Motore critico ( Critical Engine )

Il motore critico di un velivolo ad ala fissa multi-motore è il motore che, in caso di guasto, influirebbe negativamente sulle prestazioni o sulla capacità di manovra di un aereo. Sui velivoli ad elica, vi è una differenza nei restanti momenti di imbardata dopo il guasto del motore sinistro o destro ( fuoribordo ) quando tutte le eliche ruotano nella stessa direzione a causa del fattore P ( ossia la naturale tendenza che ciascun aeromobile a propulsione ad elica ha di sbandare a sinistra ). Nei velivoli a turbogetto e a turbogetto, di solito non c’è differenza tra i momenti di imbardata dopo il guasto di un motore sinistro o destro.

Quando uno dei motori di un tipico aereo plurimotore diventa inattivo, esiste uno squilibrio di spinta tra i lati operativi e non operativi dell’aeromobile. Questo squilibrio di spinta causa numerosi effetti negativi oltre alla perdita della spinta di un motore. L’ingegnere di progettazione di coda è responsabile della determinazione della dimensione dello stabilizzatore verticale che rispetterà i requisiti normativi per il controllo e le prestazioni di un aeromobile dopo un guasto al motore, come quelli stabiliti dalla Federal Aviation Administration e dall’Agenzia europea per la sicurezza aerea. Il collaudatore sperimentale e il collaudatore di volo determinano quale dei motori è il motore critico durante le prove.

Fatte queste doverose precisazioni, possiamo dire che per un bimotore ad eliche destrorse il motore critico è il motore sinistro perchè ad elevati angoli di attacco il punto di applicazione della trazione non è al mozzo dell’elica, ma è nel semipiano della pala discendente, quindi nel nostro caso a destra del mozzo.

 

Fattori che influenzano la criticità del motore

Quando un motore si guasta, si sviluppa un momento di imbardata, che applica una forza di rotazione all’aereo che tende a farlo scivolare verso l’ala che trasporta il motore che è adato in fail. Potrebbe verificarsi un momento di rotazione, dovuto all’asimmetria di ascensione in ogni ala, con un maggiore sollevamento generato dall’ala con il motore in funzione. I momenti di imbardata applicano forze di rotazione che tendono a imbardare e far scivolare l’aereo verso il motore guasto. Questa tendenza viene neutralizzata dall’uso dei comandi di volo da parte del pilota, che includono il timone e gli alettoni. A causa del fattore P, un’elica destrorsa in senso orario sull’ala destra sviluppa tipicamente il suo vettore di spinta risultante a una maggiore distanza laterale dal centro di gravità dell’aeromobile rispetto all’elica in rotazione a sinistra in senso orario. 
L’avaria del motore di sinistra si tradurrà in un momento di imbardata maggiore dal motore operativo destro, piuttosto che viceversa. Dal momento che il motore operativo di destra produce un momento di imbardata maggiore, il pilota dovrà utilizzare deflettori più ampi dei comandi di volo o una velocità più elevata per mantenere il controllo dell’aeromobile. Pertanto, il guasto del motore di sinistra ha un impatto maggiore rispetto al guasto del motore di destra, e il motore di sinistra è chiamato motore critico
 
La maggior parte degli aerei che hanno eliche controrotanti non hanno un motore critico definito dal suddetto meccanismo, poiché le due eliche sono fatte ruotare verso l’interno dalla cima dell’arco; entrambi i motori sono critici. Alcuni velivoli, come il Lockheed P-38 Lightning, hanno intenzionalmente eliche che ruotano verso l’esterno dalla parte superiore dell’arco, per ridurre la turbolenza dell’aria verso il basso, nota come downwash, sullo stabilizzatore centrale orizzontale. Questi motori sono sia critici, ma più critici rispetto alle eliche con rotazione verso l’interno. 
 
Gli aerei con eliche in configurazione push-pull, come il Cessna 337, possono avere un motore critico, se il guasto di un motore (anteriore o posteriore) ha un effetto negativo maggiore sul controllo dell’aeromobile o sulle prestazioni di salita rispetto al guasto dell’altro motore. Il guasto di un motore critico in un aereo con eliche in una configurazione push-pull in genere non genera grandi momenti di imbardata o di scivolamento.

Effetto del motore critico sulla velocità minima di controllo

Gli standard e le certificazioni che specificano l’aeronavigabilità richiedono che il costruttore determini una velocità minima di controllo ( VMC ) alla quale un pilota può mantenere il controllo dell’aeromobile dopo il guasto del motore critico e pubblicare questa velocità nella sezione del manuale di volo dell’aeroplano sulle limitazioni.
 
Le velocità di controllo minime pubblicate ( VMC ) del velivolo vengono misurate quando il motore critico si guasta o non è operativo, quindi l’effetto del guasto del motore critico è incluso nei VMC pubblicati. Quando uno qualsiasi degli altri motori si guasta o non funziona, il VMC effettivo che il pilota sperimenta in volo sarà leggermente inferiore, il che è più sicuro, ma questa differenza non è documentata nel manuale. Va de quindi che il motore critico è uno dei fattori che influenza i VMC dell’aeromobile. 
 
I VMC pubblicati sono sicuri a prescindere dal motore che non funziona e ai piloti non è necessario sapere quale motore è fondamentale per volare in sicurezza. Il motore critico è definito nelle normative sull’aviazione allo scopo di progettare la coda e per i piloti sperimentali che effettuano i test per misurare le VMC in volo. Altri fattori, come l’angolo di inclinazione e la spinta, hanno un effetto molto maggiore sui VMC rispetto alla differenza tra un motore critico e un motore non critico.
 
L’Airbus A400M ha un design atipico, perché ha eliche controrotanti su entrambe le ali. Le eliche su un’ala ruotano in direzioni opposte l’una all’altra: le eliche ruotano dall’alto verso il basso l’arco verso l’altro. Se entrambi i motori di un’ala sono operativi, lo spostamento del vettore di spinta con un angolo di attacco crescente è sempre verso l’altro motore sulla stessa ala. L’effetto è che il vettore di spinta risultante di entrambi i motori sulla stessa ala non cambia mentre l’angolo di attacco dell’aeroplano aumenta fintanto che entrambi i motori sono in funzione. Non vi è alcun fattore P totale e il guasto di entrambi i motori fuoribordo (ad esempio motori 1 o 4) non comporterà alcuna differenza in termini di magnitudo dei rimanenti momenti di imbardata di spinta con angolo di attacco crescente, solo nella direzione sinistra o destra. La velocità minima di controllo durante il decollo ( VMC ) e durante il volo ( VMCA ) dopo il guasto di uno dei motori fuoribordo sarà la stessa a meno che i sistemi di potenziamento che potrebbero essere richiesti per il controllo dell’aereo siano installati su uno solo dei motori fuoribordo. Entrambi i motori fuoribordo sarebbero critici.

Nella figura sopra, rappresenta un A400M, con eliche controrotanti su ogni ala;

i momenti di imbardata più importanti dopo il guasto del motore 1

Se un motore fuoribordo si guasta, come il motore 1 come mostrato nella figura, il braccio del momento del vettore della spinta rimanente su quell’ala si sposta da tra i motori a un po ‘al di fuori del motore entrobordo rimanente. Il vettore stesso è il 50% del vettore di spinta opposto. Il momento di imbardata di spinta risultante è molto più piccolo in questo caso che per la rotazione convenzionale dell’elica. Il momento massimo di imbardata del timone per contrastare la spinta asimmetrica può essere minore e, di conseguenza, la dimensione della coda verticale può essere inferiore. Il sistema di piumaggio delle grandi eliche con resistenza a 8 pale da 17,5 piedi (5,33 m) deve essere automatico, molto rapido e privo di guasti, per garantire la minore resistenza possibile dell’elica dopo un malfunzionamento del sistema di propulsione. 

In caso contrario, un guasto al sistema di piega di un motore fuoribordo aumenterà la resistenza dell’elica, che a sua volta aumenta considerevolmente il momento di imbardata di spinta, aumentando così il VMCA effettivo. La potenza di controllo generata dalla piccola coda verticale e dal timone è bassa per il piccolo design. Solo una rapida riduzione della spinta del motore opposto o una maggiore velocità dell’aria possono ripristinare la potenza di controllo richiesta per mantenere il volo rettilineo dopo il guasto di un sistema di piumaggio. Progettare e approvare il sistema di piumaggio per questo aereo è una sfida per i progettisti e le autorità di certificazione.

Sugli aeroplani con motori molto potenti, il problema della spinta asimmetrica viene risolto applicando una compensazione automatica della asimmetria di spinta, ma ciò ha conseguenze per le prestazioni di decollo.

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