ELICOTTERO

ELICOTTERO (dal gr. ἕλιξ "spirale, elica" e πτερόν "ala"; fr. hélicoptère; sp. helicóptero; ted. Schraubenflieger, Schraubenflugzeug; ingl. helicopter, gyroplane)

Macchina aerea nella quale la sostentazione o portanza, che equilibra il peso, è data da un'elica ad asse verticale o quasi verticale. Il vantaggio di un tale tipo di macchina è quello di fornire una sostentazione che non è legata alla traslazione e non cessa al cessare di questa. Perciò l'elicottero può restare fermo in aria e partire e atterrare verticalmente, richiedendo per tali manovre uno spazio molto più limitato degli ordinarî aeroplani. L'organo portante dell'elicottero è un'elica portante (v. elica), destinata cioè a funzionare normalmente a punto fisso o a piccola velocità di avanzamento. Ma l'elicottero deve anche potersi spostare orizzontalmente e manovrare; richiede perciò anche organi di propulsione e di governo. Talvolta la portanza è affidata anche a superficie alari, che entrano in funzione insieme con l'elica sostentatrice, o in luogo di essa. Da ciò la classificazione in elicotteri puri e aeroplani-elicotteri. Questi ultimi funzionano normalmente come aeroplani ed eccezionalmente come elicotteri.

La prima idea dell'elicottero si trova in Leonardo da Vinci, il quale nel codice B, fol. 83 (circa il 1488), tracciava uno schizzo (fig.1) accompagnandolo con la seguente spiegazione: "La stremità di fori della vite sia di filo di ferro grosso una corda e dal cierchio al cientro sia braccia 8. Truovo se questo strumento fatto a vite sarà bene fatto cioè fatto di tela lina, stopata i suoi pori con amido e voltato con prestezza, che detta vite si fa la femina nell'aria e monterà in alto". Numerosi tentativi debbono poi registrarsi nel secolo scorso; durante la guerra mondiale T. Kármán, il Petroczy e lo Zurovec riuscirono a realizzare un interessante tipo di elicottero frenato. Dopo la guerra gli studî e gli esperimenti sono stati ripresi da più parti, ma a tutt'oggi il problema non è ancora stato risolto in maniera soddisfacente.

I lati principali del problema sono: la sostentazione con motore, la compensazione della coppia di reazione, la traslazione, la manovra, la stabilità, la discesa a motore spento o con motore.

Sostentazione con motore. - Questo problema si riduce a quello dell'elica a punto fisso e ai piccoli valori del rapporto di funzionamento γ (v. elica).

Oltre il problema della sostentazione a fermo, occorre considerare il problema della salita e quindi il rendimento propulsivo, la velocità di salita ecc. Tutto ciò costituisce la meccanica del volo dell'elicottero. Accenniamo solo che per ottenere un buon adattamento del propulsore alle varie possibili velocità ascensionali (da zero al massimo consentito dall'eccesso di potenza disponibile) occorre che l'elica sia a passo variabile.

Compensazione della coppia di reazione del motore. - Per neutralizzare la coppia di reazione dell'elicottero, sollecitato a ruotare in senso contrario all'elica da una coppia uguale e contraria a quella motrice, si può ricorrere a varî sistemi; i principali sono: a) uso di due eliche (o, in generale, di un numero pari di eliche) ruotanti in senso inverso, ad assi coincidenti o ad assi distinti. La disposizione con eliche coassiali (elicotteri Pescara, Marchetti, D'Ascanio) è probabilmente vantaggiosa dal punto di vista aerodinamico. La disposizione con eliche ad assi paralleli, che pure ha numerosi esempî (Berliner, Oehmichen, De Bothezat), permette di variare la portanza dell'una o dell'altra elica per ristabilire l'equilibrio turbato dell'aereo; b) collocare i motori direttamente sulle pale dell'elica, munendo ciascuno di essi di una propria elica di propulsione (fig. 2). Questa disposizione, ideata e brevettata da G. A. Crocco, è stata applicata all'elicoplano Isacco.

Propulsione. - Essa può ottenersi in varî modi: a) inclinando l'apparecchio nel senso del moto (fig. 3), con che la spinta dell'elica acquista una componente orizzontale. Si noti che a seguito della traslazione orizzontale l'elica viene a trovarsi in una corrente relativa obliqua (anzi quasi ortogonale) all'asse. Il problema, studiato teoricamente e sperimentalmente, dimostra che la spinta T dell'elica in tale condizione ha, oltre la componente assiale T_a, una componente laterale T_s, le due componenti F_p. e F_t (portanza e trazione) debbono fare rispettivamente equilibrio al peso e alla resistenza al moto. Questa disposizione è fra le preferite; b) con apposita elica di propulsione la cui trazione deve vincere le resistenze al moto delle varie parti dell'aereo e quella stessa che l'elica sostentatrice incontra a muoversi normalmente al proprio asse.

Stabilità e manovra. - L'elicottero non possiede una stabilità iniziale o intrinseca, giacché inclinando l'asse dell'elica non si produce per sé e immediatamente una coppia raddrizzante: si può tuttavia avere una stabilità indiretta, analoga alla stabilità trasversale dell'aeroplano, in quanto inclinando l'aereo nasce, come sopra si è detto, una trazione orizzontale e quindi un moto di deriva, dal quale possono scaturire forze e momenti stabilizzanti.

Il Kármán, ad es., ritiene che un elicottero monoelica sia stabile e che l'unico effetto di un turbamento iniziale sia il prodursi di un moto conico intorno alla verticale; un elicottero a due eliche ruotanti in senso inverso sarebbe invece di per sé instabile. Il Crocco ritiene che una certa stabilità possa conseguirsi inclinando verso l'alto gli assi delle pale (disposizione analoga al "diedro trasversale" degli aeroplani). Il problema è peraltro ancora aperto e ciò spiega come dai progettisti si preveda in ogni caso la stabilità comandata per mezzo di opportuni organi di governo. Oltre la stabilità di posizione vi sarebbero da considerare, nell'elicottero, la stabilità di quota e la stabilità di rotta, sia nel moto lungo la verticale, sia nella traslazione orizzontale o comunque inclinata.

L'equilibramento e le manovre dell'elicottero possono ottenersi: a) operando, a comando del pilota, una variazione periodica dell'incidenza delle pale a ogni giro, in guisa da rendere la spinta eccentrica e introdurre così il momento occorrente per ristabilire o mantenere l'equilibrio; b) facendo uso di superficie di governo o timoni investiti dal vento dell'elica o dalla corrente di traslazione; c) negli elicotteri a più eliche con assi distinti, variando il passo (o il regime) di alcune di esse e quindi la loro spinta; d) munendo l'elicottero di piccole eliche ausiliari di governo, delle quali si può variare la spinta variandone il passo o il regime.

Quando l'elicottero è in traslazione l'elica sostentatrice fornisce momenti laterali o sbandanti che possono essere eliminati articolando le pale alla loro base. Allora esse si dispongono inclinate verso l'alto, in guisa che la risultante delle azioni aerodinamiche e della forza centrifuga passi per l'asse dell'articolazione. Poiché l'azione aerodinamica varia periodicamente, essendo diversa secondo che la pala avanza o retrocede rispetto alla direzione del moto traslatorio, la pala oscilla periodicamente in alto e in basso. Il moto risultante della pala è all'incirca una rotazione in un piano obliquo all'asse.

Per quanto riguarda le manovre di salita e discesa, si può ricorrere alla variazione del numero dei giri o alla variazione del passo dell'elica portante.

Discesa a motore spento. - È certo uno dei problemi più vitali per l'elicottero, in quanto implica un problema di sicurezza, non facile a risolvere. La via da battere fu indicata molti anni fa dal Crocco e consiste nell'utilizzare l'elica come mulinello in autorotazione, per la qual cosa occorre invertirne il passo, affinché il senso di rotazione durante la discesa resti lo stesso che nel volo con motore. Si raggiunge una condizione di moto stazionario quando la spinta (negativa) dell'elica uguaglia il peso dell'aereo. L'elica in tale condizione funziona come un paracadute a superficie virtuale.

Altro modo di realizzare la discesa a motore spento potrebbe essere quello di far planare l'apparecchio come un ordinario velivolo, dotandolo di superficie portanti adeguate. A questo scopo possono servire le stesse pale dell'elica, rese fisse e opportunamente orientate (es. l'Alérion di Damblanc); infine la stessa elica in autorotazione può funzionare da superficie portante, com'è il caso dell'autogiro.

Tentativi di realizzazione dell'elicottero. - Elicottero Pateras-Pescara (1922; fig. 4) con due eliche coassiali, ruotanti in senso inverso, a sei pale biplane, del diametro di 7 m. Ogni ala è un piccolo biplano con montanti diagonali. Peso totale 600 kg., motore Rhône 120 cavalli. Elicottero Oemichen, francese (1923), a quattro eliche principali, disposte all'estremità di una croce di tubi a braccia disuguali, la più lunga essendo l'asse di traslazione dell'apparecchio. Vi sono inoltre un'elica di propulsione ed eliche secondarie di governo. Un certo grado di stabilità automatica deriva all'apparecchio dalla presenza di un grosso giroscopio centrale ad asse verticale. Le eliche principali hanno: m. 7,50 di diametro le laterali, m. 6,40 le longitudinali. Peso totale 850 kg., motore Rhône 1z0 cavalli. Elicottero Berliner (fig. 5), americano, costituito da una fusoliera Nieuport alla quale, in luogo delle ali, fu adattata una trave a traliccio, portante agli estremi due eliche sostentatrici. Per l'equilibrio servono superficie di governo e una piccola elica portante in coda, a passo variabile. La traslazione è ottenuta inclinando l'apparecchio. Peso 500 kg., motore Rhône 120 cavalli, diametro delle eliche portanti m. 4,28. Elicottero De Bothezat (1923), travatura cruciforme, 4 eliche portanti a 6 pale, diametro m. 7,50. Peso totale 1600 kg., motore Rhône 170 cavalli. Elicottero Perry, due eliche coassiali, monoplane, di grande diametro, con variazione periodica del passo. Elicottero frenato Petroczy-Kármán-Zurovec (1918). Avendo il Kármán riconosciuto le grandi difficoltà della discesa e della stabilità, rinunziò a risolverle in modo autonomo, provvedendo a ormeggiare l'apparecchio al suolo mediante tre cavi fissati all'estremità della struttura di atterraggio. L'elicottero era provvisto di due eliche coassiali ruotanti in senso inverso, con superficie di disco di 28,3 mq., tre motori Rhône 120 cavalli, spinta 1500 kg. L'elicottero si sollevò fino a 50 m. Elicottero Marchetti (fig. 6): due eliche a quattro pale monoplane, coassiali, ruotanti in senso inverso, a passo variabile e invertibile; peso totale 1200 kg., motore Rhône 110 cavalli, diametro eliche 17 m. Per l'equilibrio e la stabilità comandata, nonché per la propulsione, era previsto un sistema originale di superficie orientabili a comando del pilota, poste all'estremità delle pale, mediante le quali si sarebbe potuta realizzare una spinta orizzontale di direzione qualsiasi e d'intensità regolabile a piacere. L'elicottero non fu condotto a termine. Elicottero D'Ascanio (figg. 7-8): due eliche bipale coassiali, ruotanti in senso inverso: interessante il meccanismo epicicloidale tipo "differenziale" disposto per la trasmissione del moto agli alberi delle due eliche, in modo da assicurare in ogni istante l'uguaglianza delle due coppie di reazione e quindi la loro perfetta compensazione. Le pale sono snodate all'attacco e girevoli intorno al loro asse geometrico, per poterne variare il passo a volontà del pilota; la variazione del passo è ottenuta agendo sopra un timone posto presso l'estremità di ciascuna pala. L'elica è montata a ruota libera, così che in caso di arresto del motore può funzionare in autorotazione come paracadute a superficie virtuale, previa inversione del passo. Per il governo la macchina è fornita di tre elichette, una sotto la coda per l'assetto longitudinale (e quindi anche per la traslazione), una a sinistra del pilota per l'assetto trasversale, una a destra per la direzione. L'elicottero D'Ascanio ha fatto le sue prove nel 1930 con promettenti risultati.

L'autogiro di Juan de La Cierva. - Il 31 gennaio 1923, all'aerodromo dei Cuatro Vientos, presso Madrid, fece le sue prove con buon successo un originale apparecchio, risultato di pazienti studî e di numerosi tentativi di J. de La Cierva. Esso è un apparecchio intermedio tra l'aeroplano e l'elicottero. Può definirsi un aeroplano in cui la cellula è sostituita da una grande elica folle, ad asse quasi verticale, il cui piano di rotazione presenta, in volo normale, una certa incidenza rispetto alla direzione del moto. Quando l'apparecchio, sotto la spinta di un'ordinaria elica di propulsione, comincia la sua rincorsa sul terreno, l'elica si mette in rotazione e precisamente essa avanza col bordo d'attacco e retrocede col bordo di uscita. In volo l'incidenza di cui sopra fornisce alla corrente relativa una componente assiale che mantiene l'elica in autorotazione. Le pale sono snodate all'attacco e però presentano quei battimenti periodici ai quali si è accennato più sopra. L'angolo di calettamento delle pale è sempre molto piccolo e presenta un valore optimum dipendente dalla forma del profilo adoperato per le sezioni. La velocità periferica è sempre notevolmente superiore alla velocità di traslazione. Per l'equilibrio trasversale provvedono due alettoni disposti alle estremità di un'asta orizzontale, collocata al posto ordinario dell'ala. II vantaggio di questa macchina aerea consiste nel poter discendere planando a pendenze elevatissime (45° e anche di più) e con velocità di discesa molto piccole. Essa perciò può atterrare in breve spazio ed è immune dal pericolo della perdita della velocità, cui vanno soggetti gli aeroplani. Per l'avviamento essa invece richiede un lungo percorso di slancio. Per diminuirlo, nei recenti tipi si è fatto ricorso a una speciale ampia superficie di coda, orientabile, a fermo, in modo da lanciare il vento del propulsore contro l'elica portante e iniziarne la rotazione (deflettore). Altre caratteristiche dei tipi più recenti sono: snodo delle pale anche nel piano di rotazione, ampia carreggiata, sostituzione dell'asta di sostegno degli alettoni con una vera e propria ala (fig. 9).

Bibl.: Sull'elicottero: A. Fage e H. E. Collins, Some Experiments on Helicopters, in British Advisory Committee for Aeronautics, 1917; G. A. Crocco, La discesa degli elicotteri a motore spento, in L'aeronautica e la marina, 1921; id., Sulla stabilità intrinseca dell'elicottero, in Rend. R. Accademia Naz. dei Lincei, 1923; L. Damblanc, The Problem of Helicopters, in The Aeronautical Journal, 1921; Th. v. Kármán, Theoretische Bemerkung zur Frage des Schraubenfliegers- Der Schraubenfesselflieger Petroczy-Kármán-Zurovec, in Abhandlungen aus dem aerodyn. Institut an der techn. Hochschule Aachen, II (1922); W. Margoulis, Les hélicoptères, Parigi 1922; Les hélicoptères Pescara, in L'Aéronautique, dicembre 1922; The De Bothezat Helicopter, in Flight, 1923; R. Oehmichen, Les essais de l'hélicoptère Oemichen-Peugeot N. 2, in L'Aéronautique, 1923; A. G . v. Baumhauer, Some notes on Helicopters, in Proceedings I Intern. Congress for Applied Mechanics, Delft 1924; E. Pistolesi, Uno sguardo ai principali problemi relativi all'elicottero, in Rassegna aeronautica, 1924; Risultati di prove a punto fisso condotte sopra modelli di elica sostentatrice per elicottero, in Rendiconti tecnici della Direzione superiore del Genio e delle costruzioni aeronautiche, 1924; H. Glauert, On the vertical Ascent of a Helicopter, in Aeronautical Research Committee for Aeronautics, 1927; id., On the horizontal Flight of a Helicopter, ibid. 1928; O. Flachsbart, Theorie der Hubschraube, in Zeitschrift für Flugtechnik und Motorluftschiffahrt, 1928; V. Isacco, The Helicogyro, in Journal of the Royal Aeronautical Society, 1929; M. Lamé, Principales propriétés et possibilités d'avenir des sustentateurs tournants, in La Technique aéronautique, 1929.

Sull'autogiro: L. Bairstow, The Cierva Autogyro, in Nature, 1925; H. Glauert, A general Theory of the Autogyro, in Aeronautical Research Committee, 1926; E. Pistolesi, Considerazioni sull'Autogiro, in L'Aerotecnica, 1926; J. de La Cierva, Development of the Autogyro, in The Journal of the Royal Aeronautical Society, 1926; id., I pregi e l'avvenire dell'autogiro, in L'Aerotenica, 1929; id., Wings of tomorrow; the story of the autogyro, New York 1931.