Tecnica: ...freccia positiva o freccia negativa???

[Pennanera]

Le sfide di natura aeronautica sono spesso complesse, ma altrettanto spesso lo sviluppo tecnologico consente di superarle e raggiungere nuovi traguardi, anche se, talvolta, i successi comportano miglioramenti così “limitati” nelle prestazioni da non renderne “praticabili” su larga scala le applicazioni; probabilmente questa è una delle motivazioni che hanno “impedito” – diciamo così – lo sviluppo su larga scala dell’ala a freccia negativa (senza dimenticare che, oggi, l’adozione della spinta vettorabile, dei nuovi materiali e dei nuovi dispositivi di comando e controllo rende possibili soluzioni e caratteristiche di manovrabilità tali da rappresentare nuovi scenari e nuove applicazioni dello sviluppo tecnologico).

I primi studi sull’ala a freccia negativa furono sviluppati, intorno alla metà degli anni ’30, da scienziati tedeschi; durante la II guerra mondiale, il Me 163B fu realizzato dalla Messerschmitt anche per esplorare il nuovo disegno aerodinamico, e la Junkers arrivò a produrre il bombardiere leggero Ju-287, con propulsione a getto, con ala a freccia negativa. In verità, tale applicazione fu adottata non tanto per sfruttare gli eventuali vantaggi di natura aerodinamica della nuova soluzione, ma piuttosto per evitare all’ala (montata in posizione molto arretrata) di interferire con la struttura del vano bombe, nello sfruttare al massimo lo spazio utile. Anche in America, nel 1944, fu costruito uno degli aeromobili più strani che abbiano mai volato, il Cornelius XFG-1 (vedi foto sotto), sostanzialmente un aliante per trasporto carburante con ala a freccia inversa.
Dopo la guerra, la NACA sviluppò un modello di Bell X-1 con freccia negativa per le prove in galleria del vento, così come i Russi condussero voli sperimentali di modelli di aliante in scala 1:1 per esaminare la soluzione “forward-swept-wing”, abbandonando però l’idea.
Sempre in Germania, nel 1964 fu realizzato l’HFB-320 business jet, con ala a freccia negativa, che rimase l’unica applicazione di questo tipo di design entrata in produzione di serie.

Per anni lo scopo primario per lo sviluppo dell’ala a freccia invertita su di un aeromobile fu sostanzialmente di tipo “strutturale”; si voleva ottenere, cioè, la collocazione dell’ala piuttosto indietro rispetto alla fusoliera per interferire il meno possibile con il “carico pagante”; ci si rese conto però, nel tempo, anche mediante le prove in galleria del vento, che la freccia inversa generava – per così dire - molti problemi e relativamente pochi vantaggi di natura aerodinamica; uno dei problemi principali era che le estremità alari tendevano a “piegarsi” verso l’alto, causando inevitabilmente “lo stallo” dell’aeromobile; intorno alla metà degli anni ’70, divenne chiaro che i nuovi materiali compositi, che allora cominciavano a rendersi disponibili per l’aviazione, potevano essere utilizzati per le ali dei moderni jet ed eliminare la tendenza delle tip alari a curvarsi e causare, quindi, lo stallo del velivolo; in contemporanea, diverse società americane esploravano e studiavano i sistemi per far sì che gli aeromobili fossero altamente manovrabili ad alti regimi transonici.

Nel 1984 fece il primo volo il Grumman X-29, costruito in risposta ad una specifica DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency) per lo studio delle ali a freccia invertita e delle superfici di controllo delle alette canard. Fu realizzato utilizzando la fusoliera di un Northrop F-5, il carrello principale (e altri dispositivi) di un F-16 e il propulsore di un F/A-18; la sua ala a freccia negativa fu interamente costruita con materiali compositi avanzati e, dotato di alette canard montate anteriormente alla fusoliera, dimostrò grandi prestazioni di controllo e manovrabilità anche ad un angolo d'attacco superiore ai 45 gradi. In ogni caso, la conformazione delle ali rendeva l'aereo piuttosto instabile (da qui la sua grande manovrabilità), potendo quindi volare solo con correzioni costanti (circa 40 correzioni al secondo) del sistema di controllo di volo computerizzato. Il sistema (FBW, fly-by-wire) era costituito da tre computer digitali, sostituiti da tre computer analogici in caso di guasto. In numerosi voli di prova, negli anni successivi, si dimostrò come il disegno particolare dell’ala produceva un miglioramento di circa il 15% del rapporto portanza/resistenza in regime transonico; il Dipartimento della Difesa (DoD), però, non fu così interessato da approvare ulteriori sperimentazioni, e i due X-29 realizzati vennero presto ritirati e posti nei musei. Dopo un periodo di “stasi”, l’attenzione sull’ala a freccia negativa si riaccese con la soprendente apparizione, nel 1997, del Sukhoi S-37 Berkut russo; nonostante le premesse però, e dopo numerosi e laboriosi test di volo, l’aereo non sembrò pronto per la produzione in serie e rimase – diciamo così – come una sorta di dimostratore tecnologico volante, forse suscettibile di nuovi sviluppi.

Entriamo adesso un po’ nel dettaglio, per quanto possibile, cercando – pur nella forzata sommarietà della descrizione – di dare semplicemente qualche nozione “tecnica” in più. La difficoltà strutturale dell’ala a freccia, in generale, risiede soprattutto nella interferenza completa tra flessione e torsione, nonché nella interferenza tra deformazioni longitudinali e trasversali; caratteristica generale è la concentrazione degli sforzi nelle zone posteriori del cassone alare: in particolare, lo sforzo di taglio è molto amplificato per effetto della freccia; l’accoppiamento tra gli sforzi, inoltre, ha grande importanza nei problemi dinamici ed aeroelastici (un fenomeno tipico è il c.d. “FLUTTER”: l’ala, sostanzialmente, “estrae” energia cinetica dall’aria, ergo: si accoppiano incidenza geometrica e incidenza dinamica, causando – in via molto esemplificativa - una serie di “oscillazioni” sempre più ampie che portano verso il collasso della struttura).
Dal punto di vista della condizione di “stallo”, l’ala a freccia in avanti ha un comportamento decisamente migliore, in quanto la separazione del flusso ad alti angoli d'attacco inizia alla radice dell'ala, permettendo di mantenere più a lungo l'efficacia degli alettoni e quindi di sfruttare a pieno la portanza del profilo, al contrario dell'ala a freccia positiva, dove l'angolo d'attacco è limitato dallo “stallo di estremità” e dalla conseguente perdita di efficacia degli alettoni; dal punto di vista aeroelastico, invece, l’ala a freccia in avanti ha il comportamento peggiore, per i motivi sopra citati.
Evidenziamo, in generale, che “la struttura” è un elemento “stabilizzante”, “l’aerodinamica” un elemento “instabilizzante”; l’ala a freccia negativa, per le sue caratteristiche costruttive e aerodinamiche, presenta entrambi gli effetti instabilizzanti.
Con il ricorso ai materiali compositi (materiali composti da due fasi chimicamente distinte – matrice e fibra - , con proprietà non riscontrabili nei singoli costituenti) si possono fare entrare in gioco alcune caratteristiche peculiari di anisotropia (l'anisotropia è la proprietà per la quale un determinato oggetto ha caratteristiche che dipendono dalla direzione lungo la quale esse sono considerate), compensando – diciamo così – “l’effetto torsionale” indotto dal campo aerodinamico con i momenti flettenti; “si ottiene”, per così dire – per freccia negativa non troppo elevata – quello che si dice “un momento torcente stabilizzante”; l’uso dei compositi, inoltre, permette di aumentare la rigidità del profilo e mantenere il peso entro limiti accettabili rispetto alle leghe aeronautiche classiche.
L’ala a freccia positiva presenta invece un comportamento intrinsecamente stabile alla divergenza; applicando, ad es., una forza in un punto dell’asse elastico (asse ideale che unisce i centri elastici di ogni sezione dell’ala), l’ala ha la tendenza a ruotare in senso tale da produrre una variazione negativa di incidenza, e quindi di portanza, e quindi di spostamento verticale, al contrario di quanto accade per l’ala a freccia negativa.
Mi rendo conto di non essere stato del tutto esaustivo, ma spero comunque – pur nella semplificazione estrema di concetti in verità molto “tecnici” e non così “immediati” - di aver contribuito ad aumentare la curiosità su questo argomento! Ulteriori spunti, ovviamente, sono sempre ben accetti.

[pitchup]

Ciao Emilio
Ottima ed esauriente spiegazione, comunque tra le due soluzioni quella che preferisco è....l'ala dello Spitfire!!!
saluti
Massimo da Livorno

[Starfighter84]

Grazie Emilio! ovviamente... essendo il 29 un X... papà ce l'ha in vetrina! lo faceva l'hasegawa se non erro...

[aspide85]

Grazie Emilio! ovviamente... essendo il 29 un X... papà ce l'ha in vetrina! lo faceva l'hasegawa se non erro...

confermo lo fa l'hasegawa!l'ho avuto da bambino quel kit