Tecnica: ala a profilo laminare

[Pennanera]

Eccomi di nuovo, con l’intenzione di contribuire con alcune chiacchierate che vogliono soltanto stimolare la curiosità e l’interesse dei modellisti per argomenti che, magari, non sono di uso troppo comune o che, al momento di incollare due pezzi di plastica, non sono di approccio immediato…

Macchi MC 72, Coppa Schneider 1931; Ultraleggeri di nuova generazione, mono e bi-plani; SIAI-Marchetti SF-260; North American P-51 Mustang… l’elenco potrebbe continuare a lungo, ma è solo per dare l’idea… cosa hanno in comune – tra le altre cose - questi aeromobili di epoche, funzioni e caratteristiche diverse? Riprendendo una discussione già accennata in altra parte e tentando di discutere nella maniera più semplice possibile, sperando di fare cosa gradita, la risposta alla precedente domanda è: l’ala a profilo laminare.
L'aria, come è noto, è un fluido che possiede una certa viscosità, e, nel suo moto relativo, a contatto - in questo caso - con la superficie alare, crea "attrito" e quindi resistenza; si può immaginare come, per effetto di tale "attrito", la velocità dei filetti d'aria attorno al profilo sia tanto minore quanto più vicini tali filetti siano alla superficie stessa dell'ala, così come si può immaginare come tale "profilo" di velocità, lungo la corda (linea che congiunge il bordo d'attacco con il bordo di uscita dell'ala), "si espanda" - diciamo così - fino a un momento "critico", in cui avviene la “transizione” (il passaggio) del flusso da laminare (flusso laminare: quando i filetti fluidi sono e si muovono parallelamente fra loro) a turbolento (formazione di vortici dovuti al prevalere – diciamo così - dell'effetto "velocità" sull'effetto "viscosità"; tali vortici vanno a "rimescolare" i filetti fluidi facendo loro perdere l'originario "parallelismo"); l'effetto finale, senza scendere troppo nel vocabolario tecnico, è una brusca perdita di “portanza” (che è la forza aerodinamica "figlia" della distribuzione di pressione che si crea attorno ad un profilo alare durante il suo moto nel fluido, e che consente la sostentazione dell'aeromobile). Il "soffiare" mediante spillamento d'aria prelevata dal motore o altro sistema idoneo o meno una superficie di controllo (come può essere un flap), ad esempio, rappresenta uno dei sistemi che si usano normalmente per ritardare la transizione del flusso da laminare a turbolento, aumentando la portanza ( - il coefficiente di portanza - ), ed "energizzare" le particelle fluide che scorrono sul profilo alare, evitando che il flusso stesso "si stacchi" dallo stesso profilo vanificando la funzione della superficie di controllo, portando rapidamente allo “stallo” (sostanzialmente, quindi, una perdita di portanza).
il profilo c.d. "laminare" è pertanto quel profilo alare studiato espressamente al fine di consentire l'estensione più grande possibile del flusso (in regime) laminare sull'ala, minimizzando il valore della "resistenza d'attrito", garantendo un gradiente di pressione favorevole (e quindi una stabilità del flusso laminare), arretrando, nel contempo, "il punto" di transizione fra "laminare" e "turbolento". Ovviamente, a “problema risolto” si accoppiano “problemi che nascono”, ma ne parleremo magari a proposito di un altro argomento, sempre cercando di evitare – per quanto possibile – tecnicismi o definizioni troppo complesse.
Nota: Per "gradiente" si intende - semplificando molto - una "misura" della velocità di variazione (con segno) di un parametro nella direzione lungo la quale avviene tale variazione.
Fatemi sapere se la discussione è di vostro interesse o meno, la sezione è “sperimentale”!!!!

[Starfighter84]

Moooolto interessante Emì, mi prostro!
Il sistema di soffiaggi delle superfici era installato anche sul nostro caro vecchio spillone....

[Pennanera]

Moooolto interessante Emì, mi prostro!
Il sistema di soffiaggi delle superfici era installato anche sul nostro caro vecchio spillone....

Già... ma lo spillone (e non solo lui!) aveva un tremendo problema, del quale parlerò nel prossimo intervento !!!

[CoB]

di problemi lo spillone ne aveva pure troppi, a questo punto diremo ,quali problemi non aveva il 104 che si fa prima! ehehe però nulla toglie che per me sia il velivolo + affascinante che ci sia mai stato!! dell'ala a profilo laminare conoscevo il funzionamento, ma non i perchè, i come ed i quando.....ora emì lo so! ci serviva questo forum eh si!!

[pitchup]

Ciao Emilio
Bravo, le disfunzioni al BLC (boundary layer control) cioè al sistema di spillamento dell'aria sul flaps dello spillone, oltre agli altri problemi ovviamente, sono stati fonte di molti guai specie in atterraggio!!!
saluti
Massimo da Livorno

[Pennanera]

Ciao Emilio
Bravo, le disfunzioni al BLC (boundary layer control) cioè al sistema di spillamento dell'aria sul flaps dello spillone, oltre agli altri problemi ovviamente, sono stati fonte di molti guai specie in atterraggio!!!
saluti
Massimo da Livorno

.. e vedremo proprio, alla prossima, "cosa succede" in certe situazioni... per esempio, diciamo ad AOA elevati...
What is "AOA"? Lo scopriremo alla prossima puntata (come Nick Carter)

[paolo1968]

Ciao Emilio
Bravo, le disfunzioni al BLC (boundary layer control) cioè al sistema di spillamento dell'aria sul flaps dello spillone, oltre agli altri problemi ovviamente, sono stati fonte di molti guai specie in atterraggio!!!
saluti
Massimo da Livorno

.. e vedremo proprio, alla prossima, "cosa succede" in certe situazioni... per esempio, diciamo ad AOA elevati...
What is "AOA"? Lo scopriremo alla prossima puntata (come Nick Carter)

La so. Angle of Attack, angolo di attacco. Un concetto interessante, perchè è legato allo stallo, che in molti definiscono erroneamente.

[errico]

Topic molto interessante. A questo punto vi linko il manuale di volo libero, dove c'è una sezione dedicata ai cenni di aerodinamica, il linguaggio usato è di facile approccio, visto che il manuale è pensato anche per gente che non ha nulla a che fare con la tecnica. Vi consiglio di dargli un'occhiata, in quanto chiarisce concetti come portanza, resistenza, ala ideale, AoA, filetti ed altro in maniera semplice.
E poi se io l'ho capito io riuscendo a passarci un esame......
http://www.manualedivololibero.com/

p.s. Riuscire a capire che lo stallo non è legato alla velocità ma all'angolo d'incidenza, non è per nulla di facile comprensione.

[microciccio]

Ciao Emilio,

post molto interessante, complimenti !

Aggiungerei una immaginetta esemplificativa ed estremamente semplificata, che mostra cosa accade al flusso d'aria che scorre intorno a due profili uno dei quali di tipo laminare, l'altro tradizionale.


Profili laminari new jpg by microciccio, on Flickr
Schema esemplificativo (e semplificato) del flusso d'aria che scorre intorno ad un profilo laminare e ad uno tradizionale

Veniamo ad elencare le principali approssimazioni dovute alla mia imperizia nell'uso della grafica computerizzata ed alla maggior comodità che hanno comportato nella realizzazione dell’immagine:

• I profili illustrati sono, solo vagamente, approssimabili ad un NACA serie 6 per il laminare e NACA 4 cifre per l'altro.
• La corda è uguale per entrambi i profili.
• Lo strato limite sull’estradosso (il dorso) alare ha uno spessore decisamente mostruoso cioè è fuori scala.
• Ho totalmente trascurato il flusso sull’intradosso (ventre) alare.
• La separazione ha inizio esattamente nel punto di massimo spessore del profilo.
• I fronti vorticosi risultano più regolari del dovuto.

Svelate le semplificazioni ampliamo il discorso. Poiché ho detto ampliamo, dato che ormai mi conoscete, vi invito a mettervi comodi!

Verso la fine della Seconda Guerra Mondiale la velocità media alla quale si svolgevano i combattimenti aerei era decisamente più elevata rispetto agli anni iniziali. Ciò consentì una rapida evoluzione degli studi aerodinamici sulle alte velocità subsoniche (ricorderete dopo la guerra la corsa alle prestazioni definita dagli anglosassoni higher and faster – più in alto e più veloce).

Approfondiamo un pochino: la velocità dell'aria intorno ad un aeroplano è differente a seconda del punto in cui la si misura (l'affermazione non è detto sia scontata). I caccia con motore a pistoni più avanzati riuscivano a raggiungere ed anche superare localmente la velocità del suono, specialmente durante le lunghe picchiate eseguite a partire da quota elevata (pensate ad una manovra di scampo da un velivolo avversario). L'aria è un fluido interessante ed anche piuttosto capriccioso, tanto che il suo comportamento muta considerevolmente quando le velocità diventano supersoniche (un esempio per tutti è ricavabile dagli ugelli convergenti/divergenti dei moderni caccia a reazione: se il flusso dei gas di scarico è subsonico per accelerarlo è necessario un ugello convergente, cioè il cui diametro si riduca progressivamente sino all'eiezione dei gas caldi; viceversa se il flusso è supersonico può essere accelerato con un ugello divergente il cui diametro possa essere divaricato o, alla peggio, non ristretto).

Questo preambolo per dire che le velocità localmente supersoniche cominciavano a mettere in difficoltà i piloti creando problemi di controllo dei velivoli e i progettisti perché ... tendevano a rompere gli aeroplani come conseguenza delle elevate sollecitazioni aeroelastiche che generavano.

Il regime di volo di cui parliamo viene definito transonico. Il caso descritto ne è un esempio classico: la velocità del velivolo (l'oggetto in moto) è inferiore rispetto alla velocità del suono* che viene invece superata localmente in uno o più punti (es.: sull’estradosso alare ove il flusso d'aria accelera). Ciò genera intorno alla superficie dell'aeroplano delle onde d'urto. L'aria, a monte (prima) e a valle (dopo) della superficie ideale rappresentata dall'onda d'urto, si presenta in regime differente che è sia subsonico che supersonico. Al passaggio attraverso la superficie delle onde si modificano, in pratica istantaneamente, i principali parametri che caratterizzano il fluido (il precedente esempio della pressione si estende anche agli altri: densità, temperatura e velocità). Accade quindi che le variazioni nelle proprietà dell'aria da continue (= cambiano progressivamente) diventano discontinue (= cambiano istantaneamente e quindi bruscamente), cioè instabili, e generano un flusso turbolento dovuto al distacco del flusso laminare dalle superfici del velivolo. Le onde si manifestano visivamente in modo molto coreografico nei moderni aeroplani da combattimento come una sorta di effetto nebbia che si espande intorno al velivolo (ciò è dovuto alla istantanea variazione di pressione che schiaccia l’aria consentendo al vapore acqueo in essa contenuto di condensarsi divenendo visibile).

Se al momento della progettazione non si è tenuto conto della transizione descritta, compensandola opportunamente, ecco che pilotare l’aeroplano diventa un problema perché si manifestano quelli che vengono comunemente chiamati problemi di compressibilità**.

Le ali a profilo laminare hanno una forma caratteristica che consente, arretrando lo spessore massimo, che mediamente è inferiore rispetto ai profili tradizionali, di ritardare il distacco dei filetti fluidi che scorrono laminarmente sulla superficie. In altre parole il flusso d’aria resta più a lungo laminare (brutalmente possiamo dire: ordinatamente aderente alla superficie sulla quale scorre) e meno turbolento (ancora brutalmente: si separa disordinatamente dalla superficie).
L’affermazione secondo cui lo spessore dei profili laminari è mediamente inferiore ai tradizionali ha molte implicazioni, in particolare lo spessore di un’ala può essere alto o basso a seconda del suo rapporto rispetto alla corda (che in pratica non è altri che la sua lunghezza misurata in direzione del moto) come mostra la successiva figura.


Confronto_completo_10 jpg by microciccio, on Flickr
Confronto tra il profilo alare di un Typhoon (serie NACA 22) ed un Tempest (non ho trovato la serie di riferimento ma solo un dato che riporta la posizione dello spessore massimo al 37,5% della corda) e … non solo.
Nota: l’immagine nasce per scopi differenti da quelli del post.

Il problema si presentò ai tecnici Hawker durante la progettazione del Tempest, successore del Typhoon. Un elevato spessore consente di alloggiare nell’ala, comodamente, un grande varietà di accessori quali carrelli di atterraggio, armi, serbatoi ecc. ma a scapito delle elevate velocità cui si svolgevano i combattimenti aerei; viceversa uno spessore ridotto pur lasciando meno spazio agli accessori consente velocità maggiori.

Ebbene si miei cari, spesso ci si dimentica che anche il Tempest era dotato di ala a profilo laminare così come il P-51 Mustang per il quale questa particolarità viene giustamente riportata ogni qualvolta si legga la storia del velivolo.

Scusate la lunghezza è l’eventuale mancanza di chiarezza ma ritenevo utile ampliare il discorso ben introdotto da Emilio in questo post.

Nota conclusiva: ho limitato i link a Wikipedia per comodità/pigrizia ma in rete ne potete trovare molti altri.

...vi linko il manuale di volo libero, ... http://www.manualedivololibero.com/...

Davvero in bel link errico, grazie .

Ciao a tutti

microciccio

* Intendo la velocità del suono nell'aria alla quota in cui si trova l'aeroplano. Osservazione importante perché la velocità del suono nell'aria varia al variare della quota e quindi della densità dell'aria (quota e densità, entro certi limiti, sono inversamente proporzionali, cioè una decresce al crescere dell'altra). Al livello del mare, quota zero, l'aria è più densa e la velocità del suono più elevata rispetto alle alte quote. In realtà in questa nota ho omesso di dire che anche il parametro temperatura influisce in modo rilevante sulla velocità del suono. Infine due numeri: indicativamente la velocità del suono corrisponde a circa 1.225km/h a 15°C (temperatura ambiente delle basse quote) e 1.080km/h a -55°C (temperatura tipica delle quote stratosferiche).
** Il termine compressibile è riferito all’aria, che, ad elevate velocità, diventa appunto comprimibile. Come detto nel testo questa peculiarità fa si che le caratteristiche del fluido si modifichino richiedendo opportuni accorgimenti affinché gli aeroplani restino controllabili e, addirittura, non si rompano a causa delle sollecitazioni aeroelastiche che ricevono in tali condizioni di volo. Il fenomeno, nell’epoca di cui parliamo, non era ancora noto in dettaglio.
Per verificare la compressibilità dell’aria basta prendere una siringa vuota e priva di ago, tirare lo stantuffo, tapparla in punta con un dito e spingere lo stantuffo. Il volume si ridurrà opponendo una resistenza sempre maggiore dovuta alla compressione subita dall’aria nel cilindro. Alle alte velocità succede qualcosa di analogo quando l’aria incontra il corpo dell’aeroplano in volo.

[seastorm]

Ragazzi, la cosa si fa molto interessante e sto prendendo un pò di appunti poichè la mia memoria (e la mia conoscenza) è low on fuel...
Grazie di queste preziosissime informazioni.
Sergio