lunedì, novembre 12, 2007

Aerodinamica dalla scorsa stagione

Le gare della stagione che si è appena conclusa mi hanno fornito molto materiale su cui riflettere. Dopo una stagione AVOT passata a regolare lo Stork ottenendo ottimi risultati nelle gare, ero naturalmente molto fiducioso su come il modello si sarebbe comportato nelle gare importanti. Invece è stata una delusione, dal punto di vista del comportamento e della comprensione del modello prima ancora che come risultati: il modello stallava, entrava in vite, e quel che più conta sembrava cambiare da una gara all'altra senza che in realtà io cambiassi assetti e distribuzione delle masse.
Le ultime due gare, a Trnava e Bovec, sono state una vera rivelazione. A Trnava, grazie all'aiuto di Marco Salvigni, mi sono accorto che da un lancio all'altro dovevo variare molto il trim dell'elevatore, anche di una decina di tacche, per ottenere un volo ragionevole; il modello inoltre sembrava centrato troppo indietro, anche se la prova dell'affondata partendo da una velocità di volo normale mostrava una tranquilla tendenza alla rimessa, mentre ad alta velocità ogni accelerazione portava lo Stork a picchiare ancora di più.
A Bovec, in condizioni di aria turbolenta, pilotare si traduceva per me in un frenetico gioco di stick. Ricordo le parole di Max Verardi: "complimenti, lei non pilota un modello ma un Mustang imbizzarrito!". Queste parole mi hanno spinto a riflettere con Max su cosa potesse causare un comportamento così strano; Max mi ha fatto notare che era come se avessi un brutto "doppio zero" o un forte gioco dei comandi di coda, ma controllando abbiamo visto che non c'era alcun problema di questo tipo. In effetti, tutti gli effetti di scarso controllo, isteresi, difficoltà a tenere l'assetto sembravano coerenti proprio con un quadro di imprecisioni e giochi meccanici nella trasmissione del comando. A quel punto ho però avuto un'idea: se l'evidenza mi porta a escludere giochi e isteresi meccaniche, potrebbe essere che devo cercare in cause aerodinamiche e non meccaniche l'origine dei problemi che osservo? Per scoprirlo ho deciso di contravvenire a una delle regole base del modellismo sportivo ("mai fare esperimenti in gara"), e ho applicato alle quattro superfici della coda a V dei turbolatori fatti con delle semplici strisce di nastro isolante, aggiungendo anche due turbolatori sulle parti più rastremate dei pannelli alari d'estremità. La prova in volo ha stupito immediatamente tanto me quanto Max: lo Stork si è finalmente calmato, diventando tranquillo e capace di tenere incidenze prima impossibili. Nel resto della gara ha volato benissimo, tanto nelle condizioni di piatta della sera quanto in quelle frizzanti dell'una del pomeriggio.
Tornato a casa, contentissimo ma anche incuriosito dalla scoperta, ho immediatamente cominciato a cercare una spiegazione a ciò che avevo osservato. Come prima cosa ho scaricato il data logger di bordo: comparando i due voli fatti senza turbolatori con quello subito dopo l'aggiunta (solo uno perché poi si è riempita la memoria del logger), è facile notare come l'andamento della velocità all'aria dopo l'intervento è molto più regolare, con una banda di variazione ridotta circa del 30% rispetto ai primi due voli.


La spiegazione che mi dò è che l'eliminazione dell'isteresi aerodinamica del comando abbia reso il modello meno soggetto alla sequenza di prestallo-rimessa-prestallo a cui mi ero purtroppo dovuto abituare nel corso dell'estate. Non solo: alle successive prove di volo il modello ha mostrato, diversamente da prima, un comportamento longitudinalmente instabile alla prova dell'affondata; in effetti, ricordo che anche a Bovec avevo avuto qualche avvisaglia: nei passaggi veloci che usavo per dissipare l'energia prima dell'atterreggio faticavo a contrastare una decisa tendenza del modello a picchiare. Ho dovuto avanzare il baricentro fino a 105 mm dal bordo d'entrata alla radice per ritrovare il comportamento leggermente autostabile a cui ero abituato, e incidentalmente questo è in linea con le istruzioni del fabbricante che finora avevo reputato troppo conservative.
Ho provato a esaminare con XFoil le caratteristiche per bassi Re del profilo NACA 0010 usato sullo Stork. La polare Cl/Cd per numeri di Reynolds bassi mostra un "buco" in cui la resistenza aumenta, e in corrispondenza di questo la relazione Cl/alfa si allontana molto dall'andamento ideale. Questi segni sono sintomi caratteristici della formazione di una "bolla di separazione" sul profilo: lo strato limite che aderisce all'ala, superato il punto di minima pressione, si separa dalla superficie e si forma così una "bolla" di aria a contatto con l'ala separata dalla corrente fluida; lo strato limite dopo un certo tratto può diventare turbolento, aumentando di spessore e riattaccandosi alla superficie, ma se la bolla ha dimensioni apprezzabili questo produce uno scadimento delle prestazioni. Diversi modellisti mi hanno anche detto che questa caratteristica, nota come "banda morta", è comune per i profili NACA a 4 cifre quando sono costretti a lavorare a Reynolds molto più bassi di quelli per i quali erano stati creati. Un ostacolo meccanico sul profilo può anticipare la transizione dello strato limite a regime turbolento, evitando il distacco fino al bordo d'uscita. Un effetto simile è presente anche sul profilo HN-354SM usato per l'ala, ma l'ala lavora a Re nell'ordine di 150K per i quali lo strato limite diventa turbolento spontaneamente; fanno eccezione le estremità per le quali i turbolatori possono essere utili.


Dopo avere volato per circa due mesi con lo Stork così "turbolato" mi sono convinto dell'utilità dei turbolatori, e mi sono anche dato una spiegazione di quanto mi è accaduto in questa stagione di gare. Per tutta la stagione invernale, caratterizzata dalle mie parti da aria tranquilla, ho volato con un modello in cui lo strato limite sulla coda rimaneva laminare quasi senza riattaccarsi, e per ottenere un comportamento in beccheggio che mi soddisfacese in queste condizioni ho progressivamente arretrato il baricentro fino a portarlo a 120 mm dal bordo d'entrata. Alle prime gare di primavera, le condizioni di aria più turbolenta hanno favorito una transizione anticipata dello strato limite a regime turbolento; questo effetto ha "linearizzato" la risposta della coda annullando il margine statico del modello: come risultato, stalli e viti a non finire e, naturalmente, risposta in beccheggio variabile da lancio a lancio.
Ora che volo normalmente con i turbolatori, la mia speranza è di avere meno variabilità della risposta in beccheggio, in quanto sono meno esposto al rischio di volare a volte con transizione spontanea anticipata dello strato limite, e altre volte con separazione dello strato limite fino al bordo d'uscita. Domenica ho avuto una prima conferma: ad Asti c'era vento da Sud, e in queste condizioni l'aria sul campo di volo è sempre piena di turbolenze dovute ai rotori di sottovento della collina di Vallarone, un crinale alto circa 150 metri e lungo circa 5 km. Ebbene, lo Stork ha sicuramente preso colpi in rollio e in imbardata, ma ha mantenuto un buon "tracking" in beccheggio per tutto il pomeriggio.

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