L'orizzonte Artificiale

L'orizzonte artificiale è uno strumento fondamentale per il pilota, in quanto ci permette di sapere la nostra posizione rispetto allo spazio. Ci fornisce informazioni sull’asse del beccheggio. Dandoci informazioni di assetto positivo, salita (la metà della sfera azzurra) o di assetto negativo, discesa (la metà della sfera nera). Oltre alle informazioni di beccheggio, da informazioni rispetto allo spazio sull’asse del rollio. Come è facilmente distinguibile nella parte esterna dello strumento troviamo delle tacche. Le troviamo di due diversi spessori. Per le più sottili il valore è di 10°, per le più spesse il valore è di 30°. Cosa sono questi valori? Il valore leggibile sulla parte esterna è quanto l’aeromobile sta ruotando sull’asse del rollio. Pertanto quanto sta virando. L’angolo della virata si chiama angolo di bank. La linea rossa rappresenta un angolo di virata (angolo di bank) pari a 25°. Questo valore di bank è un valore adottato come standard per l’aviazione civile per una sicura, quanto confortevole, condotta del volo. Ovviamente più sarà alto il bank più sarà stretta la virata.

Il ViroSbandometro

Il Virosbandometro è uno strumento composto da un virometro e da uno sbandometro. Il primo è uno strumento giroscopico e fornisce informazioni circa il rateo di virata dell'aeromobile. E’ un misuratore di velocità, di velocità angolare. Se poniamo la sagoma dell’aeromobile sulla tacca L o R, a seconda di dove viriamo, otterremo la virata standard. Per virata standard si intende la virata effettuata con una velocità angolare pari a 3°/sec, perciò un angolo di 360° compiuto in due minuti. Il angolo di 360° compiuto in due minuti. Il secondo è costituito da una sfera metallica soggetta alle forze laterali di accelerazione dell'aereo. Questo semplice strumento indica se l'aeromobile sta effettuando una virata coordinata, in cui forza centrifuga e centripeta si equivalgono (pallina al centro, tra i due riferimenti verticali). Nel secondo caso lo spostamento della pallina indicherà se l'aeromobile è soggetto ad un'imbardata, cioè una "derapata", in cui prevale la forza centrifuga (pallina dalla parte opposta della virata), oppure una "scivolata", in cui prevale la forza centripeta (pallina dalla parte della virata). Nell'esempio raffigurato , l'aeromobile sta volando dritto, senza virare, e non sta subendo alcuna imbardata. In caso di virata, non corretta, il piede scaccia la pallina! Cosa vuol dire? Che si correggono le forze agenti nella virata dando piede dove la pallina si è spostata.

Aviazione postale

La Bussola

Fin dall'antichità lo strumento di navigazione privilegiato da tutti i naviganti è la bussola magnetica. La semplicità di costruzione, il funzionamento indipendente da fonti energetiche, la precisione dell'indicazione sono stati alcuni degli elementi vincenti di questo strumento che accompagna ancor oggi chiunque si metta in viaggio. Tutti noi abbiamo preso in mano una bussola almeno una volta nella vita e probabilmente è stato fin da subito evidente alcuni limiti che la contraddistinguono e che influiscono sulla misura anche sugli aerei. Per capire bene i problemi legati a questo strumento è necessario prima spendere due parole sul suo funzionamento. La superficie della terra è ricoperta da un campo magnetico che culmina in due poli magnmetici posti vicino ai poli geografici. Le linee di questo campo sono parallele alla superficie terrestre all'equatore mentre diventano perpendicolari sopra al polo. L'ago magnetizzato della bussola si dispone secondo le linee di questo flusso magnetico come la bandierina posta sopra il tetto della casa si dispone parallelamente al flusso d'aria. La bussola magnetica quindi indica la posizione del nord magnetico e, facendo coincidere l'indicazione del nord della nostra scala con la punta dell'ago, permette di conoscere la direzione verso cui ci stiamo muovendo. Purtroppo questo strumento è soggetto a numerosi problemi. La sua indicazione infatti dipende dal campo magnetico terrestre che non è quasi mai diretto esattamente verso il polo nord magnetico, ma molto più spesso è deviato dalla presenza nel terreno di componenti ferrose o ferromagnetiche. Le linee di flusso del campo magnetico quindi non sono parallele le une alle altre ma hanno andamenti particolari descritti accuratamente nelle cartine aeronautiche. Il secondo problema legato al campo magnetico terrestre è la non coincidenza tra il polo magnetico e quello fisico. Una bussola che indica nord non indica il nord geografico, vi è quindi un errore nell'indicazione anch'esso riportato sulle cartine aeronautiche. Il terzo problema legato al campo magnetico terrestre e quindi non correggibile direttamente sulla bussola è il continuo spostarsi del polo nord magnetico verso est di circa 1 grado all'anno. Questo comporta la non attendibilità dei dati presenti su cartine troppo vecchie. Il quarto e ultimo problema infine riguarda la zona vicino ai poli dove la pendenza troppo accentuata delle linee magnetiche rende inutilizzabile la bussola creando una specie di cono attorno al polo in cui lo strumento non funziona. Oltre a questi problemi che non dipendono dallo strumento e quindi non possono essere corretti a priori la bussola magnetica è affetta da altri disturbi, primo fra tutti la presenza di materiale ferroso o magnetico a bordo del velivolo. Queste presenze infatti possono causare errori di lettura di anche 40 gradi. In genere questi effetti vengono ridotti effettuando quelli che vengono generalmente chiamati "giri bussola". L'aereo viene fatto ruotare di 360° varie volte registrando le indicazioni della bussola, inserendo poi delle piccole calamite l'indicazione viene corretta per arrivare a degli errori inferiori ai 2°. Viene infine creata una tabella per il pilota in cui sono riassunte le correzioni che deve fare nella lettura della bussola. Purtroppo questi non sono gli unici problemi che affliggono le bussole magnetiche montate sugli aerei. Per stabilizzare il piatto della bussola e mantenerlo pressoché orizzontale anche quando il campo magnetico non è parallelo alla superficie terrestre (volando a quote elevate per gli aerei incontrano un non parallelismo è più marcato) il baricentro della bussola viene spostato verso il basso rispetto al punto in cui disco rotante è appoggiato. Questa operazione rende però la bussola sensibile alle accelerazioni del velivolo causando un'indicazione sbagliata dello strumento variabile a seconda del tipo di accelerazione, e dell'emisfero in cui ci si trova. Ad esempio un'accelerazione in avanti mentre si vola con prua est causa una rotazione della bussola come se si stesse curvando a sinistra, mentre una curva verso sinistra mentre ci si trova ad una elevata latitudine nell'emisfero nord provoca un'indicazione di virata più larga fino ad indicare una virata verso destra. Per questo motivo, la bussola magnetica, pur restando uno degli strumenti principe nel cruscotto di un velivolo, è stata affiancata da altri strumenti di navigazione e viene utilizzata solo quando l'aereo non sta facendo nessun tipo di manovra e quindi non è soggetto a nessuna accelerazione.

La girobussola

Vi parlerò ora di una tecnologia attuale che viene affiancata alla normale bussola: "la girobussola".

Sono girobussole allo stato solido senza parti in movimento o in rotazione; nelle quali l'elemento sensibile è una bobina di fibre ottiche che è in grado di misurare la velocità di rotazione della Terra. Combinando tre di tali bobine e due sensori elettronici di livello si è capace di determinare la direzione del nord vero e del piano orizzontale per cui tali girobussole, oltre alla prora, forniscono informazioni sull'assetto della nave e le velocità angolari di rotazione attorno ai tre assi: longitudinale, trasversale e verticale (roll, pitch, rate of turn). Il principio fisico utilizzato è noto come effetto Sagnac mentre la tecnologia impiegata è quella strapdown, che è già in uso da parecchio tempo nella navigazione aerea e con la quale i sensori di rotazione e di livello sono montati direttamente (strapped down) sul veicolo eliminando le limitazioni dei sistemi a sospensione cardanica. L'elemento sensibile, ossia il giroscopio a fibre ottiche (FOG, Fiber Optic Gyro), ha trovato diverse altre applicazioni in sostituzione dei tradizionali giroscopi meccanici grazie alla loro resistenza agli urti e alle vibrazioni.

Il principio su cui si basa il funzionamento dei giroscopi ottici fu scoperto dal fisico francese Sagnac nel 1913 ed ha trovato inizialmente una sua applicazione nella costruzione di interferometri e successivamente nei giroscopi laser ad anello chiuso (RLG, Ring Laser Gyro). Tale principio consiste nello sdoppiare un unico raggio luminoso in due diversi raggi, che viaggiano su un medesimo percorso ottico ad anello chiuso; ma in direzioni opposte: un raggio ruota in senso orario e l'altro in senso antiorario.
Nei giroscopi RLG i raggi rimbalzano fra vari specchi, come mostrato in Fig. 1; nei giroscopi FOG (a fibre ottiche) i raggi scorrono dentro un fascio di fibre ottiche lungo anche 5 Km ed avvolte in spire del diametro di alcuni centimetri.
Quando un raggio si propaga, la sua fase cambia continuamente con la distanza L percorsa e precisamente di 2p radianti per ogni tratto pari alla lunghezza d'onda l; si ha pertanto:

a = 2 p L / l

con l = c / f, dove f è la frequenza del raggio luminoso e c è la velocità della luce.
Nel caso in cui il giroscopio sia fisso rispetto ad un sistema inerziale, i due raggi percorrono lo stesso cammino, anche se in direzioni opposte, arrivando nel ricevitore con la stessa fase. Diversa è la situazione in cui l'intero sistema ruota attorno ad un asse passante per O (asse sensibile del giroscopio) e con velocità angolare W; in tal caso il percorso del raggio concorde con il verso di rotazione tende ad allungarsi, mentre quello dell'altro raggio tende ad accorciarsi per cui la differenza di fase F dei segnali che arrivano nel ricevitore non è più nulla, ma assume la seguente espressione:

F = Da = (2 p L D / cl) W

dove:

L = lunghezza del percorso ottico o delle fibre ottiche nei FOG D = diametro del percorso o della bobina nei FOG W = velocità angolare del giroscopio attorno al suo asse sensibile

Il fattore davanti alla velocità angolare W è chiamato fattore di scala ed è un indicatore della sensibilità dello strumento; più è alto tale fattore, più lo strumento è in grado di misurare velocità angolari molto basse, come ad esempio nel caso di quella terrestre. Come si vede il fattore F dipende dai dati geometrici del percorso ottico e precisamente, nel caso dei FOG, dalla lunghezza delle fibre ottiche e dal diametro delle spire.

Analizzando la precedente espressione si comprende come, a parità di volume, i giroscopi a fibre ottiche (FOG) siano molto più sensibili dei giroscopi laser (RLG), ad esempio, con un diametro D = 8 cm dell'elemento sensibile, si hanno percorsi ottici di alcuni Km (L = 1÷5 Km) nel primo caso e di soli 25 cm nel secondo caso (L = p D).

Ovviamente questo è una parte che c'è da sapere sulle girobussole. Per sapere altro clicca qui.

L'altimetro

L’altimetro è stato il primo strumento montato a bordo degli aerei assieme alla bussola ed all’anemometro. Nella forma più semplice, l’altimetro era conosciuto ed usato dagli alpinisti gia nel diciannovesimo secolo. Lo strumento è un barometro aneroide; la scala è graduata in piedi o, più raramente, in metri perché, nell’atmosfera standard, ad ogni altitudine corrisponde un valore di pressione fisso.

E’ costituito da una cassa ermetica collegata all’esterno dell’aereo  tramite la presa statica; all’interno si trova la capsula aneroide collegata tramite leve ed ingranaggi alle lancette dello strumento. Quando il valore di pressione all’esterno è quello standard al livello del mare lo strumento indica 0 m; quando la quota aumenta, la pressione diminuisce e la capsula si dilata muovendo le lancette.  Abbiamo  la lancetta delle centinaia di piedi dove ogni giro corrisponde a 1000 piedi, quella delle migliaia, un giro ogni 10000, quella delle decine di migliaia  con la striscia bianca , il pomello di regolazione, la scala barometrica  e l’allerta di bassa quota  che comincia ad apparire sotto i 16000 piedi. Con il bottone di regolazione e la scala barometrica è possibile effettuare le regolazioni dello strumento, infatti è possibile decidere a quale superficie isobarica corrisponda lo zero dello strumento. Le regolazioni utilizzate sono tre: QFE, QNH e QNE

• QFE - viene azzerato l’altimetro con la pressione presente sulla pista dell’aeroporto; la torre di controllo

può dare il valore e quando l’aereo atterra lo strumento indica 0. L’aereo deve avere due altimetri.

• QNH - viene azzerato l’altimetro con la pressione reale al livello del mare; il valore viene fornito da un

ente assistenza volo che lo calcola dal valore misurato sul luogo; questa regolazione è obbligatoria

nel volo a vista VFR.

• QNE - viene azzerato l’altimetro con la pressione teorica al livello del mare; questa regolazione è

obbligatoria nel volo strumentale IFR per garantire la separazione tra i voli e mantenere il livello di volo.

Errori dell’altimetro

I valori di pressione di riferimento vanno aggiornati durante il volo perché la pressione atmosferica cambia; se si vola da una zona di alta pressione ad una di bassa pressione senza modificare il QNH l’aereo in realtà scende (molto pericoloso). Quando un aereo si sposta da una zona di aria fredda ad una zona più calda senza modificare la regolazione, la quota reale aumenta perché l’aria calda è meno densa e le superfici isobariche sono più distanti fra loro. Su aerei ad alte prestazioni vengono utilizzati altimetri a tamburo controllati dal calcolatore di bordo che corregge gli errori di temperatura e postazione. Nei caccia e negli aerei di linea sono montati i radioaltimetri usati per il volo a bassa quota o per l’avvicinamento alla pista.

Caratteristiche del motore del DH-4

Il Liberty L-12 era un motore aeronautico a V dodici cilindri a 45° con cilindrata di 27 L (1 649,3 in³) e potenza di 400 hp (300 kW) raffreddato a liquido prodotto negli Stati Uniti d'America durante la prima guerra mondiale. Il motore venne progettato da Jesse Vincent e E. H. Hall della Hall-Scott Motor Company ma fu prodotto anche da altre società tra le quali laPackard, la Lincoln, la Ford, la General Motors, la Nordyke e la Marmon. Il progetto era stato pensato per essere modulare e pertanto si potevano realizzare motori di diversa configurazione utilizzando quattro o seicilindri disposti su una o due bancate. Furono realizzati 20.478 L-12 tra il luglio del 1917 e il 1919. La distribuzione era a singolo albero a camme in testa che comandava due valvole per cilindro. Il peso a secco era di 383 kg. Furono anche realizzati due motori L-6 dotati di sei cilindri che però non furono mai utilizzati dall' U.S. Army. Vennero infatti distrutti durante le prove effettuate dal dott. William Christmas per il suo velivolo caccia denominato Christmas Bullet. Una versione a V rovesciata designata V-1650, che non ha alcun rapporto con la successiva versione del Rolls-Royce Merlin prodotta negli Stati Uniti dalla Packard e designata sempre V-1650, fu prodotta dal 1926. Il Liberty L-12 verrà prodotto anche in Gran Bretagna come motore per i carri armati con la denominazione di Nuffield Liberty.

Un protagonista dell'evoluzione aerea

Originariamente costruito per l'Aircraft Manufacturing Company (Arico) dall'inglese Geoffrey de Havilland, il De Havilland DH-4 è stato adottato dal Esercito degli Stati Uniti nel 1918 e soprannominato il "Piano della Libertà". Nel 1917, il colonnello R.C. Bolling fu inviato in Europa per valutare alcuni progetti di velivoli alleati e selezionarne uno per sostituire la flotta obsoleta detenuta dall'esercito Air Service degli Stati Uniti. Il DH-4 è stato scelto per la sua semplicità e il potenziale per la produzione di massa. Doveva essere l'unico aereo di costruzione americana utilizzabile nella prima guerra mondiale.

La cooperazione tra l'esercito e il Post Office Department fu essenziale durante l'infanzia del Servizio di posta aerea: il Dipartimento acquistava non solo aerei  costruiti dall'esercito, ma  impiegava anche piloti dell'esercito per eseguire le prime vie aeree e testare i nuovi aerei. La corsa inaugurale del servizio postale aerea avvenne il 15 Maggio 1918 tra Washington, DC, Philadelphia, Pennsylvania e New York City. Divennero subito evidenti i difetti di progettazione dei DH-4 non appena iniziarono ad essere usati  giorno per giorno per il servizio postal . Nel gennaio 1919 il DH-4 sono stati dismessi e sottoposti a completa ristrutturazione. I pozzetti sono stati riposizionati nella parte posteriore del piano, dietro il serbatoio del carburante, e sono stati "imbottiti" contro atterraggi duri. La fusoliera fu costruito con fogli di compensato su montanti di legno, al posto della biancheria teli originale. La bussola, indicatore di pressione d'aria, e altimetro furono riprogettati per consentire una lettura più accurata.

Dopo l'introduzione di questi di nuova concezione, il  DH-4BS divenne il "cavallo di battaglia del servizio di posta aerea". Nel solo primo anno, DH-4BS consegnò 775 milioni di lettere. Nel 1921, i piloti furono assegnati ad un piano individuale e sono stati autorizzati a fare modifiche a questo piano, se necessario. Il 1 agosto 1924 fu effettuato il primo volo notturno fra San Francisco e New York. La corsa era lunga 2680 miglia ed è stata la prima a coinvolgere voli notturni tra Chicago-Cleveland oltre Airways . Il Dipartimento di Poste iniziò, poco dopo, ad appaltare il servizio di posta aerea a vettori privati​​. Da allora, nel giro di dieci anni,  i DH-4BS vennero sostituiti in servizio privato e pubblico con una serie di nuovi velivoli prodotti dalla Boeing, Douglas e gli altri produttori di aerei. Anche se questi nuovi aerei continuarono la "tradizione" di posta, non ebbero mai il sinonimo di consegna di posta aerea come il de Havilland.