Boeing CH-47 Chinook: perché due rotori possono sostituire il rotore di coda

La soluzione a rotori tandem, la trasmissione sincronizzata e la gestione delle coppie: come funziona uno dei sistemi più ingegnosi dell’ingegneria elicotteristica.

Il Boeing CH-47 Chinook si riconosce a colpo d’occhio: fusoliera lunga e squadrata, portellone posteriore a tutta larghezza e due rotori a tre pale, uno sopra la cabina di pilotaggio e uno su un pilone più alto, in coda. Manca ciò che su un elicottero ci si aspetta di trovare, il rotore di coda. Eppure la macchina non gira su se stessa, nemmeno alla massa massima di 24.494 kg che Boeing dichiara per il CH-47F Block II.

Il motivo per cui gli altri elicotteri hanno bisogno di quel rotore è un problema di fisica elementare. Il motore fa girare il rotore principale, il rotore spinge l’aria verso il basso e l’aria risponde, per il principio di azione e reazione, con una coppia uguale e contraria applicata alla fusoliera. Se nessuno la contrasta, la cabina ruota nel verso opposto a quello delle pale. Il rotore di coda è il rimedio classico: spinge di lato la trave di coda e crea un momento che si oppone alla coppia di reazione, assorbendo però parte della potenza dei motori.

MOMENTO: l’effetto di una forza che fa ruotare, tanto più forte quanto più è lontana dal centro di rotazione.

Il Chinook sceglie un’altra strada. Invece di compensare la coppia di un rotore con la spinta laterale di un secondo organo, usa due rotori che girano in versi opposti, in modo che le coppie di reazione si sottraggano. Detta così sembra una riga di manuale. Per farla funzionare servono una trasmissione che tiene i due rotori in relazione fissa, comandi che distribuiscono gli ordini del pilota su due dischi e un’aerodinamica meno pulita di quanto lo schema lasci intendere. Il funzionamento del Chinook si capisce meglio un pezzo alla volta.

La configurazione a rotori tandem: come è fatto il Chinook

Due rotori principali, una sola macchina volante

Ogni rotore del CH-47F Block II ha un diametro di 18,29 metri e tre pale. L’anteriore sta sul pilone sopra la cabina di pilotaggio, il posteriore sul pilone di coda, più alto, che ospita anche i due motori. Boeing indica una lunghezza di 30,14 metri a rotori in rotazione: sottraendo il diametro si ricava una distanza fra gli assi di circa 11,85 metri, poco più di sei decimi del diametro, e quindi una sovrapposizione dei dischi (i cerchi descritti dalle pale in rotazione) di circa un terzo del diametro. È un calcolo fatto su dati del costruttore, non una quota ufficiale, e vale per il Block II.

Le pale non si urtano perché i dischi stanno a quote diverse e perché la posizione angolare dei due rotori è mantenuta in relazione fissa dalla meccanica, come vedremo. Cambia anche la divisione del lavoro rispetto a un elicottero convenzionale: lì un rotore sostiene il peso e il rotore di coda controlla imbardata e coppia, qui entrambi i rotori danno portanza e si ripartiscono i compiti di controllo. Mancano piano di coda orizzontale e deriva. Secondo uno studio sulla dinamica di volo del CH-47 la disposizione dei rotori rende impraticabile il piano orizzontale, e il pilone posteriore offre solo un piccolo contributo alla stabilità laterale. In compenso, nota Boeing, il portellone si usa senza i limiti di spazio imposti da un rotore di coda.

I due rotori non vanno immaginati identici: stesso diametro e stesso numero di pale, ma quote diverse, un posteriore che lavora in parte nella scia dell’anteriore e comandi che non li trattano allo stesso modo.

Perché i rotori ruotano in direzioni opposte

Visto dall’alto, il rotore anteriore gira in senso antiorario e il posteriore in senso orario. La controrotazione serve a dare ai due momenti di reazione segni opposti.

Un momento è una forza moltiplicata per un braccio, $M = F × r$. Per un rotore conviene scriverlo come coppia all’albero, $Q = P/Ω$: la potenza assorbita divisa per la velocità angolare (quanto in fretta gira). Quella coppia passa all’aria attraverso le pale e torna uguale e contraria sulla fusoliera attraverso mozzo e trasmissione. Con i rotori in versi opposti, il momento netto sulla fusoliera è la differenza tra le due coppie, non la somma.

Ma la differenza non è zero per decreto. Con regimi legati dalla meccanica, le due coppie sono uguali solo se i rotori assorbono la stessa potenza, e questo dipende da come il carico si ripartisce fra anteriore e posteriore: passo delle pale, (l’angolo con cui incontrano l’aria), baricentro (il punto in cui si può pensare concentrato il peso), interferenza tra le scie (ogni rotore disturba l’aria dell’altro). Il modello di volo del CH-47B dello stesso studio indica differenze di coppia modeste in volo livellato, dovute ai comandi differenziali e alle interazioni fra le scie, e compensate con piccoli input di ciclico laterale differenziale (l’angolo con cui incontrano l’aria). La controrotazione crea la condizione di partenza; il bilanciamento lo completano la distribuzione della potenza e il sistema di controllo.

L’interazione aerodinamica tra i due rotori

Due dischi parzialmente sovrapposti non si ignorano. Prove NASA su modelli di rotori tandem hanno mostrato che i vortici delle pale anteriori modificano il carico aerodinamico sul rotore posteriore lungo il giro, e che l’interferenza sull’inclinazione laterale dei rotori contribuisce a variazioni del trim in imbardata con la velocità (NASA NTRS 19630012236). In hovering, uno studio del NASA Ames riporta, per una configurazione di prova con sovrapposizione del 76% del raggio, una potenza indotta superiore del 14% rispetto a un rotore isolato di pari area; oltre 1,03 diametri di distanza fra gli assi le prestazioni erano quasi quelle di due rotori isolati. Sono risultati di modello: non li trasformo in un rendimento del Chinook.

In volo avanzato il quadro è asimmetrico. Secondo un lavoro presentato alla Vertical Flight Society, il rotore posteriore resta sempre sotto l’influenza dell’anteriore, mentre l’effetto sull’anteriore si attenua con la velocità, e i modelli di inflow (che descrivono come l’aria attraversa i rotori) di macchine come il CH-47 dipendono ancora da correzioni empiriche. Lo studio sulla dinamica di volo ne mostra una conseguenza: una perturbazione della velocità verticale aumenta la spinta del rotore anteriore e riduce quella del posteriore, con un momento a cabrare destabilizzante. La ripartizione del carico, in ogni caso, non è un dato fisso: l’equilibrio dei momenti la lega alla posizione del baricentro, e cambia con i comandi e con la velocità.

Il cuore meccanico: la trasmissione del Chinook

Dai motori ai rotori

Le due turbine Honeywell T55-GA-714A del Block II erogano 4.777 cavalli all’albero ciascuna e stanno sul pilone posteriore. Nel sistema di trasmissione di questo elicottero la potenza segue un percorso preciso: motori, trasmissioni di motore, trasmissione di combinazione, alberi di trasmissione, trasmissioni anteriore e posteriore, rotori. Nella descrizione del CH-47D la trasmissione anteriore sta nel pilone anteriore sopra la cabina, quella di combinazione sul lato anteriore del pilone posteriore, quella posteriore subito dietro. A ogni stadio il numero di giri scende e la coppia sale: una turbina gira a regimi altissimi, mentre un rotore da diciotto metri deve girare lentamente, perché le estremità delle pale non possono avvicinarsi alla velocità del suono. La riduzione complessiva è quindi grande e distribuita su più stadi.

Boeing parla per il Block II di una trasmissione migliorata, senza che i dettagli siano pubblici. Quello che segue descrive l’architettura documentata per le versioni precedenti, e va letto come tale.

Il ruolo della trasmissione principale

Se una trasmissione merita il nome di principale è quella di combinazione, perché è dove la potenza dei due motori converge prima di ripartire verso i due rotori. La scelta ha una ragione che si capisce subito: i rotori devono ricevere potenza da una sorgente comune. Ciascun motore ha nella propria trasmissione una frizione a ruota libera (un dispositivo che trasmette il moto in un solo verso) che lo scollega in caso di avaria, e il rotore continua a girare, trascinato dall’altro motore. Con un motore per rotore, un’avaria produrrebbe proprio lo squilibrio di coppia che l’architettura vuole evitare.

Ogni trasmissione ha il proprio circuito di lubrificazione, raffreddato ad aria e monitorato in cabina. Una precisazione: la trasmissione porta potenza e regime ai rotori, ma non decide l’angolo delle pale. Questo compito spetta ai comandi di volo, una catena distinta che incontreremo più avanti.

Gli alberi di sincronizzazione

Dalla trasmissione di combinazione la potenza raggiunge le trasmissioni anteriore e posteriore attraverso tratti di albero che corrono sopra la fusoliera. Gli alberi fanno due cose: portano potenza e legano in modo rigido le posizioni angolari dei due rotori. Quando una trasmissione gira, girano anche le altre, e finché i rotori sono in fase le pale dei due mozzi non si toccano.

Foto: USAF/Boeing

Conviene separare due grandezze che nel linguaggio comune si confondono. Il regime di rotazione dice quanti giri al minuto compie un rotore. La fase dice dove si trova, in ogni istante, una pala dell’anteriore rispetto a una pala del posteriore. Due rotori possono girare allo stesso regime con la fase sbagliata: pensate alle dita di due mani che si incrociano, il ritmo può essere identico, ma basta un anticipo di un dito perché si urtino. La fase è una proprietà geometrica imposta dalla meccanica. Il regime dipende invece dalla potenza disponibile e dalla regolazione dei motori.

Perché il Boeing CH-47 Chinook non ha bisogno del rotore di coda

La coppia di reazione negli elicotteri convenzionali

In un elicottero a rotore singolo la coppia di reazione agisce su un solo mozzo, e il rotore di coda deve produrre un momento pari: la sua spinta $F$, moltiplicata per il braccio $r$ fino all’asse del rotore principale, deve eguagliare la coppia $Q$ del rotore principale. L’equilibrio va mantenuto a ogni variazione di potenza, ed è il motivo per cui il rotore di coda è collegato alla trasmissione e ha il proprio comando, i pedali. Nel UH-60 messo a confronto con il Chinook la pedaliera è spostata in hovering proprio per bilanciare la coppia del rotore principale.

La soluzione del Chinook: due coppie che si sottraggono

Nel Chinook non c’è un secondo organo da dimensionare: l’equilibrio si cerca tra i due rotori. Indichiamo con $Q_a$ e $Q_p$ le coppie trasmesse alla fusoliera dal rotore anteriore e dal posteriore. Hanno versi opposti, quindi il momento d’imbardata che ne risulta è proporzionale a $Q_a − Q_p$. Poiché $Q = P/Ω$, a regimi uguali la differenza dipende solo dalla differenza di potenza assorbita: se le potenze coincidono i momenti si annullano, se no resta un residuo. Nel modello del CH-47 le coppie tendono a bilanciarsi senza input vistosi, e bastano correzioni piccole.

Equilibrare le coppie non basta a rendere stabile la macchina in imbardata, e le due cose vanno tenute separate. Lo stesso studio, sul modello matematico del CH-47B, trova un modo di Dutch roll (un’oscillazione in cui imbardata e rollio si alternano) instabile per tutto l’intervallo di velocità: la stabilità direzionale è piccola, la fusoliera dà un contributo destabilizzante e le inerzie elevate riducono lo smorzamento (la capacità di spegnere le oscillazioni). Senza rotore di coda e senza deriva, la stabilità deve arrivare da un sistema di controllo. Per il Block II Boeing cita una cabina con architettura avionica comune e un sistema digitale di controllo automatico del volo.

Come viene controllata l’imbardata

Viene da pensare che per far girare la macchina basti squilibrare le coppie, dando più passo a un rotore e meno all’altro. È ciò che fanno gli elicotteri coassiali (con i due rotori sovrapposti sullo stesso asse), dove la differenza di collettivo tra i due rotori genera il momento di imbardata. Nel Chinook il collettivo differenziale (più passo su un rotore e meno sull’altro) ha un altro mestiere: governa il beccheggio (il muso che si alza o si abbassa), come vedremo nel capitolo sui comandi.

L’imbardata si ottiene con il ciclico laterale differenziale. I due rotori vengono inclinati di lato in versi opposti, così le componenti laterali della spinta sono opposte e applicate ai due estremi della fusoliera. Due forze uguali e contrarie a distanza formano un momento, $M = F × r$, con un braccio dell’ordine della metà della distanza fra i mozzi se il baricentro è centrale, e la macchina ruota attorno all’asse verticale, il comando in cabina è la pedaliera, la differenza di coppia non sparisce per questo: resta come effetto collaterale di altri comandi e va compensata, ma non è lo strumento scelto per dirigere il muso.

Come vola il Chinook: comandi di volo e controllo dei rotori

Il passo collettivo e il passo ciclico

Il collettivo cambia l’incidenza (l’angolo con cui le pale incontrano l’aria) di tutte le pale di un rotore nella stessa misura e fa variare la portanza. Il ciclico la cambia a seconda della posizione della pala sul disco, e così inclina il vettore di spinta (la direzione in cui il rotore spinge). Per la fisica di entrambi rimando a un altro mio articolo, Come vola davvero un elicottero: la fisica del rotore, i comandi, i fenomeni aerodinamici e i limiti del volo verticale, dove trovate il discorso completo. Qui interessa che cosa cambia quando i rotori sono due.

Il controllo longitudinale e laterale

Il modello di volo del Chinook usa quattro comandi, che riassumo nella seguente tabella:

La riga più insolita della tabella è la seconda (collettivo differenziale, riquadro b della figura). Portando in avanti il ciclico, il pilota del Chinook non inclina i dischi in avanti come su un elicottero convenzionale: la spinta del rotore posteriore aumenta e quella dell’anteriore diminuisce, la fusoliera si abbassa di muso e il vettore di spinta si inclina con lei. Lo stesso studio segnala che, per limitare gli assetti eccessivi ad alta velocità, sul CH-47B si aggiunge un ciclico longitudinale programmato con la velocità.

Il pilota non agisce direttamente su due rotori. Fra la cabina e le teste rotoriche ci sono tubi di comando e gruppi di miscelazione (meccanismi che combinano i comandi del pilota) e nelle versioni più recenti un sistema digitale di controllo automatico.

Perché scegliere una configurazione tandem?

Il vantaggio più citato è anche il più ovvio: senza rotore di coda, nessuna quota di potenza va a un organo che non sostiene il peso. Va però “pesato”, nel senso che parte di quel guadagno si restituisce sotto forma di interferenza tra i rotori, come abbiamo visto: la potenza indotta può crescere rispetto a due rotori isolati. Il bilancio dipende dalla geometria, e per il Chinook non ho trovato un dato verificabile da riportare.

La portanza è distribuita su due dischi, e la fusoliera può restare lunga e libera da ostacoli, stabilità e controllo migliori con vento forte, accesso al portellone su terreno non preparato e una quota di servizio (l’altitudine massima operativa) di 20.000 piedi. Un’altra conseguenza si ricava dalla fisica: con due punti di spinta distanti, il baricentro può spostarsi lungo la fusoliera e il carico si ripartisce di conseguenza tra i rotori, senza piani di coda a compensare.

Il conto si paga altrove:

La descrizione del CH-47D elenca cinque trasmissioni, oltre agli alberi che le collegano: più organi meccanici da costruire, pesare e manutenere, e una sincronizzazione che non può mai mancare. I comandi devono miscelare due dischi, e il modello di volo del CH-47B mostra modi instabili che richiedono stabilizzazione.

Il tandem, insomma, non batte la configurazione convenzionale in assoluto. Lo studio sulla dinamica di volo osserva che i tandem in servizio sono meno numerosi degli elicotteri convenzionali e che si usano quasi esclusivamente per il trasporto. È una risposta a un tipo di missione, non una soluzione universale.

Una soluzione che ha fatto scuola: la famiglia dei rotori controrotanti

Il tandem nasce con Frank Piasecki. L’HRP Rescuer, il “Flying Banana“, volò nel 1945 ed entrò in servizio nel 1947 con Marina, Marines e Guardia Costiera statunitensi; la parte posteriore inclinata verso l’alto serviva a tenere il rotore posteriore a una quota che evitasse le pale di quello anteriore. Dall’HRP derivò l’H-21 Workhorse, primo volo l’11 aprile 1952. Piasecki divenne Vertol nel 1955 e poi Boeing Vertol, che portò avanti la linea con il CH-46 Sea Knight e con il Chinook, il cui prototipo volò il 21 settembre 1961.

Controrotazione non vuol dire tandem. Nei rotori coassiali, come quelli dei Kamov, i due rotori stanno sullo stesso asse, uno sopra l’altro, e l’imbardata sfrutta la differenza di coppia tra loro. Nei rotori ingranati, come in certi elicotteri Kaman, gli assi sono vicini e inclinati e i dischi si intrecciano. Nel tandem gli assi sono lontani, uno a prua e uno a poppa, e l’imbardata si ottiene inclinando i dischi invece di squilibrare le coppie.

Per chi volesse approfondire l’argomento dei rotori coassiali invito alla letture dell’ articolo: Elicotteri a Rotore Coassiale: L’Evoluzione Tecnica e il Divario Industriale tra Oriente e Occidente, dove spiego la storia e lo sviluppo e naturalmente la fisica di questa splendida macchina.

Quando i progettisti trovano una strada diversa

Nel Boeing CH-47 Chinook l’assenza del rotore di coda non è una sottrazione. È il risultato di un’altra architettura: due rotori che portano e controllano insieme, una trasmissione che li tiene in fase e un sistema di comandi che distribuisce gli ordini del pilota. Il problema della coppia di reazione resta, ma cambia sede. Invece di un organo che lo compensa, c’è un equilibrio da mantenere tra due rotori, con ciò che comporta: interferenza fra le scie, trim da regolare, stabilità da aumentare.

Non ne esce una macchina migliore delle altre. Ne esce una risposta coerente a un compito preciso, il trasporto di carichi voluminosi, e lo si vede anche dalla sua diffusione: il Chinook è in servizio anche in Italia da più di cinquant’anni, ed è stato costruito anche su licenza da Agusta oggi confluita in Leonardo.