanti e perché la sua ala rotante è motorizzata ed è capace di dare sia il sostentamento che al forza trattiva. Anche l'elicottero non può fare a meno del dispositivo che genera il flappeggio delle pale, inventato da La Cierva, che consiste, come già detto approposito dell'autogiro, nelle cerniere situate nel mozzo del rotore per permettere alle pale di alzarsi o abbassarsi di un certo angolo per compensare automaticamente, quando l'elicottero si muove in una direzione qualsiasi, l'asimmetria della portanza dovuta alla differente velocità di traslazione della pala che avanza rispetto a quella che retrocede. Se le pale fossero invece rigidamente fissate al mozzo, l'elicottero, come l'autogiro, si capovolgerebbe tutte le volte che una delle pale fosse più portante dell'altra (o delle altre). Questa differenze di portanza si verifica allorquando i due aeromobili traslano in avanti: infatti se il rotore gira in senso antiorario rispetto al pilota, la pala che si trova sulla sua destra è più veloce di quella che nello stesso momento si trova alla sua sinistra, perché, oltre a girare, avanza, e la velocità di rotazione si somma alla velocità di traslazione dell'aeromobile. Il contrario avviene per la pala sinistra.

Col comando del passo collettivo delle pale, il pilota può variare contemporaneamente l'incidenza delle pale, detta anche "passo", in modo che possano incontrare l'aria con una inclinazione maggiore o minore. Se l'inclinazione aumenta, a parità di giri e di potenza, aumenta anche la forza portante (fino a limite dello stallo), e viceversa. Il dispositivo serve quindi al pilota per ottenere il volo verticale verso l'alto o verso il basso: l'elicottero sale se la portanza complessiva delle pale è maggiore del peso dell'elicottero e della resistenza opposta dell'aria, e scende se tale portanza è minore. Il comando del passo collettivo delle pale serve anche per il volo stazionario, cioè permette all'elicottero di rimanere fermo rispetto al suolo quando il pilota gradua accuratamente l'inclinazione delle pale e la potenza del motore in modo che vi sia un perfetto equilibrio tra la forza sostentatrice (portanza) che ha senso verso l'alto e la forza peso che ha senso verso il basso. In questa manovra, sempre delicata e talvolta anche pericolosa, il sostentamento dell'elicottero può aumentare se il volo stazionario si verifica in vicinanza del suolo. In tal caso si forma sotto il rotore e tra il rotore e la terra una zona d'aria di maggiore densità rispetto a quella circostante, che aumenta la forza sostentatrice: si tratta del cosiddetto "effetto suolo".

E' ovvio che un elicottero rimane più facilmente in volo stazionario se è vicino al livello del mare che no su un alto monte, perché in quest'ultimo caso la minore densità dell'aria e la conseguente minore potenza del motore rendono le manovre molto più delicate e difficili, e oltre certi limiti anche impossibili.

Il rotore dell'elicottero e quindi un organo aerodinamico che fornisce:

- la forza portante (forza aerodinamica sviluppata dall'ala rotante);

- un incremento (verso l'altro) o un decremento (verso il basso) di portanza (col comando del passo collettivo);

- la spinta propulsiva in tutte le direzioni (con l'inclinazione del rotore ottenuta per mezzo del passo ciclico);

- la stabilità automatica contro la tendenza dell'elicottero a capovolgersi (flappeggio delle pale ottenuto con cerniere che permettono alle pale stesse di inclinarsi verso l'alto o verso il basso).

Il movimento del rotore non è sufficiente di per sé a far sollevare da terra l'elicottero. Perché ciò avvenga occorre che la portanza sviluppata dalle pale in rotazione sia maggiore della forza peso. Così se il numero dei giri al minuto non è sufficiente,oppure se l'incidenza delle pale è minima, oppure se si verificano tutte e due le condizioni contemporaneamente, l'elicottero resta al suolo.

Non appena la forza sostentatrice sviluppata dal rotore supera la forza peso, esso si solleva da terra, ma nello stesso tempo si verifica un fenomeno che turba l'equilibrio dell'aeromobile: la fusoliera si mette a girare in senso opposto a quello delle pale.        

Questo fenomeno è dovuto al principio di Newton: è infatti una vera e propria reazione che la fusoliera è costretta ad avere per equilibrare l'azione del rotore. ciò non avviene, invece, nel caso dell'autogiro il cui rotore (folle) è fatto girare dall'aria: in questo caso, infatti, è proprio l'aria - che esercita l'azione - a subire la reazione del rotore.

il principio di Newton dice infatti che ad ogni azione corrispondente una reazione uguale e contraria, e che ad ogni quantità di moto in un senso ne corrisponde sempre un'altra uguale in senso opposto: nel caso dell'elicottero, poiché la massa del rotore è molto piccola rispetto alla massa di tutti gli altri organi dell'aeromobile, la velocità del rotore essere molto maggiore della velocità con la quale la fusoliera gira in senso opposto.

Per questo fenomeno l'elicottero non potrebbe mai avere una fusoliera fissa ed orientata nel senso del movimento se non avesse un dispositivo capace di annullare questa sua tendenza a girare. Per neutralizzarla basta disporre l'asse longitudinale della fusoliera un pò deviato rispetto al suo moto in avanti e mettere in coda un'etichetta verticale e laterale che, collegata al rotore, possa dare, girando, una spinta da una parte. Il dispositivo, oltre a mantenere la fusoliera ferma, viene usato anche per orientarla nella direzione e nel senso che vuole il pilota, perché riducendo od aumentando la forza prodotta dall'elica, la fusoliera è costretta a ruotare, a destra o a sinistra. Si tratta quindi di un dispositivo che è nato per contrastare il fenomeno della reazione, ma è diventato un vero e proprio timone, ed è inoltre il timone più efficace perchè funziona anche a velocità zero e permette all'elicottero di ruotare attorno al suo asse verticale senza spostarsi.

La forza di reazione alla rotazione del rotore può essere contrastata anche con un altro rotore che giri in senzo inverso al primo. Gli elicotteri birotori, infatti, non hanno elichetta in coda e il funzionamento del timone di direzione viene assicurato con la riduzione dei giri di uno dei rotori.

Se il rotore non è accoppiato ad un motore, ma ruota per reazione a getti d'aria o di gas uscenti dalle estremità delle pale, non vi è reazione della fusoliera, perchè le azioni delle pale si compensano automaticamente e l'elicottero non ha bisogno di eliche in coda, ma di un vero e proprio timone come quello dei velivoli, timone che però agisce sulo se l'elicottero ha una certa velocità.

Il rotore dell'elicottero, oltre alle caratteristiche tecniche finora esaminate, ha quella importantissima di poter continuare a ruotare se si ferma il motore al quale  è collegato. E' ovvio che in tal caso la rotazione diventa un'autorotazione ossia una rotazione libera come quella del rotore dell'autogiro, generata dalla corrente d'aria che investe le pale. L'aeromobile non può far altro che scendere, ma può farlo anche con una traettoria di caduta molto vicina alla verticale, frenato dalla portanza ridotta  generata dal rotore libero. Nella fase immediatamente precedente l'impatto col suolo, un rapido aumento di portanza, ottenuto dal pilota attraverso il comando del passo delle pale, può ridurre la velocità entro i limiti di normale atterraggio.

Con la possibilità di scendere in autorotazione, se il motore è in avaria, l'elicottero è diventato una macchina sicura perchè ha il sostentamento sempre possibile, anche mentre sta cadendo. E' bene però precisare che occorre un certo tempo per permettere al rotore di passare dalla rotazione motorizzata che aveva a quella di libera rotazione. Ciò comporta che la manovra può essere compiuta con successo solo se l'elicottero ha almeno 90-100 metri di quota, partendo dal volo stazionario, o una velocità di traslazione molto elevata se il motore si ferma ("pianta", come si dice in gergo dei puiloti) a quota più bassa. 

La discesa in autorotazione, però, è sempre una manovra che richiede prontezza e molto allenamento, è rappresenta una importante fase dell'addestramento del pilota, perchè gli permette di avere una assoluta fiducia della macchina in tutte le evenienze possibili.

In questa fase l'elicottero è perfettamente simile ad un autogiro che scende in volo librato, spinto da una componente del suo peso e sostenuto dalla sua ala rotante.

In una sia pur rapida rassegna dei comandi dell'elicottero un ruolo di primo piano riveste il passo collettivo delle pale. Si tratta di una leva simile ad un freno a mano d'autovettura azionata dal pilota con la mano sinistra: tirandola in su il passo aumenta e l'elicottero decolla verticalmente o guadagna quota; abbassandola, il passo diminuisce e l'elicottero si abbassa.

detta manovra non può essere fatta da sola, perchè la maggior resistenza dell'aria, dovuta all'aumentata incidenza delle pale, deve essere compensata con un aumento di potenza e viceversa, il che viene eseguito dal pilota ruotando la manopola della stessa che comanda il passo collettivo, proprio come si fa con le motociclette per aumentare e diminuire il gas. La manovra è molto delicata, non solo perchè il pilota deve compensare la perdita o l'aumento di giri del rotore aumentando o diminuendo rispettivamente la potenza, ma anche perchè varia contemporaneamente la forza di reazione che fa ruotare la fusoliera dell'elicottero in senso opposto a quello del rotore. Il pilota deve quindi compiere nello stesso tempo una terza manovra indispensabile per tenere la posizione della fusoliera nel modo voluto. Questa manovra viene compiuta con i piedi azionando la pedaliera in questo modo: se la prua ruota a destra deve spingere avanti il piede sinistro finchè la prua non ha ripreso la giusta posizione. Deve dare pedaliera a destra, invece, se la prua tende a girare a sinistra.

\La variazione della posizione della prua comandata dalla pedaliera è data dall'elichetta verticale situata all'estremità posteriore della fusoliera. Questa elichetta è collegata col mozzo del rotore per mezzo di una trasmissione ad ingranaggi e ruota quando il rotore gira: ad ogni variazione di giri del rotore variano anche i giri dell'elichetta. Il comando della pedaliera agisce sul passo delle pale dell'elichetta, in modo che la spinta laterale aumenti o diminuisca e sposti di conseguenza la coda della fusoliera secondo la volontà del pilota. E' ovvio che il movimento della fusoliera dipende non solo dalla spuinta dell'elichetta, ma anche dalla resistenza dell'aria che tende a favorire o a rallentare la rotazione della fusoliera, a seconda di come viene investita dal vento della traslazione. Il comado dell'elichetta richiede molta abilità da parte del pilota, perchè ad ogni minima variazione di giri e di portanza del rotore  la fusoliera tende a girare in un senso o nell'altro. Lo stesso avviene quando l'elicottero si muove in un senso o in quello opposto, perchè la fusoliera viene investita asimmetricamente dal vento dovuto alla sua traslazione in avanti, a destra, a sinistra, indietro.

Si può dire, generalizzando, che la pedaliera dell'elicottero si deve muovere tutte le volte che si muovonbo gli altri comandi, il che vuol dire, in definitiva, che ci deve sempre essere un coordinamento fra tutti i comandi, perchè solo così le manovre possono risultare corrette ed efficaci.

Dopo aver esaminato il comando del passo collettivo, quello del motore e quello dell'elichetta compensatrice di coda, rimane il quarto ed ultimo comando, che agisce sul passo ciclico delle pale del rotore e permette di trasformare una parte della forza sostentatrice dell'elicottero in forza propulsiva. Esso, infatti, sfutta per la traslazione la spinta fornita dalla stessa ala rotante sostentatrice, perchè, quando il disco del rotore non ruota in un piano orizzontale, ma è inclinato, si genera una componente della forza portante nel senso dell'inclinazione. Poichè il rotore si può inclinare in tutti i sensi, l'elicottero si può immaginare come un veicolo che, trovandosi al centro di una sfera, si può muovere intutte le direzioni, anche senza puntare il muso nel senso del movimento. L'elicottero, cioè, si può muovere anche di fianco e può indietreggiare avanzando con la coda.

Il comando del passo ciclico delle pale è azionato dal pilota per mezzo di una lkeva impugnata con la mano destra. Come la barra di comando dei velivoli, anche quella dell'elicottero ha movimenti istintivi ed è facile per il profano imoparare subito come deve essere manovrata: per andare avanti, leva in avanti; per andare a destra, leva a destra, e così per tutti i movimenti di traslazione. Un pilota d'aeroplano, però, trova il passo ciclico molto complicato, nelle prime ore d'istruzione, perchè è abituato con la cloche dell'aeroplano: spinde la leva in avanti e l'elicottero, invece di picchiare, avanza; la sposta a destra e l'elicottero, invece di inclinarsi, si sposta lateralmente a destra, e, cosa ancora più sorprendente, tirandola indietro l'elicottero non cabra, ma addirittura retrocede. Dopo qualche ora d'istruzione, però, un pilota d'aeroplano si accorge che i due comandi sono invece molto simili nella manovrapiù essenziale, perchè la leva del passo ciclico diventa una vera e propria cloche di aeroplano se contemporaneamente si aziona il passo collettivo e il gas che danno la forza sostentatrice: pertendo dal volo stazionario, infatti, se il pilota riduce il passo collettivo e il gas, mettendo contemporaneamente la leva del passo ciclico in avanti, l'elicottero scende in picchiata come un aeroplano, perchè perde quota e va avanti. E' questa la classica manovra che i piloti di velivoli e di elicotteri fanno nei momenti di emergenza, quando i loro aeromobili sono in perdita di portanza. E' la picchiata infatti che attraverso l'aumento di velocità che ne consegue, in tutti e ddue i casi risolve la situazione critica, evitando il cosiddetto "stallo", cioè la caduta dell'aeromobile per una brusca perdita di portanza.

Quando il pilota dell'elicottero spinge la leva in avanti, il rotore, sempre continuando a ruotare, si inclina in avanti. L'inclinazione avviene perchè la leva, agendo sugli organi del mozzo, fa aumentare l'incidenza della pala che si trova nel settore posteriore mentre fa diminuire l'incidenza della pala che si trova nel settore anteriore. Risultato: quella di dietro si solleva, quella davanti si abbassa, e il rotore è costretto a ruotare rimanendo inclinato in avanti. E' bene, a questo punto, notare che l'elicottero può traslare orizzontalmente solo se la portanza è maggiore della forza peso, poichè quando il rotore è inclinato la forza sostentatrice si divide praticamente in due parti: una verticale, che deve essere uguale al peso, l'altra orizzintale nche fa da spinta e viene equilibrata dalla resistenza dell'aria. Ovviamente se il pilota non provvede ad aumentare la forza sostentatrice (tirando con la mano sinistra la leva del passo collettivo e ruotando la manopola del gas del motore), la portanza è sufficiente e l'elicottero si muove nel senso voluto dal pilota, ma perdento quota. Se la portanza, invece, è eccessiva, l'elicottero, oltre a traslare, guadagna quota. Anche per il passo ciclico si verifica quanto è stato detto per gli altri comandi, e cioè che ad ogni movimento della leva del passo ciclico l'elicottero reagisce in modo da richiedere una giusta dosatura di tutti gli altri, passo collettivo, potenza e pedaliera.

Il pilotaggio dell'elicottero richiede quindi molta attenzione appunto per questo indispensabile coordinamento di tutti e quattro i comandi. La tendenza della tecnica moderna è infatti quella di rendere automatico questo coordinamento, in modo che i comandi possano essere abbandonati dal pilota come quelli dei velivoli, una volta regolati per il regime di volo prescelto.

La leva che comanda la variazione del passo ciclico delle pale permette dunque il volo di traslazione in tutti i sensi. La manovra diventa istintiva con l'addestramento e l'elicottero ubbidisce, sia pure un po in ritardo rispetto ai velivoli, e si sposta tanto più velocemente quanto più il movimento della leva è stato ampio nel senso del moto. Se però si aziona la leva in senso  oipposto, si verifica una frenata in questo movimento, frenata tanto più energica quanto più la manovra è stata rapida ed ampia.

Il passo ciclico serve quindi anche per graduare la velocità di traslazione, dal massimo fino a ridurla a zero, come avviene nei rallentamenti, nelle frenate e nell'ultima fase dell'atterraggio, o addirittura serve per invertire il senso di marcia. Anche per il volo con traiettoria curva si deve azionare il passo ciclico: l'elicottero in tal caso può compiere delle vere e proprie virate, comportandosi come un velivolo. Il pilota, infatti, deve inclinare il rotore nel senso della virata, deve aumentare kla forza sostentatrice e deve azionare la pedaliera per dare al muso l'orientamento che deve mantenere durante la curva, cioè tangente alla traiettoria.

E' bene ricordare che se l'elicottero è in volo stazionario per cambiare la direzione dell'asse coda-prua non è necessario virare, ma basta azionare la pedaliera per orientare la fusoliera facendola girare su se stessa, attorno al suo asse vertivale, fermandola poi con un contromovimento quando si trova nella direzione voluta.

Una manovra molto comune che si esegue azionando la leva del passo ciclico è quella della correzione della deriva durante il volo stazionario e durante l'atterraggio . Se il vento sposta l'elicottero rispetto al punto prestabilito del terreno, il pilota può annullare questo spostamento (detto deriva) dando leva nel senso opposto, in quantità sufficiente per annullare la traslazione dovuta al vento, stimata ad occhio osservando il movimento dell'aeromobile rispetto al terreno. Negli elicotteri più recenti si può trovare un pilota automatico asservito ad un dispositivo inerziale che fa mantenere all'aerodina la posizione in assetto di hovering (o volo stazionario) senza bisogno dell'intervento del pilota.

In definitiva, il passo ciclico, quarto ed ultimo comando dell'elicottero serve per:

- far muovere l'elicottero in tutti i sensi;

- graduare la velocità di traslazione e quindi ottenere le frenate che si rendessero necessarie;

- correggere gli spostamenti durante il volo rettilineo (leva in senso opposto allo spostamento verificatosi);

- virare durante il volo traslato (coordinato con la pedaliera);

- regolare la posizione longitudinale della fusoliera.

In tutte e cinque queste funzioni principali il passo ciclico deve sempre essere coordinato con gli altri comandi, cioè con il passo collettivo, con la potenza del motore e con la pedaliera che aziona l'elichetta di coda. Una delle manovre dove tutti questi comandi intervengono e richiedono la massima abilità è certamente la discesa in autorotazione. Come è dimostrato dall'autogiro, l'ala rotante permette una discesa di sicurezza anche se non è collegata con il motore, ma ruota per la forza aerodinamica che si crea a causa del suo stesso movimento di caduta. Tale rotazione a folkle si chiama autorotazione e viene sfruttata dall'elicottero per l'atterraggio d'emergenza, quando fi ferma il motore. Ovviamente, la manovra viene compiuta anche per l'addestramento  con motore funzionante, ma ridotto al minimo.

La discesa in autorotazione è una manovra molto delicata e richiede la massima attenzione e l'uso di tutti i comandi: motore escluso;leva del passo collettivo al minimo (leva abbassata); leva del passo ciclico in avanti (per dare la necessaria velocità di traslazione e per mantenere l'elicottero su una traiettoria inclinata e rettilinea come quella del volo librato dei velivoli); la pedaliera energicamente azionata per correggere gli sbandamenti della fusoliera dovuti alla reazione per la rotazione non più motorizzata del rotore. Vicino a terra, tirando indietro la leva del passo ciclico, si ottiene la necessaria frenata. Poi, con la stessa leva, si dispone la fusoliera perfettamente orizzontale e si deve aumentare rapidamente il passo collettivo, in modo che subito prima dell'impatto  col suolo un brusco aumento della portaanza equilibri l'accellerazione di caduta dovuta alla forza peso. La manovra non può essere effettuata in tutte le circostanze con successo, perchè il rotore richiede un certo tempo per passare dalla rotazione a motore akll'autorotazione: come già detto, se l'elicottero si trova in volo stazionario a meno di 90-100 metri dal suolo e si ferma il motore, il pericolo è grave, poichè il pilota non fa in tempo ad eseguire tutta la manovra. Se invece va a quota più alta o in volo traslato molto veloce, anche se è a quota più bassa, la manovra può essere compiuta. Se è effettuata con prontezza e decisione, l'atterraggio non presenta alcun pericolo.

Prima di chiudere l'argomento è bene ricordare ancora che l'elicottero è diventato ormai un aeromobile indispensabile in molte attività umane, sia nel campo civile che in quello militare: per collegamenti fra luoghi impervi, per salvataggio, per sollevamento e trasporto di carichi ingombranti su brevi tragitti.