VTOL - VTOL

Un decollo verticale e atterraggio ( VTOL ) aereo è uno che può hover, decollare, e atterrare in verticale. Questa classificazione può includere una varietà di tipi di velivoli, inclusi velivoli ad ala fissa , elicotteri e altri velivoli con rotori motorizzati, come ciclogiri/ciclocotteri e convertiplani . Alcuni velivoli VTOL possono operare anche in altre modalità, come CTOL (decollo e atterraggio convenzionali), STOL (decollo e atterraggio corto ) o STOVL (decollo e atterraggio verticale). Altri, come alcuni elicotteri, possono operare solo da VTOL, a causa dell'aeromobile privo di carrello di atterraggio in grado di gestire il movimento orizzontale. VTOL è un sottoinsieme di V/STOL (decollo e atterraggio verticale o corto). Alcuni velivoli più leggeri dell'aria si qualificano anche come velivoli VTOL, in quanto possono librarsi, decollare e atterrare con profili di avvicinamento/partenza verticali.

Velivoli a decollo e atterraggio verticali elettrici e ibridi-elettrici , o eVTOL , sono in fase di sviluppo alla ricerca di veicoli aerei personali (PAV) completamente autonomi .

Oltre all'onnipresente elicottero, ci sono attualmente due tipi di velivoli VTOL in servizio militare: aerei che utilizzano un convertiplano , come il Bell Boeing V-22 Osprey , e un altro che utilizza la spinta a getto diretta, come la famiglia Harrier e il nuovo F-35B Lightning II Combattente d'attacco congiunto (JSF). Nel settore civile attualmente sono in uso solo gli elicotteri (alcuni altri tipi di velivoli commerciali VTOL sono stati proposti e sono in fase di sviluppo a partire dal 2017). In generale, gli aeromobili VTOL in grado di STOVL lo utilizzano ove possibile, poiché in genere aumenta significativamente il peso, l'autonomia o il carico utile al decollo rispetto al VTOL puro.

Storia

Eliche, proprotori e velivoli ad ala rotante avanzati

L'idea del volo verticale esiste da migliaia di anni e gli schizzi per un VTOL (elicottero) compaiono nel quaderno degli schizzi di Leonardo da Vinci . Gli aerei VTOL con equipaggio, sotto forma di elicotteri primitivi, hanno volato per la prima volta nel 1907, ma avrebbero impiegato fino a dopo la seconda guerra mondiale per perfezionarsi.

Oltre allo sviluppo degli elicotteri , sono stati tentati molti approcci per sviluppare velivoli pratici con capacità di decollo e atterraggio verticali, tra cui il velivolo sperimentale ad ala fissa a rotore orizzontale del 1922-1925 di Henry Berliner , il brevetto del 1928 di Nikola Tesla e il brevetto del 1930 di George Lehberger per velivoli ad ala fissa VTOL relativamente poco pratici con motori basculanti. Alla fine degli anni '30, il progettista di aerei britannico Leslie Everett Baynes ottenne un brevetto per il Baynes Heliplane , un altro velivolo a rotore inclinabile. Nel 1941 il progettista tedesco Heinrich Focke iniziò a lavorare sul Focke-Achgelis Fa 269 , che aveva due rotori inclinati verso il basso per il decollo verticale, ma i bombardamenti in tempo di guerra ne fermarono lo sviluppo.

Convair XFY-1 Pogo in volo

Nel maggio 1951, sia Lockheed che Convair ottennero contratti nel tentativo di progettare, costruire e testare due caccia VTOL sperimentali. Lockheed ha prodotto l' XFV e Convair ha prodotto il Convair XFY Pogo . Entrambi i programmi sperimentali passarono allo stato di volo e completarono i voli di prova 1954-1955, quando i contratti furono annullati. Allo stesso modo, l' X-13 ha effettuato una serie di voli di prova tra il 1955 e il 1957, ma ha anche subito la stessa sorte.

L'uso di ventilatori verticali azionati da motori è stato studiato negli anni '50. Gli Stati Uniti costruirono un aereo in cui lo scarico del jet azionava i ventilatori , mentre i progetti britannici non costruiti includevano ventilatori azionati da azionamenti meccanici dei motori a reazione.

Campana XV-15

La NASA ha pilotato altri velivoli VTOL come il velivolo da ricerca Bell XV-15 (1977), così come la Marina sovietica e la Luftwaffe . Sikorsky ha testato un aereo soprannominato X-Wing , che è decollato alla maniera di un elicottero. I rotori diventerebbero stazionari durante il volo e funzionerebbero come ali, fornendo portanza oltre alle ali statiche. Il Boeing X-50 è un prototipo Canard Rotor/Wing che utilizza un concetto simile.

Giroscopio Fairey Jet

Un altro progetto britannico VTOL era il giroscopio , in cui un rotore è alimentato durante il decollo e l'atterraggio ma che poi ruota liberamente durante il volo, con motori di propulsione separati che forniscono spinta in avanti. A partire dal Fairey Gyrodyne , questo tipo di velivolo si è successivamente evoluto nel molto più grande Fairey Rotodyne bimotore , che utilizzava tipjet per alimentare il rotore in fase di decollo e atterraggio, ma che poi utilizzava due turboelica Napier Eland che guidavano eliche convenzionali montate su ali sostanziali per fornire propulsione, le ali servono a scaricare il rotore durante il volo orizzontale. Il Rotodyne è stato sviluppato per combinare l'efficienza di un aereo ad ala fissa in crociera con la capacità VTOL di un elicottero di fornire un servizio aereo di linea a corto raggio dai centri urbani agli aeroporti.

Marines saltare da una V-22 Osprey , la prima produzione convertiplano aeromobili
CL-84-1 ( CX8402 ) in mostra al Canada Aviation and Space Museum di Ottawa, Ontario

Il CL-84 era un monoplano ad ala basculante a turbina canadese V/STOL progettato e prodotto da Canadair tra il 1964 e il 1972. Il governo canadese ordinò tre CL-84 aggiornati per la valutazione militare nel 1968, designati CL-84-1. Dal 1972 al 1974 questa versione è stata dimostrata e valutata negli Stati Uniti a bordo delle portaerei USS Guam e USS Guadalcanal , e in vari altri centri. Queste prove hanno coinvolto piloti militari degli Stati Uniti, del Regno Unito e del Canada. Durante i test, due dei CL-84 si sono schiantati a causa di guasti meccanici, ma non si è verificata alcuna perdita di vite umane a causa di questi incidenti. Nessun contratto di produzione è risultato.

Sebbene i convertiplani come il Focke-Achgelis Fa 269 della metà degli anni '40 e il Centro Técnico Aeroespacial "Convertiplano" degli anni '50 abbiano raggiunto fasi di test o di simulazione, il V-22 Osprey è considerato il primo aereo convertiplano di produzione al mondo . Ha un proprotore a tre pale , un motore turboelica e una navicella di trasmissione montati su ciascuna estremità alare. L'Osprey è un velivolo multi-missione con decollo e atterraggio verticale (VTOL) e capacità di decollo e atterraggio corto ( STOL ). È progettato per eseguire missioni come un elicottero convenzionale con le prestazioni di crociera a lungo raggio e ad alta velocità di un aereo a turboelica . La FAA classifica l'Osprey come un modello di aereo a motore .

Negli anni '60 furono fatti tentativi per sviluppare un aereo passeggeri commerciale con capacità VTOL. La proposta di sollevamento verticale Inter-City di Hawker Siddeley aveva due file di ventole di sollevamento su entrambi i lati. Tuttavia, nessuno di questi velivoli è entrato in produzione dopo essere stato licenziato in quanto troppo pesante e costoso da utilizzare.

Nel 2018 Opener Aero ha dimostrato un velivolo VTOL ad ala fissa ad alimentazione elettrica, il Blackfly , che il produttore afferma essere il primo aereo ultraleggero ad ala fissa, completamente elettrico, a decollo e atterraggio verticale al mondo.

Ascensore a getto

Il Ryan X-13

Tail-sitter

Nel 1947, Ryan X-13 Vertijet , un design tailsitter , fu ordinato dalla US Navy, che poi emanò una proposta nel 1948 per un aereo in grado di decollo e atterraggio verticale (VTOL) a bordo di piattaforme montate sui ponti di poppa delle navi convenzionali. Sia Convair che Lockheed hanno gareggiato per il contratto, ma nel 1950 il requisito è stato rivisto, con la richiesta di un aereo da ricerca in grado di evolversi alla fine in un caccia di scorta convoglio basato su navi VTOL.

Design convenzionale

"Flying Bedstead"- Rolls-Royce Thrust Misuratore di spinta

Un altro contributo funzionale iniziale più influente al VTOL fu il Thrust Measuring Rig ("letto volante") di Rolls-Royce del 1953. Ciò portò ai primi motori VTOL utilizzati nel primo aereo VTOL britannico, lo Short SC.1 (1957) , Short Brothers e Harland, Belfast che utilizzava quattro motori a sollevamento verticale con uno orizzontale per la spinta in avanti.

Lo Short SC.1 un velivolo delta VTOL

Lo Short SC.1 è stato il primo aereo VTOL ad ala fissa britannico. L'SC.1 è stato progettato per studiare i problemi con il volo VTOL e la transizione da e verso il volo in avanti. Lo SC.1 è stato progettato per soddisfare una richiesta di gara (ER.143T) del Ministero delle forniture (MoS) per un velivolo da ricerca a decollo verticale emesso nel settembre 1953. Il progetto è stato accettato dal ministero ed è stato stipulato un contratto per due aeromobile (XG900 e XG905) per soddisfare la specifica ER.143D del 15 ottobre 1954. L'SC.1 era inoltre dotato del primo sistema di controllo "fly-by-wire" per un velivolo VTOL. Ciò ha consentito tre modalità di controllo delle superfici aerodinamiche o dei comandi degli ugelli.

Il Republic Aviation AP-100 era un prototipo di caccia d'attacco nucleare VTOL 6x General Electric J85 Turbojet progettato da Alexander Kartveli che aveva 3 ventole intubate al centro della fusoliera e della coda come possibile contendente per il programma TFX . Un altro progetto fu l' A400 AVS che utilizzava ali a geometria variabile ma fu trovato troppo complicato, tuttavia portò allo sviluppo dell'AFVG che a sua volta aiutò lo sviluppo del Panavia Tornado .

Lo Yakovlev Yak-38 era un aereo VTOL della Marina sovietica destinato all'uso a bordo delle loro portaerei leggere, navi mercantili e navi capitali. È stato sviluppato dal velivolo sperimentale Yakovlev Yak-36 negli anni '70. Prima dello scioglimento dell'Unione Sovietica, fu sviluppato un velivolo supersonico VTOL come successore dello Yak-38, lo Yak-141 , che non andò mai in produzione.

Do 31 E3 in mostra al Deutsches Museum , Germania

Negli anni '60 e all'inizio degli anni '70, la Germania progettò tre diversi velivoli VTOL. Uno usava il Lockheed F-104 Starfighter come base per la ricerca di un velivolo V/STOL . Sebbene siano stati costruiti due modelli (X1 e X2), il progetto è stato annullato a causa di costi elevati e problemi politici, nonché per le mutate esigenze dell'aeronautica tedesca e della NATO. L' EWR VJ 101 C ha effettuato decolli e atterraggi VTOL gratuiti, nonché voli di prova oltre Mach 1 a metà e alla fine degli anni '60. Uno dei velivoli di prova è conservato al Deutsches Museum di Monaco di Baviera, in Germania. Gli altri erano il caccia leggero e ricognitore VFW-Fokker VAK 191B e il trasporto (truppe) Dornier Do 31 E-3.

L' LLRV era un simulatore di astronavi per il lander lunare Apollo. È stato progettato per imitare le caratteristiche di volo del modulo lunare (LEM), che doveva fare affidamento su un motore a reazione per atterrare sulla Luna.

L'idea di utilizzare lo stesso motore per il volo verticale e orizzontale alterando il percorso della spinta è stata concepita da Michel Wibault . Ha portato al motore Bristol Siddeley Pegasus che utilizzava quattro ugelli rotanti per dirigere la spinta su una gamma di angoli. Questo fu sviluppato fianco a fianco con una cellula, l' Hawker P.1127 , che divenne successivamente il Kestrel e poi entrò in produzione come Hawker Siddeley Harrier , anche se il supersonico Hawker Siddeley P.1154 fu cancellato nel 1965. I francesi in competizione con i P.1154 aveva sviluppato una versione del Dassault Mirage III in grado di raggiungere Mach 1. Il Dassault Mirage IIIV ottenne la transizione dal volo verticale a quello orizzontale nel marzo 1966, raggiungendo Mach 1.3 in volo livellato poco tempo dopo.

V/STOL

L'Harrier viene solitamente pilotato in modalità STOVL , che gli consente di trasportare un carico di carburante o di armi più elevato su una determinata distanza. In V/STOL il velivolo VTOL si muove orizzontalmente lungo la pista prima di decollare utilizzando la spinta verticale. Ciò fornisce portanza aerodinamica e spinta e consente il decollo con carichi più pesanti ed è più efficiente. In fase di atterraggio l'aereo è molto più leggero a causa della perdita di peso del propellente ed è possibile un atterraggio verticale controllato. Un aspetto importante delle operazioni Harrier STOL a bordo delle portaerei è il ponte di prua rialzato "ski jump", che conferisce all'imbarcazione un ulteriore slancio verticale al decollo.

La copertina del marzo 1981 di Popular Science mostrava tre illustrazioni per la sua storia in prima pagina "Tilt-engine V/STOL - velocità come un aereo, atterra come un elicottero".; una storia di follow-up faceva parte del numero di aprile 2006 che menzionava "i problemi di consumo di carburante e stabilità che affliggevano i primi aerei/elicottero".

Ritirata dalla Royal Navy britannica nel 2006, la Marina indiana ha continuato ad operare Sea Harriers fino al 2016, principalmente dalla sua portaerei INS  Viraat . L'ultima versione dell'Harrier, il BAE Harrier II , è stata ritirata nel dicembre 2010 dopo essere stata utilizzata dalla Royal Air Force britannica e dalla Royal Navy. Il Corpo dei Marines degli Stati Uniti e le marine italiana e spagnola continuano a utilizzare l' AV-8B Harrier II , una versione equivalente progettata dagli americani. A sostituire l'Harrier II/AV-8B nei bracci aerei degli Stati Uniti e del Regno Unito c'è la variante STOVL del Lockheed Martin F-35 Lightning II , l'F-35B.

Droni moderni

Nel 21° secolo, i droni senza pilota stanno diventando sempre più comuni. Molti di questi hanno capacità VTOL, in particolare il tipo quadrirotore .

razzi

SpaceX ha sviluppato diversi prototipi di Falcon 9 per convalidare vari aspetti ingegneristici a bassa quota e bassa velocità del suo programma di sviluppo del sistema di lancio riutilizzabile . Il primo prototipo, Grasshopper, ha effettuato con successo otto voli di prova nel 2012-2013. Ha effettuato il suo ottavo e ultimo volo di prova il 7 ottobre 2013, volando a un'altitudine di 744 metri (2.441 piedi) prima di effettuare con successo il suo ottavo atterraggio VTVL. Questo è stato l'ultimo test programmato per l'impianto Grasshopper; i prossimi saranno i test a bassa quota del veicolo di sviluppo Falcon 9 Reusable (F9R) in Texas, seguiti da test ad alta quota nel New Mexico. }}</ref>

Il 23 novembre 2015, il razzo vettore New Shepard di Blue Origin ha effettuato con successo il primo atterraggio verticale a seguito di un volo di prova suborbitale senza equipaggio che ha raggiunto lo spazio. Il 21 dicembre 2015, il primo stadio di SpaceX Falcon 9 ha effettuato un atterraggio di successo dopo aver lanciato 11 satelliti commerciali in orbita terrestre bassa sul Falcon 9 Flight 20 . Queste dimostrazioni hanno aperto la strada a riduzioni sostanziali dei costi dei voli spaziali.

Rotorcraft

Elicottero

La forma del VTOL dell'elicottero gli consente di decollare e atterrare verticalmente, di librarsi e di volare avanti, indietro e lateralmente. Questi attributi consentono agli elicotteri di essere utilizzati in aree congestionate o isolate dove gli aerei ad ala fissa di solito non sarebbero in grado di decollare o atterrare. La capacità di librarsi in modo efficiente per lunghi periodi di tempo è dovuta alle pale del rotore relativamente lunghe, e quindi efficienti, e consente a un elicottero di svolgere compiti che gli aerei ad ala fissa e altre forme di decollo e atterraggio verticali non potrebbero svolgere almeno anche fino al 2011 .

D'altra parte, le lunghe pale del rotore limitano la velocità massima a circa 250 miglia all'ora (400 km/h) di almeno elicotteri convenzionali, poiché lo stallo delle pale in ritirata provoca instabilità laterale.

autogiro

Gli autogiri sono anche conosciuti come autogiri o girocotteri. Il rotore non è alimentato e ruota liberamente nel flusso d'aria mentre l'imbarcazione viaggia in avanti, quindi l'imbarcazione ha bisogno di un motore convenzionale per fornire spinta. Un autogiro non è intrinsecamente capace di VTOL: per VTO il rotore deve essere fatto girare fino alla velocità da un azionamento ausiliario e l'atterraggio verticale richiede un controllo preciso del momento e del passo del rotore.

giroscopio

I giroscopi sono anche conosciuti come elicotteri composti o autogiri composti. Un giroscopio ha il rotore motorizzato di un elicottero con un sistema di spinta in avanti separato di un autogiro. A parte il decollo e l'atterraggio, il rotore può essere spento e autorotante. I progetti possono anche includere ali a sbalzo per una maggiore portanza.

Cyclyro

Un ciclogiro o ciclocottero ha un'ala rotante il cui asse e le cui superfici rimangono lateralmente attraverso il flusso d'aria, come con un'ala convenzionale.

Ascensore elettrico

Convertiplane

Un convertiplano decolla sotto il sollevamento del rotore come un elicottero, quindi passa al sollevamento ad ala fissa in volo in avanti.

Tilttrotor

Un convertiplano o proprotore inclina le sue eliche o rotori verticalmente per VTOL e poi li inclina in avanti per il volo orizzontale alare, mentre l'ala principale rimane fissa in posizione.

Ventilatore canalizzato inclinabile

Simile al concetto di convertiplano, ma con ventilatori intubati. Come si può vedere nel Bell X-22 .

Tiltwing

Un tiltwing ha le sue eliche o rotori fissati a un'ala convenzionale e inclina l'intero gruppo per passare dal volo verticale a quello orizzontale.

Tail-sitter

Un tail-sitter si siede verticalmente sulla coda per il decollo e l'atterraggio, quindi inclina l'intero aereo in avanti per il volo orizzontale.

Spinta vettoriale

Il vettore di spinta è una tecnica utilizzata per motori a reazione e a razzo, in cui viene variata la direzione dello scarico del motore. In VTOL, lo scarico può essere variato tra spinta verticale e orizzontale.

Tiltjet

Simile al concetto di convertiplano, ma con motori turbojet o turbofan invece di quelli con eliche.

Getti di sollevamento

Un jet lift è un motore a reazione ausiliario utilizzato per fornire sollevamento per il funzionamento VTOL, ma può essere spento per il normale volo alare.

Ventilatori di sollevamento

La ventola di sollevamento è una configurazione di aeromobile in cui le ventole di sollevamento sono posizionate in grandi fori in un'ala o fusoliera fissa altrimenti convenzionale. Viene utilizzato per il funzionamento V/STOL.

L'aereo decolla utilizzando le ventole per fornire portanza, quindi passa alla portanza ad ala fissa durante il volo in avanti. Sono stati pilotati diversi velivoli sperimentali, ma solo l' F-35 Lightning II è entrato in produzione.

Lift tramite effetto Coandă

Gli aerei in cui si ottiene VTOL sfruttando l' effetto Coandă sono in grado di reindirizzare l'aria in modo molto simile al vettore di spinta , ma piuttosto che instradare il flusso d'aria attraverso un condotto, il flusso d'aria viene semplicemente instradato lungo una superficie esistente, che di solito è il corpo del velivolo che consente meno materiale e peso.

L' Avro Canada VZ-9 Avrocar , o semplicemente VZ-9, era un aereo canadese VTOL sviluppato da Avro Aircraft Ltd. che utilizza questo fenomeno soffiando aria in un'area centrale, quindi viene diretta verso il basso sulla superficie superiore, che è parabolico e ricorda un disco volante arcuato . A causa dell'effetto Coandă, il flusso d'aria è attratto dalla superficie più vicina e continua a muoversi lungo quella superficie nonostante il cambiamento nella direzione della superficie lontano dal flusso d'aria. L'imbarcazione è progettata per dirigere il flusso d'aria verso il basso per fornire sollevamento.

Jetoptera ha annunciato una proposta di linea di velivoli basata su quella che ha chiamato propulsione fluidica che utilizza l'effetto Coanda. L'azienda rivendica un numero di efficienza Oswald di 1,45 per il suo design ad ala di scatola. Altre affermazioni includono maggiore efficienza, funzionamento più silenzioso e scalabilità.

Galleria

Guarda anche

Riferimenti

Appunti

Bibliografia

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