Gli aerei oggi in attività sono costituiti da varie componenti essenziali, illustrate nella figura seguente: la cellula, che comprende la fusoliera e le superfici portanti, l'apparato propulsore e i sistemi di guida e di controllo.
Agli albori dell'aviazione, la fusoliera era una struttura aperta che aveva la funzione di sostenere le altre componenti dell'aereo; il fondo, su cui erano montate le ruote, serviva anche come carrello d'atterraggio. In seguito, la necessità di una maggiore robustezza portò allo sviluppo di fusoliere chiuse a montanti e tiranti che riducevano la resistenza aerodinamica e fornivano protezione al pilota e ai passeggeri, oltre ad assicurare spazio per il carico da trasportare. Le prime strutture a travatura vennero gradualmente sostituite dalla fusoliera monoscocca, a guscio singolo, nella quale i carichi vengono essenzialmente sopportati dal rivestimento anziché dalla struttura interna, come nel caso della struttura a travatura. Attualmente è il tipo di fusoliera più comune. Il guscio esterno inoltre offre la possibilità di pressurizzare il volume interno per i voli ad alta quota.
Ali
Nonostante
l'aereo ad ala singola, noto come monoplano, avesse già fatto la
sua comparsa nel primo decennio dell'era del volo a motore, le tecniche costruttive dei
primi aerei privilegiavano l'impiego di due ali sovrapposte (biplano) e talvolta anche di
tre o quattro. Gli aerei ad ala multipla (o multiplani) hanno il vantaggio di una portanza
superiore e di una costruzione relativamente più robusta, mentre i monoplani hanno
resistenza aerodinamica inferiore. Lo sviluppo del principio della trave a sbalzo, cioè
priva di crociere e di montanti, nella costruzione delle ali favorì l'affermarsi del
monoplano. La costruzione a sbalzo viene impiegata per la maggior parte degli aerei
moderni, mentre la controventatura esterna è adottata solo nel caso di aerei piccoli e
leggeri.
La struttura tipica dell'ala consiste di un'intelaiatura formata da longheroni e centine racchiusi da una sottile lamina metallica di rivestimento. Per i piccoli aerei o per gli alianti vengono impiegati anche tela trattata, o, meno frequentemente, legno compensato o fibre di vetro impregnate di resine. Nelle ali possono essere utilizzati uno o più longheroni, che si estendono dalla fusoliera all'estremità dell'ala, ma solitamente la struttura più comune ne presenta due. Le centine, poste ad angolo retto rispetto ai longheroni, conferiscono all'ala la sua forma esterna. Rivestimenti costituiti da una lamina metallica, che quindi contribuiscono alla robustezza dell'ala, vengono impiegati in tutti gli aerei di grandi dimensioni, anche se si sta sempre più diffondendo l'impiego di strutture e rivestimenti plastici rinforzati.
Dimensioni e forma delle ali variano in base a considerazioni aerodinamiche specifiche. Le ali di molti aerei supersonici presentano un elevato angolo di freccia positivo (ossia sono configurate in modo simile a una punta di freccia con l'estremità rivolta verso il muso) e sono il più sottili possibile, con un bordo d'attacco a coltello. Tale forma consente di ridurre l'urto di compressione quando l'aereo si avvicina alla velocità del suono. L'importanza strutturale dell'ala è dimostrata in modo spettacolare dallo sviluppo delle cosiddette ali volanti, aviogetti nei quali fusoliera e coda sono quasi completamente scomparse.
ImpennaggiIl tipo convenzionale di impennaggi consiste di due superfici di base, orizzontale e verticale, ciascuna delle quali è dotata di sezioni mobili, che contribuiscono al controllo dell'aereo, e di sezioni fisse, stabilizzatori, che forniscono stabilità. La sezione principale della superficie orizzontale viene chiamata stabilizzatore orizzontale, mentre la sezione mobile posteriore prende il nome di timone orizzontale o di quota o equilibratore. In certi casi è mobile l'intera superficie e il timone di quota viene così eliminato. La sezione fissa della superficie verticale viene chiamata deriva (o pinna), mentre la sezione mobile è il timone. In alcuni aerei vengono utilizzate due superfici verticali; in questo caso viene impiegato un doppio timone. La coda a V combina le funzioni di timone e di equilibratore in un unico dispositivo. Le dimensioni della coda variano a seconda del tipo di aereo. In alcuni mezzi supersonici, i piani di coda orizzontali sono sostituiti da alette anteriori o "canard", posizionate vicino al muso dell'aereo.
I carrelli d'atterraggio moderni sono costituiti da una gamba di forza ossia una gamba idraulica che connette la ruota con l'ala o la fusoliera per assorbire l'urto al momento dell'atterraggio; da un meccanismo di retrazione, che consente di sollevare o di abbassare il carrello; dalle ruote e dai freni delle ruote. Tra i diversi tipi, i più comuni sono: |
il carrello classico, di vecchia concezione, formato da due gruppi di ruote poste anteriormente al centro di gravità dell'aereo e un pattino o una ruota più piccola posta in coda; |
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il carrello a due ruote o biciclo, anch'esso di vecchia concezione, che ha due grosse ruote poste posteriormente al centro di gravità e una ruota più piccola in prua; |
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il carrello triciclo, attualmente il più diffuso, formato invece da due grosse ruote, o carrello principale, installate dietro il centro di gravità e da una terza ruota, chiamata ruotino di prua, sita davanti alle due ruote principali. |
L'atterraggio risulta più facile con i carrelli tricicli poiché sono migliori le caratteristiche di frenata e di manovra ed è ridotto il rischio di ribaltamento. Alcuni aerei di grosse dimensioni sono dotati di più di due gruppi di ruote principali. Altri carrelli d'atterraggio comprendono un carrello a cingoli per trasportare carichi pesanti su piste di scarsa qualità, un carrello girevole per gli atterraggi con venti trasversali e un carrello combinato con sci e ruote per l'impiego su ghiaccio o neve.
I sistemi per il controllo del volo degli aerei moderni comprendono dispositivi manuali, azionati direttamente dall'abitacolo mediante la barra di comando o il volantino di guida e i pedali del timone, e le sofisticate apparecchiature che forniscono al pilota tutte le informazioni necessarie al volo.
L'assetto di un aereo (il suo orientamento rispetto
all'orizzonte e alla direzione di moto) è convenzionalmente determinato da tre
dispositivi, ciascuno dei quali controlla il moto rispetto a un asse differente. Questi
tre dispositivi comprendono le sezioni mobili degli impennaggi di coda, ossia gli
equilibratori e i timoni, e le sezioni mobili del bordo d'uscita dell'ala, noti come
alettoni. Impennaggi e alettoni vengono azionati dalla cabina di pilotaggio con la barra
di comando o il volantino di guida e i pedali del timone. La barra di comando è usata
prevalentemente sugli aerei più piccoli e leggeri, mentre il volantino, che ha una leva
maggiore, viene generalmente adottato sugli aerei di una certa dimensione.
Gli equilibratori permettono il movimento di beccheggio intorno a un asse trasversale. Se il pilota tira verso di sé la barra di comando o la colonna del volantino, gli equilibratori vengono sollevati, abbassando così la coda e facendo puntare verso l'alto il muso dell'aereo per la cabrata. Il movimento in avanti della barra o della colonna del volantino provoca l'effetto opposto, facendo scendere in picchiata l'aereo.
Gli alettoni, solitamente posti all'esterno dell'ala, controllano il movimento di rollio intorno all'asse longitudinale. Il movimento della barra o del volantino verso sinistra solleva l'alettone di sinistra e abbassa quello di destra, facendo inclinare lateralmente verso sinistra l'aereo. L'inclinazione opposta si ottiene quando la barra o il volantino sono tirati verso destra.
I timoni permettono il movimento attorno all'asse verticale, in coordinazione con gli alettoni, variando la traiettoria dell'aereo a sinistra o a destra. Quando viene azionato il pedale destro del timone, quest'ultimo fa ruotare l'aereo verso destra intorno al suo asse verticale, mentre l'azionamento del pedale sinistro provoca una rotazione verso sinistra.
Per assicurare una più facile e affidabile manovrabilità delle superfici di controllo, sono stati approntati diversi comandi secondari. Timoni, equilibratori e alettoni adottano alette aerodinamiche, alette correttrici e alette compensatrici, come dispositivi di regolazione dell'equilibrio o dell'assetto dell'aereo. Altri comandi secondari comprendono i flaps (sui bordi di uscita) e gli slats con slot, o fessure, (sui bordi d'attacco) per incrementare la portanza durante il decollo oppure la resistenza aerodinamica durante l'atterraggio oppure ancora per migliorare altre caratteristiche di volo. Gli spoilers (o diruttori) sono superfici che normalmente si trovano in parallelo con l'ala, ma che possono essere sollevate per presentare una superficie piatta contro il flusso dell'aria e ridurre la portanza dell'ala. Superfici parzialmente simili sono gli aerofreni, che si estendono ad angolo retto rispetto alla fusoliera o alla superficie inferiore dell'ala per ridurre la velocità del velivolo. Le superfici di controllo possono essere direttamente azionate dal pilota oppure da dispositivi di comando idraulici o elettrici. In quest'ultimo caso i comandi del pilota possono essere trasmessi mediante segnali elettrici (fly-by-wire, letteralmente "volo tramite cavi elettrici") od ottici (fly-by-light, letteralmente "volo tramite luce").
Le informazioni utili in volo vengono fornite da dispositivi classificabili in quattro categorie: per il controllo dell'impianto motopropulsore, per il volo, per l'atterraggio e di ausilio per la navigazione.
Gli strumenti di controllo del propulsore indicano se i motori stanno funzionando correttamente e comprendono il contagiri, che registra il numero di giri al minuto di ogni motore, vari manometri, gli indicatori di temperatura e del livello di carburante.
I principali strumenti di volo forniscono indicazioni sulla velocità (l'anemometro), sulla direzione (la bussola magnetica e il giroscopio direzionale), sulla quota (l'altimetro), e sull'assetto (un indicatore di velocità ascensionale, un inclinometro trasversale, e l'orizzonte artificiale o indicatore di assetto). Alcuni strumenti di volo, compreso il pilota automatico, sfruttano il principio del giroscopio.
Gli strumenti per l'atterraggio in caso di scarsa
visibilità sono di due tipi: il Sistema di Atterraggio Strumentale (ILS, dall'inglese Instrument-Landing System), che
fornisce direttamente al pilota le indicazioni necessarie per assicurare un atterraggio
sicuro, e il Sistema di Avvicinamento controllato da Terra (GCA, dall'inglese Ground
Controlled Approach), che utilizza apparecchiature radar installate a terra
per guidare il pilota solo con informazioni radiotelefoniche.
Entrambi i
sistemi possono integrarsi con il Sentiero Luminoso di Avvicinamento (ALS, dall'inglese Approach Lighting System), che
guida l'aereo verso la pista nelle ultime centinaia di metri.
La spinta a un aereo in volo viene fornita essenzialmente da due sistemi, le eliche e la propulsione a reazione. Per azionare l'elica di un aereo viene impiegato o un motore a pistoni a combustione interna o un motore a turbina; l'elica spinge l'aria all'indietro grazie alla sezione a profilo aerodinamico delle pale che penetrano nell'aria come una vite. Nella propulsione a reazione, la spinta in avanti viene fornita dall'emissione di gas ad alta velocità attraverso un ugello rivolto posteriormente. Occasionalmente vengono utilizzati anche motori a razzo, che funzionano con lo stesso principio.
Un motore d'aereo deve soddisfare un certo numero di requisiti di progettazione, tra i quali: buona affidabilità, lunga durata, peso limitato, consumo di carburante contenuto e ridotta area frontale. Più importante è l'affidabilità; la lunga durata rappresenta essenzialmente un vantaggio economico; il peso ridotto e il consumo contenuto di carburante sono interdipendenti poiché il carburante imbarcato condiziona il peso dell'aeromobile al decollo; la ridotta area frontale, infine, diminuisce la resistenza aerodinamica causata dal motore.
Nella maggior parte degli aerei a elica sono utilizzati due tipi di motore a pistoni: il motore alternativo e il motore rotativo. Nel motore alternativo, che quasi sempre prevede l'uso di benzina, viene utilizzata l'energia termica per azionare i pistoni che si muovono all'interno dei cilindri. La disposizione dei cilindri è generalmente in linea, orizzontale contrapposta, o radiale; il sistema di raffreddamento impiegato può essere ad aria o a liquido. In genere, i vantaggi offerti dal motore alternativo, sono l'affidabilità e l'economia di consumo. Il motore rotativo sostituisce i pistoni con un unico pistone rotante e dunque ha un numero minore di valvole e produce una vibrazione ridotta.
Per rimediare alla perdita di rendimento dell'elica che si verifica quando, salendo di quota, l'aria è rarefatta, viene associato il motore a combustione allo scarico di una turbina a gas che aziona un compressore di alimentazione, un compressore d'aria nel sistema di aspirazione del motore, che compensa la diminuzione della densità dell'atmosfera alle alte quote.
La maggior parte dei motori aeronautici non alternativi funzionano
secondo il principio della propulsione a reazione e comprendono il turboreattore
(o turbogetto), la turboelica, lo statoreattore (o autoreattore) e il motore
a razzo. Il turboreattore e i suoi derivati, la turboventola e la turbina a elica,
sono motori a turbina a gas nei quali l'aria che entra attraverso il condotto di
aspirazione del motore viene dapprima compressa in un compressore; successivamente viene
immesso carburante che viene combusto con l'ossigeno dell'aria, provocando un aumento di
temperatura e l'espansione del gas. I gas ad alta pressione vengono poi diretti attraverso
una turbina che aziona il complesso rotante del motore. Nel caso del turboreattore
l'espansione è parziale e il gas residuo, che ora si trova a una pressione intermedia,
viene accelerato dall'espansione attraverso un ugello rivolto verso il retro per produrre
un'alta velocità di fuoriuscita e dunque la spinta desiderata.
I motori a turboventola e a turboelica sfruttano la maggior parte dell'energia dei gas nella turbina, mentre la spinta del getto residuo è di secondaria importanza. I motori a turboelica sono efficienti per aerei di medie dimensioni fino a velocità variabili da circa 480 a 640
km/h. A velocità subsoniche più alte, la turboventola dà risultati migliori, mentre le prestazioni di un'elica si riducono. I motori a turboventola consumano meno carburante e sono più silenziosi dei turboreattori, ma a velocità più elevate, o supersoniche, è necessaria una maggiore velocità di scarico del turboreattore.Lo statoreattore è un motore a reazione nel quale la compressione dell'aria necessaria per la combustione viene ottenuta con la sola velocità del moto in avanti. Come nel caso del turboreattore, la potenza totale erogata viene fornita dalla spinta di getto dei gas di scarico. Potrebbe essere installato su aerei con pilota a bordo, ma il consumo di carburante molto elevato lo rende utilizzabile quasi esclusivamente su missili guidati.
Oltre al combustibile, il motore a razzo contiene anche il materiale ossidante e, come lo statoreattore, trova principale applicazione nei missili guidati. Razzi a propellenti solidi vengono utilizzati anche in decolli assistiti (RATO, da Rocket-Assisted Take-Off), per erogare una spinta supplementare iniziale agli aerei che trasportano carichi pesanti.
Gli aerei possono essere classificati a seconda delle funzioni e dell'impiego in: aerei commerciali o civili, adibiti al trasporto di passeggeri e merci da parte di compagnie aeree regolari e occasionali, aerei militari, aerei leggeri o per impieghi particolari.
In Europa, il servizio aereo di trasporto passeggeri è in funzione dal 1919, mentre negli Stati Uniti i primi voli commerciali si sono occupati del servizio postale. La prima rotta regolare per passeggeri collegò Parigi e Londra, mentre un servizio analogo tra le principali città degli Stati Uniti è iniziato a partire dal 1927 circa, sviluppandosi rapidamente con i progenitori dei moderni aerei di linea, come il Douglas DC-3, in grado di trasportare fino a 21 passeggeri a una velocità di crociera di circa 305
km/h. Alcuni esemplari sono in servizio ancora oggi. Dai primi modelli si passò a macchine sempre più grandi e veloci, come i quadrimotori; sugli aerei a elica i motori a pistoni vennero sostituiti dalle turbine a gas. Il primo aereo di linea a turboelica, il Vickers Viscount britannico, entrò in servizio nel 1950.Tra i differenti aerei disponibili per il servizio passeggeri si sceglie il tipo più adatto tenendo conto del volume di traffico e della distanza tra gli aeroporti, indicata con il nome di tratta.
I jet commerciali per il trasporto passeggeri vennero utilizzati in un primo tempo sulle lunghe distanze; il De Havilland Comet entrò in servizio nel 1952, il Boeing 707 nel 1958. Alla fine degli anni Cinquanta furono introdotti anche il DC-8 e i Convair 880 e 990, capaci di raggiungere una velocità di crociera di circa 885
km/h e di trasportare oltre 100 passeggeri.Aerei a reazione più piccoli, come il Caravelle francese, il De Havilland Trident e il Boeing 727, tutti caratterizzati da motori in coda, vennero costruiti per tratte a media distanza comprese tra 800 e 2400
km. Alla metà degli anni Sessanta entrarono in funzione bireattori ancora più piccoli per operare su tratte brevi; tra questi il Boeing 737, il DC-9, il Fokker F-28 e il British Aircraft Corporation BAC 111.Il Boeing 747, entrato in servizio nel 1970, fu il primo degli aerei passeggeri a fusoliera larga che attualmente volano sulle tratte di media e lunga distanza ad alta densità di traffico. Equipaggiato con quattro motori a turboventola, vola a oltre 885
km/h e trasporta 385 passeggeri, ma può accoglierne fino a 500. Il DC-10, che volò per la prima volta nel 1971, e il Lockheed 1011 (del 1972) Tristar sono in grado di portare ciascuno più di 300 passeggeri su tratte medio-lunghe e hanno entrambi una configurazione trimotore, con i motori installati in coda. Nel 1972, effettuò il volo inaugurale anche il bimotore a fusoliera larga Airbus A300, prodotto da un consorzio di aziende europee.L'aereo passeggeri tecnologicamente più avanzato è supersonico, capace di effettuare la trasvolata dell'Atlantico in entrambe le direzioni impiegando un tempo inferiore a quello impiegato da un normale aereo di linea per effettuare una sola tratta. Il sovietico Tu-144, il primo supersonico adibito al servizio passeggeri, iniziò i voli interni in Unione Sovietica nel 1975. Nel 1962 i governi britannico e francese firmarono un accordo per realizzare il Concorde, il cui primo esemplare volò nel 1971. Nel 1975 venne concesso un certificato di navigabilità e i primi voli commerciali vennero effettuati il 21 gennaio 1976: l'aereo francese volò lungo la tratta Parigi, Dakar e Rio de Janeiro, l'aereo britannico da Londra a Bahrein nel golfo Persico. Fin dall'inizio, il supersonico Concorde fu criticato perché costoso e rumoroso; ciononostante, il servizio per gli Stati Uniti cominciò il 24 maggio 1976, con voli simultanei da Londra a Parigi e da Parigi a Washington, e infine per New York il 22 novembre 1977.
A eccezione dell'ex Unione Sovietica, gli aerei commerciali supersonici devono volare sopra le aree abitate a velocità subsoniche.I progettisti e gli operatori aeronautici sono interessati a un aereo di linea supersonico "di seconda generazione", ma la competizione è forte, particolarmente nel settore degli aerei di linea subsonici avanzati, come il Boeing 757 e l'Airbus A320. Quest'ultimo è stato il primo aereo commerciale a utilizzare un sistema di controllo fly-by-wire completamente automatico. Il quadrimotore a lungo raggio A340 e il McDonnell-Douglas MD-11 trimotore sono in competizione con il Boeing 747, mentre i bimotori a fusoliera larga Airbus A330 e Boeing 777 si contendono il mercato con grandi capacità di carico a distanze che superano i 10.000
km. I più vecchi Boeing 767 e Airbus A300/310 hanno medie capacità di carico e di raggio d'azione.Gli aerei militari possono essere suddivisi in quattro categorie: da combattimento, da trasporto, da addestramento e da osservazione. Agli aerei da combattimento appartengono i caccia e i bombardieri, per operazioni sia terrestri sia navali, per ognuno dei quali esiste un'ampia varietà di esemplari. I caccia sono spesso impiegati per attacchi a bassa quota oltre che per missioni di intercettazione: il McDonnell-Douglas F-4 Phantom, il General Dynamics F-16 e il Dassault Mirage sono alcuni tipi in servizio in Europa. In futuro molti degli F-4 e F-16 verranno sostituiti dall'avanzato Eurofighter 2000. Il cacciabombardiere ad ala variabile Tornado è in grado di svolgere ruoli di difesa a lungo raggio, di attacco e di ricognizione, un tempo svolti dall'ormai superato BAC/Sepecat. Nell'ex URSS è in funzione il Mig 29. L'Harrier, unico aereo a decollo e atterraggio verticali, viene utilizzato per appoggio ravvicinato alle operazioni terrestri per intercettazione e attacco nella versione navale.
A differenza degli altri aerei da combattimento precedentemente citati, è subsonico, ma se ne sta preparando una versione supersonica. Altri modelli impiegati negli Stati Uniti comprendono il McDonnell-Douglas F-15 Eagle, i caccia navali Grumman F-14 e McDonnell F-18 e il caccia "invisibile" (stealth) Lockheed F-117. Il B-52 Stratofortress, un reattore subsonico sviluppato negli anni Cinquanta, e il B-1B sono i principali bombardieri pesanti a lungo raggio impiegati dall'aviazione statunitense, mentre il Fairchild A-10 Thunderbolt II è progettato e utilizzato per gli attacchi contro i carri armati.L'aereo da trasporto militare più diffuso è il quadrimotore a elica Lockheed C-130 Hercules; il più grosso aereo militare da trasporto occidentale è il Lockheed C-5A, capace di 120 tonnellate di carico utile, rivale dell'An-124 Ruslan e dell'An-225 Mrya russi.
Tra gli aerei d'addestramento si possono citare l'Embraer Short Tucano e il British Aerospace Hawk per l'addestramento avanzato. Quest'ultimo viene impiegato dalla pattuglia acrobatica britannica "Red Arrows" ed è disponibile anche in versioni monoposto per attacco al suolo. Per la ricognizione navale e la lotta antisommergibili viene impiegato l'Hawker-Siddeley Nimrod, mentre il Boeing E-3 AWACS (da Airborne Warning and Control System, Sistema d'Allarmee di Controllo Aeroportato) è un aereo di grosse dimensioni utilizzato per il controllo radar dei cieli sul campo di battaglia.
Gli aerei utilizzati per diporto, affari, lavori agricoli, controllo e spegnimento di incendi, trasporto ammalati o per l'addestramento al volo vengono chiamati aerei leggeri. Rientrano in questa categoria un'ampia varietà di macchine: minuscoli e leggerissimi monoposto, addestratori biposto, monomotori a elica di maggiori dimensioni, capaci di portare quattro o più passeggeri, e i bireattori "executive" (attrezzati per voli d'affari) dotati di strumentazione sofisticata come quella degli aerei di linea.
Aerei con attrezzature particolari sono utilizzati in campo agricolo, ad esempio per l'irrorazione e la nebulizzazione con insetticidi o fertilizzanti. Altri aerei vengono usati per ispezionare dall'alto oleodotti e linee elettriche, o per la mappatura e il rilevamento del territorio, il controllo delle foreste e dei parchi, lo spegnimento di incendi, l'aerofotogrammetria, il controllo della fauna selvatica.
