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ⓘ Ala chiusa




Ala chiusa
                                     

ⓘ Ala chiusa

Un ala chiusa è unala avente due piani principali che si uniscono alle loro estremità, così che essa risulta in effetti priva di estremità alari convenzionali. Configurazioni alari chiuse includono i progetti di velivoli ad ala anulare o "ad anello", comunemente conosciuta anche come "cilindrica", ad ala congiunta, ad ala a riquadro e con le estremità alari spiroidali.

Così come le alette destremità, unala chiusa ha lo scopo di ridurre i vortici destremità dala e i pericoli ad essi associati. Così come altre configurazioni alari, inoltre, molte di quelle ad ala chiusa garantiscono vantaggi strutturali rispetto a un convenzionale monoplano ad ala a sbalzo.

                                     

1. Caratteristiche

I vortici destremità dala sono uno dei maggiori fattori della turbolenza di scia e sono associati con la resistenza indotta, componente molto significativa della resistenza fluidodinamica totale nella maggior parte dei regimi. Una configurazione ad ala chiusa evita il bisogno di alette destremità e si ritiene quindi che possa diminuire gli effetti di resistenza fluidodinamica dovuta a tali alette.

Oltre ai potenziali vantaggi strutturali rispetto a un profilo ad ali a sbalzo, le superfici ad ali chiuse hanno alcune proprietà aerodinamiche uniche:

  • Per ogni sistema portante o porzione di un sistema portante che, visto dalla direzione del flusso incidente, forma un anello chiuso, la distribuzione di portanza o di circolazione ottima che porta alla minima resistenza indotta per una data portanza verticale totale non è unica bensì, essendo essa definita a meno di una costante additiva, ne esistono infinite. Ciò è dovuto al fatto che, non presentando gradienti, un vortice costante può essere aggiunto alla circolazione ottima senza cambiare la portanza totale del sistema o la resistenza indotta.
  • Per un sistema portante che, visto dalla direzione del flusso incidente, appare racchiuso allinterno di un riquadro di altezza e larghezza fissate, la configurazione che fornisce la resistenza indotta minima per una data portanza verticale totale è quella di un sistema ad ala chiusa, vale a dire unala a riquadro rettangolare con superfici portanti che occupano interamente tutti e quattro i bordi della superficie rettangolare disponibile.

Và comunque detto che i risultati di resistenza indotta ottenibili da unideale ala completamente chiusa a riquadro, possono essere avvicinati da particolari configurazioni ad ala aperta come lala a C e la chiave per spiegare il motivo di questo fatto è proprio il fatto che la distribuzione di portata ottimale non è unica. Il risultato è che anche se i sistemi chiusi possono produrre grandi riduzioni di resistenza indotta rispetto a unala planare convenzionale, non vi è alcun vantaggio aerodinamico significativo che derivi unicamente dal loro essere chiusi piuttosto che aperti.

                                     

2.1. Storia Gli anni dei pionieri

Un primo esempio di ala chiusa fu quello adottato nel velivolo chiamato Blériot III e costruito nel 1906 da Louis Blériot e Gabriel Voisin. Qui erano presenti due superfici portanti a forma di anello chiuso disposte in tandem mentre nel successivo Blériot IV, lala anulare frontale fu sostituita da unala doppia e furono aggiunte delle alette canard facendo di esso un velivolo a tre superfici.

Basandosi sugli esperimenti di G. J. A. Kitchen, Cedric Lee e George Tilghman Richards costruirono e fecero volare alcuni velivoli ad ala anulare in cui i segmenti di prua e poppa erano allo stesso livello. Il primo di essi fu un biplano, a cui seguì una serie di monoplani, lultimo modello dei quali rimase in uso fino al 1914.

                                     

2.2. Storia Seconda guerra mondiale

Nel 1944, il progettista tedesco Ernst Heinkel iniziò a lavorare su velivolo a decollo verticale multiruolo, monoposto e ad ala anulare chiamato Lerche, ma il progetto fu abbandonato nel marzo 1945.

                                     

2.3. Storia Dopoguerra

Durante gli anni cinquanta, la compagnia francese SNECMA sviluppò il Coléoptère, un aeromobile posacoda a decollo verticale e ad ala anulare. Il velivolo si rivelò però pericolosamente instabile nonostante lo sviluppo e la sperimentazione di diversi prototipi e il progetto fu quindi abbandonato. Altre successive proposte di progetti ad ala chiusa includono il Model 49 Advanced Aerial Fire Support System della Convair Model 49 e il prototipo della Lockheed chiamato "Flying Bog Seat" e sviluppato negli anni 1980, anni in cui la configurazione ad ala chiusa vide tra i suoi maggiori sostenitori anche il famoso ingegnere aeronautico Julian Wolkovitch che ne portò avanti lo sviluppo.

Le alette destremità spiroidali, un progetto attualmente sotto sviluppo da parte della Aviation Partners, sono una superficie ad ala chiusa montata allestremità di una convenzionale ala a sbalzo. In una nota, la compagnia ha annunciato che alette di questo tipo montate su un Gulfstream II hanno portato a una riduzione del 10% del carburante utilizzato durante la fase di crociera.

Negli anni duemila diverse compagnie si sono nuovamente rivolte a questo tipo di configurazione oltre alla già citata Aviation Partners. L11 giugno 2012, ad esempio, la finlandese FlyNano ha fatto volare un prototipo di velivolo ultraleggero ad ala chiusa chiamato FlyNano Nano.

Progetti per aeromobili ad ala chiusa più grandi si sono susseguiti negli anni, anche grazie a iniziative come lEnvironmentally Responsible Aviation Project lanciata dalla NASA nel 2011, la quale invitava a proporre studi atti a ridurre le emissioni degli aeromobili futuri del 50% rispetto a quelli del 1998. In occasione di tale iniziativa, ad esempio, a proporre il progetto di un velivolo ad ala chiusa fu la Lockheed Martin.



                                     

2.4. Storia Lala chiusa di Prandtl

Nel 1924, il fisico e ingegnere tedesco Ludwig Prandtl affermò che, sotto determinate condizioni, a parità di apertura alare e portanza, unala a riquadro avrebbe potuto garantire una minor resistenza indotta. Nel suo progetto, due coppie di ali orizzontali sono unite, alle estremità, da due ali verticali in modo da fornire una distribuzione lineare delle forze laterali. Secondo Prandtl, una tale configurazione avrebbe dovuto aumentare lefficienza di una vasta gamma di aeromobili.

Sulla base di questi studi, negli anni ottanta, laustraliano Charles Ligeti progettò e realizzò il prototipo del Ligeti Stratos, mentre negli anni novanta vide la luce il termine "prandtlplano" in inglese: "prandtlplane"ad opera degli italiani Aldo Frediani e Alberto Longhi, dellUniversità di Pisa.

Nel 2011 la regione toscana e alcuni investitori privati hanno co-sovvenzionato il progetto di ricerca IDINTOS IDrovolante INnovativo TOScano volto alla progettazione e alla realizzazione di un idrovolante ultraleggero basato su configurazione prandtlplano. Dal progetto, posto sotto il controllo della sezione aeronautica del dipartimento di ingegneria civile e industriale dellUniversità di Pisa, è scaturita nel 2013 la costruzione del prototipo di un innovativo idrovolante biposto.

Nellambito del più recente Progetto PARSIFAL, nato in seno al programma di ricerca Horizon 2020, finanziato dalla Commissione Europea e avente lo scopo di uno sviluppo del prandtlplano, sempre il sopraccitato gruppo di ricercatori delluniversità pisana ha affermato in uno studio che la configurazione sarebbe valida ed efficiente anche per aeromobili di linea di più grandi dimensioni. Il più capiente di questo, lAirbus A380, deve oggi sottostare a dei compromessi di efficienza per poter mantenere la sua apertura alare al di sotto di 80 metri e poter così atterrare solo in alcuni dei grandi aeroporti internazionali, ma unala chiusa con unapertura alare ottimale potrebbe essere più corta di unala convenzionale, permettendo potenzialmente anche allaeromobile più capiente di utilizzare la maggior parte delle infrastrutture esistenti.

                                     

3. Ala a C

Quella dellala a C è una configurazione alare teorica in cui la maggior parte della sezione centrale superiore di unala a riquadro è stata rimossa, creando unala che, se vista di fronte, assume laspetto di una C, e in cui quindi le estremità non si toccano. Secondo recenti studi, unala a C può avvicinare molto la riduzione della resistenza indotta raggiunta da unala chiusa.

Ognuna delle prime tre righe dellillustrazione sottostante mostra una diversa configurazione a C in cui le estremità alari sono portare sempre più vicine fino a che la loro distanza, nellultima colonna, arriva ad essere pari a zero il nome della colonna è "Quasi-closed C-wing" perché i calcoli sono stati svolti sul limite della distanza tendente a zero.

Il parametro ε è il rapporto di efficienza aerodinamica ottimale e rappresenta il rapporto tra lefficienza aerodinamica di una data ala non planare e lefficienza di una convenzionale coppia di ali a sbalzo con la stessa apertura e unequivalente portanza totale. Entrambe le effiecienze sono valutate in base alla loro rispettiva distribuzione di portanza ottimale. Valori di ε maggiori di 1 indicano una resistenza indotta più bassa di quella del suddetto sistema alare convenzionale, avente ε = 1.

Dalla figura è evidente che tutte le configurazioni a C hanno un ε maggiore di 1 e che cè solo una piccola differenza fra una configurazione avente una distanza tra le estremità alari anche significativa e la corrispondente configurazione chiusa. Ciò è dovuto al fatto che il carico di portanza calcolato nei casi di ala quasi chiusa è di piccola entità nella sezione centrale superiore, sezione che può quindi essere rimossa provocando un piccolo effetto su portanza o resistenza.

Le distribuzioni di portanza qui mostrate per le configurazioni quasi chiuse differiscono da quelle solitamente mostrate in letteratura per ali a riquardo; la soluzione classica in letteratura era infatti ottenuta a partire da unanalisi formulata in modo tale da portare a considerare uguali i carichi di portanza sulla parte inferiore e superiore del riquadro ma, come precedentemente detto, la distribuzione di portanza ottima non è unica. A un carico come quello definito da Durand può infatti essere aggiunto un carico costante verso linterno corrispondete a un particolare vortice costante al fine di ottenere un carico come delle configurazioni quasi chiuse sopra mostrate. I due metodi di analisi danno due versioni del carico ottimale che, pur apparendo diverse, fondamentalmente non lo sono. Eccezion fatta per alcune piccole differenze dovute al metodo numero usato nei casi delle configurazioni quasi chiuse, infatti, i due tipi di carichi sono, in linea di principio, solo la versione traslata luno dellaltro.