STABILITA'

Vorrei con queste poche note contribuire a chiarire in modo semplice e senza addentrarmi nei meandri della aerodinamica e del perché e percome, quali sono i parametri da dover considerare per un corretto volo degli aeromodelli ed in particolare quelli relativi alla loro stabilità e quindi alla manovrabilità.
La stabilità che un aeromodello, per poter volare con sicurezza deve possedere è di tre tipi, ossia:

Di queste ultime due, che si influenzano vicendevolmente, normalmente si parla di Stabilità Latero-Direzionale.

Stabilità Longitudinale
E' noto che la portanza generata da un'ala è causata dalla differenza tra le pressioni relative esistenti sul ventre e quelle sul dorso del profilo.
In pratica in ogni punto del profilo esiste una differenza di pressione che si traduce in una spinta verso l'alto.
Tutte queste spinte possono essere sommate fra di loro e rappresentate con una unica spinta che viene chiamata Portanza P (o L, dalla terminologia anglosassone Lift).
Il suo punto di applicazione, situato lungo la corda alare c, è definito Centro di Pressione CP.
Quando l'incidenza e/o la velocità cambiano, variano anche tutte le spinte di portanza e conseguentemente varia pure la risultante totale, sia come intensità che come punto di applicazione. Questo vuol dire che il CP si sposta al variare della pressione, spostandosi verso il naso del profilo quando la pressione cresce.
Quindi il Centro di Pressione che, tranne nel caso dei profili simmetrici, non è un punto fisso, non può essere considerato per il centraggio, viceversa il Fuoco F del profilo, detto anche Centro Aerodinamico, è un punto fisso che non varia al variare dell'incidenza e/o velocità e quindi può essere considerato per questo scopo.
Il Fuoco F altro non è che il fuoco della parabola inviluppo delle risultanti aerodinamiche teoriche (e ciò significa che ai diversi valori dell'incidenza, il prodotto della risultante aerodinamica totale per la rispettiva distanza dal fuoco F ha valore costante) e che, dipendendo dal tipo di profilo, può trovarsi internamente od esternamente a questo. Per convenzione e per facilitare le cose viene considerata la sua proiezione sulla corda del profilo.
La posizione del Fuoco varia fra il 22% e il 27% della corda media alare a partire dal naso del profilo e per convenzione, per ogni calcolo relativo alla Stabilità Longitudinale, si fissa al 25% della corda.
Inoltre è da precisare che la posizione del Centro di Pressione CP per i profili asimmetrici e concavoconvessi si trova sempre dietro al Fuoco mentre un CP situato davanti al Fuoco lo si ha solamente con profili autostabili o con profili asimmetrici o concavoconvessi in volo rovescio.
Invece per i profili biconvessi simmetrici la posizione del Centro di Pressione CP è fissa e si trova in corrispondenza del Fuoco.

I fattori che influiscono sulla Stabilità Longitudinale sono i seguenti: il margine statico, la posizione del centro di gravità, la quantità di diedro longitudinale e la grandezza del braccio di leva.

Margine Statico SM
Viene definita Margine Statico SM la distanza fra il Punto Neutro NP ed il CG , espressa in % della corda media alare e che può variare dall'8% al 12% in valore assoluto.
Il Punto Neutro corrisponde al fuoco del modello completo. Infatti non solo l'ala ha il suo fuoco ma pure il piano orizzontale, ed essendo ala e piano orizzontale uniti dalla fusoliera anche il modello completo ha il suo fuoco, denominato appunto Punto Neutro NP.

Centro di Gravità CG
Deve essere situato davanti al Punto Neutro NP o al massimo può coincidere con questo.

Diedro Longitudinale DL
Questo corrisponde alla differenza relativa fra l'incidenza alare e quella dello stabilizzatore ed i cui valori normalmente sono compresi fra 1,5° e 5°.
L'ideale sarebbe di calettare l'ala ad un angolo corrispondente a quello di massima Efficienza del profilo impiegato, ma non sempre ciò è vantaggioso.
Il Diedro Longitudinale non varia al variare della incidenza di volo, anche se in effetti sarebbe opportuno tener conto dell'angolo di svio, cioè l'angolo con il quale il flusso d'aria deviato dall'ala investe il piano orizzontale.

Il Braccio di Leva b
Ovvero la distanza misurata fra il Centro di Pressione dell'ala ed il Centro di Pressione dello stabilizzatore e che si può calcolare con la seguente formula:

con Sa = Superficie alare, Ss = Superficie stabilizzatore, c = Corda alare, K = Rapporto volumetrico di coda e dove:

K = 0,4-0,5  per veleggiatori F3B e pylon
K = 0,5-0,6  per trainer ala alta
K = 0,6-0,8  per acrobatici
K = 0,8-1,1  per veleggiatori a volo libero
K = 1,1-1,5  per motomodelli volo libero

ed anche

Questi valori di K derivati dalla pratica sono indicativi e possono essere usati proficuamente ma con una avvertenza.
Infatti, applicando la formula per determinare la lunghezza di b ed utilizzando i due valori estremi indicati, otteniamo l'indicazione che b può variare fra due estremi entro i quali il modello è più stabile e meno stabile, ma non instabile.

Per semplificare b viene misurato da 1/3 della corda alare partendo dal bordo d'entrata ad 1/3 della corda del piano orizzontale.
Se il piano orizzontale è portante il Punto Neutro è spostato più verso la coda ed anche il CG risulta più arretrato.
Sul sito di Peppe Panzieri (www.46squadron.it) si trova un valido foglio di calcolo per la determinazione del rapporto Volumetrico di coda K.
Il metodo di approccio più opportuno, cioè se è conveniente impiegare i valori indicati di K per la determinazione del braccio di leva oppure definire prima questo valore e poi verificare se il K è il più adatto dipende dall'approccio al progetto.

Diedro Longitudinale DL
Questo corrisponde alla differenza relativa fra l'incidenza alare e quella dello stabilizzatore ed i cui valori normalmente sono compresi fra 1,5° e 5°.
L'ideale sarebbe di calettare l'ala ad un angolo corrispondente a quello di massima Efficienza del profilo impiegato, ma non sempre ciò è vantaggioso.
Il Diedro Longitudinale non varia al variare della incidenza di volo, anche se in effetti sarebbe opportuno tener conto dell'angolo di svio, cioè l'angolo con il quale il flusso d'aria deviato dall'ala investe il piano orizzontale.

Il Braccio di Leva b
Ovvero la distanza misurata fra il Centro di Pressione dell'ala ed il Centro di Pressione dello stabilizzatore e che si può calcolare con la seguente formula:
 

 

con Sa = Superficie alare, Ss = Superficie stabilizzatore, c = Corda alare, K = Rapporto volumetrico di coda e dove:

K = 0,4-0,5  per veleggiatori F3B e pylon
K = 0,5-0,6  per trainer ala alta
K = 0,6-0,8  per acrobatici
K = 0,8-1,1  per veleggiatori a volo libero
K = 1,1-1,5  per motomodelli volo libero

ed anche

Questi valori di K derivati dalla pratica sono indicativi e possono essere usati proficuamente ma con una avvertenza.
Infatti, applicando la formula per determinare la lunghezza di b ed utilizzando i due valori estremi indicati, otteniamo l'indicazione che b può variare fra due estremi entro i quali il modello è più stabile e meno stabile, ma non instabile.

Per semplificare b viene misurato da 1/3 della corda alare partendo dal bordo d'entrata ad 1/3 della corda del piano orizzontale.
Se il piano orizzontale è portante il Punto Neutro è spostato più verso la coda ed anche il CG risulta più arretrato.
Sul sito di Peppe Panzieri (www.46squadron.it) si trova un valido foglio di calcolo per la determinazione del rapporto Volumetrico di coda K.

Stabilità latero-direzionale o automatica
Questa stabilità deve essere posseduta necessariamente dal modello per poter volare anche se disturbato da raffiche e dai nostri pollici.
Anch'essa dipende da diversi fattori: dalla grandezza del diedro alare, dalla posizione del centro di superficie laterale ed infine dal rapporto volumetrico del piano verticale.

Diedro alare
Questo può variare da qualche grado (spesso le ali degli acro vengono costruite appoggiando il dorso sul piano e dando al diedro solamente l'angolo ottenuto per la variazione di spessore del profilo dalla mezzeria all'estremità), come 2°-4° per un veleggiatore con alettoni, fino ad un massimo di 7°-10° per veleggiatori da termica privi di alettoni.

Centro di Superficie Laterale CSL
Questo, che non deve essere confuso con il "centro di spinta laterale", è il centro di gravità della proiezione laterale del modello, e deve essere situato dietro al CG e circa alla stessa altezza.
La posizione del CSL viene determinata in modo pratico, e cioè ritagliando la sagoma del modello su di un cartoncino, sospendendola successivamente per due punti diversi e, con l'ausilio di un filo a piombo fissato ai punti di sospensione della sagoma, si determina il punto di incrocio delle rette verticali risultanti: questo punto d'incrocio è il CSL.

Rapporto Volumetrico del Piano Verticale VVC
Il Rapporto Volumetrico del Piano Verticale (da non confondersi con il K) viene determinato con la seguente formula:

con Sv = Superficie del verticale, Sa = Superficie alare, b = braccio di leva ed L = apertura alare

Da quanto fino ad ora considerato è possibile notare come le superfici di entrambi gli impennaggi siano in relazione con la Superficie alare Sa.
Infatti mentre il piano orizzontale è in relazione con la corda c, molto importante ai fini della stabilità longitudinale e la manovrabilità, il piano verticale è in relazione con l'apertura alare che influenza la stabilità laterale.
Se l'impennaggio verticale è troppo piccolo ed il diedro alare è troppo grande, in presenza di una raffica laterale una semiala si alza facendo ruotare il modello dalla parte della semiala abbassata. Compito della deriva sarebbe quello di contrastare la rotazione ma essendo troppo piccola non vi riesce e la rotazione si arresta solamente quando l'ala è molto inclinata. A questo punto inizia a ruotare nel senso opposto.
Questo movimento è stato chiamato Dutch Roll o Rollio olandese.
(A questo proposito ricordo che un famoso modello acrobatico degli anni '70, il Kwick Fly, dotato di alettoni, a causa del suo diedro e dell'esiguità del suo stabilizzatore verticale aveva questo difetto. Non in maniera vistosa ma con uno scodinzolio continuo ed evidente nelle salite verticali).
Se invece il diedro è troppo ridotto o inesistente ma l'impennaggio verticale è troppo grande si potrebbe incorrere nell'instabilità in spirale.
Se per causa di una raffica laterale viene provocata una imbardata, il diedro insufficiente e l'impennaggio verticale troppo grande non riescono a sviluppare il rollio necessario a contrastarla.
Di conseguenza la semiala che si è abbassata si abbassa sempre di più facendo entrare il modello in una spirale in picchiata con velocità crescente e raggio della virata sempre più piccolo.
Inconveniente spiacevole che quando capita porta sovente alla perdita del modello.
In questo malaugurato caso l'unica manovra possibile è tentare una richiamata dolce e graduale se la velocità non è eccessiva. Purtroppo però è assai facile che una semiala decida di andarsene per i fatti suoi in quanto i tempi di reazione sono sempre piccolissimi e le forze in gioco che si creano, se la robustezza del modello non è adeguata, elevate.