ala (aeronautica)

[sec. XIII; latino ala]. Ciascuna delle superfici di sostentamento poste a destra e a sinistra dell'aeroplano.

Tecnica: caratteristiche tecniche e tipologia

Elemento fondamentale di gran parte delle aerodine, che ha la funzione di assicurarne la sostentazione; costituisce una delle parti essenziali dell'aeroplano. L'ala è un corpo allungato di spessore relativamente ridotto, avente quasi sempre la dimensione maggiore in direzione perpendicolare a quella del vento relativo. Le sezioni dell'ala secondo piani paralleli all'asse di simmetria del velivolo costituiscono i profili alari; la superficie in pianta dell'ala viene detta superficie alare, la superficie dorsale è detta estradosso, quella ventrale intradosso. Nell'ala si distinguono la massima dimensione lineare, che ha direzione normale all'asse di simmetria del velivolo detta apertura alare (ed è misurata tra un'estremità alare e l'altra), e la dimensione in direzione parallela a quella dell'asse di simmetria dell'aereo (e generalmente variabile lungo l'apertura) detta corda alare. Particolare interesse ha la corda media aerodinamica, cioè la lunghezza di riferimento assunta per definire i coefficienti di momento, corrispondente alla corda passante per il baricentro della figura costituita dalla pianta della semiala. Il rapporto tra apertura alare e corda media (o tra quadrato dell'apertura e superficie alare) è chiamato allungamento; questo parametro, che può variare entro ampi limiti (grosso modo tra 2 e 40, anche se nella maggior parte dei casi è compreso tra 3 e 10 ca.), è particolarmente importante per definire le caratteristiche aerodinamiche dell'ala, che risulta tanto più adatta al volo lento e ad alte quote quanto più elevato è l'allungamento. A seconda della legge con cui le corde variano lungo l'apertura, l'ala può essere di forma trapezia, rettangolare, mistilinea, ellittica, a scimitarra (tipica ala aeroisoclina), a freccia, a delta; queste due ultime, che presentano più varianti, sono molto adatte al volo a velocità elevate.Nel caso di ala trapezia viene definito rapporto di rastremazione il rapporto tra corda passante per l'estremità dell'ala e corda in corrispondenza della mezzeria del velivolo (o in corrispondenza dell'intersezione tra ala e fusoliera); il corrispondente rapporto tra gli spessori dei profili d'estremità e di mezzeria (o della radice dell'ala) viene detto rastremazione in spessore. La linea che congiunge il bordo anteriore dei diversi profili dell'ala è detta bordo d'attacco o d'entrata alare o becco; la linea opposta a questa si definisce bordo d'uscita. Sezione per sezione dell'ala è necessario conoscere i profili adottati e le rispettive incidenze, cioè gli angoli (angolo d'incidenza o di attacco) formati dalla corda alare con la direzione asintotica del vento relativo. Tra i profili più adottati vi sono quelli concavo-convessi, piano-convessi, biconvessi per gli aerei subsonici; lenticolari, a doppio cuneo per gli aerei supersonici; a cuneo per gli aerei ipersonici. La differenza tra le incidenze dei profili di un'ala è detta svergolamento e si può distinguere tra svergolamento geometrico (definito dall'angolo che si ha tra le corde dei profili) e svergolamento aerodinamico (angolo tra le direzioni di portanza nulla dei profili); ogni punto rispetto al quale il momento della risultante è costante al variare dell'incidenza è detto fuoco del profilo o centro aerodinamico. Necessario per definire la geometria di un'ala è il diedro alare o V frontale, cioè l'angolo che l'ala vista frontalmente forma con un piano orizzontale; il diedro, che viene solitamente misurato sul bordo d'attacco o sull'estradosso, è normalmente di pochi gradi, e ha estrema importanza ai fini della stabilità laterale del mezzo; il diedro può essere negativo, positivo, doppio, a M o a gabbiano, a W o a gabbiano invertito.Pure indispensabile è la conoscenza della freccia alare, cioè dell'angolo che il bordo d'attacco di ogni semiala (freccia sul bordo d'attacco), oppure il bordo d'uscita (freccia sul bordo d'uscita), oppure la linea passante per il primo quarto delle corde (freccia al 25% delle corde) formano con un piano normale all'asse di simmetria dell'aereo. Un angolo di freccia, contenuto entro certi limiti (come nelle ali a freccia) permette una maggior velocità negli aerei supersonici; limitato a pochi gradi, talvolta viene utilizzato per esigenze di equilibramento del velivolo. Aumentando l'angolo di freccia, l'ala consente velocità di volo ancora più elevate e risulta meno sensibile alla turbolenza atmosferica; peggiorano viceversa le caratteristiche di portanza massima (e quindi decollo e atterraggio del velivolo), nonché quelle di autonomia del mezzo. Una soluzione possibile è l'ala a freccia variabile in volo (ala a geometria variabile) che, sia pure a prezzo di una maggiore complicazione costruttiva e di un peso più elevato, consente di allargare la gamma delle velocità alle quali l'aereo può operare, garantendo anche buone prestazioni di salita e di autonomia. A partire dagli anni Ottanta del sec. XX, le ricerche connesse con le ali si sono avvalse in maniera sistematica delle possibilità offerte dai nuovi codici di calcolo per la simulazione numerica dei flussi aerodinamici, sia compressibili sia incompressibili. Il ridotto costo di queste elaborazioni rispetto alle sperimentazioni ha permesso la ricerca di soluzioni ottime, contribuendo a migliorare in maniera sensibile le prestazioni dei velivoli. Nei velivoli civili è previsto l'allungamento delle superfici alari, anche se l'apertura alare è soggetta a limitazioni intorno ai 50 metri a causa della difficoltà di adeguare alcune infrastrutture aeroportuali. Per contenere l'apertura alare massima senza rinunciare ai benefici in termini di riduzione della resistenza indotta, i nuovi trasporti a medio-lungo raggio hanno adottato le winglets, alette verticali poste alle estremità dell'ala che consentono un notevole risparmio di carburante. Tra le soluzioni alternative per contenere l'apertura alare è stata presa in esame anche l'ala allungabile (Airbus A 340) con estremità che rientrano nel corpo alare una volta che l'aereo si avvicina all'aerostazione. La soluzione è stata però giudicata troppo costosa e non è stata quindi adottata sugli esemplari di serie. I velivoli da caccia hanno invece adottato per la quasi totalità l'ala a delta e la configurazione canard, con gli elevoni sistemati in prossimità del bordo d'attacco del delta. Un importante filone di studi tecnico-aerodinamici è quello delle ali soffiate, ovvero ali nelle quali viene evitato il distacco dello strato-limite mediante l'aspirazione di quest'ultimo attraverso una serie più o meno estesa di fori sull'intera superficie alare. L'ala soffiata permette di raggiungere incidenze elevatissime, e quindi portanze notevolmente superiori a quelle ottenibili normalmente. Alla sua introduzione sono interessati tutti i trasporti supersonici, nei quali l'ala soffiata è una delle soluzioni studiate allo scopo di ridurre gli stress termici e, si presume, il bang sonico (in relazione agli effetti ambientali). Malgrado l'estrema utilità teorica dell'ala soffiata, non ne è prevista alcuna utilizzazione pratica. I motivi sono di ordine realizzativo, dovuti alla difficoltà di far convivere l'insieme di tubazioni per l'aspirazione con la struttura alare, e di ordine operativo, a causa del brusco decadimento di prestazioni cui sarebbe soggetto l'aeromobile in caso di avaria di un motore durante le fasi di decollo o atterraggio. La simulazione dei campi aerodinamici permette inoltre di studiare con facilità e efficacia configurazioni alari complesse e non convenzionali, consentendo l'ottimizzazione delle strutture rispetto alla missione assegnata al velivolo. Appartengono a questa categoria il Northrop B 2, bombardiere tuttala, il Piaggio P 180, aerotaxi turboelica con configurazione a terza superficie portante, e lo sperimentale AT 3 di Burt Rutan, con due ali accoppiate in tandem per ottimizzare la capienza del vano di carico. Un notevole impulso agli studi e alle tecnologie riguardanti la configurazione alare è stato dato dall'uso dei materiali compositi: per esempio, si è sperimentato con il Grumman X 29 l'uso in volo dell'ala a freccia inversa, che era stata teorizzata sin dalla II guerra mondiale come soluzione ottimale per la manovrabilità, ma che era rimasta senza applicazioni operative per problemi di divergenza aeroelastica fino a tutti gli anni Ottanta del Novecento.

Tecnica: funzione e caratteristiche aerodinamiche

La funzione dell'ala, come si è detto, è quella di fornire all'aereo la forza portante necessaria al volo (vedi portanza), che risulta dalla proiezione, in direzione perpendicolare al vento relativo, delle forze esercitate dalle pressioni agenti sull'ala stessa; la proiezione in direzione parallela al vento relativo provoca, invece, la resistenza di forma dell'ala. Resistenza all'avanzamento dell'ala deriva anche dalle azioni che la corrente fluida esercita tangenzialmente al contorno del profilo (resistenza d'attrito), mentre l'energia cinetica, corrispondente alla variazione di velocità che la vena fluida interessata dall'ala subisce a causa del fenomeno generante la portanza, provoca un'ulteriore resistenza (resistenza indotta). Nel caso di fenomeni aerodinamici caratterizzati dalle manifestazioni della comprimibilità dell'aria, che si verificano a velocità ipersoniche, si manifesta anche una resistenza d'onda. Mediante diagrammi che forniscono i valori del coefficiente di portanza e del coefficiente di resistenza in funzione dell'angolo di incidenza e mediante il diagramma polare, che fornisce i valori del coefficiente di resistenza in funzione di quelli del coefficiente di portanza, è possibile definire le caratteristiche di portanza e di resistenza di un'ala. Ciò nonostante, questo non è sufficiente per determinare completamente il comportamento aerodinamico dell'ala stessa in quanto è necessario conoscere anche come il punto d'applicazione della forza aerodinamica fornita dall'ala si sposta lungo la corda al variare dell'incidenza. L'escursione del punto d'applicazione, detto centro di pressione, viene generalmente determinata per via indiretta attraverso due fattori: valutando il momento che la risultante aerodinamica fornisce rispetto a un polo di riferimento (di solito il bordo d'attacco della corda media aerodinamica, o il fuoco, o il primo quarto della corda il più vicino al fuoco) e definendo il momento aerodinamico così trovato attraverso il corrispondente coefficiente di momento. Pure importante è la conoscenza del comportamento dell'ala nelle condizioni di stallo: occorre evitare, infatti, che le prime sezioni dell'ala che entrano in stallo siano quelle verso le estremità, dato che in questo caso gli alettoni perderebbero ben presto la loro efficacia. Un ridotto rapporto di rastremazione, l'impiego alle estremità dell'ala di profili non troppo sottili, piuttosto curvi e con bordo d'attacco con discreto raggio di curvatura, e un opportuno svergolamento contribuiscono a evitare l'indesiderabile fenomeno sopra citato. Le ali sottostanno a carichi taglienti, flettenti e torcenti, pertanto la loro struttura deve rispondere a determinati requisiti. Le ali dei primi aeroplani avevano struttura in legno, con rivestimento in tela, ed erano irrobustite da numerosi cavi assicurati alla carlinga (ali controventate); successivamente vennero adottate strutture in legno, metallo o miste in legno e metallo, irrobustite da montanti esterni, sostituite poi dalle ali a sbalzo, cioè montate direttamente sulla fusoliera, la cui struttura garantisce le necessarie doti di robustezza e di rigidezza, offrendo in molti casi anche lo spazio per alloggiare il carrello in posizione retratta e parte almeno dei serbatoi del combustibile. La struttura di un'ala a sbalzo è del tipo “a guscio”, cioè vuota all'interno ma irrobustita da elementi resistenti disposti approssimativamente secondo l'apertura (longheroni), da elementi con funzione di forma e di irrigidimento disposti parallelamente alle corde alari (centine) e da un rivestimento cui è essenzialmente affidato il compito di fornire all'ala il profilo voluto e di resistere ai carichi torcenti. A seconda delle caratteristiche aerodinamiche, del suo carico per unità di superficie, delle doti che si richiedono al velivolo e del materiale usato per la sua realizzazione, un'ala può essere dotata di uno, due, o più longheroni; ogni ala ha sempre un longherone ausiliario posteriore, al quale sono articolati gli alettoni e gli eventuali ipersostentatori posteriori. Mentre nel caso di ala monolongherone quasi invariabilmente è il rivestimento del bordo d'attacco ad assicurare la resistenza a torsione, nelle ali bilongherone si può giungere a un'utilizzazione dell'intero rivestimento come elemento resistente; nelle ali dei velivoli di peso e velocità alquanto limitati si può affidare ai soli longheroni, collegati da crociere in filo d'acciaio, il compito di resistere ai carichi taglienti, flettenti e torcenti. In tutte le ali plurilongherone le funzioni resistenti sono assolte dal cassone alare, costituito dal rivestimento opportunamente irrigidito (fasciame), collegato alle centine e ai longheroni veri e propri, che vengono a contrastare essenzialmente i carichi taglienti; relativamente diffuso è l'uso di fasciami in lega leggera (e anche in acciaio) irrigiditi da strutture a nido d'ape. Rispetto alla fusoliera l'ala può essere montata in basso (ala bassa), in alto (ala alta), secondo un piano mediano (ala traversante), verso la parte anteriore (ala tutt'avanti), oppure verso la parte posteriore (ala tutt'indietro). I velivoli destinati all'imbarco su portaerei hanno frequentemente ali ripiegabili, che consentono un più agevole stivaggio dell'aereo nei limitati spazi disponibili a bordo. Nella quasi totalità dei casi le ali sono realizzate in lega leggera a base d'alluminio, spesso con largo impiego di pannelli di rivestimento ottenuti per fresatura e incorporanti i necessari correntini d'irrigidimento; acciaio inossidabile e titanio vengono utilizzati solo per parti della struttura per le quali occorra assicurare elevata robustezza e resistenza a sollecitazioni termiche. Ali interamente realizzate in materiali compositi vengono utilizzate da velivoli da caccia e da attacco al suolo. Nei velivoli civili di grandi dimensioni, solo poche parti vengono costruite con questi materiali, mentre per applicazioni più estese occorre attendere l'introduzione dell'Airbus A 380, che avrà la sezione centrale del cassone alare realizzata con materiali compositi. Il miglioramento della portanza, necessario per evitare aperture alari eccessive che comporterebbero problemi di movimento negli aeroporti per i grandi aerei commerciali, stanno spingendo comunque la ricerca verso configurazioni non convenzionali. Dopo l'ala allungabile, con una sezione che fuoriesce e rientra telescopicamente dalle estremità, sperimentata sull'Airbus A 340 ma non adottata negli esemplari di serie, sono ora allo studio ali che deformano automaticamente il loro profilo, variando l'angolo di incidenza e quindi la portanza durante le fasi di decollo e atterraggio, in caso di elevati carichi trasportati o in fasi di volo a velocità ridotta. È quanto prevede una ricerca che l'agenzia federale americana ARPA ha affidato alla Northrop Grumman. L'obiettivo delle ‘‘ali a profilo evolutivo'' è di migliorare la portanza per accrescere il raggio d'azione degli aerei consentendo allo stesso tempo un aumento dei carichi trasportati e una diminuzione dei consumi. Un grande aereo civile dotato di questi sistemi potrebbe trasportare 30 passeggeri in più tra Parigi e Washington utilizzando la stessa quantità di carburante. Le prime ricerche su un'ala in grado di modificare automaticamente in volo il suo profilo per ottimizzare la portanza in funzione di quota e velocità hanno dimostrato la fattibilità del progetto sia dal lato teorico sia da quello sperimentale. Finora, però, il peso e la complessità dei meccanismi ne hanno sempre impedito la realizzazione pratica. Il nuovo approccio è quello di utilizzare materiali cosiddetti ‘‘intelligenti'' in grado di deformarsi autonomamente. Questi materiali appartengono a tre famiglie: nella prima rientrano le leghe a memoria di forma che hanno un coefficiente di deformazione elevato se sottoposte ad aumento della temperatura; la seconda è costituita dai materiali piezoelettrici che si deformano se sottoposti a un campo elettrico; la terza comprende i materiali che si deformano sotto l'effetto di un campo magnetico.