Sulla progettazione dei longheroni alari dei modelli di aliante di grandi dimensioni

In un momento in cui sempre più modellisti investono somme considerevoli nell’acquisto di grandi alianti già pronti, ci si può chiedere se abbia ancora senso descrivere una tecnica di costruzione di Holmen. Le righe che seguono lo confermano, poiché si incontrano ancora modellisti «autentici e tenaci» che sviluppano e costruiscono i propri modelli, sia per risparmiare che per il piacere di creare. Se poi si tratta di modelli straordinari, si preferisce occuparsi personalmente della costruzione, evitando così di acquistare un cavallo di Troia di cui non si sa cosa nasconda nel ventre, o meglio, nelle ali portanti. Ho avuto l’occasione di assistere alla rottura di un’ala di un Duo Discus con apertura alare di 6,7 m

durante il volo a velocità media, proveniente da una fabbrica tedesca nota per i suoi grandi alianti. La struttura dell’ala era concepita in modo tale che non l’avrei mai utilizzata per la costruzione di un modello con un’apertura alare di 4 m. Non si dovrebbe però cadere nell’altro estremo, che talvolta si trova descritto nelle riviste specializzate e in cui il modellista parla con grande orgoglio della sua ala in cemento (l’omissione del ferro è sorprendente: il cemento non armato non è molto resistente!). Se un’ala deve essere «cementificata» per resistere alle sollecitazioni di un volo intenso, ciò significa che la sua progettazione aerodinamica è errata, spesso a causa della combinazione di profili con curvature e alari di portanza che non presentano alcuna differenza.

In questo contesto, con il termine “longherone” si indicano le centine che, insieme all’anima, formano il longherone. Le ali di un aliante sono soggette a due sollecitazioni principali: la flessione e la torsione. La resistenza alla flessione è assorbita per il 90% dal longherone, mentre il restante 10% è assorbito dal rivestimento dell’ala. La torsione, invece, è assorbita interamente dal rivestimento dell’ala2⁾. Nella struttura «a sandwich» dei nostri modelli, l’installazione di un longherone correttamente dimensionato consente di ipotizzare sollecitazioni elevate dovute alla flessione. Queste sollecitazioni sono causate essenzialmente dalla portanza dell’ala. In volo orizzontale, la portanza corrisponde approssimativamente al peso del modello. Poiché la portanza e il peso dell’ala sono distribuiti su tutta l’apertura alare, si può ritenere che il peso dell’ala non provochi alcun momento flettente nell’ala (momento = prodotto di un carico per il braccio di leva sul punto di rotazione). Al contrario, la fusoliera, che non genera alcuna portanza, rappresenta il carico che la portanza deve compensare durante il volo orizzontale. Tuttavia, ogni

variazione delle condizioni di volo comporta una variazione del carico esercitato dalla fusoliera a causa della forza centrifuga (volo a spirale, virata rapida, cabrata, ecc.). Ricordiamo ancora una volta che la forza centrifuga dipende direttamente dal peso del modello e dal quadrato della sua velocità e che, ad esempio, raddoppiando la velocità, il peso aumenta di quattro volte. Troppo spesso non ci si rende conto che i nostri modelli, e in particolare quelli della categoria F3B, sono sottoposti a fattori di carico che possono raggiungere valori superiori a 30, ovvero trenta volte il peso del modello. Ricordiamo che il fattore di carico g corrisponde all’accelerazione di gravità; g = 10 corrisponde a dieci volte il peso del modello. A questo proposito va osservato che i grandi velivoli non sono progettati per sopportare fattori di carico così elevati come quelli dei nostri modelli, poiché il corpo umano non sarebbe in grado di resistervi a lungo, nonostante le cosiddette combinazioni anti-g. Alla luce di queste considerazioni, si constata che i longheroni dei nostri modelli devono sopportare sollecitazioni molto elevate; si tratta quindi di costruirli in modo solido, ma non troppo rigidi né troppo leggeri. Questa quadratura del cerchio è stata poi risolta con l’avvento delle fibre di carbonio. I filati (chiamati «roving» o «fili stratificati») sono costituiti da un numero infinito di fili di carbonio, a loro volta composti da singole fibre. L’unità di misura è il tex (1 tex = 1 g per 1000 m) oppure il numero di singole fibre, ad esempio NF24 = 24.000 singoli filamenti nel roving (NF = fibra normale). Per la produzione di un longherone è necessario utilizzare un determinato numero di filamenti destinati alla radice dell’ala, calcolato in base a una semplice formula approssimativa:

Ho adattato il metodo utilizzando nastri di carbonio al posto dei fili nel modo seguente: Vorrei
costruire un aliante di grandi dimensioni del modello ASG-29 in scala 1:2, ovvero con un'apertura alare di 9 m. Il peso massimo previsto è stimato in 29,999 kg, il che ci ha permesso di evitare di comparire davanti alla grande giuria degli specialisti dell’OFAC, che a partire dai 30 kg sottopongono i modelli a prove estreme che non si verificherebbero mai in volo, per poi rilasciare un libretto di volo in cui devono essere riportati tutti i voli effettuati con i relativi dati. Il profilo scelto, HQ 2,5/16–12, è relativamente basso, con un’altezza alla radice dell’ala di 58 mm, ridotta a 55 mm ai fini dei calcoli. Il numero di fili NF24 è quindi:

Numero di roving NF24

$$= 1,5 \frac{12 \times 30 \times 9}{55} = 88$$

Questa formula, risalente a oltre 20 anni fa, è stata calcolata per i filati NF24, un’unità oggi quasi caduta nell’oblio e sostituita dal tex. Nel catalogo di Swiss-Composite3⁾ si trova l’equivalente, ovvero 24 000 fili = 1600 tex (1 km di questo filato pesa 1600 g). Quindi 88 matasse NF24 = 88 × 1600 = 140 800 tex. Per raggiungere un tale numero di tex, è necessario utilizzare più matasse. Secondo questo catalogo, è disponibile una matassa di tipo 60K che contiene 3600 tex.

Occorre quindi:

$$\frac{140\,800}{3600}$$

= 39 fasci di tipo 60K alla radice dell’ala

Questa tecnica è tuttavia difficile da applicare, poiché è necessario praticare una fessura nell’anima il cui volume corrisponda esattamente al volume di 39 filamenti impregnati di resina epossidica e sfibrati dall’umidificazione. Ho utilizzato questa tecnica per la costruzione di un ASH-25 da 8,3 m: è fattibile, ma complicata. Per la costruzione dei miei modelli successivi ho realizzato il longherone separatamente e l’ho poi inserito nell’anima al momento della formatura dell’ala. Al posto dei filamenti ho utilizzato nastri piatti in carbonio, costituiti longitudinalmente da diversi fasci di fibre e tenuti insieme trasversalmente da fibre di vetro, per facilitarne la lavorazione. La larghezza del longherone è determinata dalla larghezza dei nastri. Ho scelto un nastro da 350 g/m², largo 25 mm, 800 tex 12K, ovvero composto da 12 singoli fasci di fibre da 800 tex ciascuno. Un nastro di questo tipo contiene quindi 800 × 12 = 9600 tex. Poiché il

longherone deve contenere 140.800 tex alla radice dell’ala, ne occorrono quindi

140.800

9.600

= 15 nastri

La funzione del longherone è quella di assorbire il momento flettente dell’ala, che raggiunge il valore massimo all’altezza della radice dell’ala e si riduce fino a zero in corrispondenza della punta dell’ala. È quindi necessario tenere conto di tale riduzione. È possibile calcolarla suddividendo l’apertura alare in più intervalli e calcolando il momento flettente per ciascuno di essi. Tracciando graficamente i valori ottenuti (asse y del grafico) in funzione dell’apertura alare (asse x del grafico), non si ottiene una retta, ma una curva che si avvicina asintoticamente all’asse x (asintoto). In pratica ciò significa che la diminuzione del numero di

traverse deve seguire l’andamento della curva calcolata. Ho evitato calcoli laboriosi disegnando un grafico in scala 1:200, in cui sull’asse x ho riportato la campata di un’ala, ovvero 450 cm, e sull’asse y il numero di nastri, ovvero 15. Con l’aiuto di un righello curvo ho tracciato una curva che scende lungo l’asse delle ascisse fino a un valore di 2 nastri all’altezza della punta dell’ala. Successivamente, per ogni numero di nastri (da 1 a 15), come indicato sull’asse y, ho tracciato delle linee orizzontali. E in ogni punto di intersezione con la curva ho tracciato una linea verticale sull’asse x. In questo modo ho ottenuto la distribuzione del numero decrescente di nastri lungo l’apertura alare, mantenendo due nastri all’altezza della punta dell’ala (**vedi grafico**).

Poiché ho diviso l'ala in due parti per facilitarne il trasporto, ho realizzato anche ciascun longherone in due parti, di cui la prima era lunga 266 cm. Avvitare 2 profili angolari in alluminio lunghi 300 cm (listelli sottili per tende o simili) parallelamente su una tavola di 8×300 cm, ricoperta di pellicola di plastica, a una distanza corrispondente alla larghezza della fascia, nel caso specifico

25 mm. Preparare una listella di legno da 25 × 15 mm della stessa lunghezza del longherone e rivestirla completamente con del nastro adesivo sottile (nastro da imballaggio marrone). Questa listella deve poter essere inserita esattamente tra i due profili angolari. Segna sull’asse di base la distribuzione delle distanze a partire dalla radice dell’ala e il numero corrispondente di nastri. Tratta più volte con cera per casseforme la

, i profili angolari e la pellicola di plastica. Fissare il rotolo con il nastro in carbonio in modo che si srotoli facilmente, quindi stendere gli strati sovrapposti di nastro tra i due profili angolari metallici, iniziando da quello più lungo (**vedi foto**): tamponale a lungo con un pennello intinto nella resina epossidica, in modo da utilizzare il meno possibile di resina. Una volta posate tutte le strisce, premi il listello di legno tra i due profili angolari e inserisci il tutto in un sacco per il vuoto. Utilizza la potenza massima della pompa a vuoto (–800 nel caso in questione). Un vuoto elevato consente di rimuovere la resina in eccesso dai nastri tra la listella di legno e i profili angolari, ottenendo così un rapporto quasi ottimale tra fibre e resina. Dopo la polimerizzazione della resina, estrai il longherone dallo stampo e lascialo indurire per 3–4 giorni su una superficie piana. A volte è necessario svitare i profili angolari per separare il longherone, nonostante un buon trattamento preventivo con la cera di sformatura. Ora non resta che «levigare» i residui di resina e rimuovere i residui di cera con benzene puro. È possibile irruvidire ulteriormente le superfici del longherone con carta abrasiva a grana 80 per migliorare l’adesione della resina durante l’inserimento nell’anima dell’ala.

Per il resto della costruzione, pratico un'incisione nella parte superiore dell’anima che corrisponda esattamente allo spessore decrescente del longherone, utilizzando un blocco abrasivo da 25 × 300 mm (carta vetrata n. 80, incollata su una tavola di 25 × 300 mm). Con un filo caldo, pratico un'incisione fino a metà dello spessore dell'anima, corrispondente alla larghezza dell'anima. La parte superiore dell'anima deve essere allineata con il piano inferiore dell'incisione sul longherone. Indurimento-

Lascia asciugare. Esegui le stesse operazioni sul lato inferiore. Questo metodo evita qualsiasi rischio di deformazione del profilo, che potrebbe verificarsi se si tagliasse l’intero spessore dell’anima per inserire una traversa in un unico pezzo. Spennella un longherone con resina epossidica e inseriscilo nell’incisione sul lato superiore. Imbevi una doppia trama di fibre di carbonio, con orientamento a 45°, 160 g/m², posizionala sull’anima e ricoprila con il rivestimento in abachi. Fissa il tutto con alcuni nastri adesivi, capovolgi l’ala e ripeti le stesse operazioni. Inserisci il tutto, insieme allo stampo, in un sacco a vuoto e avvia la pompa.

Questo metodo di costruzione mi ha permesso di ottenere un peso in volo del modello pari a 25,5 kg, inclusi 16 servocomandi, batterie da 1600 g e 1500 g di piombo. Mi dispiace, signori giudici dell’OFAC, non c’è nulla da controllare!

Dominique Baer

Foto: Ludovic Perrenoud

Traduzione in tedesco:

Evi Wagner

(Per ulteriori informazioni: dominiquebaer@gmail.com)