L'ala a delta

[Tuccio14]

Ho aperto questo topic facendo un banale "copia e incolla" dalla mia tesina d'esame. Spero possa essere d'aiuto a chi voglia saperne di più!

Spero che lo apprezzerete, se sì sono pronto a postare altre sezioni della tesina! Grazie in anticipo per l'attenzione.

 

Rivoluzione nell’aerodinamica:

l’Ala a Delta

L’introduzione dell’ala a delta ha permesso ai costruttori aeronautici di cimentarsi nella progettazione di modelli ad elevate prestazioni, radicalmente diversi e concettualmente avanzati rispetto a quelli classici che, nonostante si fosse già affermata la tipologia a freccia positiva, mancavano di quella estrema maneggevolezza che invece caratterizza aerei come l’F-102 Delta Dagger o il suo derivato e successore di maggior successo, l’F-106 Delta Dart. Furono infatti questi i primi rivoluzionari Delta Fighters a divenire operativi, permettendo un diretto raffronto con i loro colleghi ad ala tradizionale, in particolar modo tramite la formula del combattimento ravvicinato simulato (simulated dog-fight) dove dimostrarono un enorme potenziale ma allo stesso tempo il fatto di non aver ancora raggiunto un maturo livello di sviluppo progettuale della cellula.

 

 

L’F-102 e l’F-106

Rispondente ad un'esigenza dell'USAF per un intercettore ognitempo emessa nel 1948 i caccia F-102 ed F-106 nascono da un progenitore germanico e rappresentano la formula aerodinamica ideale con un buon sistema d'arma integrato. La configurazione dell'F-102 è un'evoluzione dell'XF-92A, un aereo sviluppato dalla Convair partendo dagli studi del Prof. Ing. tedesco Alexander Lippisch, che ha poi seguito lo sviluppo dell'intercettore. Il requisito prevedeva un nuovo velivolo ed un nuovo sistema d'arma, WS-201A, e la fiducia su quest'ultimo portò a svilupparlo prima della cellula volante. Il progetto vincitore quale sistema d'arma fu l'MX-1179 della Hughes, designato MA-1 associato ai missili aria-aria Falcon. Per quanto riguarda la cellula la scelta definitiva fu presa l'11 settembre 1951 quando fu scelto il progetto MX-1554 della Convair ed il nuovo aereo divenne F-102. Contemporaneamente però venne autorizzato anche lo sviluppo del rivoluzionario Republic XF-103 ma la sua formula esasperata portarono ad eleggere l'F-102 vincitore finale del concorso. Era prevista come motorizzazione l'uso sia del Westinghouse J40 e poi del più potente Wright J67 (un Olympus su licenza) col quale l'aereo doveva raggiungere Mach 1,88 a 17.221 m e Mach 1,93 a 18.898 m. per velocizzare lo sviluppo si decise di non realizzare prototipi e costruire direttamente aerei di pre-serie che si discostassero di poco dal velivolo di serie, rischiando però di andare incontro ad inconvenienti progettuali. Infatti questa situazione si verificò poiché l'YF-102A non raggiunse la velocità prevista e quindi si dovette procedere con estese modifiche aerodinamiche e progettuali. Il primo YF-102A era molto simile all'XF-92A e presentava le prese d'aria sdoppiate in posizione laterale e serbatoi integrali. L'armamento era interno alla fusoliera ed era costituito da sei missili Hughes GAR-1 Falcon e 24 razzi non guidati da 5,08 cm FFAR, collocati su guide direttamente sui portelli della stiva. Le prove effettuate in galleria del vento evidenziarono dei valori della resistenza aerodinamica troppo alti in regime transonico e fenomeni di buffering. Fu così che si decise di sostituire il motore J40 col P&W J57-P-11 e a lavorare ai nuovi disegni per la cellula. Si notarono anche problemi col carburante, il carrello ed il motore che non forniva la spinta promessa ed inoltre vi fu un incidente di volo ad aggravare la situazione.

 

 

Modifiche al progetto iniziale MX-1554, nasce l'F-102

Tutto ciò spinse la Convair ad accelerare i lavori e ad aiutarla arrivò il Dr. Richard Whitcomb, dal NACA, con la sua "regola delle aeree" secondo la quale per mantenere la resistenza aerodinamica bassa bisogna mantenere pressoché costanti le sezioni, e quindi restringere la fusoliera in prossimità dell'ala, determinando la nascita di quella che fu soprannominata scherzosamente dai piloti “fusoliera a bottiglia di Coca Cola”. Si procedette quindi con l'allungamento della fusoliera di 4,30 m, si aggiunsero in coda una coppia di carenature fusiformi (per migliorare il deflusso della scia), si restrinse la fusoliera nell'aerea dell'ala, si aggiunsero le piastre di separazione dello strato limite alle prese d'aria, furono aggiunte altre due alette antiscorrimento sull'ala e si incurvò il bordo d'attacco di quest'ultima, inoltre il tettuccio ebbe una forma di V sulla parte frontale. Era nato l'F-102. L'F-102 era caratterizzato da una struttura in lega leggera e dall'innovativa concezione aerodinamica con ala a delta che è molto utile nel volo supersonico ma limitativa in atterraggio e decollo, nei quali l'aereo deve assumere alti angoli d'attacco, non essendo l'ala lappabile, inoltre, poiché l'angolo d'attacco aumenta, il bordo principale dell'ala genera un vortice che rimane fissato alla superficie superiore della stessa, dando al delta un angolo di stallo molto elevato. Poiché l'ala a delta è di semplice costruzione può essere resa molto robusta (anche se è abbastanza sottile) ed è facile e relativamente economica da sviluppare, un fattore notevole nel successo dei velivolo Dassalut Mirage e MiG-21 Fishbed. Con le modifiche precedentemente esposte l'aereo riuscì a dimostrare le sue prestazioni raggiungendo Mach 1,2 in volo orizzontale (l'YF-102 raggiunse Mach 1,24 in picchiata) ed in soli 10 secondi lanciò tutti i missili Falcon ed i razzi trasportati. Furono comunque aggiunte altre modifiche, aumentando l'apertura alare di 30 cm ed allungando la deriva per risolvere i problemi di buffering e di stabilità direzionale ad alta velocità. Furono modificati poi il carrello anteriore e gli aerofreni posti alla base della deriva, che avevano dato problemi in picchiata. Col 550° esemplare venne adottata una nuova ala per aumentare la quota pratica di 1.524 m, salita quindi a 16.764 m e nel 1957 si sostituì il sistema di guida armi MG-3 con l'MG-10, vennero installati due serbatoi ausiliari da 871 litri sotto l'ala con dei pylons e vennero modificati anche gli esemplari precedenti, compresa la coda più grande. Furono poi eliminati i razzi FFAR e venne montato un sistema di acquisizione dei bersagli a raggi infrarossi con testa cercante posta avanti il canopy. La versione TF-102 era dotata di posti affiancati, prese d'aria spostate in avanti ed in basso e la sezione anteriore era ingrandita, tanto da limitare l'aereo a voli subsonici. Fu proposta anche una versione F-102C con motore J57-P-47 e struttura irrobustita ma venne abbandonato. Il QF-102A era una versione bersaglio telecomandato così come lo era la PQM-102B che hanno in comune la possibilità di essere anche pilotati, mentre il PQM-102A non era dotato di apparati di guida nell'abitacolo e quindi poteva essere comandato solo da terra. Il motore J57-P-11 da 4.944 kg/spinta a secco e 6.577 kg/spinta con A/B dei primi esemplari fu sostituito negli ultimi modelli con il -23 da 5.307/7.802 kg/spinta e si potevano montare serbatoi esterni da 1.628 litri.

 

 

Dal Dagger al Dart

L'F-102A era considerato un aereo ad "interim" aspettando che fosse pronto il definitivo F-102B. Questa versione però era talmente differente da mantenere in comune solo la configurazione a delta e fu così che il 17 giugno 1956 l'aereo fu denominato F-106A Delta Dart. La specifica dell'USAF, emessa nel settembre 1956, richiedeva un caccia compatibile col sistema SAGE (Semi-Automatic Ground Environment) in grado di operare con esso con un raggio d'azione di 692 km ad una quota di 21.336 m, in grado di volare a Mach 2 fino a 10.668 m ed usare il sistema di controllo delle armi MA-1. Col SAGE l'aereo automaticamente veniva portato verso il bersaglio e sganciava le armi mentre il pilota serviva solo durante il decollo e l'atterraggio anche se aveva la priorità sul SAGE e poteva sganciarsene in qualsiasi momento. Tale sistema ha dimostrato la sua efficacia ed affidabilità tanto che è rimasto in servizio per molti anni. L'ala dell'F-106 era molto simile a quella del predecessore ma la fusoliera differiva molto, con le prese d'aria arretrate e con rampe mobili in modo che potessero essere efficienti in ogni assetto e manovra. La deriva era nuova, con un disegno più rastremato e venne modificato anche il carrello. L'armamento, totalmente missilistico, era trasportato nella stiva interna e composto da un Douglas MB-1 (Air-2A e Air-2B) Genie non guidato con testata nucleare e da quattro Hughes GAR-3 Falcon a guida radar o quattro GAR-4 a guida IR. Il primo volo avvenne il 26 dicembre 1956 ma le prestazioni furono deludenti e quindi il motore P&W J57-P-9 fu sostituito dal più potente J57-P-17 da 7.802 kg/spinta a secco e 11.113 kg/spinta con A/B. L'abitacolo era dotato di barra di controllo ad impugnatura sdoppiata per non influenzate la vista dell'HSI (Horizontal Situation Indicator) e nell'ultima serie costruttiva fu dotato di strumenti a sviluppo verticale. Col proseguire della produzione vennero apportate varie modifiche come la sostituzione delle alette antiscorrimento con fessure sul bordo d'attacco alare, sedili eiettabili in regime supersonico, sistema MA-1 migliorato, ali con nuovo camber al bordo d'attacco e serbatoi esterni da 871 litri. Alcuni vennero anche dotati di ganci d'arresto, mentre l'intera flotta ricevette un TACAN, il sistema di rifornimento in volo ed i serbatoi supersonici da 1.363 litri. Le prove dimostrarono le capacità di dogfight dell'F-106 e quindi fu eliminato l'inutile razzo atomico nella stiva sostituito da un cannone Vulcan poiché la Guerra del Vietnam dimostrò l'utilità di un'arma fissa. Fu creato anche l'F-106B da addestramento con posti in tandem che manteneva le prestazioni e le capacità, tranne il cannone, del monoposto. L'F-106C/D era una versione dotata di alette canard, motore Pratt & Whitney JT4B-22 con prese d'aria rettangolari ma non ebbe vita così come non la ebbe l'F-106E/F con radar "lock-down" e muso allungato. Dall'F-106A invece si derivò la versione teleguidata QF-106A che è stata utilizzata anche dalla NASA in prove di traino. Infatti alcuni QF-106A furono dotati di un sistema di sganci/aggancio per collegarsi ad un cavo ed essere trainati da C-141.

 

 

L’eredità dei primi Delta Fighters

Tuttora alcuni esemplari di Delta Dart e Delta Dagger sono ancora in condizioni di volo e potrebbero ancora stupire per l'eccezionale adattabilità della loro formula, tanto che la quasi totalità dei velivoli da combattimento costruiti ai giorni nostri adotta la formula delta-canard, la quale ha riscontrato notevole successo soprattutto nei modelli di progettazione e costruzione europea quali sono l’Eurofighter EF-2000 Typhoon, il Dassalut Rafale o il SAAB JAS-39 Gripen. L’introduzione delle alette canard porta vantaggi riscontrabili soprattutto nel volo a bassa quota dato che il flusso sull’ala varia considerevolmente e favorevolmente. Rispetto ai delta puri la moderna concezione delta-canard (chiamata inizialmente euro-canard) permette l‘esecuzione di manovre estreme, migliora la maneggevolezza alle basse velocità, abbassa la velocità di stallo (anche grazie alla possibilità, assente in un delta puro, di poter montare flaps e slats) e riduce la resistenza nel volo rettilineo uniforme grazie ad una diminuzione dell’incidenza necessaria per sviluppare portanza, pur mantenendo i vantaggi di un’elevatissima manovrabilità, robustezza dell’ala (nonostante siano molto sottili le ali a delta sono molto robuste dato che la formula permette di concentrare notevolmente i volumi della cellula) e grande volume interno, caratteristica quest’ultima sfruttata soprattutto nei primi bombardieri strategici a reazione inglesi come il celeberrimo Avro Vulcan, dalla sagoma inconfondibile. Soprattutto nei velivoli da caccia moderni, compresi quelli con ala tradizionale, si notano gli effetti dello studio dell’ala a delta: a cominciare dal Concorde e dal SAAB Viggen si è cominciato ad applicare alla radice dell’ala un raccordo con la fusoliera con un nuovo disegno (delta compound) tale da permettere al vortice high-lift generato di rimanere aderente al dorso riducendo ulteriormente l’angolo di incidenza necessario per il volo rettilineo uniforme e l’atterraggio.

[brain_use]

Interessante disamina riassuntiva.

Si potrebbe approfondire e pubblicare come articolo.

[lender]

Il tuo contributo è molto interessante, anche perchè di solito quando si parla di "delta" si parla solo di mirage, grazie! Come non addetto ai lavori apprezzo molto queste sintesi, spero solo di trovare il tempo per rileggerla con calma.

[Tuccio14]

Grazie mille, mi fa piacere che apprezziate!

 

Chiedo permesso a chi di competenza per aprirne altri simili.

[pietro.trx]

Molto interessante, veramente . Io ero molto interessato riguardo la formula delta+canard, tipo typhoon, rafale e gripen. Volevo sapere come erano ripatiti i comandi rispetto alle superfici mobili (cosa permette il rollio, cosa il beccheggio, cosa frena, ecc). Grazie infinite.

[Takumi_Fujiwara]

permette l‘esecuzione di manovre estreme, migliora la maneggevolezza alle basse velocità, abbassa la velocità di stallo (anche grazie alla possibilità, assente in un delta puro, di poter montare flaps e slats)

 

Aggiungo solo una piccola correzione. L'ala a delta puro non preclude la possibilità di installare gli slat. Il Mirage 2000, pur essendo un Fly-by-wire, è un delta puro come configurazione aerodinamica ma monta gli slats.

Molto interessante il post cmq..

[Flaggy]

Molto interessante, veramente . Io ero molto interessato riguardo la formula delta+canard, tipo typhoon, rafale e gripen. Volevo sapere come erano ripatiti i comandi rispetto alle superfici mobili (cosa permette il rollio, cosa il beccheggio, cosa frena, ecc). Grazie infinite.

Il controllo sull'asse di imbardata è come di consueto delegato al timone verticale.

 

Anche intorno all'asse di rollio la manovra viene effettuata con l'uso differenziale degli alettoni, o ad alta velocità delle superfici mobili più interne.

Nell'EF-2000 i canard non lavorano in modo differenziale e non contribuiscono al rollio come può avviene su aerei dotati di piani orizzontali di coda, a causa del flusso asimmetrico che investirebbe le ali subito dietro.

Sul Rafale, in cui i canard sono più arretrati e meno caricati, la cosa mi pare sia possibile, come si vede in questo filmato.

http://www.youtube.com/watch?v=cbJdeVkQGa8

 

Sull'asse di beccheggio agiscono invece i canard che si muovono all'unisono e le superfici mobili al bordo d'uscita dell'ala a delta (elevoni).

Tipicamente in decollo i canard ruoteranno verso l'alto incrementando la portanza sul muso e le superfici al bordo d'uscita si alzeranno determinando una deportanza (concentrata verso il bordo d'uscita alare e quindi nella parte posteriore del velivolo) che fa ruotare verso il basso la coda.

In questo modo il velivolo alza il muso e incrementa così l'incidenza e con essa la portanza complessiva, permettendone il decollo.

 

Per frenare in volo Gripen ed EF-2000 usano gli aerofreni (rispettivamente sui fianchi posteriori della fusoliera e sul dorso) mentre il Rafale, che ne è privo, fa un uso opportuno delle normali superfici mobili che ruotano in modo da produrre effetti contrastanti e quindi col solo risultato di aumentare la resistenza.

A terra i canard possono essere ruotati in modo da contribuire ad accorciare lo spazio di frenata in atterraggio.