L'elica fp - come nasce

L’elica è quella “macchina aerodinamica” che trasforma il lavoro di coppia del motore in lavoro di spinta propulsiva dell’aereo. Per questo, si parla di “rendimento” dell’elica, proprio come per i processi di trasformazione di energia in generale.
A caratterizzare il funzionamento dell’elica concorrono:

• il profilo delle pale, per il rendimento
• le dimensioni dell'elica, per la potenza del motore
• la struttura, per l’affidabilità

Tralasciamo la teoria del funzionamento e occupiamoci delle problematiche costruttive.
Nel Volo Ultraleggero, le prime eliche sono state realizzate nel modo più semplice disponibile. Come materiale è stato usato il legno. Come geometria e stata realizzata l’elica monoblocco bipala, a passo fisso. Tutto questo era compatibile con le varie esigenze: costo limitato, flessibilità costruttiva, basse potenze disponibili e, soprattutto, basse velocità di volo. Successivamente, sono comparse eliche a passo regolabile, anche tripala e con pale in composito, con costi un po’ superiori. Con queste si ottenevano, in genere, migliori possibilità di accoppiamento tra la curva di potenza del motore e la resistenza aerodinamica del velivolo, regolando (a terra) la posizione angolare della pala nel mozzo. Concettualmente, il profilo delle pale restava disegnato considerando l’elica a passo fisso. I materiali compositi consentivano di limitare i pesi ma richiedevano un progetto strutturale della pala che ne garantisse l’affidabilità.

Più recentemente, circa 7-8 anni fà, erano già in sviluppo velivoli ultraleggeri evoluti, più veloci e con più lunghi spazi di decollo. L’elica a passo fisso (o regolabile) rimaneva ancora una soluzione ma non permetteva di utilizzare completamente le caratteristiche di questi velivoli. Per un breve periodo vi furono tentativi di aumentare la potenza del motore installato, senza considerare l’importanza dell’elica. Poi, più correttamente, fu introdotta l’elica a passo variabile in volo.

L’elica a passo variabile è stata sviluppata, come dice il termine stesso, per poter variare il passo durante il volo. In pratica, la variazione di passo si ottiene ruotando ogni pala intorno al suo asse longitudinale mentre l’elica stessa è in rotazione sull’albero.

Rispetto al passo fisso, il passo variabile consente di ottenere vantaggi di prestazioni che meritano un capitolo apposito.

Le prime realizzazioni di passo variabile risultavano talvolta un po’ semplici, con limiti conseguenti. D’altra parte, le soluzioni già note in AG (Aviazione Generale) da oltre mezzo secolo sembravano troppo complesse e troppo pesanti da usare, anche riducendo le dimensioni. Allo stesso tempo, i materiali compositi e la moderna elettronica mettevano per noi a disposizione soluzioni innovative, di grande flessibilità. Per questi fattori e per la ridotta dimensione di mercato, lo sviluppo dell’elica a passo variabile nel VDS è avvenuto molto per via sperimentale, partendo dal semplice fin dove possibile. Il processo può considerarsi analogo e parallelo a quello che ha riguardato l’ultraleggero “avanzato”.

Oggi, dopo queste esperienze, il mondo dei piloti “sa” che l’elica a passo variabile porta dei vantaggi. Tuttavia, in generale, il pilota non è in condizioni di trovare risposta efficace ad alcune domande basilari:

• Secondo quali criteri si decide la scelta logica dell’elica tra le diverse soluzioni disponibili?
• Quali devono essere le caratteristiche che qualificano un’elica ?

Per trovare valide risposte a queste domande dovremo andare a conoscere in modo ravvicinato le tecnologie e i risultati pratici più evidenti.

Per conoscere d’un sol colpo tutti i vari aspetti, vedremo come si costruisce un’elica a passo variabile. Più in particolare, descriveremo la tecnologia fp per la produzione di eliche in composito.

Progettazione e scelta dei materiali

La progettazione dell’elica deve iniziare dagli aspetti meccanici e tecnologici.

La forma della pala e il funzionamento dell’elica sono aspetti aerodinamici e si affrontano successivamente.

La progettazione meccanica e strutturale inizia dall’idea costruttiva. Con l’elica, l’obiettivo di questa idea è di ottenere le massime caratteristiche di resistenza e di affidabilità con il minimo peso. L’idea costruttiva fp è di utilizzare soluzioni strutturali a geometria semplice e che garantiscano la massima affidabilità. In una seconda fase, si realizza la forma della pala intorno alla struttura portante. Per questo, si devono identificare tutte quelle soluzioni di materiale e di tecnica costruttiva utili a tale obiettivo. Considerata la dimensione del mercato, la tecnologia dovrà essere idonea alla produzione di piccola serie, eventualmente espandibile senza nuovi investimenti di ricerca. Il costo sarà valutato alla fine e dipenderà, soprattutto, dalle tecniche identificate.
Di tutte queste fasi, la scelta del materiale di costruzione delle pale condiziona l’intero progetto. Ciò deriva dal fatto che le pale dell’elica sono sottoposte ad una serie di sollecitazioni particolarmente elevate e critiche, tutte dovute alla forza centrifuga.

Considerando i diversi materiali utilizzabili sulla base delle caratteristiche e rispetto alle esigenze applicative principali, ognuno di questi ha punti di forza e punti di debolezza. Nella tabella sottostante, consideriamo un primo confronto qualitativo:

	materiale
	legno	composito	alluminio	acciaio
	____________________________________________________
caratteristica
resistenza/peso	OOO	OOOOO	OO	O
stabilità dimensionale	O	OOO	OOO	OOOO
resistenza a fatica	OOOO	OOOO	OOOO	OOOO
precisione di lavorazione	O	OO	OOO	OOOOO
ciclo produttivo	OOOO	OOO	OO	O

La graduatoria è misurata, dal numero di (o) dove: migliore = (ooooo), peggiore = (o).

Per una graduatoria più tecnica, più utile solo al progettista, la tabella andrà compilata con i valori numerici delle rispettive caratteristiche misurate.

Le caratteristiche sono elencate in ordine di importanza.

Si vede così che il legno è il primo materiale se si considera, in primo luogo la facilità di costruzione e, di seguito, la leggerezza. Questo spiega perché l’elica fissa in legno è, da sempre, così diffusa.

Invece, il primo materiale per leggerezza e stabilità dimensionale è il composito. Come materiale, il composito è un prodotto tecnologico (non naturale). Più in particolare, esso è una combinazione strutturata di fibre molto resistenti e di resina legante. Il tutto è anche caratterizzato da una limitata densità.

Usando fibre mono-orientate è possibile ottenere materiale composito con resistenza specifica superiore a quella di tutti i materiali.

La principale limitazione all’uso dei compositi è il costo tecnologico. Infatti, per ottenere risultati validi rispetto ad altre soluzioni di materiale, il composito richiede esperienza specialistica sia di progettazione che di tecnica costruttiva.

L’alluminio è terzo in linea di interesse a causa della sua maggiore densità. L’acciaio è ultimo per lo stesso motivo.

Naturalmente, oltre alla pala, occorre realizzare anche le altre parti, per le quali la caratteristica di resistenza/peso diventa pari o secondaria rispetto ad altre qualità come, per esempio, la precisione di lavorazione

Così, sempre con riferimento alla tabella sopra riportata, risulta preferibile l’alluminio per la realizzazione del corpo del mozzo (minor densità + precisione di lavorazione). Analogamente, per ancorare le pale al meccanismo si potrebbe usare l’alluminio (per la sua minor densità) ma la pratica mostra che è preferibile l’acciaio bonificato per una maggior garanzia di omogeneità del materiale e, quindi, di affidabilità.
Riassumendo le varie considerazioni, si ottiene quindi la seguente tabella delle combinazioni di materiali da utilizzare.

	materiale
	legno	composito	alluminio	acciaio
	____________________________________________________
parte di elica
pala	OO	OOOO
corpo del mozzo			OOOO	OO
gambo della pala			OOO	OOOO

Come mostra questa seconda tabella, per ogni parte dell’elica vi sono due materiali disponibili, dei quali uno risulta il più vantaggioso. L’elica ottimale è quindi la combinazione delle soluzioni più vantaggiose delle singole parti. Pertanto, essa è composta di:

• pala in composito
• mozzo in alluminio
• gambo pala in acciaio

E’ da tener presente che ogni materiale individua una ampia gamma di tipi al suo interno. In seconda approssimazione, quindi, la scelta dei materiali deve individuare, per ogni pezzo, il particolare tipo di quel materiale che rende massimo il vantaggio complessivo sul materiale concorrente (tralasciamo questa seconda analisi di dettaglio). Questa scelta viene fatta sulla base di caratteristiche primarie e secondarie, incluso il costo.

Progettazione e soluzioni strutturali

Le soluzioni strutturali possibili sono certamente numerose. Avendo fissato, come primo criterio tecnico, la massima affidabilità strutturale nei suoi aspetti (resistenza e funzionalità), l’elica a passo variabile avrà i seguenti requisiti principali:

• resistenza nettamente superiore alle massime sollecitazioni di esercizio, misurata dal “fattore di sicurezza”
• resistenza a fatica di lunga durata, misurata dal TBO
• variazione di passo accurata, rapida e con basso sforzo, misurata in gradi/sec
• controllo del passo semplice e sicuro

Naturalmente, il tutto è sempre da ottenere con il minimo peso e con il minimo costo.
In questa logica, la costituzione della pala è determinante per tutto il resto della costruzione.

In effetti, l’uso dei compositi consente di posizionare il materiale resistente nelle zone degli sforzi e nelle quantità richieste. Così, è possibile realizzare la pala leggera all’apice e, via via più consistente procedendo verso il gambo di ancoraggio al mozzo, in accordo con l’aumento degli sforzi. Internamente, la pala potrebbe essere vuota. Tuttavia, l’esperienza dei compositi mostra che la struttura più rigida a parità di peso si ottiene con un’anima di materiale a bassa densità rivestita da un sottile spessore di composito.

La fase di progettazione strutturale definisce quindi la distribuzione della struttura portante nelle diverse aree della pala e ne determina la quantità necessaria.

Come metodo, per mantenere al minimo il peso, fp calcola lo spessore di composito partendo dall’apice e determinando la quantità di materiale portante (fibra) necessaria a supportare la parte più esterna, che risulta appesa durante la rotazione.

Il calcolo è effettuato assumendo un fattore di sicurezza pari a 10 sulle massime sollecitazioni della pala e dei componenti metallici (mozzo, gambo e cuscinetti). Di conseguenza, i componenti lavorano sempre al di sotto di 1/10 della loro resistenza, anche al carico massimo . Questa condizione operativa è di fondamentale importanza in relazione alla lunga durata di esercizio, come mostrano i manuali di ingegneria dei materiali.
Infine, un aspetto particolare. La forma della pala rende la costruzione in composito tanto più laboriosa quanto più la si vuole leggera. In particolare, agli inizi, si realizzavano le due superfici separatamente, sui rispettivi stampi. Quindi, i due semigusci si incollavano assieme a formare la pala. Non si considerava che la linea di incollaggio è una linea di debolezza a causa delle minori caratteristiche meccaniche dei collanti, che risultano molto inferiori a quelle del composito. Non sono rari i casi di pale a due gusci che hanno dato problemi in fase di volo a causa del cedimento della linea di incollaggio lungo i bordi.

Il superamento di questo problema è costituito dalla pala a struttura integrale dove il composito avvolge con continuità tutta la sezione e non presenta linee di incollaggio lungo i bordi.

In conclusione, la struttura della pala fp consiste in un’anima interna in materiale espanso, dentro e intorno alla quale viene stratificato il materiale composito portante.

Si nota che, per la costruzione della pala, si può impiegare fibra di vetro oppure fibra di carbonio. Confrontando il risultato ottenibile con i due materiali, si riscontra che il carbonio consente di ottenere una pala più rigida e più leggera, con un fattore di sicurezza meccanica più elevato. Per la tenuta alla delaminazione, che potrebbe essere l’unico punto debole della fibra in carbonio, il problema non sussiste per effetto della struttura tubolare della costruzione ad avvolgimento integrale.

struttura avvolgente del composito intorno alla pala