aeronàutica

sf. [sec. XIX; da aeronauta]. Scienza e tecnica relative ai mezzi atti a sostenersi e spostarsi nell'aria. Il termine aeronautica venne usato nel sec. XIX per designare prima le tecniche relative al volo dei palloni poi quelle relative al volo dei dirigibili e delle aerodine; nel 1919, il quarto Congresso Internazionale di Aeronautica stabilì di indicare con il termine aviazione l'attività tecnico-scientifica relativa al volo con aerodine. Poiché in Italia i due termini hanno praticamente valore di sinonimi, si è preferito usare il termine aeronautica per indicare l'insieme dei principi teorici e delle soluzioni tecniche che hanno risolto il problema del volo.

Storia: dalle intuizioni alle mongolfiere

La condizione prima perché un qualsiasi mezzo possa sollevarsi in aria è che esso sia “sostentato” da una spinta dal basso verso l'alto sufficiente a vincere il peso del mezzo stesso. I primi studi in materia risalgono a Leonardo da Vinci (sec. XV) che indirizzò le sue ricerche su due strade: imitare le modalità del volo degli uccelli (ali battenti) , sfruttare la spinta di un idoneo organo in rotazione (ala rotante). Leonardo ha lasciato progetti di “ornitotteri”, velivoli a due e a quattro ali battenti mosse dalla forza muscolare, e di “elicotteri”, piattaforme volanti trascinate in alto da un'ala a spirale il cui moto rotatorio era dovuto all'azione di una molla. In entrambi i casi la forza motrice preventivata avrebbe fornito una spinta insufficiente a far sollevare il mezzo. Vi furono in seguito altri tentativi di realizzare mezzi ad ali battenti e anche alianti dei quali poco si sa, ma nessuno ebbe successo. Nel 1670, il gesuita Francesco Lana progettò una navicella la cui sostentazione doveva essere assicurata da quattro sfere cave di rame; progetto irrealizzabile, in quanto la pressione atmosferica avrebbe schiacciato le sfere, ma che tuttavia preludeva al volo con un mezzo più leggero dell'aria. L'idea fu ripresa da un altro gesuita, B. L. de Gusmão, che nel 1709 sperimentò dei palloni riempiti con aria calda (passarole). Gli studi sui mezzi più leggeri dell'aria si rivelarono positivi: i mezzi di questo tipo, infatti, si sostengono nell'aria grazie alla spinta aerostatica identica alla spinta idrostatica, già dimostrata nel sec. III a. C. da Archimede. Nel 1766, lo scozzese J. Black dedusse che un recipiente pieno di idrogeno, gas più leggero dell'aria, si poteva sollevare dal suolo e, nel 1782, l'italiano T. Cavallo sperimentò questa tesi facendo innalzare sacchetti di carta pieni d'idrogeno. Risultati pratici furono ottenuti però solo nel 1783 dai francesi J. ed E. Montgolfier e J. A. C. Charles i quali realizzarono grandi involucri impermeabili, contenenti gas più leggeri dell'aria, capaci di trascinare in alto un certo peso. Questi apparecchi presero il nome dai loro costruttori: le mongolfiere utilizzavano aria calda, le charliere idrogeno. Con questi mezzi, detti in seguito aerostati, ebbe inizio il volo con gli aeromobili più leggeri dell'aria. L'analogia fra il comportamento di un mezzo nell'aria e quello di un mezzo nell'acqua indusse gli studiosi dell'epoca a ritenere che le leggi fisiche dell'idrodinamica fossero applicabili anche all'aerodinamica e che quindi si potesse far volare un mezzo più pesante dell'aria.

Storia: gli sperimentatori dell'Ottocento

Fra il 1796 e il 1857, l'inglese G. Cayley intraprese uno studio sistematico sulla forma aerodinamica delle ali degli uccelli e definì i concetti di resistenza aerodinamica, di portanza e di stabilità longitudinale. Cayley sperimentò in volo alcuni alianti (planofori) e fissando questi a un braccio rotante giunse a determinare che, per ottenere la stabilità laterale di un corpo pesante in volo, era necessario disporre le ali in modo da formare una specie di V ottusa, e che, per ottenere la stabilità longitudinale, era necessario dotare il mezzo di un piano di coda. Sulla base di queste e di altre considerazioni di aerodinamica si tentò di realizzare mezzi semoventi più pesanti dell'aria: nel 1841 l'inglese W. S. Henson realizzò un modello con piano di coda a coda d'uccello dotato di motore a vapore, ma il peso del motore impedì al mezzo di sollevarsi; un modellino analogo ideato da J. Stringfellow nel 1847 e spinto da due eliche azionate da un motore a vapore riuscì a sollevarsi dal suolo, ma non lo stesso non accadde a un identico modello al vero. L'installazione di un motore a bordo di un aerostato fu invece possibile in quanto tale mezzo affidava la propria sostentazione a un pallone pieno di idrogeno: un primo motopallone spinto da un motore a vapore fu realizzato dal francese H. Giffard nel 1852; un motore a gas di carbone azionava l'elica del motopallone di Paul Haenlein del 1872; un motore elettrico era montato sul motopallone di Ch. Renard e A. C. Krebs del 1884. La guida di questi mezzi era ottenuta seguendo i principi della nautica, cioè con un timone orientabile. Nel 1866 sorse in Gran Bretagna la prima Società Aeronautica che raccolse materiali su studi e prove sperimentali; l'aeronautica ebbe così una prima veste scientifica e ciò favorì la diffusione di idee ed esperienze. Ispirandosi agli studi di Cayley, l'inglese F. H. Wenham dimostrò che la portanza variava in funzione del profilo delle ali e si “spostava” nell'aria, con il moto del mezzo, secondo un angolo (angolo d'incidenza) in rapporto con la spinta; nel 1871 Wenham effettuò esperimenti di profili alari entro una rudimentale galleria del vento e successivamente elaborò modelli di alianti e propose l'adozione di più ali sovrapposte. Fra il 1870 e il 1880, il francese A. Pénaud, valendosi degli studi precedenti, sperimentò in galleria del vento e in aria modellini di ornitotteri, elicotteri e aeroplani mossi da molle a elastico (planofori); un modellino con ali formanti un angolo diedro, con piani di coda ad angolo negativo e con elica propulsiva azionata da una molla a elastico riuscì a sollevarsi e a volare per un breve tratto. I pesanti motori a vapore e la mancanza di un sistema di controllo del mezzo in volo fecero però fallire i tentativi di realizzare veri e propri aeroplani. Alcuni risultati si ottennero invece con mezzi ad ala rotante: già nel 1842 l'inglese F. H. Philips aveva fatto innalzare un modellino di elicottero a vapore; fra il 1877 e il 1884 furono realizzati rudimentali elicotteri che si sollevavano verticalmente trainati da due eliche controrotanti (esperimenti di E. Forlanini e A. F. Možajskij). Questi mezzi potevano sollevarsi in aria anche con una debole spinta grazie a un particolare effetto aerodinamico (effetto suolo), effetto peraltro ignoto ai loro costruttori. Le varie esperienze di questi anni dimostrarono però che gli studi teorici di aerodinamica concordavano solo in parte con la realtà. Fra il 1890 e il 1900 si accentuarono quindi le sperimentazioni di modelli nelle gallerie del vento e di alianti in aria alla ricerca di soluzioni valide. É.-J. Marey fotografò l'azione del vento su corpi immobili in galleria aerodinamica; H. S. Maxim precisò le leggi sulla portanza; O. Lilienthal e O. Chanute sperimentarono alianti; S. P. Langley studiò gli effetti aerodinamici sulle ali di un modellino di aerodina in volo mosso da un motore a vapore (1896). Di questo periodo (1882-97) sono le esperienze del francese Clément Ader che realizzò alcuni velivoli e riuscì a far sollevare dal suolo in un breve volo un pesante mezzo con grandi ali a pipistrello attrezzato con due motori a vapore che comandavano ciascuno un'elica. Ben più determinanti, agli effetti del volo, furono le esperienze di O. Lilienthal: i suoi alianti permisero di stabilire sia l'importanza della curvatura e dell'angolo di incidenza delle ali per la sostentazione del mezzo, sia la funzione che aveva l'inclinazione del bordo di uscita delle ali e del piano di coda per la stabilità dell'apparecchio in volo. A partire dal 1900, l'adozione di motori a scoppio su motopalloni di nuova concezione (dirigibili di A. Santos Dumont e F. von Zeppelin) dimostrò infine la possibilità di attrezzare un mezzo aereo con un motore che forniva, a parità di peso, una spinta propulsiva superiore a quella fornita da ogni altro motore allora noto.

Storia: i fratelli Wright e i pionieri

I primi tentativi di realizzare un aeroplano (“aerodromo”) con motore a scoppio furono compiuti tra il 1900 e il 1903 dallo stesso Langley, ma senza risultati; solo nel 1903 i fratelli Orville e Wilbur Wright, statunitensi, dopo una lunga serie di prove su libratori e dopo aver realizzato una piccola galleria aerodinamica per controllare la bontà delle soluzioni adottate, fecero volare, a una certa altezza dal suolo e per qualche decina di metri, un apparecchio da loro ideato e costruito . Il volo dei Wright fu possibile in quanto la sostentazione del velivolo era assicurata da ampie superfici portanti: due grandi ali sovrapposte e due piccole ali anteriori, che miglioravano la stabilità del mezzo (canard). Inoltre, la spinta, dovuta a due eliche propulsive, era fornita da un motore a scoppio leggero che migliorava il rapporto peso-spinta fino ad allora adottato, mentre la controllabilità latero-direzionale veniva garantita dal comando coordinato fra timoni verticali di coda e “svergolamento” del bordo delle ali. L'adozione dello svergolamento alare, corrispondente agli spostamenti del corpo del pilota negli alianti di Lilienthal, permise anche il controllo del mezzo in volo. Fra il 1903 e il 1913 la costruzione di mezzi aerei fu opera di pionieri che erano progettisti costruttori e piloti insieme : vennero sperimentate varie soluzioni nel campo delle aerodine (ornitotteri, ortotteri, elicotteri, monoplani, biplani, multiplani) e furono realizzati, a opera soprattutto di von Zeppelin, giganteschi dirigibili rigidi mossi da potenti motori a scoppio . La costruzione di motori a scoppio sempre più leggeri e potenti permise di migliorare il rapporto peso-spinta e quindi di ridurre le dimensioni e il numero delle superfici portanti negli aeroplani; si puntò su mezzi con una o due coppie di ali assicurate a una robusta struttura orizzontale (la carlinga). Per migliorare la governabilità e l'efficienza aerodinamica del mezzo si pensò di dotare gli aeroplani di superfici mobili di controllo (alettoni, impennaggi di coda, ipersostentatori) e di perfezionare il profilo alare che determinava l'aumento di portanza. Con la prima guerra mondiale aeroplani e dirigibili furono sottoposti a un severo collaudo e le possibilità che rivelarono quali mezzi di trasporto finirono con l'interessare grandi complessi finanziari. L'aeronautica si trasformò, nel primo dopoguerra, da fenomeno pionieristico in attività industriale: ciò permise di coordinare le ricerche sia teoriche sia sperimentali. Vennero realizzate grandi gallerie del vento nelle quali poterono essere svolte prove aerodinamiche che consentirono di migliorare la forma degli aeroplani, in particolare delle ali. I mezzi che si dimostrarono suscettibili di ulteriori perfezionamenti furono gli aeroplani e gli elicotteri e ciò portò, insieme ad altre considerazioni di carattere economico, alla progressiva scomparsa dei dirigibili. L'aeronautica divenne praticamente la scienza e la tecnica del volo con aerodine (vedi aeroplano ed elicottero). La possibilità di volare ad alta quota e a grande velocità, trasportando un carico elevato, richiese però trasformazioni sia dell'architettura dei mezzi, sia dei materiali usati per le strutture, sia dei tipi di propulsore utilizzabili. S'imposero le leghe leggere e poi gli acciai speciali; la forma e la disposizione delle ali richiesero studi particolari, la fusoliera, debitamente pressurizzata, venne realizzata in modo da ospitare un notevole carico e fu sagomata in modo da opporre la minor resistenza aerodinamica possibile. L'aumento del carico, che si risolveva in aumento di peso, determinò un progressivo aumento della spinta che fu risolto in un primo momento con l'adozione di motori più potenti azionanti ciascuno una o due eliche a passo variabile. Durante la II guerra mondiale, la necessità di aumentare la velocità dei mezzi rivelò che i motori alternativi a elica non erano idonei a fornire al velivolo velocità superiori ai 600 km/h in quanto a tali velocità diminuisce il rendimento dell'elica. Furono quindi intensificate le ricerche indirizzate verso l'utilizzazione di motori a turbina (vedi propulsore) che permettevano di raggiungere velocità superiori ai 1000 km/h.

Storia: la recente evoluzione

Negli anni successivi alla II guerra mondiale il tentativo di superare la velocità del suono dimostrò che le sperimentazioni in galleria del vento erano insufficienti a risolvere i complessi problemi connessi con il volo supersonico. Si ebbe quindi un rilancio degli studi dell'aerodinamica teorica che portarono all'elaborazione delle teorie relative al volo supersonico (vedi aerodinamica, aeroelasticità, gasdinamica, superaerodinamica). Le realizzazioni pratiche dei progetti sono ormai possibili grazie anche ai progressi della metallurgia, della tecnologia e dell'elettronica, le quali forniscono materiali, procedimenti di costruzione, apparecchiature di controllo e di guida che rendono il volo con il mezzo più pesante dell'aria sempre più sicuro e perfetto. Tutto ciò, unito agli studi sulla missilistica e al progresso della navigazione spaziale, ha aperto all'aeronautica nuove possibilità: ricerche sono state effettuate nel campo del volo verticale (vedi convertiplano e VTOL), della sostentazione (vedi cuscino, tecnica; gettosostentazione), del decollo corto (vedi STOL) e soprattutto del volo stratosferico ad altissima velocità, che però ancora non trova estese applicazioni commerciali. Le moderne tecnologie hanno consentito nel 1978 di far volare con successo il primo aereo a propulsione muscolare, il Gossamer Albatros progettato dall'americano Paul MacCready, mentre nel 1999 è stato effettuato il primo giro del mondo con mongolfiere di tipo Rozier (Breitling Orbiter). È già possibile prevedere, anche se non prima della seconda metà del sec. XXI, velivoli suborbitali a velocità elevatissima, mentre l'industria aeronautica si orienta verso l'esplorazione e l'utilizzazione dello spazio: significativo lo Space Shuttle americano , velivolo spaziale conformato per poter volare nell'atmosfera in fase di atterraggio. Il passaggio dal XX al XXI secolo ha visto la diffusione della navigazione satellitare che, utilizzando sistemi globali di posizionamento tipo GPS (e in futuro il sistema Galileo dell'Unione Europea), consente di percorrere con grande precisione rotte anche in spazi aerei tradizionalmente difficili da sfruttare intensivamente, quali gli oceani e l'Artico.