Come vola un elicottero: portanza, comandi e autorotazione

Un elicottero, per il manuale di volo della FAA, l’agenzia federale statunitense per l’aviazione, è un aeromobile sollevato e spinto da uno o più rotori orizzontali, ciascuno con almeno due pale. Si chiama anche velivolo ad ala rotante, e l’immagine va presa alla lettera: ogni pala è un’ala che, invece di avanzare dritta, gira attorno a un albero. Tutto il resto, dai comandi al rotore di coda, discende da questa idea.

La parola viene dal francese hélicoptère, coniato da Gustave de Ponton d’Amécourt nel 1861 unendo due radici greche, helix (spirale) e pteron (ala).

Un’ala che gira

Un aereo deve correre sulla pista finché l’aria scorre abbastanza in fretta sulle ali. L’elicottero ottiene lo stesso flusso facendo girare le pale: la portanza nasce anche quando la macchina è ferma, e per questo può restare sospesa in un punto e decollare o atterrare in verticale, senza pista.

Il rotore è fatto di tre parti: l’albero, un cilindro cavo mosso dalla trasmissione; il mozzo, in cima, dove si attaccano le pale; e le pale stesse, che hanno il profilo di un’ala. Quando il profilo attraversa l’aria, sul dorso curvo il flusso accelera e la pressione si abbassa, come descrive il principio di Bernoulli. La faccia inferiore resta a pressione più alta, e la differenza tra le due spinge la pala verso l’alto. C’è poi un secondo contributo: l’aria che colpisce il ventre della pala viene deviata in basso e, per la terza legge di Newton, restituisce una spinta uguale e contraria verso l’alto.

Da sola la pressione atmosferica non serve a niente. Al livello del mare preme con circa 2.116 libbre per piede quadrato, ma lo fa allo stesso modo sopra e sotto la pala: conta solo la differenza.

Le pale sono anche svergolate. Vicino al mozzo girano piano e hanno un passo più alto, verso la punta vanno più veloci e il passo diminuisce. Anche il flusso d’aria spinto verso il basso è massimo in punta, dove la pala corre di più.

Passo e angolo d’attacco

Il manuale distingue due angoli. L’angolo di passo, o di incidenza, è meccanico: è l’inclinazione della pala rispetto al disco del rotore, e il pilota lo cambia coi comandi. L’angolo d’attacco invece è aerodinamico, e si misura tra la pala e il vento relativo che la investe. Coincidono solo se l’aria non è disturbata; appena il rotore spinge aria in basso o l’elicottero si muove, i due angoli si separano. Aumentando l’angolo d’attacco la portanza cresce fino a un angolo critico, oltre il quale la pala stalla e la portanza crolla.

Quattro forze e un rotore solo

In volo su un elicottero agiscono quattro forze: la portanza, il peso, la spinta e la resistenza. La differenza con l’aereo sta nella spinta. Sull’aereo la dà il motore, mentre sull’elicottero portanza e spinta nascono entrambe dal rotore principale, e nel volo a motore la loro risultante è perpendicolare al disco. Se il disco resta orizzontale l’elicottero sale o resta sospeso; se si inclina in avanti, una parte della forza diventa spinta orizzontale.

Questa è anche la ragione per cui, quando parte in avanti da fermo, un elicottero tende a perdere un po’ di quota: una parte della portanza è stata dirottata in spinta.

Esempio pratico: in virata il rotore deve reggere più del peso. Il manuale FAA fa l’esempio di un elicottero da 1.600 libbre, circa 726 kg: inclinato di 30 gradi il carico sale del 16%, a 1.856 libbre; a 60 gradi raddoppia, 3.200 libbre; a 80 gradi arriva a quasi sei volte tanto.

I tre comandi

Il manuale dice che il pilota lavora in tre dimensioni e usa di continuo entrambe le braccia ed entrambe le gambe. Ecco che cosa muove ciascun arto.

Comando	Dove sta	Che cosa cambia	Effetto
Collettivo	A sinistra del sedile, mano sinistra	Il passo di tutte le pale, insieme e nella stessa misura	Salita o discesa
Ciclico	Di solito tra le gambe del pilota	L’inclinazione del disco del rotore	Volo avanti, indietro, a destra, a sinistra
Pedali	Sul pavimento, ai piedi	Il passo del rotore di coda	Direzione del muso

Il collettivo non cambia la velocità di rotazione: più passo con giri costanti significa più portanza, e l’elicottero sale. Il passo però porta con sé anche più resistenza, che incide sui giri del rotore. Il ciclico fa un lavoro diverso: cambia il passo delle pale durante il giro, così il disco si inclina senza che la portanza totale cambi. Il rotore si comporta come un giroscopio, e la pala raggiunge la massima deflessione circa 90 gradi dopo il punto in cui riceve il comando. Per questo i leveraggi anticipano la variazione di passo di circa un quarto di giro.

A tradurre i movimenti del pilota nelle pale che girano ci pensa il piatto oscillante, formato da un piatto fisso e da un piatto rotante.

Esempio pratico: in hovering, fermo sopra un punto a poca altezza da terra, il pilota usa il ciclico per non scivolare di lato, il collettivo per tenere la quota e i pedali per tenere il muso nella direzione voluta. Se tocca un comando deve ritoccare gli altri due, in un ciclo di correzioni continue. Il manuale definisce l’hovering la parte più impegnativa del pilotaggio, perché l’elicottero si crea da solo l’aria turbolenta in cui sta sospeso.

La coppia e il rotore di coda

Quando il motore fa girare il rotore in un verso, la fusoliera tende a girare nel verso opposto: è di nuovo la terza legge di Newton. La coppia cresce con la potenza usata, quindi ogni volta che il pilota chiede più potenza deve anche premere il pedale per avere più spinta dal rotore di coda. Quella spinta laterale è abbastanza forte da far scivolare di lato l’elicottero in hovering, che infatti resta sospeso con un pattino un po’ più basso dell’altro.

La soluzione scelta da Igor Sikorsky per il VS-300, un rotore principale e un rotore di coda a passo variabile, è diventata la configurazione riconosciuta ovunque come l’elicottero. Non è l’unica. Il Fenestron chiude le pale di coda dentro un condotto circolare nella deriva, così è meno probabile che tocchino persone o oggetti. Il NOTAR sostituisce il rotore con una ventola interna: l’aria esce da due fessure lungo la trave di coda, che grazie all’effetto Coanda lavora come un’ala nel flusso del rotore e fornisce fino al 60% dell’anticoppia in hovering, mentre un getto orientabile fa il resto.

Altre macchine eliminano il problema alla radice con due rotori che girano in versi opposti. Nei tandem i due grandi rotori si annullano la coppia a vicenda, e tutta la potenza dei motori può andare nella portanza. Nei coassiali stanno sullo stesso albero, uno sopra l’altro: niente rotore di coda e niente dissimmetria della portanza, al prezzo di una meccanica più complessa. Esistono anche i rotori ingranati, montati su due alberi leggermente inclinati in modo che le pale si incrocino senza scontrarsi.

Esempio pratico: il motore gira molto più veloce del rotore. Nell’esempio del manuale FAA un motore a 2.700 giri al minuto con una riduzione 6:1 dà un rotore a 450 giri; con una riduzione 9:1 il rotore scende a 300. Il rotore di coda, collegato con un rapporto di circa 6:1, con un rotore principale a 350 giri ne fa 2.100.

Hovering ed effetto suolo

Vicino al terreno il rotore rende di più, perché il suolo interferisce col flusso d’aria spinto verso il basso. Per la maggior parte degli elicotteri l’effetto suolo si fa sentire fino a circa un diametro del rotore, misurato dal suolo al disco, e riduce la potenza necessaria per restare sospesi. È massimo sopra superfici lisce e dure; erba alta, alberi, cespugli, terreno accidentato e acqua lo attenuano. Fuori dall’effetto suolo, per lo stesso hovering serve più potenza.

Volare in avanti

Quando l’elicottero prende velocità, o quando c’è vento, il rotore migliora il rendimento: è la portanza traslazionale. Tra 16 e 24 nodi, circa 30-44 km/h, il disco si lascia alle spalle i vortici che ha creato e comincia a lavorare in aria indisturbata. Il pilota se ne accorge da una breve vibrazione e da prestazioni migliori, e il muso tende ad alzarsi.

Il volo in avanti crea però uno squilibrio. Da un lato del disco la pala va incontro all’aria e la sua velocità si somma a quella dell’elicottero; dall’altro la pala arretra e le due velocità si sottraggono. Nell’esempio del manuale, con le punte delle pale a circa 400 nodi e l’elicottero a 100 nodi, la pala che avanza sente 500 nodi e quella che arretra 300. Senza correzioni, questa dissimmetria della portanza renderebbe l’elicottero incontrollabile in qualsiasi condizione diversa dall’hovering senza vento.

La correzione principale è il flappeggio, il movimento su e giù delle pale. Nei rotori articolati avviene attorno a una cerniera, nei semirigidi le pale si muovono come un’unica unità, nei rigidi si flettono. La pala che avanza si solleva e il suo angolo d’attacco cala, quella che arretra si abbassa e il suo angolo cresce: la portanza torna in equilibrio, con l’aiuto del ciclico.

C’è un limite. Oltre una certa velocità la pala che arretra, lenta e con un angolo d’attacco alto, stalla e perde portanza. Lo stallo della pala retrocedente è uno dei fattori che fissano la velocità da non superare, segnata da una linea rossa sull’anemometro, e arriva prima con molto peso, pochi giri del rotore, quota elevata o turbolenza.

Quando il motore si ferma: l’autorotazione

In volo normale l’aria entra nel rotore dall’alto ed esce verso il basso. In autorotazione succede il contrario: l’elicottero scende e l’aria risale attraverso il disco, facendo girare le pale senza il motore. È possibile grazie alla ruota libera, un meccanismo simile a una frizione che lascia girare il rotore anche a motore spento.

Lungo la pala si formano tre zone. Il quarto più interno, vicino al mozzo, è in stallo e frena. La parte centrale, tra circa il 25% e il 70% del raggio, è quella trainante, e produce la forza che mantiene le pale in rotazione. Verso le punte, per circa il 30% del raggio, c’è la zona trainata, che nel complesso frena anch’essa.

Il pilota regola la discesa con la velocità e i giri del rotore. A velocità zero si scende in fretta; la discesa è più lenta intorno ai 50-60 nodi, a seconda del modello. Al momento dell’atterraggio l’unica energia disponibile per frenare e toccare terra piano è quella accumulata nelle pale che girano. Il manuale FAA precisa che ogni elicottero, per essere certificato, deve dimostrare di poter atterrare così. L’autorotazione è possibile anche se si rompe del tutto il rotore di coda, perché in quel regime la coppia è quasi nulla.

Elicottero, autogiro e aereo

L’autogiro sembra un elicottero ma vola in un altro modo. Il nome Autogiro è un marchio coniato da Juan de la Cierva: in volo il suo rotore non è mosso dal motore, gira in autorotazione per l’aria che lo attraversa dal basso e da davanti, come il vento fa girare le pale di un mulino. Per mantenere quel flusso serve velocità, e la dà un’elica a motore. Nel 1928 Harold Pitcairn portò negli Stati Uniti il C.8W di Cierva, il primo velivolo ad ala rotante a volare con successo nel Paese.

	Elicottero	Autogiro	Aereo
Da dove viene la portanza	Rotore mosso dal motore	Rotore libero in autorotazione	Ala fissa
Da dove viene la spinta	Dallo stesso rotore, inclinato	Da un’elica a motore	Dal motore
Hovering	Sì	No, gli serve velocità	No, gli serve velocità
Controllo della coppia	Rotore di coda o rotori controrotanti	Non serve, il rotore non è motorizzato	Nessun rotore

Una storia di tentativi

Il Museo della Scienza e della Tecnologia di Milano conserva un modello della vite aerea disegnata da Leonardo nel Manoscritto B, ma avverte che lo studio è stato associato all’elicottero in modo improprio. Il volo verticale vero arrivò molto più tardi: il manuale FAA spiega che elicotteri affidabili, capaci di un hovering stabile, nacquero decenni dopo gli aerei, in buona parte perché chiedevano motori con una densità di potenza maggiore.

Tra l’8 e il 13 ottobre 1930 l’italiano Corradino D’Ascanio fece provare il suo D’AT3, spinto da un motore Fiat da 85 cavalli, e ottenne tre record mondiali: 8 minuti e 45 secondi di durata, 18 metri di altezza e 1.078,60 metri di distanza in linea retta. Nel 1935 volò il francese Breguet-Dorand, con due rotori coassiali; nel 1936 fu la volta del tedesco Focke-Achgelis Fw-61, con due rotori affiancati, che la brochure dell’ASME indica come il primo elicottero pratico del mondo. Il sincrottero Flettner, un elicottero del tipo detto «a frullino», fu prodotto per uso militare tra il 1942 e il 1945, negli anni della seconda guerra mondiale.

Il 14 settembre 1939 Igor Sikorsky portò in aria il VS-300 a Stratford, in Connecticut: circa dieci secondi, appena staccato da terra. Aveva un rotore a tre pale di 28 piedi di diametro, circa 8,5 metri, e un motore da 75 cavalli. Nel 1942 un elicottero progettato da Sikorsky entrò in piena produzione, con 131 esemplari costruiti.

Sulla velocità, l’11 agosto 1986 il Westland Lynx «G-LYNX», pilotato da Trevor Egginton, percorse 15 chilometri nel Somerset a una media di 400,87 km/h, con pale sperimentali BERP. Secondo Leonardo, l’impresa valse due record ufficiali della Federazione aeronautica internazionale.

Esempio pratico: le stesse regole valgono lontano dalla Terra. Ingenuity, l’elicottero della NASA mandato su Marte per provare per la prima volta un volo controllato nell’atmosfera sottile del pianeta, pesa circa 1,8 kg sulla Terra e ha due rotori controrotanti di 1,2 metri che girano a circa 2.400 giri al minuto. Un rotore da elicottero terrestre, secondo la FAA, di solito sta tra 320 e 500. Per ripassare dove si trova Marte, c’è il Recap sul sistema solare.