Ci proponiamo con questo capitolo di iniziare lo studio delle evoluzioni che un velivolo può compiere, cioè delle manovre che comportano una traiettoria non rettilinea del suo baricentro. Le evoluzioni possono essere suddivise, in relazioni ai velivoli destinati ad eseguirle, in normali ed acrobatiche. E’ intuitivo che le differenze risiedono nelle diverse sollecitazioni delle strutture e che, quindi, le seconde sono di esclusiva competenza di velivoli ad esse destinati. Tra le evoluzioni normali vengono annoverate: richiamata, virata e spirale; tra quelle acrobatiche: scivolata d’ali, vite, richiamata brusca, picchiata in candela, tonneau (orizzontale e verticale), loop (diritto e rovescio), virata imperiale, e volo rovescio. Per evidenti motivi di complessità di studio, in queste brevi note daremo delle evoluzioni acrobatiche solo le definizioni, mentre ci occuperemo più diffusamente delle evoluzioni normali.

Il velivolo, inclinato trasversalmente, avanza di moto traslatorio nella direzione dell’apertura, dal lato dell’ala bassa.

     Vite:       

Traiettoria elicoidale ad asse verticale di piccolo raggio e passo elevato, eseguita ad incidenze superiori allo stallo. Si tratta di una manovra ad alto rischio in quanto può, in alcuni casi, esserne compromessa l’uscita con conseguenze nefaste per il velivolo e gli occupanti.

     Richiamata brusca:

Manovra con la quale il velivolo al termine di un’affondata viene costretto ad una ripresa rapida. Viene eseguita agendo velocemente sulla barra e la manetta che regola la potenza dei motori.

     Picchiata in candela:

Manovra che permette al velivolo di scendere su una traiettoria rettilinea verticale. Tale traiettoria deve coincidere con la direzione di portanza nulla del velivolo e, quindi, l’incidenza assoluta deve essere nulla.

     Vite orizzontale (Tonneaux):    

Manovra che permette al pilota, mediante rapida azione sugli alettoni, di conferire al velivolo, già dotato di moto traslatorio, una contemporanea e continua rotazione intorno all’asse di rollio. La direzione dell’asse di traslazione può essere sia orizzontale che verticale così come la rotazione destra o sinistra.

     Looping (Gran volta):         

Con questa manovra il pilota, agendo costantemente su barra e manetta, porta il velivolo a descrivere una traiettoria quasi circolare contenuta nel piano verticale. A seconda che il dorso sia rivolto verso l’interno o l’esterno della curva il looping si definisce diritto o rovescio.

La manovra consente al velivolo di invertire la rotta compiendo mezzo loop e mezzo tonneau.

Il velivolo viene portato a volare con il dorso rivolto al suolo ad assetti negativi.

Proponiamoci ora di studiare il comportamento del velivolo in condizioni di moto non uniforme lungo una traiettoria curva giacente nel suo piano di simmetria. Esamineremo in particolare il caso della richiamata, cioè della manovra con la quale al termine di un’affondata, il velivolo viene portato su una traiettoria orizzontale o in salita, come mostra la fig. 1.8. E’ il caso di notare che, in generale, si parla di richiamata tutte le volte che la pendenza della traiettoria diminuisce o addirittura si inverte, cioè da negativa diventa positiva.

La manovra viene eseguita agendo sul comando dell’equilibratore (barra o volantino) in modo da produrre sull’impennaggio orizzontale una forza tale da dar luogo ad un momento cabrante, onde permettere al velivolo la necessaria rotazione intorno all’asse di beccheggio. L’aumento d’incidenza conseguente alla rotazione del velivolo produce un aumento di portanza responsabile dell’incurvamento della traiettoria. E’ evidente che in tali condizioni non è più valida l’ipotesi di uniformità del moto, adottata nei capitoli precedenti, a causa della nascita di forze d’inerzia, dovute alla curvatura della traiettoria, che sommandosi al peso devono essere bilanciate dalla portanza. Conseguentemente variano anche le sollecitazioni agenti sulle strutture e la conoscenza del valore del fattore di contingenza che si ammette di poter raggiungere o che effettivamente si raggiunge, è indispensabile per il dimensionamento strutturale del velivolo.

Equazioni del moto

Con riferimento alla fig. 2.8,

può notarsi che quando il velivolo giunge al termine dell’affondata () ed inizia la richiamata di raggio , alla componente del peso si somma la forza centrifuga . In un punto generico della ripresa le equazioni di equilibrio dinamico, secondo la normale e la tangente alla traiettoria ed alla rotazione di beccheggio, sono espresse dalle:

1.8 

Consideriamo, come al solito, che la terza equazione, trascorso il periodo di transizione e raggiunta la stabilizzazione del velivolo, sia costantemente verificata. Notiamo, inoltre, che la trazione espressa dalla seconda delle 1.8 è nulla se la manovra riguarda un aliante, essenzialmente positiva nel caso di turboreattore mentre nei propulsori ad elica è da considerarsi positiva o negativa a seconda che l’elica sia effettivamente traente oppure costituisca una resistenza, come solitamente avviene quando la richiamata viene eseguita senza motore. Poiché la componente , man mano che il velivolo avanza, cresce a causa della diminuzione della pendenza della traiettoria, nel punto più basso della stessa, fig. 3.8 (,) la portanza raggiunge il suo valore massimo, dovendo bilanciare non solo la forza d’inerzia ma anche tutto il peso del velivolo.

Le equazioni 1.8 diventano:

2.8

Determinazione della velocità necessaria sulla traiettoria.

La velocità necessaria al velivolo in un punto qualsiasi della traiettoria può essere ricavata dalla prima delle 1.8. Sostituendo alla portanza la sua espressione aerodinamica si ottiene la 3.8, dalla quale si deduce che il velivolo raggiunge il massimo valore della velocità nel punto più basso della traiettoria, dove la pendenza assume il valore zero.

3.8

Determinazione della trazione necessaria.

La trazione necessaria è ricavabile dalla seconda della 1.8. Sostituendo alla resistenza la relativa espressione aerodinamica ed utilizzando la 3.8, per la velocità, si perviene alla:

4.8  

La 4.8 mette in evidenza l’aumento della trazione necessaria lungo la traiettoria, fino ad uguagliare la resistenza nel punto B di fig. 3.8 come indica la seconda delle 2.8, in cui assume il valore espresso dalla:

5.8

Determinazione della potenza necessaria.

La potenza necessaria per eseguire una richiamata, in accordo con la definizione ormai nota, è ottenibile come prodotto della trazione necessaria per la velocità necessaria. In un punto qualsiasi lungo la traiettoria, caratterizzato dalla pendenza , in base alle 3.8 e 4.8, essa è esprimibile con la:

6.8

La relazione 6.8 mostra che anche la potenza necessaria aumenta lungo la traiettoria e raggiunge, nel punto più basso della stessa, il valore:

7.8

Determinazione del fattore di contingenza.

In base alla definizione di fattore di contingenza, dalla prima equazione delle 1.8, applicata in un punto qualsiasi della traiettoria, si ricava:

8.8  

Come per la trazione e la potenza, anche il valore di aumenta nella ripresa, attingendo il valore massimo:

9.8 

nel punto più basso della traiettoria. Esso rappresenta il cimento delle strutture durante la manovra riferito al carico normale che si ha in volo rettilineo orizzontale uniforme ().

Determinazione del raggio minimo della traiettoria.

In base a quanto detto nei paragrafi precedenti si deduce che le condizioni più pericolose della richiamata si raggiungono nel punto più basso della traiettoria. In esso vale la prima equazione delle 2.8 che riportiamo:

10.8

Poiché il non può crescere oltre il valore critico di stallo, appare chiaro dalla 10.8 che per ogni velocità di volo esiste un valore minimo del raggio di richiamata, al di sotto del quale il volo diventa instabile in quanto interessato da perdita di portanza dovuta allo stallo. Sostituendo nella 10.8 a il ed a il valore della portanza che il velivolo avrebbe se volasse in orizzontale alla stessa velocità ed alla stessa quota, il raggio minimo di curvatura della traiettoria si ricava risolvendo l’equazione:

11.8

Il valore così ottenuto per è quello compatibile con le caratteristiche aerodinamiche del velivolo, ma può non essere il minimo effettivo che il pilota può conseguire nella manovra. Infatti, la 9.8 evidenzia che la curvatura della traiettoria dipende dal fattore di contingenza per cui, fissato il valore limite di quest’ultimo, dettato dai regolamenti di sicurezza, si può ricavare il raggio minimo imposto dalla limitazione strutturale con la relazione:

12.8

che può essere superiore o inferiore a quello espresso dalla 11.8. Una terza limitazione è poi imposta dalla necessità di non superare il valore massimo dell’accelerazione normale compatibile con la resistenza fisiologica del pilota. Indicando, infatti, con l’accelerazione massima in atto durante la manovra, espressa dalla:

13.8

il raggio minimo fisiologico può esprimersi nel modo seguente:

14.8

Risulta evidente da quanto detto come il raggio di curvatura della traiettoria, in una richiamata, sia limitato da considerazioni aerodinamiche, di resistenza strutturale e fisiologica. Il raggio minimo di manovra, o operativo, quindi che il pilota deve adottare, dovrà essere maggiore o uguale a quello imposto dalla limitazione che viene raggiunta per prima ed evidenziata dal più elevato del valori di ricavabili con le 11.8, 12.8 e 14.8.