Tecnica: Pitch up & deep stall...l'arcano!!

[Pennanera]

E’ un giorno di dicembre del 1963, mentre il secondo NF-104A (Un F-104 A modificato e in servizio presso l’Aerospace Research Pilot School at Edwards AFB), con ai comandi l’allora colonnello Chuck Yeager, si disintegra nel deserto dopo essere “sprofondato” in vite piatta… il Comandante Yeager riesce ad eiettarsi, anche se viene ferito seriamente, quasi all’ultimo momento… Se l’esperimento portato avanti (nell'ambito di una serie più ampia di studi su alcune caratteristiche di volo ad altissima quota e a gravità ridotta) era relativo allo spegnimento dell’A/B ad alta quota (e, di seguito, del motore), per la verifica delle condizioni e dei parametri di riaccensione, l’assetto dell’aereo (ben oltre i 30° di AOA) era tale da far perdere ogni capacità di manovra alle superfici di controllo del piano di coda a T, con le conseguenze drammatiche sopra sommariamente descritte.

Andiamo per ordine e, per quanto possibile con parole semplici, spieghiamo “l’arcano”:
si parla spesso di “Pitch-up” e “Superstallo (Deep Stall)”; spesso questi due concetti vengono utilizzati come sinonimi, talvolta confondendo "causa" ed “effetto”. Diciamo che, sostanzialmente, in talune configurazioni aerodinamiche l'insorgenza del fenomeno denominato "pitch up" comporta la condizione di volo chiamata "superstallo", condizione molto pericolosa che spesso origina la perdita dell'aeromobile per la completa impossibilità di effettuare qualsivoglia manovra "di uscita".

Semplificando molto, Il pitch-up è "figlio" dell'ala a freccia, nel senso che il profilo "a freccia" (ovviamente stiamo parlando di una freccia positiva) o, nel caso dell' F-104, il profilo trapezoidale dell'ala (con bordo d'attacco "a freccia"), come ben noto, è adatto al raggiungimento di velocità più elevate (ritarda l'insorgenza dei fenomeni di compressibilità che si hanno al crescere del numero di Mach), ma ha la tendenza a "stallare" (perdere portanza) a partire dalle zone di estremità rispetto alla radice alare, per effetto della componente di velocità relativa che "cresce" dalla radice andando verso l'estremità. Aerodinamicamente ciò comporta la "migrazione", ovvero lo "spostamento" del centro di pressione dell'ala (punto ove è applicata la risultante delle forze aerodinamiche elementari agenti) verso il centro di gravità (baricentro, è anche il punto ove passano gli assi principali del velivolo); questa condizione genera un "momento cabrante" - l'aeroplano "alza il muso" - , che a sua volta fa aumentare l'AOA (angolo di attacco), che comporta una ulteriore perdita di portanza della superficie alare, per cui lo spostamento del CP continua così come il momento cabrante... Detto questo, è facile capire come, nelle configurazioni "a T", ovvero con piano di coda orizzontale montato al vertice della deriva, lo stesso piano di coda (e quindi le superfici di controllo), nelle condizioni di "pitch-up", si trovi ad essere "immerso" nel flusso turbolento, a bassa energia, originato dalla perdita di portanza dell'ala, rendendo praticamente impossibile la manovra dell'equilibratore finalizzata alla diminuzione dell'angolo di incidenza, e quindi l'uscita da questa condizione di volo molto, molto pericolosa...

Parlando del caro “Spillone”, si può dire che l’impennaggio a T fu una scelta obbligata in fase di progettazione; avendo un’ apertura alare molto ridotta (tra l’altro il profilo "non convenzionale" dell'ala obbligava il velivolo a volare "cabrato" di 5°), i vortici che si sprigionano dalle estremità alari avrebbero seriamente danneggiato l'equilibrio aerodinamico di una piano di coda messo in posizione mediana e fu quindi scelto di allontanare il più possibile, verso l'alto, il piano di coda, in modo da metterlo al riparo dai vortici di estremità che avrebbero potuto finire sullo stabilizzatore semplicemente cabrando. Il “prezzo da pagare” fu la pericolosità della macchina nelle condizioni di volo ad assetti relativamente elevati: il flusso turbolento in uscita dalle ali sarebbe comunque finito sul piano di coda, causando uno stallo repentino e molto brutale. Proprio per evitare questo i piloti di “104” dovevano prestare estrema attenzione nel valutare l'AOA in talune configurazioni di volo; nei comandi furono inseriti due “dispositivi”, lo "shaker" ed il "kicker": il primo faceva vibrare la cloche all'approssimarsi dell'angolo critico, il secondo forzava il velivolo ad "andare giù" di muso per riprendere il volo livellato. D’altronde, come sanno bene coloro i quali hanno “conosciuto” lo spillone, i due parametri fondamentali per la sicurezza venivano ripetuti dall’inizio e fino alla nausea: “quota e velocità!”

[pitchup]

Ciao a tutti
All'ottima e precisa spiegazione aggiungo solamente che lo "shaker" è un dispositivo che fa vibrare la cloche all'approssimarsi delle condizioni che possono generare uno stallo. Insomma è un avvertimento per il pilota che lo spillone comincia a "borbottare". Il "kicker" invece come dice la parola "calcio" è un dispositivo elettromeccanico che interviene, nel caso il pilota non "ascolti" agli avvertimenti dello "shaker" e l'AOA continui ad aumentare, generando una forza che spinge in giù la cloche senza troppi complimenti, in pratica fa abbassere il muso. Ora è chiaro che mentre lo Shaker è sempre attivo in tutte le condizioni di volo, il kicker si disattiva all'abbassare dei carrelli in atterraggio per evitare bisticci durante la fase di richiamata prima del contatto. Purtroppo però in alcune condizioni di volo, lontane dalla pericolosità, come ad esempio una richiamata in esercitazione di bombardamento sul poligono, è successo varie volte che il kicker sia entrato sciaguratamente in funzione portando alla perdita di controllo del velivolo.
saluti
Massimo da Livorno

[zipper]

Anche qui mi permetto un piccolo chiarimento. Non uccidetemi!

Le ali a profilo laminare e a basso allungamento si comportano in maniera completamente diversa dalle ali convenzionali.
Queste ultime, raggiunto un angolo di incidenza (Alfa) di un certo valore, stallano e perdono portanza. Il velivolo dopo essere sceso di quota, riprende a volare normalmente.
Sul 104 è tutto diverso. L' ala continua a generare portanza fino ad Alfa molto superiori ad ali convenzionali. Non tutta l'apertura genera portanza ma le estremità cominceranno a stallare e a generare fortissima turbolenza anche a causa del suo bassissimo allungamento e alle turbolenze di estremità connaturali a semiali così corte. Tutto questo fiume d'aria perturbata investe lo stabilizzatore facendogli perdere la sua efficaci ed efficacia sulla condotta di volo.
In questi termini il pilota, pur spingendo sulla cloche, non ottiene alcun effetto. A questa inarrestabile spinta contribuisce anche la fusoliera che funge da leva e genere anch'essa portanza man mano che l'angolo Alfa aumenta. Il risultato finale è un Alfa di più di 90° dove il pilota è un impotente vittima. Il velivolo solo a questo punto comincerà a cadere in modo totalmente casuale verso la terra ruotando anche sull'asse X a causa dell'effetto giroscopico delle parti rotanti del motore. La procedura di recovery dal pitch up prevede: timone e alettoni in posizione neutral; stab. tutto a picchiare unitamente al trim relativo.
Uno stallo di questo tipo fa perdere all'aereo fino a15000 piedi (4.500 metri) prima di essere recuperato! Ciò spiega il motivo per il quale un evento di questo genera a bassa quota non da scampo al pilota che non si lanci immediatamente.
Va anche detto che per quanto si sia studiato il fenomeno non un solo pitch up è uguale ad un altro e non c'e alcun modo di capire in anticipo il comportamento del 104 in quelle condizioni.

Tutta questo processo e molto veloce repentino e si innesca nelle manovre come, ad esempio, nella simulazione di combattimento dove il pilota si fa prendere dalla foga e magari agisce sui comandi con una irruenza eccessiva.

Proprio per evitare il fenomeno si è introdotto il meccanismo shaker e pusher ricordato sopra. Il suo intervento è fissato secondo i parametri che trovate nello specchietto qui sotto.

Ciao.

Ric.

[pitchup]

Ciao Zipper
Ucciderti???? Magari solo dopo che mi hai "imparato" tutto ciò che sai sul '104 ok?
Grazie per le puntuali precisazioni
saluti
Massimo da Livorno

[Starfighter84]

Abbiamo trovato in Zipper una montagna di informazioni! bè, che dire... fa sempre bene a tutti noi centoquattristi avere un forumista preparato... ma toglimi una curiosità, che lavoro fai?? è per passione che sai tutte queste cose??

P.S.: io sapevo che si chiamava "kicker" e non "pusher"... sbaglio io??

[zipper]

Ciao,
sui manuali ufficiali è definito a volte come "pusher", altre come "kicker" quindi entrambi utilizzabili.

Una curiosità poco nota è che tra Mach 1.2 e 1.25 non si possono avere pitch up. Ciò perchè a queste velocità dare un comando a cabrare allo stab non genererà un Alfa di 15° a causa del flusso supersonico che su questo non esercita la stessa forza cabrante come in subsonico visto il diverso comportamento dell'aria nei due regimi.
Spero sia sufficentemente chiaro.

Quanto a me sono solo un appassionato che, però, raccoglie materiale di qualunque genere (dalle patch, ai manuali, alle foto, ai documenti...) da almeno 30 anni oltre a conoscere ed aver intervistato molti piloti.
Se avete altre domande sono qui!

Ric.

[st0rm]

Bellissima e interessante questa sezione!

Solo una cosa non mi è chiara ovvero il meccanismo attraverso il quale l'estremità delle ali perde portanza rispetto alla radice.
A cosa è dovuta tale perdita di portanza?
C'entrano le velocità relative che causano tale perdita ma quali velocità?
E perchè queste si riducono in prossimità delle estremità?
Mi interessa parecchio anche perchè attualmente sto studiando proprio questi argomenti...

Il resto delle spiegazioni sono molto chiare grazie mille!

[FABRIFLIGHT]

Ciao a tutti
All'ottima e precisa spiegazione aggiungo solamente che lo "shaker" è un dispositivo che fa vibrare la cloche all'approssimarsi delle condizioni che possono generare uno stallo. Insomma è un avvertimento per il pilota che lo spillone comincia a "borbottare". Il "kicker" invece come dice la parola "calcio" è un dispositivo elettromeccanico che interviene, nel caso il pilota non "ascolti" agli avvertimenti dello "shaker" e l'AOA continui ad aumentare, generando una forza che spinge in giù la cloche senza troppi complimenti, in pratica fa abbassere il muso. Ora è chiaro che mentre lo Shaker è sempre attivo in tutte le condizioni di volo, il kicker si disattiva all'abbassare dei carrelli in atterraggio per evitare bisticci durante la fase di richiamata prima del contatto. Purtroppo però in alcune condizioni di volo, lontane dalla pericolosità, come ad esempio una richiamata in esercitazione di bombardamento sul poligono, è successo varie volte che il kicker sia entrato sciaguratamente in funzione portando alla perdita di controllo del velivolo.
saluti
Massimo da Livorno

salve a tutti questi dispositivi esistono anche sugli aerei di linea (autobus) che normalmente piloto, per quanto riguarda il fenomeno del deep stall sui moderni aerei di linea e' praticamente inesistente in quanto fly by wire e computer la fanno da padroni nella gestione dell'inviluppo di volo. gli unici aereo tra quelli che ho pilotato che potevano incorrere in questo fenomeno erano i learjet modd 24/31/45 ma e' stato risolto aggiungendo dei "vortex" su una delle semiali i quali rendendo vorticoso lo strato limite su quest'ultima fanno si che in caso di stallo i filetti si stacchino in ritardo rispetto alla semiala che ne e' sprovvista, creando una specie di scivolata d'ala che evita uno stallo piatto dal quale sarebbe pressoche' impossibile uscire perche' il piano orizzontale di coda sarebbe messo in ombra dalle ali

[Icari Progene]

su questo argomento si potrebbe discutere fino alla nausea.
infatti il problema dello stallo di velocità non è solo degli aerei ad alte e altissime prestazioni.
pensate infatti che un semplicie aereo ad elica potrebbe lo stesso subire questi problemi, inquanto l'elica fondamentalmente è un ala.
L'estremità della pala spesso ad alti giri rischia di entrare in supersonico e mandare in vibrazione il resto.
personalmente mi è capitato una volta alla fine di un looping con un SF260 diciamo che ho un po esagerato con la manetta e ho sentito una gran vibrazione. l'istruttore (un mio amico) poi mi ha spiegato il motivo.
se avete notato le eliche moderne (vedi C-27J o C-130J ma anche ATR-72 o E-2C 2000) sono a forma di sciabola. questo consente alle pale di entrare in supersonico senza subire perdite di portanza.

[st0rm]

Bellissima e interessante questa sezione!

Solo una cosa non mi è chiara ovvero il meccanismo attraverso il quale l'estremità delle ali perde portanza rispetto alla radice.
A cosa è dovuta tale perdita di portanza?
C'entrano le velocità relative che causano tale perdita ma quali velocità?
E perchè queste si riducono in prossimità delle estremità?
Mi interessa parecchio anche perchè attualmente sto studiando proprio questi argomenti...

Il resto delle spiegazioni sono molto chiare grazie mille!

Visto che ci sono anche piloti (il mestiere più bello del mondo), mi permetto di uppare le mie domande...