Questa settimana ci occupiamo dell’elica. Nel mondo del volo a motore, infatti, è sempre sulla breccia per le discussioni che genera in quanto spesso si trova ad essere la principale imputata per prestazioni non all’altezza, riguardo soprattutto lunghe corse di decollo e basse velocità massime. Cattive prestazioni che vengono spesso imputate al costruttore dell’elica, quando in realtà potrebbe bastare una buona messa a punto.

L’elica è l’organo che trasforma i cavalli del motore in trazione e come vedremo subentrano molti fattori che possono incidere sull’efficienza di funzionamento di un’elica. Cominciamo distinguendo le due macro categorie di eliche sul mercato.

Elica a passo fisso

Come molti sanno la coppia del motore viene “scaricata” nell’aria dall’elica, un po’ come avviene per le gomme di un’automobile che “scaricano a terra” la potenza del motore, e possono, così, incidere pesantemente sulle prestazioni di una vettura. In questo caso il concetto è uguale: più percentuale di energia erogata dal motore viene scaricata, più potenza netta si ottiene.

L’efficienza di un’elica in termini assoluti non è bassa, in quanto si aggira attorno all’85-90%. In altre parole il 10% dei 100hp del Rotax 912 viene sempre perso facendo scendere la potenza trasmessa all’elica a circa 90 Hp, che possono ulteriormente calare a causa di una serie di fattori che vedremo più avanti.

La costruzione di un’elica in legno parte da uno stratificato di tavole selezionate, perché il legno, dato che è un materiale naturale, è particolarmente soggetto a tensioni e deformazioni al variare dell’umidità.

Le tavole vengono disposte con la venatura con orientamento intervallato, e vengono incollate sotto pressa con collanti specifici. Le prime eliche per la propulsione di velivoli venivano costruite interamente a mano tramite dime, successivamente è stato inventato un “copiatore” di eliche per riprodurre i disegni dei progetti, e quindi si è compiuto l’ultimo grande step sfruttando le frese a controllo numerico. La tecnologia di accoppiamento delle varie tavole per formare il “multistrato” è tuttavia lo stesso da ormai quasi un secolo.

Per elica a passo fisso s’intende un’elica in cui le pale sono calettate con un angolo non modificabile rispetto all’asse di rotazione. Questo angolo è indicato con un’unità di misura che si chiama Passo, ed è in realtà poco intuitiva in quanto difficilmente misurabile dal momento che indica quanto l’elica avanzerebbe teoricamente se si “avvitasse” nell’aria senza impedimento.

Come sappiamo l’elica compie un moto rotatorio attorno al proprio asse: ciò comporta che la velocità con cui il profilo dell’elica investe l’aria cambia in ogni punto: si va da una velocità periferica zero (al centro) fino a circa 900 km/h all’estremità. Questo implica che tutte le pale di un’elica siano più o meno svergolate (cioè “torte” per diminuire il calettamento del profilo verso l’estremità) per distribuire la portanza uniformemente in tutta la lunghezza, e ottenere da ogni centimetro quadro di elica la massima portanza.

Per questo non è possibile indicare il passo di un’elica semplicemente indicando l’angolo di calettamento delle pale in quanto quest’ultimo varia ad ogni sezione. Il connubio fra diametro e passo fornisce poi le dimensioni caratteristiche delle eliche che, a parità di misura, si possono confrontare più o meno similarmente trovando prestazioni comparabili.

Il materiale di costruzione delle eliche ha seguito lo sviluppo dei materiali per la cellula dei velivoli, e con l’avvento degli aerei in metallo anche le eliche sono passate all’alluminio. Per costruire un’elica in alluminio ricavata dal pieno non è più necessario incollare le tavole curando le tensioni, in quanto l’alluminio consente una stabilità dimensionale maggiore e inoltre permette di adottare profili più sottili ed efficienti.

Le eliche in alluminio sono tutt’ora largamente utilizzate soprattutto in aviazione generale mentre sono scarsamente diffuse nel volo ultraleggero a causa dell’alto peso. Le eliche in legno vengono utilizzate per svariate applicazioni a tutto vantaggio del peso e dell’estrema riduzione nel numero di componenti. Oggi è infatti possibile predire con assoluta precisione le prestazioni di progetto di un’elica a passo fisso progettata ad hoc.

L’ultima evoluzione per quanto riguarda la struttura della pala è l’adozione di strutture a sandwitch di differenti materiali. L’anima interna è ora formata da materiali leggeri (dal legno al poliuretano espanso) rivestito di fibra di vetro o carbonio, come vedremo più avanti nell’articolo.

Eliche a passo variabile a terra

L’evoluzione delle eliche a passo fisso è proseguita verso il cosiddetto “passo variabile a terra”: l’elica non è più costruita in un singolo pezzo ma è composta da più parti: il sistema è composto dalle singole pale, un mozzo centrale che le alloggia e dagli altri elementi di fissaggio come bulloni, prigionieri e trascinatori. Il serraggio del mozzo centrale blocca le pale nella posizione desiderata ma allentando i bulloni lascia la possibilità di regolazione manuale a terra del passo. Ciò permette di variare finemente il compromesso fra la spinta statica e l’allungo alle alte velocità senza dover cambiare ogni volta l’elica che quindi non ha più un disegno specifico per ogni valore di Passo ma può essere prodotta in serie sempre con la medesima geometria.

Un’elica a passo fisso (sia regolabile a terra che non) è inevitabilmente un compromesso in quanto senza la possibilità di variare il passo non è possibile ottenere la massima efficienza lungo tutto l’inviluppo di volo per evidenti limiti fisici. È corretto il parallelismo fra l’elica a passo fisso e un’automobile che non può cambiare marcia:

• Setup a passo corto: fornisce un ottimo spunto al punto fisso ma ha poco allungo in velocità. A titolo di esempio forniamo dei numeri indicativi: a punto fisso il motore raggiungerà circa 5500 giri (94 hp -10%= 85 hp) avvicinandosi alla massima potenza, ma alla massima potenza già ad una velocità di 170 km/h raggiungerà i 5800 giri massimi, costringendo a ridurre la potenza senza sfruttare appieno l’allungo del velivolo;
• Setup a passo lungo: ha poco spunto da fermo ma più allungo in velocità. A punto fisso il motore raggiungerà massimo 5000 giri (88 hp – 10%= 79 hp), ma sarà possibile sfruttare la massima potenza all’elica fino a oltre 200 km/h rimanendo sempre sotto ai 5800 giri.

L’ultima evoluzione delle eliche a passo variabile a terra consiste nelle cosiddette eliche ESR “Extended Speed Range”: si tratta di eliche che sfruttano profili appositamente studiati e una particolare geometria della pala per avere una porzione di elica che a velocità zero si “scarica” consentendo di raggiungere al punto fisso il regime di massima potenza (5800 giri) ma che, proporzionalmente all’aumento di velocità, fa lavorare sempre più porzione di pala per mantenere costante il carico al motore.

L’accorgimento progettuale consente di mantenere pressoché invariati i giri massimi da zero fino ad una velocità di circa 200km/h e di sfruttare quasi totalmente i 90Hp (all’elica) del motore quando una normale elica a passo fisso ne sfrutta molti meno come abbiamo visto. All’atto pratico fino ad un certo limite di velocità si comporta quasi come un’elica a passo variabile, migliorando il “compromesso” fra spinta statica e allungo e azzerando tutte le complicazioni di un’elica a passo variabile. Spesso con queste eliche si risparmia fino al 70% sul peso del gruppo elica rispetto a un passo variabile.

Eliche a passo variabile in volo

La necessità di variare l’incidenza dell’elica in volo fu evidente già dagli anni ’20 quando grazie allo sviluppo massiccio dei velivoli si vide aumentare rapidamente la velocità di volo. Il funzionamento di ogni elica a passo variabile è concettualmente molto simile ai cinematismi del rotore di un elicottero con la differenza che l’elica è normalmente mossa da un albero interno al mozzo elica che scorre assiale all’albero di rotazione e tramite bielle o forchette trascina dei braccetti collegati alle pale, modificandone l’incidenza. Il mozzo è particolarmente sollecitato in quanto tutta la spinta, la torsione e le vibrazioni generate dalle pale sono concentrate fra la zona della radice della pala e il mozzo dove avviene anche la rotazione, creando un punto critico proprio nell’accoppiamento tra le parti.

Oggi per il volo leggero esistono numerose alternative che sfruttano svariate tecnologie di variazione del passo, tra cui:

• elettrica
• idraulica
• elettroidraulica
• meccanica

Per elica a passo variabile elettrica si intende un sistema composto da un motorino elettrico posto anteriormente al mozzo che trasforma il moto lineare dell’attuatore elettrico in moto rotatorio delle pale sfruttando vari sistemi che possono essere madreviti, ingranaggi, camme ecc. Il motore rimane poi nascosto dall’ogiva e non ci sono altri componenti meccanici ausiliari all’interno del vano motore in quanto la forza arriva direttamente dal motorino posto nelle immediate vicinanze delle pale. Fra gli svantaggi c’è un’inevitabile criticità nel trasferimento di corrente attraverso i contatti striscianti posti sul retro del mozzo.

La gestione della modalità a giri costanti è completamente elettronica e avviene tramite un governor a pannello. Un governor per il passo variabile è uno strumento che grazie alla lettura del numero di giri e all’impostazione che il pilota vuole ottenere, governa automaticamente il motore elettrico per compensare il passo in tempo reale. Mantenere i giri costanti consente di ridurre il carico di lavoro del pilota che dovrà solo impostare i giri richiesti e il valore di MAP (pressione di alimentazione) desiderato, demandando all’elettronica l’impostazione dell’effettivo passo elica.

Fra le tecnologie più affidabili di passo variabile spicca l’azionamento idraulico: l’olio viene mandato verso l’interno del mozzo elica attraverso l’albero cavo del riduttore Rotax, poi all’interno del mozzo un pistone trasforma la pressione dell’olio in movimento lineare, da qui il sistema è del tutto simile a quello elettrico in cui tramite due semplici camme vengono fatte ruotare le pale. Non essendo possibile “aspirare l’olio” ma bensì solo comprimerlo, per il ritorno delle pale al “passo minimo” è normalmente installata una molla di ritorno.

Per la massima sicurezza, oltre alle molle di ritorno vengono impiegate per i sistemi idraulici anche pale “autostabili” ovvero che grazie alla sola rotazione tendono a tornare al passo minimo anche se non si ha più un blocco di rotazione come ad esempio in caso di totale perdita di olio dal circuito.

La criticità dei sistemi idraulici è dovuta ad un’intrinseca “fragilità” dei giunti rotanti di trasferimento dell’olio necessari fra l’immissione dell’olio e l’albero rotante. Con lo sviluppo di giunti ceramici e migliori installazioni la criticità è stata ormai del tutto risolta.

Al mozzo idraulico di base è possibile “mandare” l’olio in svariati modi tra cui una pompa manuale a rotella, una pompa a leva, una pompa elettrica controllata manualmente o gestita da un governor elettrico (come già visto), oppure un governor meccanico:

Nei sistemi idraulici è infatti possibile implementare un governor Jihostroj che trasforma un passo variabile idraulico “manuale” in un’elica a giri costanti senza necessitare di alcun componente elettronico.

Il passo variabile può essere anche meccanico ad azionamento idraulico, ovvero un’asta trasferisce la forza all’interno del mozzo che sempre tramite camme o bielle fa ruotare le pale. L’asta è azionata da un pistone idraulico manuale. I vantaggi risiedono nella semplicità dei componenti e l’assenza di corrente elettrica da trasferire alle parti rotanti, oltre all’assenza di olio nel mozzo che può trafilare.

Pale

Tra le numerose tecnologie di produzione delle pale troviamo:

• legno – ha il vantaggio del basso costo della materia prima e dell’agevole produzione su misura non necessitando di stampi o attrezzature particolari;
• alluminio – ha il vantaggio della stabilità dimensionale del materiale di partenza e della ripetitività. Richiede attrezzature specifiche e ha un alto peso;
• legno rivestito in fibra di carbonio – combina la facile produzione delle eliche in legno e le ottime capacità meccaniche dei compositi per ottenere una struttura simile ai compositi come rigidità e con un peso non troppo superiore, con il vantaggio che non è necessario uno stampo di partenza e che può quindi essere facilmente prodotta su misura;
• fibra di vetro o carbonio – l’interno della pala può essere con anima in espanso o a sezione cava, oppure totalmente piena di fibre. Le pale in composito sono le più utilizzate attualmente per il volo leggero in quanto combinano leggerezza e ottime proprietà meccaniche a tutto vantaggio del peso a vuoto e dei bassi momenti di inerzia al motore. Hanno il limite di non poter essere prodotte ad hoc per uno specifico velivolo in quanto necessitano di stampi e attrezzature: questo ne limita le tipologie disponibili sul mercato. I prezzi sono ormai abbordabili per tutte le classi di velivolo.

La sezione di una pala in carbonio con anima interna di riempimento in materiale espanso. Le anime vengono fresate a controllo numerico e forniscono la contropressione interna per compattare le pelli di carbonio durante la polimerizzazione della resina. In una pala in fibra di carbonio è semplice calibrare gli spessori e l’orientamento delle fibre per ottenere le proprietà meccaniche desiderate e si può ottenere qualunque geometria.

La sezione di una pala in carbonio senza anima interna costruita con palloncino interno. Viene stampata in una volta unica ed esce praticamente finita, incluso l’elemento verticale interno.

Molto importante per la longevità delle pale di qualunque materiale è la blindatura: si tratta di una C in materiale metallico (in giallo nella foto) applicata al bordo d’entrata per aumentare la resistenza della pala all’urto di piccoli corpi estranei, soprattutto sassolini. È una dotazione fondamentale specialmente per operare sui terreni sconnessi o non preparati normalmente sfruttabili dai velivoli Aeroprakt. Le pale KievProp fornite di serie sono tutte dotate di blindatura metallica integrata nella stampata.

Conclusioni

Tornando alla domanda iniziale, ovvero se è preferibile un’elica a passo fisso o variabile, come abbiamo imparato a scoprire la risposta non è univoca: dipende dall’aereo.

Indicativamente potremmo dire che l’elica a passo variabile a terra è da preferire su velivoli che non raggiungono velocità di crociera elevate (<190 Km/h) e che hanno un peso massimo al decollo inferiore ai 500 kg. In questo caso l’handicap prestazionale di un’elica a passo fisso è quasi trascurabile sia per lo spunto iniziale che per l’allungo perché il velivolo sfrutta un range di velocità in cui è necessario un modesto cambio di passo per le velocità di crociera. Su questi velivoli è più vantaggioso installare un sistema elica leggero che enfatizzi ancora di più l’agilità del velivolo.

Al contrario su un velivolo veloce e pesante un’elica a passo variabile si rende quasi obbligatoria per avere il necessario spunto da fermo (in cui il peso allunga sensibilmente la corsa di decollo) e per non andare fuori giri in velocita di crociera.

In conclusione, su un velivolo come l’A22 l’elica tripala a passo variabile a terra è senza dubbio la configurazione più bilanciata, mentre per l’A32 l’adozione di un’elica a passo variabile in volo può sicuramente regalare un ulteriore guadagno alle già ottime velocità di crociera del velivolo raggiunte grazie all’ottimizzazione di tutte le forme ed i raccordi del velivolo.

L’appuntamento è alla prossima settimana dove parleremo di strumentazioni, alla prossima!