Materiali da costruzione

Prima di descrivere il design adottato per gli STOL, è necessario prima accennare brevemente alcuni criteri per la scelta dei materiali strutturali.

Gli aerei STOL, per essere tali, devono essere robusti, affidabili e semplici da mantenere. Questi criteri vengono soddisfatti in gran parte dalle leghe d’alluminio, molto utilizzate nelle costruzioni aeronautiche leggere e contraddistinte dai seguenti vantaggi [24, 31, pp. 95-98]:

• Alto rapporto resistenza/peso; resistenza ben conosciuta, anche all'esposizione dei raggi UV del sole e all'umidità, a differenza del degrado di tessuti in materiale composito come il Dacron©, utilizzato molto per la costruzione delle vele per i deltaplani da volo libero e a motore e per ultraleggeri (i cosiddetti “tubi e tela”, presentati di seguito nella descrizione della fusoliera). • Buona resistenza alla corrosione, in particolare grazie alle leghe AA Serie 2000, 6000 e 7000 e

ai moderni impregnanti (primers); • Basso costo e facile reperimento;

• Facilità nella lavorazione: sono malleabili e forgiabili in molte forme, procedure produttive e necessità di attrezzi semplici; a differenza dei compositi, non è indispensabile la lavorazione in ambienti a temperatura controllata e privi di polvere. I moderni rivetti ciechi hanno notevolmente semplificato la costruzione di aerei metallici in kit; facili da ispezionare: i difetti di costruzione e dei materiali sono facilmente rilevati, come le parti difettose o danneggiate, semplici da riparare: i rivetti possono essere facilmente rimossi per sostituire parti o sezioni danneggiate. Le parti individuali possono essere cambiate senza dover sostituire o ricostruire parti intere della struttura.

• Atossiche per l'ambiente e durante la sua lavorazione, e sono riciclabili per nuovi utilizzi; Pertanto, le costruzioni in lega d'alluminio offrono la miglior struttura per un aereo da fuori-campo. Infatti sono durevoli e robuste, agevoli da ispezionare, facili manutenere anche in condizioni disagiate. Ad esempio, una qualsiasi lamiera metallica può essere facilmente rivettata su un'area danneggiata in modo da poter riportare l'aereo in volo alla base, cosa non possibile se l’aeromobile è costruito ad esempio con materiali compositi in monoblocco.

Le leghe d’alluminio, applicate alle costruzioni aeronautiche ed in particolare agli STOL, vengono lavorate per la produzione di lamiere o estrusi a parete sottile.

Le leghe più utilizzate per i membri estrusi con sezioni di spessore inferiore a 0.125 [in] sono le 2024-T4, e 2014-T6 per sezioni più spesse e con maggiore sollecitazione; quest’ultima è utilizzata anche come lega per lavorazioni di forgiatura, in particolare per carrelli di atterraggio e cilindri idraulici per il passaggio dell’olio per la creazione di attuatori per eliche in composito a passo variabile.

Anche le leghe 6061 T6 e 7075 T6 hanno una notevole applicazione per estrusioni che richiedono sezioni sottili e un'eccellente resistenza alla corrosione. La lega 6061 T6 e la sua controparte di forgiatura 6151-T6 sono spesso utilizzate in raccordi vari per ragioni di economicità e aumento della resistenza alla corrosione, quando le parti non sono molto sollecitate.

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Per strutture molto leggere come negli aerei biposto STOL, vengono impiegate a volte anche leghe 3003-H12, H14 e H16, 5052-O, H32, H34 e H36. Queste leghe sono utilizzate ad esempio per serbatoi adibiti allo stoccaggio del combustibile, dell’olio lubrificante e dell'olio idraulico, con le pareti saldate tra loro tramite tecnica TIG.

Alcune parti dell’aeromobile però, come verrà di seguito esposto, non sono costruibili con leghe d’alluminio, ma solo in acciaio. Queste zone locali richiedono maggior rigidezza rispetto a quella offerta dall’alluminio, seppur appesantendo non di poco l’aeromobile intero. Questa maggior rigidezza è ottenibile anche grazie alla tecnica della saldatura a gas MIG o TIG [31, pp. 227-230], assai critica se effettuata su leghe di alluminio. Ad esempio, il castello motore, la struttura reticolare che fissa il motore alla fusoliera dell’aereo, è formato da barre cilindriche fabbricate in acciaio al cromo molibdeno AISI 4130 N, e saldate tra di loro tramite tecnica MIG o TIG. Le uniche parti strutturali degli aeromobili STOL costruite in plastica sono le superfici trasparenti della cabina utili alla visibilità del pilota verso l’esterno, costruite di solito in plexiglass.

Ritornando ai metalli, nel caso in cui la saldatura non sia possibile e l’imbullonatura richieda troppo tempo per il montaggio e aggiunga eccessivo peso, la tipologia di collegamento più utilizzata è il rivetto o ribattino [31, pp. 208-211, 33], soprattutto tra lamiere o tra una lamiera ed un estruso.

Il rivetto, a differenza del collegamento imbullonato, non è smontabile, perciò il collegamento è definitivo a meno di distruggere il rivetto stesso per disaccoppiarle, tramite un trapano.

I giunti rivettati sono realizzati in lega metallica, e sono progettati per subire solo sforzi di taglio. Prima di essere installato, il rivetto è costituito da un cilindro metallico con una testa da un lato. Il rivetto è inserito in un foro realizzato precedentemente con un trapano, e quindi l'estremità senza testa viene ribadita, ovvero deformata plasticamente a formare la controtesta. I fori in cui inserire il rivetto devono essere di diametro calibrato, maggiore del diametro del gambo del rivetto non deformato, che si espanderà fino a riempire tutto il foro all'atto della realizzazione della controtesta.

L'area libera deve essere di diametro di circa una volta e mezzo il foro, per permettere la corretta formazione della controtesta. Il foro deve essere eseguito a un angolo di 90° nelle lamiere. Per prevenire disallineamenti o l'allontanamento tra le lamiere durante l'esecuzione del foro, queste devono essere opportunamente bloccate insieme tramite degli imbastitori. Lo strumento utilizzato per applicazioni artigianali o caratterizzati da pochi rivetti è la rivettatrice manuale, mentre per applicazioni aeronautiche in cui i rivetti superano le 10000 unità è conveniente utilizzare una rivettatrice pneumatica.

Se le lamiere dovessero allontanarsi, dei trucioli metallici potrebbero infilarsi nello spazio vuoto che si verrebbe a creare tra loro. Se le lamiere dovessero scorrere tra loro, il foro sarebbe non allineato e non sarebbe possibile l'inserimento del rivetto.

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Per applicazioni aeronautiche si utilizza, sulla faccia esterna dell'aeromobile, la cosiddetta testa svasata; infatti la superficie esterna dell'aeromobile deve essere il più liscia possibile, per preservare le caratteristiche aerodinamiche. È necessario quindi ricavare, oltre al foro, una depressione concentrica, chiamata svasatura, per l'alloggiamento della testa del rivetto [34, pp. 31-33].

I pannelli alari sono solitamente rivettati con rivettatrici pneumatiche che formano una o entrambe le teste del rivetto. La controtesta è sporgente, in quanto situata all'interno della struttura.

Esistono moltissimi modelli di rivetti, a seconda del settore di applicazione, dello spessore dei componenti da unire e dal diametro del foro. La Zenith Aircraft Company, ad esempio, indica nei suoi manuali di costruzione [3, p. 25] i modelli di rivetto a testa svasata da utilizzare a seconda del diametro del foro:

Ad esempio, il rivetto con codice A4 e AF4 prodotto dalla POP Avdel® corrisponde al rivetto 1604-0412, ed è costruito con i seguenti materiali [35, p. 80]:

Le dimensioni geometriche sono caratterizzate dalle quote indicate nella figura sopra, e dipendono dallo spessore dei due componenti da unire e dal diametro del foro in cui inserire il rivetto.

Figura 3-22 Codici identificativi rivetti da utilizzare per il kit dello Zenith.

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Nel caso in cui il diametro nominale sia 3.2 [mm] come nel rivetto A4 e AF4, le dimensioni e i valori di carico limite di taglio e trazione del rivetto sono: