L’aerodinamica degli STOL

Dal punto di vista aerodinamico, la grande sfida è dunque quella di progettare un'ala con un elevato coefficiente di portanza, in modo che la superficie alare sia ridotta, mentre le velocità di decollo ed atterraggio siano le più basse possibili. Le specifiche adottate per un’ala configurata all’uso STOL vengono riassunte nella definizione di High Lift Wing Design [24, pp. 2-3].

Il design di un’ala per un aeromobile STOL si articola in diversi aspetti, come ad esempio la generazione di portanza a velocità basse, o come il controllo del volo anche in condizioni estreme (e.g. assetto con grande angolo d’attacco) [26]. La Figura 3-2 sottostante riassume le specifiche più comuni adottate nella quasi totalità degli STOL in commercio attualmente, e di seguito verranno descritte.

Le ali degli STOL sono relativamente corte (minori di 10 [m], rispetto ai valori di 11-12 per quelli convenzionali), ma con corda alare lunga (in media 1.4-1.5 [m]), rendendo l'aereo più maneggevole in rullaggio, specie quando si opera da superfici non preparate ed in presenza di ostacoli, richiedendo inoltre minor spazio per l'hangaraggio, ed aggiungendo che sono più facili da costruire e più robuste (meno peso ed apertura alare da sostenere anche a terra quando l’aeromobile è fermo).

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La corda alare grande perciò, associata ad un'apertura relativamente corta, fornisce anche una notevole robustezza con basso peso. L’aumento della corda alare è possibile grazie a degli ipersostentatori al bordo d’attacco chiamati slat, raffigurati nello schema sottostante.

Inoltre, con la corda costante (invece che rastremata), l'ala è anche facile da costruire ed assemblare. L’aumento del carico alare comporta un aumento del coefficiente di portanza necessario per raggiungere una data velocità di volo, ottenibile solo con angoli d’attacco più alti peggiorando la visibilità del pilota dalla cabina. L’aumento della corda porta anche ad un aumento dell’aspect ratio dell’ala, diminuendo leggermente così la resistenza indotta.

Per ritardare lo stallo ad un coefficiente di portanza più elevato, molti aerei STOL sono muniti di superfici fissi e mobili lungo tutta l’ala o parzialmente, come i flaps (sul bordo d'uscita dell'ala) e alcuni modelli utilizzano anche gli slat [24, pp. 2-6, 27], che consistono in un’appendice aerodinamica posta davanti al bordo d’attacco delle due semiali, fissata tramite dei supporti in acciaio, che riescono a diminuire ulteriormente la velocità di stallo. Gli Slat posti nel leading edge permettono all’aeromobile di volare ad un più alto angolo d’attacco, raggiungendo velocità di volo ancor più basse.

Questo dispositivo crea un’intercapedine per l’aria incidente sull’ala, accelerandola per effetto Venturi e creando quindi una maggior differenza di pressione tra estradosso ed intradosso, implicando l’aumento della portanza a parità d’angolo d’attacco con un’ala identica non dotata di Slat. Qunado vengono rimossi gli slat al leading edge, la corda alare diminuisce, aumentando così il carico alare. La presenza dello Slat ritarda il fenomeno dello stallo, raggiungendolo a circa 30 gradi di incidenza (rispetto ai 15-17 di un’ala senza slat). Lo svantaggio dell'ipersostentatore del bordo d'attacco è che per accelerare l'aria nella fessura richiede energia, il che significa una maggiore resistenza.

Figura 3-3 Confronto della corda alare con e senza slat.

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Siccome la portanza elevata è necessaria solo nel volo lento (decollo, salita iniziale, avvicinamento finale ed atterraggio) sarebbe conveniente per il progettista utilizzare un sistema retrattile che si chiuda a velocità più elevate per ridurre appunto la resistenza.

L'illustrazione mostra chiaramente quanto l'ala con flaps e slats sia la soluzione ideale per il volo lento, dove c'è bisogno di molta portanza e sia anche meno penalizzata dalla resistenza in crociera [24, p. 3]. Questa configurazione è leggera, senza parti meccaniche in movimento associate con gli ipersostentatori del bordo d'attacco. Un inconveniente di rilievo è lo scarso range di velocità con bassa resistenza, che significa una ristretta gamma di velocità di crociera economica. Dall’altro lato, però, la configurazione senza slat permette il raggiungimento di velocità di volo leggermente superiori, ma allo stesso tempo raggiungendo velocità di stallo più alte rispetto all’ala dotata di slat, diminuendo il range operativo di sicurezza per decolli e atterraggi estremi.

Dati perciò i requisiti di uno STOL, la configurazione di ala dotata di slat e flap costituisce la soluzione migliore, ed è dimostrato dalle scelte fatte in fase di progettazione per gli aeromobili STOL in commercio attualmente.

Per migliore il range piccolo di velocità di volo in crociera, esistono dei sistemi che modificano la posizione o inclinazione degli slat, e può essere ottenuto in modi differenti: gli slats possono essere montati su guide scorrevoli, in modo che, ad elevati angoli d'incidenza, vengano automaticamente estratti dal flusso dell'aria attorno al bordo d'attacco, mentre in crociera (ad incidenze inferiori) siano automaticamente retratti. Questa tipologia viene chiamata slat flottante. E’ un sistema relativamente semplice e non impegnativo dal punto di vista prgettuale, ma possiede un grosso svantaggio: in aria turbolenta potrebbe estendersi lo slat di un'ala soltanto, mentre l'altro rimane chiuso, creando così un potenziale serio problema per il pilota, che dovrà applicare tutto l'alettone per mantenere l'aereo livellato.

Alcuni esperimenti furono fatti sullo Zenith CH 701 STOL, in cui gli slat non modificavano la loro posizione o inclinazione a seconda del flusso incidente, ma tramite un comando a disposizione del pitlota.

Questo sistema è stato chiamato commercialmente PegaSTOL [28, pp. 5-9], e permetteva il volo anche con gli slat retratti, rendendo lo Zenith molto più veloce ed efficiente dal punto di vista dei consumi rispetto al modello con slat fissi.

Dal punto di vista aerodinamico, la presenza dello slat retratto aumenta ulteriormente lo spessore e la corda del profilo nel bordo d’attacco, comportando un aumento della portanza.

L'ala in questa configurazione è leggera, ma ciononostante assicura un coefficiente di portanza molto elevato, rendendola una soluzione semplice ed economica per questa tipologia di aeromobili.

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Da questa illustrazione è possibile notare come il leading edge dell’ala con slat esteso sia appuntito, e non arrotondato come nelle ali usuali.

Il sistema più sicuro in questo caso è comunque quello di connettere meccanicamente lo slat destro con il sinistro, per prevenire l'estensione asimmetrica accennata in precedenza. D'ogni modo, creare questa installazione è gravoso dal punto di vista del peso ed assai più complesso. Il guadagno di efficienza deve essere molto significativo per compensare l'incremento di peso del sistema, per non parlare del peso e della complessità dell'impianto [29, pp. 7-10]. Per ragioni di semplicità progettuale e costruttiva, la maggior parte degli Zenith in circolazione mantiene gli slat in posizione fissa.

Alcuni costruttori, per trovare un’alternativa che potesse generare la stessa portanza degli slat ma senza tutto il suo peso hanno sperimentato l’uso di piccole lamine poste al bordo d’attacco dell’ala, intervallate a distanza regolare, prendendo il nome di Vortex Generators.

Questi dispositivi, visibili nella figura sopra, consistono in piccole lamine mettalliche poste ad intervallo costante lungo il bordo d’attacco dell’ala. I VG sono tipicamente rettangolari o triangolari e sono posizionati sulla superficie della zona interessata dallo strato limite e lungo le linee prossime alla parte più spessa dell’ala, in posizione obliqua in modo tale di avere un angolo di incidenza rispetto al locale flusso, da creare un vortice che aumenti l'energia dello strato limite a contatto della superficie.

Figura 3-6 (a) Sistema PegaSTOL esteso; (b) Sistema PegaSTOL retratto.

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In sostanza, i vortex generators creano dei vortici, i quali favoriscono il rimescolamento dello strato limite energizzando il flusso a ridosso del profilo. Ciò ritarda la separazione del flusso dal profilo, diminuendo la velocità di stallo di ali e superfici di controllo degli aeromobili come flaps, elevatore, alettoni e timone. Esperienze pratiche effettuate sullo stesso velivolo confrontando un’ala non dotata di slat ma di VG affermano che queste lamine aumentano in maniera poco significativa il coefficiente di portanza massimo. Se adottato su un’ala senza slat, i coefficienti di portanza di una certa rilevanza sono raggiungibili solo in presenza di effetto suolo (a circa un metro da terra), dovendo perciò accelerare una volta staccato e ruote da terra (cabrando negativamente l’aeroplano) per poi iniziare la salita in sicurezza.

L’aumento di velocità richiesto non è significativo rispetto all’uso di un’ala dotata di Slat, ma non permette l’inizio della salita immediatamente dopo la rotazione come quest’ultima configurazione d’ala. La stessa cosa succede in fase d’atterraggio. L’alto rateo di caduta (dovuto alla bassa efficienza aerodinamica) permette ad un velivolo STOL di atterrare in aree remote o caratterizzate da lunghezze relativamente minori rispetto al normale. L’aumento in qualche modo perciò dell’efficienza aerodinamica richiede maggior distanza d’atterraggio necessaria, perdendo le peculiarità di cui lo STOL è contraddistinto dal resto dei velivoli.

Continuando la descrizione delle caratteristiche aerodinamiche delle ali, si passa ora ai comandi di volo. Siccome un velivolo STOL può volare a velocità molto basse ed è progettato per operare da aree non preparate (spesso con ostacoli), il controllo dell'aereo a basse velocità risulta essenziale.

Figura 3-8 Confronto della distanza di decollo per diverse configurazioni aerodinamiche.

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I comandi di volo presenti sulle semiali possono essere divisi o unici. La configurazione divisa è quella “tradizionale” composta nella parte più interna della semiala dai flap, estendibili a 15° per il decollo e 35° per l’atterraggio, comandati manualmente o elettricamente tramite servocomando, e nella parte più esterna da un alettone, controllo da leveraggi meccanici, e atto al comando dell’aeromobile attorno al suo asse longitudinale di rollio.

La configurazione unica prevede l’uso di un’unica superficie portante di comando chiamata “flaperone”, caratterizzata da una superficie efficace molto grande, funzionando sia da alettone che da flap, senza aver bisogno di installare dei servocomandi elettrici per l’azionamento dei flap, i quali aggiungono peso e potenziali sorgenti di inaffidabilità.

Per le ragioni sopra espresse, un velivolo STOL è spesso dotato di alettoni "full span" che fungono anche da flaps "full span" o flaperoni. L'estensione "full span" assicura ai flaps la massima portanza su tutta l'ala ed agli alettoni il controllo sull'asse di rollio con un peso ridotto, in quanto entrambe le funzioni sono condivise dalla stessa superficie di controllo.

In prossimità della superficie dell'ala, l'aria viene rallentata dall'attrito viscoso, a causa dell’interazione tra l’aria stessa e la superficie dell’ala. Questo strato d'aria rallentata viene definito "strato limite" e diviene più spesso man mano che ci si sposta dal bordo d'attacco verso quello d'uscita. Associato a questo fenomeno, esiste l’effetto Reynolds, ovvero che più si vola lenti, più spesso diventa lo strato limite. L'attrito e l'effetto Reynolds concorrono a formare uno strato limite spesso poco meno di 1.5 [cm] verso la parte posteriore di un'ala con corda di (1.2–1.5) [m], progettata per volare a basse velocità. Un flap od un alettone convenzionale avrebbero pertanto una deflessione iniziale di (1-2) gradi con efficacia di controllo molto bassa, poiché avviene all'interno dello strato limite, aerodinamicamente non molto attivo.

Per evitare questa perdita di controllabilità, il flaperone può essere progettato come una piccola ala separata che si muove al di fuori dello strato limite e della scia dell'ala. Inoltre, questo sistema di flaperoni (spesso definito di tipo flap di tipo Junker) risulta efficace anche ad elevati angoli d'attacco, poiché è posizionato sotto l'ala, pertanto continua ad essere investito da aria indisturbata anche quando l'ala si trova ad angoli d'attacco estremi. Questa soluzione aerodinamica era utilizzata da molto costruttori di aeromobili STOL. Negli ultimi anni, invece, questa soluzione è stata meno considerata, optando per una soluzione classica di alettoni e flap indipendenti.

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Alcuni aeromobili STOL, indipendentemente dalla configurazione tradizionale o unica, per aumentare la decelerazione in atterraggio oltre a quella eseguita dagli alettoni/flap e flaperoni inseriscono delle appendici aerodinamiche nell’estradosso dell’ala chiamate diruttori o spoilers, simili a quelle utilizzate negli aeromobili commerciali di grandi dimensioni.

Passando alla parte estrema dell’ala, la maggioranza degli aerei leggeri STOL utilizza le estremità alari tipo Hoerner, cioè con l’estremità alare obliqua a 45 gradi verso l’esterno. Questa tipologia di estremità alare incrementa l'apertura alare efficace da 20 a 30 [cm], senza alcun ulteriore aumento di peso. L’aumento dell’apertura efficace dell’ala diminuisce il carico alare dell’aeromobile, abbassando ulteriormente la velocità di stallo del mezzo. Dato che la pressione è inferiore sull'estradosso dell'ala e maggiore sull'intradosso ed e questa differenza di pressione a creare la portanza che permette il volo. Verso l'estremità esterna dell'ala, l'elevata pressione dell'intradosso "percepisce" che la pressione sull'estradosso è inferiore, appena sopra la tip e cerca di risalire per equilibrare il sistema, creando pertanto un flusso secondario verso l'esterno.

Quest'ultimo genera un vortice oltre l'ala; perciò per apertura alare efficace si intende la direzione trasversale al profilo valida alla generazione della portanza utile alla sostentazione dell’aeromobile, cioè considerando anche il centro di rotazioni dei vortici risalenti all’estradosso. Con una tip alare arrotondata o squadrata, invece, il vortice sarebbe centrato attorno all'estremità dell'ala, come mostrato sopra.

Lo Zenith CH 701 STOL utilizza delle appendici di tipo Hoerner per massimizzare l’area efficace per la generazione di portanza e minimizzare i vortici d’estremità alari generanti la componente indotta dalla velocità della resistenza aerodinamica. L’adozione di questa soluzione comporta un’apertura alare effettiva maggiore per un’apertura alare geometrica di un velivolo della stessa taglia.

Figura 3-11 Spoiler su un Just Aircraft SuperSTOL.

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Come gli aeromobili commerciali, anche per i mezzi leggeri esistono delle tips alari ripiegate in alto od in basso chiamate wing let, in cui il vortice è ulteriormente sospinto verso l'esterno.

Tips ripiegate in basso sono spesso presenti sui velivoli STOL, ma creano una penalizzazione di peso, in quanto sono di solito delle appendici ricavate dal pieno, cioè senza una struttura interna analoga a quella di un’ala semimonoscocca.

Se l'estremità dell'ala è tagliata ad un angolo di 45° come nella soluzione Hoerner, con un piccolo raggio inferiormente ed un angolo superiore relativamente affilato, l'aria del flusso secondario segue lo spigolo inferiore arrotondato, ma non può circondare lo spigolo superiore affilato ed è perciò spinta verso l'esterno. Le prestazioni dell'aereo dipendono dalla distanza fra il centro dei vortici delle due estremità alari (l'apertura alare efficace), e non dalla attuale apertura geometrica. Le estremità di tipo Hoerner perciò assicurano la più ampia apertura efficace per una data apertura geometrica od un dato peso dell'ala.

3.3.1 Impennaggi di coda

Le superfici di coda degli STOL devono essere efficaci e funzionali anche a velocità basse, e lo sono grazie allo spessore del profilo alare caratterizzanti i dispositivi. La deriva orizzontale è caratterizzata da un equilibratore invertito capace di generare la deportanza necessaria all’equilibrio meccanico in ogni istante di volo, anche ad angoli attacco elevati, fornendo manovrabilità e stabilità durante le operazioni consuete di volo.

Piano di coda orizzontale

Dato che un'ala ad alta portanza è progettata per volare ad angoli d'attacco insolitamente elevati (30°, a confronto dei 15-17 di un'ala convenzionale), per raggiungere quest'angolo così alto è necessario spingere in basso la coda molto di più che con un'ala convenzionale. A meno di costruire dei piani di coda orizzontali molto grandi, la coda deve disporre di una considerevole deportanza (𝑐_{𝐿,𝑐𝑜𝑑𝑎} < 0), per garantire l’equilibrio verticale delle forze in volo. Questo scopo si raggiunge in primo luogo con uno stabilizzatore a profilo invertito e secondariamente con un "Venturi virtuale".

La maggiore velocità farà superare la tendenza alla separazione quando il flusso viene deflesso. Sappiamo anche che quando abbiamo un "mezzo Venturi" il flusso dell'aria crea un'immagine a specchio e segue il principio di un Venturi completo, pertanto la velocità incrementata dall'effetto Venturi segue il piano di coda orizzontale anche quando deflesso nella posizione abbassata del bordo d'attacco (ovvero l'effetto Venturi virtuale). Alcuni modelli, per energizzare lo strato limite, utilizzano dei Vortex

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Generators per ritardare lo stallo locale causato da una deflessione marcata di una superficie di comando (e.g. decollo):

In alcuni modelli, nel bordo d’uscita dell’equilibratore, è presente una piccola superficie mobile comandata da un servocomando elettrico denominata trim: essa permette di mantenere la posizione della cloche fissa ad un determinato assetto (voluta dal pilota) senza richiedere uno sforzo continuo del conducente, che renderebbe non confortevole i momenti di volo in crociera, specialmente nei viaggi più lunghi. Questa superficie può essere comandata e controllata automaticamente anche nel caso in cui l’aeroplano sia auto pilotato tramite una centralina a 2 assi.

Piano di coda verticale

Gli aeromobili STOL, date le condizioni estreme meteorologiche ed ambientali a cui sono sottoposto, devono disporre di un timone capace di offrire buone prestazioni con il vento al traverso (cross wind). In un modello STOL, quando il vento al traverso ha una velocità maggiore di quella di stallo dell'aereo (cosa che può realmente accadere) è possibile puntare l'aereo verso il vento e letteralmente decollare in verticale (anche utilizzando la pista nella sua larghezza). Un altro vantaggio del timone integrale è costituito dalle minori dimensioni rispetto alla struttura convenzionale di deriva e timone separati. Pertanto è più leggero ed essendo costituito da un pezzo unico, è più facile da costruire, garantendo eccellenti capacità di ripresa dalla vite in quanto la parte mobile (timone) ha una superficie molto ampia. Il timone stesso è costituito da un profilo simmetrico, il che aiuta a renderlo efficace e responsivo anche alle velocità più basse.

Figura 3-14 Influenza dei Vortex Generators in decollo e atterraggio.

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Le ali modelli STOL spesso, come precedentemente esposto, diventano più sottili alla radice per lasciare che aria non disturbata possa fluire dall'elica verso i piani di coda. La posizione della coda al di sopra della fusoliera, che riceve aria direttamente dall'elica, garantisce un controllo efficiente e responsivo degli impennaggi, a confronto della risposta pigra fornita da una configurazione convenzionale nel volo lento.

3.3.2 Kit di conversione

Molte aziende del settore forniscono dei kit per alcuni aeromobili d’aviazione generale non STOL, per migliorare le loro prestazioni su campi corti, come ad esempio:

• Crosswinds STOL commercializza un kit per aeromobili come il Piper 12, 14, 18, PA-20 and 22, Bellanca Champion Model 7, Cessna 170B, 180 e 185. Il kit contiene il leading edge cuffs, che è un’estensione arrotondata fissata al bordo d’attacco dell’ala, la quale ritarda il fenomeno dello stallo ad angoli d’attacco maggiori rispetto a prima.

• Micro AeroDynamics commercializza i generatori di vortici per aumentare le capacità STOL di un aereo. Questi dispositivi vengono fissati o incollati al leading edge dell’ala e alcune volte nell’elevatore orizzontale posteriore.