10 innovazioni aeronautiche di cui saremmo bloccati a terra senza

Il 1 giugno 2009, il volo Air France 447 è sceso inaspettatamente, centinaia di piedi al secondo, prima di sbattere la pancia nell'Oceano Atlantico, facendo a pezzi l'aereo e uccidendo tutti i 228 passeggeri e membri dell'equipaggio. Nel corso del tempo, gli investigatori dell'incidente sono stati in grado di ricostruire cosa è andato storto in quella fatidica notte: una combinazione di condizioni meteorologiche avverse, malfunzionamento dell'attrezzatura e confusione dell'equipaggio ha causato lo stallo dell'aereo e la caduta dal cielo.

Il volo 447 ha inviato un'onda d'urto attraverso l'industria aeronautica. L'aereo, un Airbus A330, era uno degli aerei più affidabili al mondo, senza vittime registrate in volo commerciale fino al volo condannato dell'Air France. Poi l' incidente ha rivelato la spaventosa verità: i veicoli più pesanti dell'aria operano con tolleranze molto ristrette. Quando tutto è cinque per cinque, un aeroplano fa quello che dovrebbe fare - volare - quasi senza sforzo apparente. In realtà, la sua capacità di stare in alto si basa su una complessa interazione di tecnologie e forze, che lavorano tutte insieme in un delicato equilibrio. Sconvolgere quell'equilibrio in alcun modo e un aereo non sarà in grado di decollare da terra. Oppure, se è già in aria, tornerà a terra, spesso con risultati disastrosi.

Questo articolo esplorerà la linea sottile tra volare in alto e cadere velocemente. Prenderemo in considerazione 10 innovazioni fondamentali per la struttura e la funzione di un aeromobile moderno. Cominciamo con l'unica struttura, le ali, che possiedono tutti gli oggetti volanti.

1. Profilo alare
2. Elica
3. Motore a reazione
4. Carburante per jet
5. Controlli di volo (Fly-by-wire)
6. Alluminio e leghe di alluminio
7. Autopilota
8. Tubi di Pitot
9. Controllo del traffico aereo
10. Carrello di atterraggio

Gli uccelli li hanno. Così fanno pipistrelli e farfalle. Dedalo e Icaro li indossarono per sfuggire a Minosse, re di Creta. Stiamo parlando di ali, ovviamente, o profili alari , che funzionano per dare portanza a un aereo. I profili alari hanno in genere una leggera forma a goccia, con una superficie superiore curva e una superficie inferiore più piatta. Di conseguenza, l'aria che scorre sopra un'ala crea un'area di maggiore pressione sotto l'ala, portando alla forza verso l'alto che fa alzare un aereo da terra.

È interessante notare che alcuni libri di scienza invocano il principio di Bernoulli per spiegare la storia edificante dei profili alari. Secondo questa logica, l'aria che si muove sulla superficie superiore di un'ala deve viaggiare più lontano - e quindi deve viaggiare più velocemente - per arrivare al bordo d'uscita contemporaneamente all'aria che si muove lungo la superficie inferiore dell'ala. La differenza di velocità crea un differenziale di pressione, che porta al sollevamento. Altri libri liquidano questo come un pasticcio, preferendo invece fare affidamento sulle vere leggi del movimento di Newton : l'ala spinge l'aria verso il basso, quindi l'aria spinge l'ala verso l'alto.

Il volo più pesante dell'aria iniziò con gli alianti , velivoli leggeri che potevano volare per lunghi periodi senza utilizzare un motore. Gli alianti erano gli scoiattoli volanti dell'aviazione, ma pionieri come Wilbur e Orville Wright desideravano una macchina in grado di emulare i falchi, con un volo forte e potente. Ciò richiedeva un sistema di propulsione per fornire la spinta. I fratelli progettarono e costruirono le prime eliche per aeroplani, oltre a motori dedicati a quattro cilindri raffreddati ad acqua per farli girare.

Oggi, la progettazione e la teoria dell'elica hanno fatto molta strada. In sostanza, un'elica funziona come un'ala rotante, fornendo portanza ma in una direzione in avanti. Sono disponibili in una varietà di configurazioni, dalle eliche a due pale a passo fisso ai modelli a quattro e otto pale con passo variabile, ma fanno tutte la stessa cosa. Quando le pale ruotano, deviano l'aria all'indietro e quest'aria, grazie alla legge azione-reazione di Newton, spinge in avanti sulle pale. Quella forza è nota come spinta e agisce per contrastare la resistenza , la forza che ritarda il movimento in avanti di un aeromobile.

Nel 1937, l'aviazione fece un gigantesco balzo in avanti quando l' inventore e ingegnere britannico Frank Whittle testò il primo motore a reazione al mondo . Non funzionava come gli aerei a elica con motore a pistoni dell'epoca. Invece, il motore di Whittle aspirava aria attraverso le pale del compressore rivolte in avanti. Quest'aria entrava in una camera di combustione, dove si mescolava con il carburante e bruciava. Un flusso di gas surriscaldato è quindi uscito dal tubo di scappamento, spingendo in avanti il ​​motore e l'aereo.

Il tedesco Hans Pabst van Ohain ha adottato il progetto di base di Whittle e ha alimentato il primo volo di un aereo a reazione nel 1939. Due anni dopo, il governo britannico ha finalmente fatto decollare un aereo, il Gloster E.28/39, utilizzando l'innovativo motore di Whittle design. Entro la fine della seconda guerra mondiale, i jet Gloster Meteor, che erano modelli successivi pilotati dai piloti della Royal Air Force, stavano inseguendo i razzi V-1 tedeschi e sparandoli dal cielo.

Oggi i motori a turbogetto sono riservati principalmente agli aerei militari. Gli aerei di linea commerciali utilizzano motori turbofan, che ingeriscono ancora aria attraverso un compressore rivolto in avanti. Invece di bruciare tutta l'aria in entrata, i motori turbofan consentono all'aria di fluire intorno alla camera di combustione e mescolarsi con il getto di gas surriscaldati che esce dal tubo di scappamento. Di conseguenza, i motori turbofan sono più efficienti e producono molto meno rumore.

I primi velivoli a pistoni utilizzavano gli stessi carburanti della tua auto: benzina e diesel . Ma lo sviluppo dei motori a reazione richiedeva un diverso tipo di carburante. Anche se alcuni stravaganti gregari sostenevano l'uso del burro di arachidi o del whisky , l'industria aeronautica ha rapidamente optato per il cherosene come il miglior carburante per i jet ad alta potenza. Il cherosene è un componente del petrolio greggio, ottenuto quando il petrolio viene distillato, o separato, nei suoi elementi costitutivi.

Se hai una stufa o una lampada a cherosene, potresti avere familiarità con il carburante color paglia. Gli aerei commerciali, tuttavia, richiedono un grado di cherosene più elevato rispetto al carburante utilizzato per scopi domestici. I carburanti per jet devono bruciare in modo pulito, ma devono avere un punto di infiammabilità più alto rispetto ai carburanti per automobili per ridurre il rischio di incendio. I carburanti per jet devono rimanere fluidi anche nell'aria fredda dell'alta atmosfera. Il processo di raffinazione elimina tutta l'acqua in sospensione, che potrebbe trasformarsi in particelle di ghiaccio e bloccare le tubazioni del carburante. E il punto di congelamento del cherosene stesso è attentamente controllato. La maggior parte dei carburanti non si congela finché il termometro non raggiunge meno 58 gradi Fahrenheit (meno 50 gradi Celsius).

Una cosa è far volare un aeroplano. Un'altra cosa è controllarlo in modo efficace senza tornare a terra. In un semplice aereo leggero, il pilota trasmette i comandi di governo tramite collegamenti meccanici per controllare le superfici sulle ali, sulla pinna e sulla coda. Tali superfici sono, rispettivamente, gli alettoni, gli ascensori e il timone. Un pilota usa gli alettoni per rotolare da un lato all'altro, gli ascensori per beccheggiare verso l'alto o verso il basso e il timone per imbarcare a sinistra oa dritta. Virata e virata, ad esempio, richiedono un'azione simultanea sia sugli alettoni che sul timone, il che fa sì che l'ala si tuffi nella virata.

I moderni aerei di linea militari e commerciali hanno le stesse superfici di controllo e sfruttano gli stessi principi, ma eliminano i collegamenti meccanici. Le prime innovazioni includevano sistemi di controllo del volo idraulico-meccanici, ma questi erano vulnerabili ai danni della battaglia e occupavano molto spazio. Oggi, quasi tutti i grandi velivoli si affidano a sistemi digitali fly-by-wire , che apportano regolazioni alle superfici di controllo in base ai calcoli di un computer di bordo. Una tecnologia così sofisticata consente a un aereo di linea commerciale complesso di essere pilotato da due soli piloti .

Nel 1902, i fratelli Wright pilotarono l'aereo più sofisticato della giornata: un aliante per una sola persona caratterizzato da una "pelle" di mussola tesa su una struttura di abete. Nel tempo, legno e tessuto hanno lasciato il posto alla monoscocca in legno lamellare , una struttura aeronautica in cui la pelle dell'aereo sopporta alcune o tutte le sollecitazioni. Le fusoliere monoscocca consentivano aerei più robusti e aerodinamici, portando a una serie di record di velocità all'inizio del 1900. Sfortunatamente, il legno utilizzato in questi velivoli richiedeva una manutenzione costante e si deteriorava se esposto alle intemperie.

Negli anni '30, quasi tutti i progettisti dell'aviazione preferivano la costruzione interamente in metallo rispetto al legno laminato. L'acciaio era un candidato ovvio, ma era troppo pesante per fare un aeroplano pratico. L'alluminio , d'altra parte, era leggero, resistente e facile da modellare in vari componenti. Le fusoliere con pannelli in alluminio spazzolato, tenuti insieme da rivetti, divennero un simbolo dell'era dell'aviazione moderna. Ma il materiale presentava i suoi problemi, il più grave era la fatica del metallo. Di conseguenza, i produttori hanno ideato nuove tecniche per rilevare le aree problematiche nelle parti metalliche di un aeromobile. Le squadre di manutenzione utilizzano oggi la scansione a ultrasuoni per rilevare crepe e fratture da stress, anche piccoli difetti che potrebbero non essere visibili sulla superficie.

Agli albori dell'aviazione, i voli erano brevi e la preoccupazione principale di un pilota era non schiantarsi a terra dopo alcuni momenti esaltanti in aria. Con il miglioramento della tecnologia, tuttavia, sono stati possibili voli sempre più lunghi, prima attraverso i continenti, poi attraverso gli oceani, quindi in tutto il mondo. La fatica dei piloti è diventata una seria preoccupazione in questi viaggi epici. Come può un pilota solitario o un piccolo equipaggio rimanere sveglio e vigile per ore e ore, specialmente durante le monotone sessioni di crociera ad alta quota?

Entra nel pilota automatico . Inventato da Lawrence Burst Sperry, figlio di Elmer A. Sperry, il pilota automatico , o sistema di controllo di volo automatico, collegava tre giroscopi alle superfici di un aereo controllando beccheggio, rollio e imbardata. Il dispositivo ha apportato correzioni in base all'angolo di deviazione tra la direzione di volo e le impostazioni giroscopiche originali. L'invenzione rivoluzionaria di Sperry era in grado di stabilizzare il normale volo di crociera, ma poteva anche eseguire decolli e atterraggi senza assistenza.

Il sistema di controllo automatico del volo dei moderni velivoli differisce poco dai primi autopiloti giroscopici. I sensori di movimento - giroscopi e accelerometri - raccolgono informazioni sull'assetto e sul movimento dell'aeromobile e forniscono tali dati ai computer dell'autopilota, che emettono segnali per controllare le superfici delle ali e della coda per mantenere la rotta desiderata.

I piloti devono tenere traccia di molti dati quando si trovano nella cabina di pilotaggio di un aeroplano. La velocità dell'aria - la velocità di un aereo rispetto alla massa d'aria attraverso la quale sta volando - è una delle cose più importanti che monitorano. Per una specifica configurazione di volo, che si tratti di atterraggio o di crociera economica, la velocità di un aereo deve rimanere entro un intervallo di valori abbastanza ristretto. Se vola troppo lentamente, può subire uno stallo aerodinamico, quando non c'è portanza sufficiente per vincere la forza di gravità verso il basso . Se vola troppo rapidamente, può subire danni strutturali, come la perdita dei lembi.

Sugli aerei di linea commerciali, i tubi di Pitot hanno l'onere di misurare la velocità relativa. I dispositivi prendono il nome da Henri Pitot, un francese che aveva bisogno di uno strumento per misurare la velocità dell'acqua che scorre in fiumi e canali. La sua soluzione era un tubo sottile con due fori: uno davanti e uno sul lato. Pitot ha orientato il suo dispositivo in modo che il foro anteriore fosse rivolto a monte, consentendo all'acqua di fluire attraverso il tubo. Misurando la differenza di pressione nei fori anteriori e laterali, poteva calcolare la velocità dell'acqua in movimento.

Gli ingegneri degli aeroplani si resero conto che avrebbero potuto ottenere la stessa cosa montando tubi di Pitot sul bordo delle ali o sporgendo dalla fusoliera. In quella posizione, il flusso d'aria in movimento scorre attraverso i tubi e consente una misurazione accurata della velocità dell'aeromobile.

Finora, questo elenco si è concentrato sulle strutture degli aeromobili, ma una delle innovazioni aeronautiche più importanti - in realtà una raccolta di innovazioni - è il controllo del traffico aereo , il sistema che garantisce che gli aerei possano decollare da un aeroporto, viaggiare per centinaia o migliaia di miglia e atterrare in sicurezza in un aeroporto di destinazione. Negli Stati Uniti, più di 20 centri di controllo del traffico aereo monitorano il movimento degli aerei in tutto il paese. Ogni centro è responsabile di un'area geografica definita, in modo che mentre un aereo vola lungo la sua rotta, viene trasferito da un centro di controllo all'altro. Quando l'aereo arriva a destinazione, controlla i trasferimenti alla torre del traffico dell'aeroporto, che fornisce tutte le indicazioni per far atterrare l'aereo.

Il radar di sorveglianza svolge un ruolo chiave nel controllo del traffico aereo. Le stazioni fisse a terra, situate negli aeroporti e nei centri di controllo, emettono onde radio a lunghezza d'onda corta , che viaggiano verso gli aeroplani, li colpiscono e rimbalzano. Questi segnali consentono ai controllori del traffico aereo di monitorare le posizioni e le rotte degli aeromobili all'interno di un determinato volume di spazio aereo. Allo stesso tempo, la maggior parte degli aerei commerciali trasporta transponder , dispositivi che trasmettono l'identità, l'altitudine, la rotta e la velocità dell'aeromobile quando "interrogati" dal radar.

L'atterraggio di un aereo di linea commerciale sembra una delle prodezze più improbabili della tecnologia. Un aereo deve scendere da 35.000 piedi (10.668 metri) al suolo e rallentare da 650 miglia (1.046 chilometri) a 0 miglia orarie. Oh, sì, e deve appoggiare il suo intero peso -- circa 170 tonnellate -- su poche ruote e montanti che devono essere robusti, ma completamente retrattili. C'è da meravigliarsi se il carrello di atterraggio occupa il primo posto nella nostra lista?

Fino alla fine degli anni '80, la maggior parte degli aerei civili e militari utilizzava tre configurazioni di base del carrello di atterraggio: una ruota per montante, due ruote affiancate su un montante o due ruote affiancate accanto a due ulteriori affiancate ruote laterali. Man mano che gli aeroplani crescevano e diventavano più pesanti, i sistemi di atterraggio diventavano più complessi, sia per ridurre lo stress sulla ruota e sui montanti, ma anche per diminuire le forze applicate alla pavimentazione della pista. Il carrello di atterraggio di un aereo di linea superjumbo Airbus A380, ad esempio, ha quattro unità sottocarro: due con quattro ruote ciascuna e due con sei ruote ciascuna. Indipendentemente dalla configurazione, la forza è molto più importante del peso, quindi troverai acciaio e titanio, non alluminio, nei componenti metallici di un carrello di atterraggio.

Nota dell'autore

Orville Wright una volta disse: "L'aereo sta in piedi perché non ha il tempo di cadere". Dopo aver scritto questo, lo definirei un eufemismo di proporzioni epiche.

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