Due vite per la stessa ala

Crociera a 850 km/h e undicimila metri; pochi minuti dopo, sotto i 250 km/h a pochi metri dalla pista.

In volo livellato la portanza equilibra il peso:

L = W = ½ ρ V² S C_L

Fissati peso e quota, il prodotto V²C_L è costante: velocità alta chiede C_L piccolo, velocità bassa chiede C_L grande. Nel grafico a destra la curva arancione è proprio questa iperbole.

Requisiti in conflitto

Crociera: superficie piccola (alto carico alare W/S), profili poco curvi, bassa resistenza, bassi C_L.

Decollo e atterraggio: alto C_{L max}, velocità di stallo bassa, resistenza bassa al decollo ma alta in atterraggio, assetti a cabrare limitati per la visibilità.

Formula chiave V_s = √2Wρ S C_{L max} Raddoppiare C_{L max} riduce V_s del fattore 1/√2 ≈ 0,71, cioè del 29 % circa. Da V_s discendono V_app = 1,3 V_s e V_LOF = 1,1 V_s.

DefinizioneGli ipersostentatori (high-lift devices) sono organi, fissi o mobili, che modificano temporaneamente la geometria dell'ala per aumentarne la capacità portante alle basse velocità.

Due famiglie

Passivi: nessuna energia dal motore. Bordo di uscita (TE) e bordo di attacco (LE). Attivi: usano il getto del propulsore (STOL, VTOL).

Da ricordareI dispositivi TE costruiscono il C_{L max}; i dispositivi LE difendono lo stallo.

AttenzioneLa formula di V_s vale in volo rettilineo uniforme con fattore di carico unitario. In virata o in richiamata la velocità di stallo cresce con √n.

I dispositivi del bordo di uscita

Dal flap più semplice al più sofisticato: scegli il dispositivo e muovi la deflessione.

Perché un flap funziona: tre meccanismi

Angolo di attacco virtuale: la deflessione ruota la congiungente dei bordi; a parità di assetto il profilo “vede” un'incidenza maggiore. Attiva congiungente dei bordi per misurarlo.
Curvatura aumentata: il profilo flappato è più curvo; α_0L si sposta verso valori più negativi.
Superficie aumentata (Fowler): più metri quadrati, più portanza riferita alla superficie originaria.

Effetto sulla curva di portanza

La curva trasla in alto, il c_{ℓ max} cresce, l'angolo di stallo cala. Nei flap estendibili la pendenza cresce del fattore c′/c: i coefficienti restano riferiti alla corda originaria, ma porta la corda estesa.

Errore frequenteIl flap non fa stallare più tardi: fa stallare prima (angolo minore) ma più in alto (c_ℓ maggiore). Confronta i due pallini di stallo sul grafico.

Due numeri nel taschino

Corda del flap: c_f/c ≃ 0,30. Al decollo C_{L max}^TO ≃ 0,80 C_{L max}^LAND: deflessione parziale, perché la resistenza in eccesso penalizzerebbe l'accelerazione.

Il grafico usa un modello didattico 2D del profilo: Δc_{ℓ max} dalla tab. 5.1 (plain, split e slotted: valori statistici tipici), costruzione della curva come in fig. 5.1. I valori servono a confrontare i dispositivi, non a progettarli.

I dispositivi del bordo di attacco

Il flap ha alzato la curva ma ha anticipato lo stallo: ora va protetto il naso del profilo.

Due meccanismi

Muovere il bordo di attacco verso il flusso: il punto di ristagno sale, il naso incontra la corrente con dolcezza e il picco di aspirazione si attenua. Guardalo nel grafico di −C_p.
Energizzare lo strato limite: attraverso una fessura, aria ad alta pressione dal ventre rinvigorisce lo strato limite sul dorso.

Effetto sulla curva di portanza

Estendono la parte lineare verso c_{ℓ max} e angoli maggiori: è la protezione dello stallo.
Spostano la curva verso angoli maggiori: la curvatura cresce, ma prevale la riduzione dell'incidenza locale al naso.
Le slat aumentano anche la pendenza: estendendosi aumentano la superficie, come il Fowler.

Un parente da manovra: la LEXSui caccia (l'F-18 è il classico) il bordo d'attacco si prolunga in una superficie sottile e molto a freccia. Sopra i 20° genera vortici stabili che tengono attaccato il flusso: è un dispositivo di manovra, non di decollo e atterraggio.

Il diagramma di −C_p è qualitativo: il picco raggiunge la soglia di separazione esattamente all'angolo di stallo della configurazione scelta.

Bordo di attacco e bordo di uscita insieme

Scegli un velivolo e una fase di volo: l'ala si “smonta” come al finestrino.

I due dispositivi lavorano in coppia: il flap porta in alto il c_{ℓ max} e anticipa lo stallo; la slat restituisce il margine in angolo d'attacco che il flap aveva eroso.

Dispositivo	Esempio	δ_f TO	δ_f LAND

Tab. 2.1 della monografia. Regola: al decollo deflessioni parziali, in atterraggio piene. Nei velivoli a doppia e tripla fessura la slat lavora insieme al flap.

Prova in classeSeleziona l'A320 e passa da Decollo ad Atterraggio guardando i valori: il c_{ℓ max} cresce, ma cresce anche il c_d stimato. È la ragione della regola dell'80 %.

Valutare i numeri: il metodo semi-empirico

Di quanto cresce il C_{L max} se monto quel flap e quella slat? I valori iniziali sono quelli degli esercizi svolti 2–6 della monografia.

L'algoritmo

Spostamento di α_0L: Δα_0L = −dc_ℓ/dδ_fc_ℓ∞ K′ δ_f (plain flap, δ_f in radianti).
Incremento TE: ΔC_{L max} = Δc_{ℓ max} S_wfS K_Δ, con K_Δ = (1 − 0,08 cos²Λ_c/4) cos^3/4Λ_c/4.
Incremento LE: ΔC_{L max} = Δc_{ℓ max} S_wfS cos Λ_hinge.
Somma dei contributi e velocità di stallo e di approccio.
Decollo con la regola dell'80 % e confronto delle corse, s ∝ V_LOF².

AttenzioneL'area flappata del bordo di attacco non coincide con quella del bordo di uscita: i due rapporti S_wf/S vanno tenuti distinti.

Limiti di validitàCorrelazioni da progetto preliminare: ali di allungamento medio-alto, freccia moderata, regime subsonico. Ogni valore letto da un diagramma porta un'incertezza: risultati a due cifre significative.

I sistemi attivi

Quando il C_{L max} richiesto supera 3,5–4, limite di fatto dei sistemi passivi, si attinge all'energia del propulsore.

Getto orientabile

Ugelli ruotabili orientano la spinta verso il basso: la portanza viene, in parte o del tutto, direttamente dal getto. Sea Harrier (quattro ugelli), X-35/F-35B (ugello orientabile e ventola di sostentamento).

Upper Surface Blowing (USB)

Motori sopra l'ala: per effetto Coandă il getto segue il dorso e il flap abbassato ed è deviato verso il basso. YC-14, An-72. Prezzo: flap localmente in acciaio per alte temperature.

Externally Blown Flaps (EBF)

Motori sotto l'ala, flap a fessure estesi dentro il getto: parte del flusso attraversa le fessure ed è deviata verso il basso. YC-15 e il suo derivato di serie, il C-17, che opera da piste corte e semipreparate.

Approfondimento: perché il limite sta a 3,5–4Il carico sostenibile da un profilo è limitato dal picco di aspirazione tollerabile al bordo d'attacco. Più fessure spostano il limite con rendimenti decrescenti, e peso e complessità crescenti. Oltre, l'unico modo di aggiungere quantità di moto al flusso è prenderla dal motore.

Verifica lampo

Dieci domande per la classe: si risponde a voce, poi si tocca la risposta sulla LIM.

Ogni risposta mostra la spiegazione. Il contatore qui sotto tiene il punteggio della classe.

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Il senso di tutto questoUn'ala efficiente in crociera è, per costruzione, inadatta alle basse velocità. Gli ipersostentatori le danno una geometria variabile: i TE costruiscono il C_{L max}, i LE difendono lo stallo, la disposizione in apertura decide dove l'ala stalla per prima, e oltre 3,5–4 si passa ai sistemi attivi.