La definizione di fattore di carico nell’aviazione e gli effetti sul volo

La maggior parte del tempo di uno studente pilota alla scuola di terra viene speso per imparare come volano gli aerei. Solo la padronanza delle basi del volo dritto e livellato, non accelerato, è abbastanza confusa. Ma comprendere le sfumature delle forze del volo richiede di capire che le cose critiche accadono quando le cose cambiano. Oggi, diamo uno sguardo al fattore di carico.

Quando un aereo entra in virata, le forze aerodinamiche sull’aereo cambiano in modi che ogni pilota deve capire. Il fattore di carico è uno dei risultati più rilevanti: l’idea che all’aumentare dell’angolo di bank, aumenta anche il carico imposto all’aereo.

Cos’è il fattore di carico?

Il fattore di carico può essere pensato come quanto aumenta il peso dell’aereo. No, non è possibile aumentare il peso a mezz’aria. Ma forze diverse dalla semplice gravità agiscono su un aereo in volo, e queste forze aumentano a volte. Quando questo accade, il risultato è un carico messo sull’aereo che è maggiore del solo peso dell’aereo e del suo contenuto.

Siccome è espresso come un “fattore”, il carico è mostrato come un rapporto della quantità di portanza generata sul peso apparente. È direttamente legato alla quantità di portanza che le ali devono produrre. Un aereo che sta tirando 2 G avrà bisogno di fare il doppio della portanza di un aereo che sta tirando solo 1 G. Se il fattore di carico è 1 G, allora non viene imposto alcun carico extra, e la quantità di portanza è uguale al peso calcolato dell’aereo.

Il modo più comune per aumentare il fattore di carico su un aereo è quello di metterlo in un banco. Ma non è l’unico modo. Anche le manovre improvvise aumentano o addirittura diminuiscono il fattore di carico. Immaginate di volare e il pilota tira indietro i comandi all’improvviso. Tutti si sentono schiacciati nei loro sedili perché il fattore di carico aumenta. Allo stesso modo, se si spinge improvvisamente lo stick in avanti, il carico si riduce improvvisamente e drammaticamente. Quando il fattore di carico scende sotto 1 G, ci si sente senza peso, anche se solo temporaneamente.

Rendete conto anche del fatto che queste sensazioni sono avvertite da ogni cosa nell’aereo, e anche dall’aereo stesso. E se viene applicata troppa forza, le cose possono rompersi.

Capire cosa può far cambiare il fattore di carico è di vitale importanza per alcune ragioni. Per prima cosa, un pilota deve sapere che quando il fattore di carico aumenta, l’aereo deve fare più portanza per rimanere in quota. Quindi, quel pilota deve agire correttamente per assicurare la traiettoria di volo desiderata. Questo significa che devono volare più velocemente o aumentare l’angolo di attacco.

Inoltre, i piloti devono capire che gli ingegneri che hanno progettato l’aereo si aspettavano solo che avesse una quantità specifica e prevedibile di carico applicato. Gli aerei non possono essere resi infinitamente forti, poiché una forza extra creerà un eccesso di peso nella cellula e meno carico utile che l’aereo può trasportare. I progettisti e gli ingegneri devono fare delle concessioni nella loro progettazione. Così progettano ogni aereo per essere in grado di sopportare una quantità limitata di fattore di carico.

La FAA certifica gli aerei proprio come certifica gli aviatori. Le categorie per gli aerei includono aerei normali, di utilità, acrobatici, da trasporto, tra gli altri tipi di aerei. Come ci si aspetterebbe, per ottenere un progetto certificato, deve soddisfare i requisiti minimi del fattore di carico limite.

L’aerodinamica di una virata

Per capire perché il fattore di carico aumenta in una virata, alcuni principi aerodinamici fondamentali devono essere trattati prima.

Una volta che l’aereo è stabilito in una curva, le ali non producono più solo portanza verticale. La portanza si divide tra la portanza verticale che mantiene l’aereo in alto e la portanza orizzontale che spinge l’aereo in curva. La portanza totale rimane perpendicolare all’apertura alare.

Secondo la terza legge del moto di Newton, per ogni azione c’è una reazione uguale e contraria. Quindi ci deve essere una forza uguale e contraria alla portanza orizzontale che le ali creano. Questa forza è la forza centrifuga, un effetto che tira l’aereo fuori e lontano dalla virata.

Assumendo che l’aereo sia in una virata in piano e non in salita o in discesa, le forze opposte alla portanza saranno uguali e opposte. Il peso, o gravità, è opposto alla portanza verticale. La forza centrifuga è uguale e opposta alla portanza orizzontale. Se sommate insieme, queste due forze sono maggiori del solo peso. La somma totale di questi carichi è uguale e opposta alla portanza totale.

L’ammontare di questo aumento è il fattore di carico. È espresso come un fattore al di sopra del peso normale di 1 G. Un aereo di 2.400 libbre che è in una curva a 60 gradi sperimenta 2 G. Pertanto, ha un carico totale di 4.800 libbre.

Cambiamenti nella velocità di stallo

Da quando le ali devono sostenere un peso maggiore, devono farlo in due modi. O devono muoversi nell’aria più velocemente, o devono aumentare il loro angolo di attacco. Per questo esercizio, assumeremo che la velocità dell’aria rimanga costante. Con questo in mente, un aereo che vola a 90 nodi avrà bisogno di un angolo di attacco maggiore in una virata di 60 gradi rispetto a uno che sta volando dritto e piano.

Lo stallo si verifica quando l’ala supera l’angolo critico di attacco. Pertanto, l’aereo in virata è molto più vicino all’angolo critico di attacco rispetto all’aereo in volo dritto e livellato.

Questo dimostra due cose importanti. In primo luogo, dimostra che un aereo può andare in stallo ad una velocità molto più alta di quella indicata dall’indicatore di velocità. Questo dimostra che un aereo non va in stallo a una specifica velocità all’aria, ma piuttosto a uno specifico angolo di attacco.

In secondo luogo, dimostra che la velocità di stallo aumenterà sempre in curva. Più l’angolo di bank è ripido, più la velocità di stallo aumenta.

Fattori di carico limite nella progettazione

Mentre i progettisti possono costruire un aereo come vogliono, la FAA stabilisce standard minimi negli Stati Uniti. Se un aereo possiede un certificato di aeronavigabilità FAA, il pilota può sapere che il progetto dell’aereo soddisfa gli standard minimi elencati per il tipo di certificato.

Questi sono i minimi stabiliti dalla FAA per i progettisti di aerei. Alcuni aerei, specialmente quelli acrobatici, possono tollerare forze G molto più alte. Per le specifiche esatte di un aereo specifico, fare riferimento al Manuale di volo dell’aereo (AFM) o al Manuale operativo del pilota (POH).

Mantenere l’aereo sicuro

Un altro concetto critico e strettamente collegato è la velocità di manovra o Va. La velocità di manovra prende l’idea piuttosto astratta dei fattori di carico limite progettati e li rende applicabili nella cabina di un aereo.

In pratica, la Va calcolata per un volo può essere considerata come la velocità di sicurezza. Al di sotto di questa velocità, l’aereo andrà in stallo prima che qualsiasi forza possa romperlo. Vale a dire, quando una quantità pericolosa di carico viene aggiunta al peso dell’aereo, allora le ali non saranno in grado di fare quella quantità di portanza e andranno in stallo.

Sebbene gli stalli non siano generalmente considerati una buona cosa, in questo caso, lo stallo allevia il carico dalla cellula. In effetti, stallando l’aereo si salva da qualsiasi danno. Al contrario, se l’aereo stava volando abbastanza velocemente da poter continuare il volo e accettare un carico imposto maggiore del fattore di carico limite progettato, ne risulterà una qualche forma di danno.

I danni causati dal sovraccarico della cellula potrebbero andare da qualcosa che non viene notato durante il volo a un guasto catastrofico in volo della superficie della cellula. Sfortunatamente, il metallo si affatica in modi che sono difficili da rilevare. La struttura cristallina di metalli come l’alluminio li rende molto forti, ma una volta che i loro legami sono rotti, è molto più probabile che si rompano in futuro.

Le sollecitazioni che si verificano alle cellule come risultato del superamento del fattore di carico limite possono indebolire il metallo e causare un guasto catastrofico in qualche altro momento in futuro, in modo imprevedibile.

La velocità di manovra è una V-speed vitale da conoscere, eppure non è indicata sulle indicazioni dell’indicatore di velocità aerea. Perché no? Come dimostrato sopra, la velocità di stallo di un aereo cambierà man mano che l’aereo entra in curva. Dal momento che l’aereo andrà in stallo ad una velocità più alta, Va cambierà.

Un altro fattore che fa cambiare Va è il peso dell’aereo. All’aumentare del peso, Va aumenta perché farà sì che l’ala raggiunga prima l’angolo critico di attacco.

Il fattore di carico è trattato in modo approfondito nel Manuale di conoscenza aeronautica del pilota della FAA, capitolo 5.

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