Un rotore, in aeronautica, è un elemento meccanico composto da più pale che, mediante rotazione, permette il pilotaggio, la propulsione e il sostentamento di un aerogiro (un elicottero, un autogiro o un elicoplano) o di un convertiplano.
Il rotore è costituito da un mozzo (in inglese "hub") montato (calettato in linguaggio tecnico) su un albero meccanico in rotazione libera o posto in rotazione da motori. Al mozzo vengono applicate due o più pale.
Differisce fondamentalmente da un'elica aeronautica, in quanto quest'ultima genera spinta esclusivamente lungo la direzione di avanzamento dell'aeromobile, mentre i rotori possono generare forze anche in direzioni differenti.
Il rotore per la sua complessità costituisce un sistema fondamentale degli aerogiri. Il sistema rotore comprende anche i sistemi di orientamento delle pale, e in alcuni casi è reso ulteriormente complesso per la presenza di sistemi di ripiegamento pale per il trasporto o immagazzinamento dell'aeromobile, sensori e sistemi di sghiacciamento delle pale.
I rotori caratterizzano in maniera importante gli aeromobili sui quali sono impiegati. Nel tempo ne sono stati messi a punto di diverse tipologie, in risposta a vari e complessi problemi di efficienza e stabilità. Sono state sperimentate moltissime configurazioni e un buon numero di soluzioni differenti è arrivato alla produzione di serie ed è tuttora impiegato.
Rotori aeronautici Tipologie rotori completamente articolati rotori semi-rigidi rotori rigidi Configurazioni singolo rotore principale rotore di coda convenzionale rotore di coda intubato NOTAR tip jet rotori accoppiati rotori in tandem rotori coassiali rotori intersecantisi rotori trasversali
Storia ed evoluzione
Sebbene l'origine del rotore possa essere fatta risalire a Leonardo da Vinci, le macchine volanti basate su ali rotanti non ebbero molto successo pratico prima dello sviluppo degli elicotteri nella metà del XX secolo, essendo afflitte molto più dei primi aeroplani da problemi di controllabilità.
Il 13 novembre 1907 il francese Paul Cornu fu il primo uomo ad effettuare un volo libero controllato su una macchina dotata di rotori, ma in realtà le soluzioni adottate non consentivano di manovrare e il modello venne in seguito abbandonato.
Il problema della incontrollabilità degli aeromobili ad ala rotante venne affrontato dal pioniere degli autogiri Juan de la Cierva negli anni trenta. De la Cierva è considerato il primo ad aver messo correttamente a punto il rotore "completamente articolato" e a pale multiple. Questo tipo di rotore, nella versione con tre pale, fu impiegato nel decennio successivo da Igor Sikorsky sui suoi prototipi di elicottero ed è tuttora vastamente utilizzato.Autogiro's Legacy: Let's Invent the Helicopter .
Negli stessi anni degli sviluppi di de la Cierva, Arthur M. Young aumentò la stabilità del concorrente rotore a due pale, mediante l'introduzione della barra stabilizzatrice. Il rotore a due pale, venne adottato dopo la seconda guerra mondiale da molte aziende che si affacciarono alla competizione per il mercato degli elicotteri, tra cui la Bell Helicopters, ed è tuttora utilizzato sia su modelli operativi che nelle riproduzioni costruite dagli appassionati di modellismo.
Ridimensionata la produzione degli autogiri in corrispondenza del maggiore sviluppo degli elicotteri avviato negli anni cinquanta, i rotori introdussero nuovi accorgimenti, principalmente nell'ottica di migliorare le prestazioni degli aeromobili dove venivano impiegati. Già Igor Sikorsky individuò nelle vibrazioni la sfida da affrontare e pensò di risolverla mantenendo accuratamente uguali i pesi delle pale su uno stesso elicottero. Le pale dei primi modelli Sikorsky venivano prodotte specificamente per il modello dove dovevano venire installate e il cambio di una pala in esercizio comportava la necessità di cambiare tutte le altre.SIKORSKY R-4, R-6, R-5/S-51, S-52. Un'importante evoluzione in tal senso fu introdotta dalla Piasecki Helicopter negli stessi anni. Frank Piasecki, il secondo americano a far volare un elicottero, sperimentò che più importante del peso era l'equilibratura dinamica delle pale montate sullo stesso aeromobile e più precisamente era necessario mantenere allineati tra loro i baricentri delle differenti pale per diminuire le vibrazioni. Il Piasecki PV-2 che volò la prima volta nel 1943, fu il primo elicottero a utilizzare un rotore con pale innovative dotate di pesi di regolazione da utilizzare per il bilanciamento dinamico. Un ulteriore importante accorgimento, divenuto più praticabile grazie alla semplificazione nelle regolazioni, fu quello di calibrare le pale affinché il baricentro risultasse più esterno rispetto al centro di pressione dove si applica la portanza. In questo modo le perturbazioni durante la rotazione vengono smorzate a tutto vantaggio della diminuzione delle vibrazioni.Piasecki PV-2.
Avviata negli anni sessanta la produzione di serie di elicotteri negli Stati Uniti, in Europa e nell'allora Unione Sovietica, i rotori vennero interessati da miglioramenti tecnologici nei materiali delle pale, del mozzo e dei componenti, più che dalla introduzione di architetture radicalmente nuove. L'aumento di prestazioni, unito con la richiesta della diminuzione delle vibrazioni trasmesse alla struttura degli elicotteri, si è nel tempo ottenuto con la realizzazione di rotori di dimensioni sempre crescenti e con l'aumento del numero di pale, dotate di profili aerodinamici sempre più ottimizzati, messi a punto con i moderni sistemi di simulazione e calcolo. Un esempio di questa evoluzione viene dal rotore del russo Mil Mi-26 del 1977, che con 32 metri di diametro è il più grande rotore del mondo avviato in produzione di serie e il primo e unico a 8 pale.ОАО Московский вертолетный завод им. М. Л. Миля .
Un altro stimolo all'evoluzione dei rotori giunse negli anni ottanta dalle applicazioni militari per gli elicotteri d'attacco. Pur non discostandosi dalla architettura degli elicotteri convenzionali, particolari accorgimenti di protezione e irrobustimento sono stati presi per elicotteri come lo Hughes AH-64 Apache e gli equivalenti degli altri costruttori. Questo tipo di elicotteri ha rotori progettati specificamente per resistere al fuoco di armi con proiettili fino al calibro 12,7 mm e in alcune parti anche più potenti.BOEING AH-64 APACHE.
Un altro requisito militare che ha comportato l'introduzione di dispositivi particolari nei rotori è stato quello del ripiegamento delle pale per l'immagazzinamento (in inglese "folding"). Molti modelli di elicottero per uso terrestre e quasi tutti quelli da impiego navale, hanno rotori dotati di accorgimenti o dispositivi elettrici o idraulici per ripiegare rapidamente le pale per occupare meno spazio. Il ripiegamento può avvenire in modo manuale con l'assistenza del personale di terra o in modo completamente comandato a distanza dall'equipaggio.
Problematiche tecniche
La coppia di reazione Alcuni modelli di elicotteri o elicoplani per generare la portanza e la spinta necessaria, utilizzano un solo rotore principale messo in rotazione dal gruppo motori. A causa della legge di conservazione del momento angolare, questa configurazione crea una coppia che porterebbe a un rotazione nel senso contrario della fusoliera per reazione. Per contrastare questa coppia, vengono adottati, nella maggior parte dei casi ed in aggiunta al rotore principale, rotori di dimensioni minori posti in coda lungo direzioni perpendicolari. In queste configurazioni si preferisce distinguere tra rotore principale e rotori di coda. In alternativa, si possono progettare aeromobili con coppie di rotori principali che ruotano in senso opposto. Con questo accorgimento, la coppia generata da un rotore viene compensata dall'altro, cancellando la tendenza a rotazioni indesiderate. Una più recente soluzione, adottata da molti costruttori, è il sistema notar che al piccolo rotore di coda sostituisce una emissione di gas in grado di controllare la direzione del velivolo con alcune caratteristiche che determinano la scelta o meno di questa tecnologia.
Il flappeggio
Il pioniere dell'aviazione Juan de la Cierva, inventore dell'autogiro, durante gli anni venti, costruì dei prototipi in scala ridotta per provare la sua invenzione. Dopo aver ottenuto risultati promettenti, costruì un prototipo di dimensioni reali. Poco prima del primo decollo, il suo primo autogiro ebbe un rollio imprevisto e si distrusse. Credendo che l'incidente fosse dovuto a un'improvvisa raffica di vento, de la Cierva lo ricostruì ottenendo di incorrere in un incidente quasi identico. Questi episodi portarono il progettista ad analizzare nuovamente le esperienze precedenti e a chiedersi il perché i piccoli modelli volavano senza problemi, mentre quelli grandi no.
De la Cierva comprese che la pala che avanzava su un lato, creava una portanza maggiore di quella della pala dall'altro lato, che si muoveva in direzione opposta a quella di avanzamento dell'aeromobile, e ciò generava un momento meccanico lungo l'asse di rollio. I modelli in scala erano stati costruiti con un materiale flessibile, il rattan, una palma dalla quale si ricavano fibre. Le pale del modello in scala ridotta eliminavano le cause che generavano il rollio indesiderato, poiché grazie alle loro caratteristiche naturali di flessibilità, potevano andare su e giù come ali di uccello liberamente (in inglese flapping) e compensavano la dissimmetria di portanza. De la Cierva concluse che i mozzi che aveva utilizzato per i prototipi in scala reale, realizzati in acciaio, erano troppo rigidi e introdusse delle cerniere di "flappeggio" (in inglese "flapping hinges").
Il brandeggio
Le cerniere di flappeggio risolsero il problema del rollio indesiderato, ma creavano una sollecitazione laterale sul mozzo, in quanto il baricentro del sistema delle pale si muoveva in conseguenza delle oscillazioni. A causa della legge di conservazione del momento angolare, le pale acceleravano e deceleravano a seconda che il loro centro di gravità si muovesse verso l'interno o verso l'esterno, come accade a un pattinatore sul ghiaccio quando allarga o stringe le braccia. Il movimento con terminologia inglese viene chiamato alternativamente "lead lag", "lag", "dragging" o "hunting", in italiano brandeggio.Il rotore concetti e definizioni base . De la Cierva utilizzò dei dischi di frizione per ridurre le sollecitazioni meccaniche alla testa dei rotori, mentre attualmente si utilizzano prevalentemente delle cerniere verticali (drag hinge) con degli ammortizzatori (lag dampers) per smorzare le oscillazioni.flapping hinges.
Tipologie di rotori In generale, un rotore può essere differentemente classificato in funzione della soluzione adottata per consentire il flappeggio delle pale. I rotori si distinguono in: completamente articolato semi-rigido rigido.
Rotori completamente articolati
Un rotore completamente articolato è realizzato con tre o più pale. Ogni pala è libera di ruotare e oscillare verso l'alto o il basso indipendentemente dalle altre. In parte, ogni pala può anche avanzare o retrocedere rispetto alle altre.
Ogni pala è collegata al mozzo del rotore tramite una cerniera, detta "cerniera di flappeggio", che permette oscillazioni libere e indipendenti verso l'alto o il basso. La cerniera può essere posta a differenti distanze dal centro del rotore e ve ne possono essere più d'una. La posizione viene scelta da ogni costruttore in base a fattori di miglioramento della stabilità e del controllo.