Dal “big bang” aeronautico ai giorni nostri
Allorquando Orville e Wilbur Wright volarono nei pressi di Kitty Hawk il 17 dicembre 1903, diedero inizio all’equivalente aeronautico del Big Bang. Sebbene non fosse evidente all’epoca, il loro goffo Flyer utilizzava tutti gli elementi del volo moderno:
- le ali,
- il motore,
- i comandi
- e persino il carrello di atterraggio.
LE ORIGINI
E’ evidente che il velivolo Wright Flyer potrebbe sembrare indistinguibile da aerei come l’F-35, molti degli stessi principi di cui i Wright furono i pionieri sono sopravvissuti fino ai giorni nostri: è stato un viaggio strano e lungo per andare dal punto A al punto B; ogni singolo pezzo dell’aereo moderno di oggi ha una storia incredibile da raccontare.
LE ALI
Per il Wright Flyer, le ali erano tutto in quanto i fratelli Wright erano a conoscenza che un monoplano poteva avere meno resistenza, ma un biplano era più manovrabile alle basse velocità. Erano anche consapevoli che il costruttore di ponti americano Octave Chanute aveva trovato una buona formula quando aveva usato un sistema di tralicci Pratt di controventi diagonali e verticali che si era rivelata un’ottima soluzione per l’aereo Flyer.
La struttura a biplano consentiva anche l’esclusivo sistema di “warping delle ali” dei Wright, che collegava le ali a un timone verticale. Tale sistema permetteva a quel timone verticale di coordinare automaticamente le virate dell’aereo.
Altri inventori hanno sperimentato il design delle ali, cercando di aumentare le prestazioni.
L’aviatore Louis Blériot ebbe successo con i suoi monoplani, finché non raggiunse potenza e velocità che incontravano i limiti delle sue capacità ingegneristiche. Altri ingegneri utilizzarono ancora più le ali:
- il Fokker Triplano ne aveva tre;
- il Caproni Ca 60 Triple Hydro-Triplane,
- uno degli aeroplani dall’aspetto più strano mai costruito, ne aveva ben nove!
Ma con troppo peso e resistenza, molti aerei ad ali multiple sono finiti in un disastro. Altri ingegneri hanno creato forme e arrangiamenti che sono durati anni dopo. Il progetto di coda di Eugene Lefebvre, un ingegnere e uno dei primi piloti acrobatici al mondo, emerse di nuovo nel Focke Wulf “Ente”, nel Curtiss XP-55 e nel Rutan Long-EZ.
Poi venne l’ala a spazzata, dove le ali incontrarono la fusoliera ad angolo: questa è la configurazione dell’ala che John Dunne iniziò a sperimentare con velivoli ad ala a freccia senza coda nel 1911: Alexander Lippisch, Reimar e Walter Horten, e John Northrop seguirono il suo esempio. L’ormai familiare configurazione a delta, in cui le ali formano un triangolo, è apparsa nei progetti di Lippisch ed è stata utilizzata da molti produttori come Convair e Dassault.
Mentre l’orientamento dell’ala è importante, il design del profilo alare, o la forma del profilo dell’ala vista di lato, potrebbe esserlo ancora di più. I fratelli Wright credevano che i profili alari sottili avrebbero offerto meno resistenza, cosa che è apparsa in aerei come lo SPAD XIII della prima guerra mondiale. Ma l’aviatore olandese Tony Fokker è andato nella direzione opposta, utilizzando invece profili alari spessi che hanno generato una grande portanza e hanno fornito supporto strutturale senza fili o altri rinforzi. In quei primi anni, le ali erano realizzate in legno, filo e lino (non in tela come spesso veniva affermato), ma poiché i profili alari e il design delle ali diventavano sempre più complicati, gli ingegneri avevano bisogno di un nuovo materiale. Entro la prima guerra mondiale, i miglioramenti nella metallurgia risolsero la penalità di peso iniziale. A quel punto, i design interamente in metallo erano lo standard per i principali componenti degli aerei, che fornivano molti vantaggi ma uno grande: una facile manutenzione.
SISTEMI DI CONTROLLO
I fratelli Wright non hanno brevettato il loro aereo, ma hanno brevettato il sistema di controllo che ha condotto gli inventori dell’aviazione di tutto il mondo a cercare altri modi per controllare le loro macchine volanti. Negli anni ’20, il produttore di aeroplani britannico Handley Page si imbatté in qualcosa di grande: il bordo d’attacco scanalato, una barra sottile attaccata al bordo anteriore dell’ala. Il nuovo sistema di Page era relativamente rudimentale, ma è considerato il nonno dei lembi del bordo d’uscita a tripla fessura trovati sul futuro Boeing 727.
Un altro salto ingegneristico arrivò negli anni ’40 quando l’ala volante Northrop N-9M utilizzò un trim del pitch con un timone a trascinamento diviso e un elevone (per rollio e beccheggio) in modo che tutte le superfici potessero essere azionate insieme o indipendentemente.
Negli anni ’50, il bombardiere Convair B-58 Hustler impiegava un timone, elevoni e un complesso sistema di assetto automatico. Questo progetto alla fine ha portato agli stabilizzatori presenti su molti dei moderni caccia di oggi, come l’ F-15EX Eagle II e il Boeing F/A-18, alcuni degli aerei più moderni e complessi al mondo.
I MOTORI
Sebbene i Wright sapessero intuitivamente che il controllo sarebbe stata la sfida più difficile, erano anche preoccupati per la potenza o spinta. Quando riuscirono a trovare un motore adeguatamente leggero e potente, risolsero il problema costruendone uno da soli. Il semplice ma elegante motore a 4 cilindri e 4 tempi venne progettato, come ogni elemento del velivolo Wright Flyer, per soddisfare un obiettivo specifico: generare una potenza relativamente elevata per un tempo relativamente breve. Avendo bisogno di ottenere 8 CV, quanto bastava per far decollare il Flyer, speravano in 12, ma ne raggiunsero 16!
Non ci sarebbe voluto molto perché gli imitatori si lanciassero in picchiata. Alcuni di questi, come Glenn Curtiss, erano già maestri costruttori di motori e un certo numero di produttori iniziò a offrire motori leggeri e potenti per uso aeronautico. La maggior parte di questi disponeva di 4, 6 o 8 cilindri in fila o a forma di V ed era raffreddata ad aria o a liquido. La potenza dipendeva principalmente dalla cilindrata: cilindri sempre più grandi producevano maggiore potenza, ma aggiungevano anche peso.
Il primo radicale progresso nelle prestazioni dei motori a pistoni avvenne con lo Gnome Rotary di Louis e Laurent Seguin nel 1909. L’idea di fissare l’elica ai cilindri che ruotano attorno a un albero motore fisso non era nuova, ma i Seguin eseguirono l’idea in modo impeccabile. Con un peso di circa 120 libbre, lo Gnome originale a 5 cilindri erogava 34 CV a 1300 giri/min.
Uno Gnome a 7 cilindri da 50 CV, installato nel biplano Voisin di Louis Paulhan, fu il primo a volare, il 16 giugno 1909. Lo sviluppo dei motori rotativi progredì rapidamente, per il loro elevato rapporto potenza-peso più che contro il fatto che bruciavano molto carburante (una miscela di benzina e olio di ricino) ed emettevano fumi insopportabili.
Presto i motori convenzionali raffreddati a liquido divennero dominanti, sia con cilindri in linea che a V, e furono favoriti per gli aerei da combattimento perché la loro forma in linea consentiva una migliore aerodinamica.
A partire dal 1921, gli esperimenti innovativi dell’ingegnere Charles Lawrance condussero a una meravigliosa competizione tra Pratt & Whitney e Wright Aeronautical che portò ai motori radiali più potenti e affidabili del mondo. Questi propulsori erano aiutati da carenature aerodinamiche che miglioravano il raffreddamento e aumentavano la velocità, e avrebbero portato l’aviazione aeronautica sempre più in alto, fino a quando la seconda guerra mondiale non avrebbe cambiato gli aerei per sempre.
GLI AEREI A REAZIONE
Nel 1942, i motori a pistoni erano più potenti che mai. Per ottenere più potenza, gli ingegneri aggiunsero più cilindri, compressori sempre più complessi o sistemi per iniettare acqua, alcol o sostanze chimiche nel carburante. Semplicemente non era fattibile. Fortunatamente, due ingegneri, che lavorano indipendentemente l’uno dall’altro, avrebbero inaugurato un’intera nuova era dell’aviazione. Il pilota acrobatico della Royal Air Force Frank Whittle e Hans Joachim Pabst von Ohain, con un dottorato di ricerca appena coniato dell’Università tedesca di Goettingen, ciascuno sviluppò motori a reazione di successo. Mentre Whittle subì un rifiuto iniziale da parte del governo britannico, Ohain ottenne il sostegno entusiasta dell’industriale Ernst Heinkel.
Il 27 agosto 1939, l’ Heinkel He 178, alimentato dal motore HeS 3B di Ohain, divenne il primo aereo a reazione. Due anni dopo, il motore Power Jets W.1 di Whittle volò a bordo del Gloster E.28/39.
Questi motori a reazione generavano circa la stessa potenza dei motori a pistoni più complessi che sostituivano. Sebbene il consumo di carburante fosse elevato e l’affidabilità bassa, il motore a reazione a funzionamento regolare si sviluppò rapidamente. Il consumo di carburante migliorò presto e l’affidabilità aumentò vertiginosamente; la corrosione, piuttosto che l’usura, era ed è il più grande nemico del moderno motore a reazione.
I primi motori a reazione erano di tipo centrifugo o a flusso assiale. Col tempo, i motori a reazione divennero più complessi, ma non hanno mai raggiunto il grado di complessità dell’ultima generazione di motori a pistoni. Il genio dei progetti di Pratt & Whitney venne alla ribalta nei primi anni ’50 con il JT-3 a doppia bobina, che forniva 10.000 libbre di spinta con un buon risparmio di carburante e fantastici periodi di tempo tra le revisioni (TBO) di quasi 15.000 ore. In confronto, lo Junkers Jumo 004, uno dei primi jet tedeschi che alimentava il Messerschmitt Me 262, era un motore TBO di 25 ore.
Nel 1958, P&W fece il prossimo grande passo con lo sviluppo del suo turbofan TF33, una versione civile del motore JT8D.
Il motore sembrava fare l’impossibile: ottenere spinta per niente semplicemente bypassando l’aria fredda attraverso una ventola collegata. Negli anni successivi, i miglioramenti in termini di potenza e risparmio di carburante posero le basi per lo sviluppo di motori simili della General Electric, Rolls-Royce e altri.
Sebbene inizialmente si pensasse che il motore a reazione avesse un’applicazione limitata ai caccia ad alta quota, il suo uso si diffuse rapidamente ai bombardieri e agli aerei da trasporto. Fin dall’inizio, gli ingegneri hanno pianificato di utilizzare motori a reazione per azionare le eliche, fornendo una combinazione di propulsori più efficiente a velocità subsoniche. Il primo turboelica fu utilizzato sperimentalmente su di un Gloster Meteor, ma la prima applicazione commerciale fu sull’aereo di linea Vickers Viscount del 1948. I turboelica sono diventati rapidamente un punto fermo per i progetti che richiedono capacità di portanza elevata e velocità medie.
L’avvento della potenza dei velivoli a reazione, con le loro velocità e altitudini più elevate, ha presentato ai progettisti di aeromobili sfide completamente nuove. Gli aerei dovevano essere pressurizzati per fornire comfort ad alta quota e le ali dovevano essere spazzate ancora più radicalmente a velocità più elevate. Furono introdotti nuovi materiali per resistere alle grandi sollecitazioni di molteplici cicli di pressurizzazione. Con l’aumentare della potenza dei motori a reazione, è stato possibile costruire velivoli più grandi con un minor numero di motori. Oggi i più grandi aerei commerciali, il Boeing 747 e l’ Airbus A380, hanno quattro motori, ma la maggior parte dei grandi aerei di linea ne utilizzano solo due.
CARRELLI DI ATTERRAGGIO
Alcuni dei primi pionieri dell’aviazione non pensavano molto al problema dell’atterraggio. Non così i fratelli Wright, che scelsero di utilizzare i pattini per il decollo e l’atterraggio che furono integrati nella struttura del loro Flyer come la soluzione più semplice, robusta e leggera.
Il contemporaneo Glenn Curtiss della Wright adottò un approccio completamente diverso, dotando i suoi primi velivoli progettati di un carrello di atterraggio triciclo che derivava, almeno in parte, dalla sua esperienza nella costruzione di motociclette. Il carrello di atterraggio “Taildragger” a ruote posteriori divenne presto popolare, ma quando i freni efficaci divennero ampiamente disponibili, i progettisti tornarono al telaio del triciclo. Su aerei più grandi, altri stili, compresi i tipi di bicicletta e multi-bogie, vennero adattati al compito.
Sebbene sembri il più avanzato, il carrello di atterraggio retrattile è uno dei componenti più antichi dell’aviazione, che risale al brevetto di Alphonse Pénaud del 1876 per un anfibio monoplano. Apparve per la prima volta sull’aereo Matthew Sellers del 1908. Il primo carrello retrattile pratico fu utilizzato dal corridore Dayton Wright RB 1, un concorrente del Pulitzer Trophy nel 1920. Seguirono diversi tipi sperimentali tra cui uno utilizzato sul corridore Verville Sperry.
A metà degli anni ’30, velocità più elevate avevano reso essenziale il carrello di atterraggio retrattile. Alcuni progettisti decisero di lasciare esposte le ruote retratte, come fu fatto sul Boeing Model 247 e sul Douglas DC-1, 2 e 3, per alleviare lo stress di un atterraggio di emergenza con le ruote sollevate.
Nei caccia, l’Unione Sovietica aveva aperto la strada nel 1932 con il primo aereo operativo dotato di un carrello retrattile, il Polikarpov I-16. Presto seguirono i biplani Grumman, Messerschmitt Bf 109, Hawker Hurricane, Seversky P-35, Curtiss P-36 Hawk, Supermarine Spitfire, Fiat G50, Macchi 200, 202 e altri. Nel corso del tempo, i carrelli di atterraggio divennero più sofisticati, specialmente sugli aerei da trasporto pesanti.
Ma prima che gli aeroporti riempissero il mondo, gli ingegneri facevano affidamento sulle piste più grandi del pianeta: l’ acqua. Henri Fabre aprì la strada con il suo primo volo acquatico il 28 marzo 1910. Tuttavia, fu Curtiss a rendere pratico l’idrovolante, a partire dal suo Flying Boat n. 1, che volò il 10 gennaio 1912. Curtiss non si voltò mai indietro, mettendo in campo un superbo progetto di idrovolante dopo l’altro. Il suo NC-4 fu il primo aereo a sorvolare l’Atlantico, il 31 maggio 1919. Oggi Curtiss è giustamente conosciuto come il padre dell’aviazione navale.
L’INTRODUZIONE DELL’ELETTRONICA
Mentre i produttori di aerei di tutto il mondo continuano a mettere a punto ogni elemento del design moderno degli aerei, la fine del XX e il XXI secolo hanno visto un’esplosione nell’elettronica alloggiata all’interno della fusoliera dell’aereo. Dall’introduzione del posizionamento globale satellitare per la navigazione aerea a metà degli anni ’90 al collegamento di caccia stealth con droni in rete negli anni 2020, la nuova tecnologia cablata negli aerei moderni continua a plasmare il futuro dell’aviazione.
Con l’avvento dei droni, sono in corso sforzi per accoppiare gregari avanzati dotati di intelligenza artificiale con aerei con equipaggio in programmi come Skyborg, Loyal Wingman e il russo Sukhoi S-70 Okhotnik-B.
Gli anni ’60 e l’inizio degli anni ’70 hanno visto l’introduzione di “abiti di vetro” in applicazioni sia commerciali che militari, o cabine di pilotaggio che presentavano display elettronici piuttosto che indicatori analogici tradizionali. Ma è stato solo con la rivoluzione della fusione dei dati all’inizio del secolo che la vera potenza di questi display ha potuto essere sfruttata in velivoli tattici avanzati come l’ F-35 Joint Strike Fighter.
ALTRI SCORCI DI STORIA DELL’AVIAZIONE
Ora, i vecchi jet di quarta generazione come l’ F-15 e l’ F/A-18 stanno ricevendo entrambi un restyling della cabina di pilotaggio, e si tratta di gestione dei dati. Questi velivoli “quasi immortale” stanno sostituendo una serie di indicatori analogici con una combinazione semplificata di touchscreen e display heads-up. L’elettronica moderna della cabina di pilotaggio può combinare i dati raccolti dall’interno e ben oltre l’aereo stesso, fonderli tutti in un’interfaccia facile da capire e proiettarli direttamente nella linea di vista del pilota attraverso i display del casco e i touchscreen multiuso.
L’architettura digitale del sistema aperto in applicazioni sia militari che commerciali, o la separazione del software di un aereo dall’hardware su cui viene eseguito, sta appena iniziando a consentire di estrarre nuove funzionalità dai velivoli esistenti. L’F-35, ad esempio, può ricevere aggiornamenti wireless che migliorano le capacità proprio come il telefono i-Phone.
Mentre questi progressi elettronici sarebbero stati impensabili ai tempi dei fratelli Wright, i principi di base di quel primo volo a Kitty Hawk sono ancora visibili e utilizzati ai tempi d’oggi. Dopo più di un secolo di innovazione, molte delle idee originali dei fratelli Wright sono ancora vive e vegete.
(Web, Google, Popular mechanics, Wikipedia, You Tube)
