aeroelasticità
Indice
Descrizione generale
sf. [aero-+elasticità]. Settore della teoria dell'elasticità che studia le mutue relazioni tra le forze aerodinamiche agenti su una struttura (generalmente di un aeromobile) e le deformazioni che esse causano alla struttura in esame. Solo in epoca recente l'aeroelasticità ha potuto inquadrare in maniera soddisfacente un'estesa famiglia di complessi fenomeni e il progetto aeroelastico delle strutture di un velivolo è divenuto con il tempo fondamentale. L'importanza dei fenomeni aeroelastici era comunque ben nota già dagli anni attorno al 1930 e probabilmente l'insuccesso del pur interessante tentativo di Langley (1903) è da attribuirsi alle insoddisfacenti caratteristiche aeroelastiche del grosso motomodello dello studioso americano. L'aeroelasticità è assurta all'attuale importanza proprio a causa di una delle più irrinunciabili caratteristiche delle strutture aeronautiche e precisamente la leggerezza. Questa, unitamente alla considerevole snellezza e alle modalità di realizzazione delle strutture, fa sì che, pur restando nel campo delle deformazioni elastiche (deformazioni prodotte da carichi inferiori ai valori per cui il materiale con cui le strutture sono realizzate giunge allo snervamento, e tali da risultare proporzionali ai carichi che le determinano), si possa facilmente giungere a deformazioni che non possono essere ritenute piccole in rapporto alle dimensioni della struttura, come invece generalmente postula la scienza delle costruzioni; a titolo d'esempio si può ricordare che le estremità alari di un grosso aviogetto possono flettersi in volo sino a raggiungere frecce dell'ordine del 10% dell'apertura alare. Anche se sono numerosi i casi in cui una struttura può subire considerevoli deformazioni pur restando entro i limiti di validità della teoria classica dell'elasticità (e ritornando quindi nella configurazione indeformata quando i carichi su di essa agenti vengono ad annullarsi), nelle costruzioni aeronautiche può peraltro verificarsi il caso in cui le deformazioni elastiche della struttura, variandone la configurazione, determinano anche vistose variazioni dei carichi aerodinamici che agiscono su di essa. Anche strutture snelle e leggere di tipo non aeronautico possono dar luogo a fenomeni aeroelastici di cospicua entità, quali tipicamente il collasso di ciminiere e, caso di particolare rilievo, quello del ponte sospeso di Tacoma nell'autunno 1940. I fenomeni aeroelastici possono essere di natura statica o di natura dinamica: nel primo caso le deformazioni delle strutture interessate sono relativamente lente e sono quindi tali da non provocare la comparsa di forze d'inerzia; nel secondo caso, caratterizzato generalmente da fenomeni vibratori aventi frequenze anche elevate, le forze d'inerzia della struttura assumono importanza determinante.
Aeroelasticità statica
Fenomeni tipici dell'aeroelasticità statica sono quello di divergenza e quello di inversione; il primo è sostanzialmente dovuto al fatto che, mentre i carichi aerodinamici che insistono su una struttura sono funzione quadratica della velocità di volo, le reazioni elastiche della struttura sono invece proporzionali alle deformazioni della medesima (fin tanto che non si superano i limiti dello snervamento) e conseguentemente, perché una struttura possa reagire ai carichi aerodinamici che su di essa insistono, sarà inevitabile che si verifichi una certa deformazione della stessa. Se la deformazione della struttura è tale da produrre un incremento dei carichi che su di essa insistono e se questo incremento di carico è relativamente elevato in rapporto alle caratteristiche elastiche della struttura, si può giungere alla condizione per cui i maggiori carichi determinano più rilevanti deformazioni, le quali a loro volta portano alla comparsa di carichi ancor più elevati, da cui discendono ancor più vistose deformazioni, in un processo divergente (da cui appunto la denominazione di divergenza) che porta al collasso della struttura interessata, il quale si verifica quando si raggiunge la velocità critica detta appunto velocità di divergenza. Il fenomeno di inversione è fondamentalmente analogo a quello di divergenza e si verifica quando l'azione di un comando (per esempio, alettone, equilibratore, timone) provoca una deformazione così rilevante della struttura alla quale il comando stesso è articolato da determinare la genesi di forze aerodinamiche aventi segno contrario a quelle che l'azione del comando in questione intende produrre. Casi tipici di inversione si verificano per il complesso ala-alettone, ove la rotazione, per esempio verso il basso, di un alettone (intesa quindi a produrre un aumento di portanza sulla corrispondente semiala) può provocare una torsione della semiala alla quale detto alettone è articolato tale da determinare una diminuzione di incidenza tanto rilevante da produrre una diminuzione di portanza superiore all'aumento conseguente alla manovra dell'alettone. Conseguenza dei fenomeni di inversione è una progressiva riduzione dell'efficacia dei comandi, che si fa tanto più marcata quanto maggiore è la velocità di volo, sino a giungere ad annullarsi per la velocità detta di inversione, superata la quale l'effetto del comando si inverte.
Aeroelasticità dinamica
Se i fenomeni di aeroelasticità statica possono avere conseguenze estremamente gravi ed essere tali da compromettere in considerevole misura le doti di un velivolo (basti considerare che l'efficacia dei comandi risulta praticamente nulla per la gamma di velocità a cavallo di quella di divergenza), alcuni fenomeni di aeroelasticità dinamica possono essere assai più pericolosi, essendo capaci di portare in tempi estremamente brevi alla completa distruzione del velivolo. In questa categoria di fenomeni, i più noti sono certamente quelli di flutter, ossia il complesso dei fenomeni delle vibrazioni autoeccitate di una struttura aeronautica. L'importanza dei fenomeni di flutter ha ricevuto drammatiche conferme da alcuni spettacolari incidenti, tra cui si può ricordare quello che il 6 settembre 1952 portò alla distruzione del secondo prototipo del bireattore DH 110, disintegratosi durante una manifestazione aerea provocando la morte dei due membri dell'equipaggio e di alcune decine di spettatori. L'estrema pericolosità dei fenomeni di flutter e i minimi intervalli di tempo a essi necessari per giungere a proporzioni catastrofiche sono essenzialmente dovuti al fatto che, una volta innescatasi una vibrazione autoeccitata, l'energia cinetica della corrente d'aria che viene ad alimentarla è in così larga misura superiore all'energia che può essere assorbita dalla struttura da determinare la distruzione praticamente immediata di quest'ultima. Caso tipico di flutter è quello delle vibrazioni flessotorsionali di un'ala, che si manifesta quando la torsione elastica dell'ala provoca delle variazioni di incidenza, e conseguentemente di portanza, sulle varie sezioni dell'ala stessa, che viene pertanto a flettersi. Le velocità con cui le varie sezioni dell'ala, in seguito alla flessione, vengono allora ad alzarsi e ad abbassarsi determinano conseguenti variazioni di incidenza (data la composizione dei vettori velocità di traslazione-velocità di deformazione che si hanno nelle diverse sezioni), e quindi di portanza, da cui generalmente derivano anche variazioni di incidenza, in dipendenza delle caratteristiche aerodinamiche dei profili dell'ala, delle caratteristiche di rigidezza torsionale di questa, delle posizioni dei baricentri e delle tracce dell'asse elastico dell'ala nelle varie sezioni di questa. Poiché una sezione alare che sta spostandosi verso l'alto per effetto della flessione vede diminuire la sua incidenza per effetto della citata composizione delle velocità e poiché da questa diminuzione di incidenza deriva normalmente la comparsa di momenti che torcono l'ala facendone ulteriormente diminuire l'incidenza, e quindi la portanza (il contrario avviene nel caso di spostamento verso il basso), l'ala viene a trovarsi assoggettata a sollecitazioni flessionali e torsionali periodiche le quali, se la struttura non è sufficientemente rigida o se le sue caratteristiche elastiche e inerziali non sono corrette, portano in tempo brevissimo al collasso completo, non appena si sia raggiunto un valore critico della velocità, al di sotto del quale la struttura presenta capacità di smorzamento adeguate. Si può ricordare che imperfezioni costruttive, giochi nelle articolazioni di superfici mobili, condizioni di flusso irregolare possono contribuire in notevole misura a far insorgere fenomeni di flutter e che le tecniche seguite per evitare il pericolo di vibrazioni aerostatiche autoeccitate si basano soprattutto su un'accurata contropesatura delle superfici mobili, sull'adozione di servocomandi irreversibili, su una realizzazione estremamente precisa di collegamenti e cerniere, su un opportuno posizionamento dei baricentri delle varie sezioni della struttura e dell'asse elastico di questa, oltre che sull'ottenimento di notevoli rigidità, specie torsionali.
Prove di volo
Le prove di volo necessarie per accertare che un velivolo sia esente da pericolosi fenomeni aeroelastici vengono infine eseguite estendendo progressivamente il campo delle velocità sperimentate, onde evitare entro i limiti del possibile di doversi trovare di fronte a fenomeni violenti e imprevisti; accurate e complesse analisi teoriche e prove sperimentali a terra, intese a determinare le caratteristiche elastiche della struttura, fanno sì che ormai i fenomeni di flutter non presentino più la considerevole pericolosità da essi assunta in passato. Caratteristiche analoghe al flutter presentano alcuni fenomeni aeroelastici di scuotimento (buffeting), che si manifestano in condizioni di flusso non regolare, come per esempio allo stallo o in presenza di separazioni di flusso (per esempio, dovute alla formazione di onde d'urto). Un caso tipico di oscillazioni aeroelastiche di stallo fu quello che portò al citato crollo del ponte sospeso di Tacoma, mentre fenomeni dovuti alla separazione di flusso e al distacco di vortici alterni che vanno ad alimentare la scia sono quelli del cosiddetto galloping dei conduttori di linee aeree.