Effetti delle Condizioni Atmosferiche sulle Prestazioni
Nozioni Generali sugli Aeromobili - Lezione 14 | Corso PPL NIBBIO IV
Introduzione
Le condizioni atmosferiche influiscono sempre sul volo ed influiscono in vari modi.
Ad esempio condizioni atmosferiche avverse possono disorientare il pilota e sono legate a:
- Nuvolosita accentuata o velocemente variabile
- Alta temperatura
- Scarsa visibilita
- Precipitazioni (pioggia, grandine, neve)
- Vento
Le condizioni atmosferiche influiscono anche (e pesantemente) sulle prestazioni del motore quando si fa riferimento alla DENSITA dell'aria ed alle altre grandezze fisiche collegate alla densita.
I Tre Fattori che Influenzano la Densita
Tre grandezze collegate alla densita:
- A. TEMPERATURA
- B. PRESSIONE
- C. UMIDITA
Pressione ↓ | Umidita ↑ | Temperatura ↑
ATTENZIONE: La densita si dimezza a circa 20.000 ft di quota!
A. Temperatura
L'aumento di temperatura provoca una espansione dell'aria che diventa meno densa.
Questo significa che con temperature elevate:
- Il motore sviluppa meno potenza (meno ossigeno per la combustione)
- Le ali generano meno portanza
- Le prestazioni di decollo e salita peggiorano
B. Pressione
La diminuzione di pressione, che avviene a quote piu elevate, rende l'aria meno densa.
Questo significa che ad alta quota:
- Meno molecole di aria per unita di volume
- Meno ossigeno disponibile per la combustione
- Riduzione delle prestazioni del motore
C. Umidita
L'UMIDITA influisce sulla potenza sviluppata dal motore piu che sulla efficienza aerodinamica.
All'aumentare della umidita diminuisce la densita.
L'umidita e fortemente influenzata dalla temperatura: a 35,5 °C, il vapore acqueo contenuto nell'aria puo essere di otto volte maggiore di quello possibile a 5,5 °C.
Se consideriamo un volume di aria umida, esso conterra, per la Legge di Avogadro, lo stesso numero di molecole del medesimo volume di aria secca.
Ma la molecola di acqua ha massa molecolare inferiore (18 u.m.a.) rispetto alla massa molecolare dell'aria secca (circa 29 u.m.a.).
Quindi nell'aria umida le molecole di acqua (di massa inferiore) sostituiscono le molecole di aria secca (di massa maggiore).
Il numero di molecole nei due casi e pero lo stesso, per cui ne consegue che la massa totale di un certo volume di aria umida e inferiore alla massa totale contenuta nello stesso volume di aria secca.
Perche l'aria umida e meno densa? (Legge di Avogadro)
Il fatto che la densita dell'aria si riduca al crescere del contenuto di vapore acqueo (umidita) e forse un concetto controintuitivo.
La spiegazione deriva dalla Legge di Avogadro: a pressione e temperatura costanti, volumi identici di gas differenti contengono lo stesso numero di particelle (molecole).
| Gas | Massa Molecolare | Densita |
|---|---|---|
| Aria secca | ~29 u.m.a. | Maggiore |
| Vapore acqueo (H2O) | 18 u.m.a. | Minore |
Quindi nell'aria umida le molecole di acqua (di massa inferiore) sostituiscono le molecole di aria secca (di massa maggiore).
Il numero di molecole nei due casi e lo stesso, ma la massa totale di un certo volume di aria umida e inferiore alla massa totale contenuta nello stesso volume di aria secca.
ATTENZIONE! Quindi l'alta umidita fa diminuire la densita dell'aria e di conseguenza diminuisce il rendimento del motore e, nei casi di potenza richiesta (decollo e salita), possono sorgere problemi.
La diminuzione di rendimento si traduce quindi in penalizzazioni della corsa di decollo (anche il 10-11% in piu) e rateo di salita ridotto.
Risulta molto utile l'utilizzo del NOMOGRAMMA DI KOCH.
Potenza e Quota
E ovvio che volando in quota, laddove la densita dell'aria diminuisce, si deve opportunamente "smagrire" la miscela, cioe si deve diminuire la quantita di benzina immessa nel carburatore perche, a parita di volume di aria aspirato, la massa di aria diminuisce e di conseguenza per mantenere inalterato il rapporto va diminuita anche la massa di combustibile.
In tale situazione cala anche il rendimento volumetrico del motore.
LA POTENZA DIMINUISCE FRA L'1 E IL 2% OGNI 1000 PIEDI DI AUMENTO DELLA QUOTA.
Si produce il concetto di DENSITY ALTITUDE - altitudine di densita.
Con questo concetto si vuole far comprendere che, in determinate condizioni meteorologiche, l'aeromobile vola ad una certa quota reale ma incontra parametri fisici che appartengono a quote ben superiori e quindi si comporta durante il volo come se fosse notevolmente piu in alto rispetto alla quota reale.
Si crea una situazione nella quale la densita dell'aria diminuisce in presenza di pressione piu bassa, umidita e temperatura piu alte. In tali condizioni si ha che:
- La portanza diminuisce
- L'elica (o la turbina) sono meno efficienti
- La potenza erogata dal motore e inferiore
Density Altitude (DA)
La DENSITY ALTITUDE (D.A.) e la quota a cui, in atmosfera standard, si troverebbe una densita dell'aria uguale a quella che effettivamente abbiamo.
E il parametro che ci dice "come si comportera il mio aereo oggi".
Fattori che influenzano la Density Altitude
- L'aumento di temperatura che provoca una espansione dell'aria che diventa meno densa
- La diminuzione di pressione, che a quota piu elevate diminuisce, rendendo l'aria meno densa
- La presenza di umidita che, come abbiamo visto, e meno densa dell'aria 'secca'
Dove:
- D.A. = Density Altitude (ft)
- P.A. = Pressure Altitude (quota con altimetro settato su 1013.25 hPa)
- OAT = Outside Air Temperature (temperatura esterna reale)
- ISA temp = Temperatura ISA standard a quella quota
- 120 = fattore di correzione (ft per ogni °C di scostamento)
Il numero 120 e un coefficiente di approssimazione (o fattore di conversione) derivato dalle proprieta fisiche dell'atmosfera standard (ISA).
In termini semplici rappresenta quanti piedi di altitudine virtuale guadagni o perdi per ogni grado Celsius di scarto rispetto alla temperatura standard.
L'aria si espande quando si scalda e si contrae quando si raffredda. Gli scienziati e gli ingegneri aeronautici hanno calcolato che, nelle fasce di atmosfera dove vola l'aviazione generale (la troposfera), la densita dell'aria cambia in modo quasi lineare con la temperatura.
Un aumento di 1 °C, causa una diminuzione della densita pari a circa lo 0,4%. In termini di quota, questo caso di densita equivale a salire di circa 120 ft.
Esempio Pratico: Aeroporto di Bolzano
Ci troviamo all'aeroporto di Bolzano (elev. 786 ft - 240 m), estate, con temperatura esterna (OAT) di 32 °C. La P.A. (QNE) misurata sul campo riporta sull'altimetro 1000 ft.
Considerando che la temperatura standard a livello del mare e di 15 °C e che la temperatura diminuisce di 2 °C per ogni aumento di 1000 ft di quota, si ottiene una temperatura standard sull'aeroporto di 13 °C (ISA temp).
Deviazione della temperatura = OAT - ISA temp = 32 °C - 13 °C = 19 °C
Cioe l'aereo si comportera come se si trovasse a 3280 ft!!!
Pressure Altitude vs Density Altitude
| Caratteristica | Pressure Altitude (PA) | Density Altitude (DA) |
|---|---|---|
| Riferimento | Pressione atmosferica (1013.25 hPa) | Densita dell'aria (Pressione + Temperatura) |
| Uso principale | Navigazione e separazione del traffico | Calcolo delle performance (decollo, salita) |
| Cosa dice al pilota | A che livello di pressione sto volando? | Come si comportera il mio aereo oggi? |
| Influenza del calore | Non direttamente considerata | Fondamentale: il caldo aumenta drasticamente la DA |
Componenti del Vento
Componente Longitudinale
La componente longitudinale del vento influenza la velocita al suolo (Ground Speed) rispetto alla velocita all'aria (True Air Speed).
| Situazione | Velocita all'Aria | Velocita al Suolo |
|---|---|---|
| Vento in prua (headwind) | 70 kt | 55 kt |
| Vento al traverso | 55 kt | 40 kt |
| Vento in coda (tailwind) | 15 kt | 0 kt |
Componente Trasversale (Crosswind)
Il vento laterale puo essere un problema e un pericolo sia in fase di decollo che in fase di atterraggio. E necessario comprendere se la componente laterale del vento supera i valori limite dell'aeromobile.
Tale valore limite e specificato nel manuale dell'aereo.
Esistono vari metodi empirici per calcolare "a mente", in fase di pilotaggio, la componente che interessa valutare per decidere se decollare e/o atterrare.
Nomogramma di Koch
Il NOMOGRAMMA DI KOCH e un diagramma bidimensionale che permette di determinare:
- La diminuzione del rateo di salita di un velivolo
- La lunghezza della pista necessaria al suo decollo
In relazione alla temperatura e pressione locale, cioe alla quota ideale assegnata.
Come si usa
- Tracciare la linea che passa per i valori della quota indicata dall'altimetro e della temperatura
- Leggere, in corrispondenza delle scale interne, le percentuali di:
- Incremento della distanza di decollo (in %)
- Riduzione del rateo di salita (in %)
ESEMPIO: Con T = 27°C e quota 3500 ft, dal nomogramma si legge che la distanza di decollo aumenta del 90% e il rateo di salita diminuisce del 40%!
Atmosfera Standard Internazionale (ISA)
Lo studio degli effetti delle condizioni atmosferiche sulle prestazioni viene effettuato a partire da un ambiente ideale utile per effettuare in condizioni standardizzate le seguenti attivita:
- Calcolare e paragonare rendimenti e prestazioni degli aeromobili
- Calibrare gli strumenti di navigazione e di misura
- Collaudare apparecchiature
L'INTERNATIONAL STANDARD ATMOSPHERE (o ISA) e un modello ideale dell'atmosfera media ideale, definito dall'ICAO.
Parametri ISA al livello del mare (MSL)
| Parametro | Valore ISA |
|---|---|
| Temperatura | 15 °C (288.15 K) |
| Pressione | 1013.25 hPa (29.92 inHg) |
| Densita | 1.225 kg/m3 |
| Gradiente termico | -1.98 °C / 1000 ft (-6.5 °C / 1000 m) |
REGOLA PRATICA: In atmosfera ISA, la temperatura diminuisce di circa 2°C ogni 1000 ft di quota (fino alla tropopausa).
ICAO - International Civil Aviation Organization
L'organizzazione Internazionale per l'Aviazione Civile (the International Civil Aviation Organization ICAO) e una agenzia specializzata delle Nazioni Unite, con competenza primaria in materia di regolamentazione e sviluppo dell'aviazione civile.
L'ICAO, fondata nel 1947, promuove l'elaborazione e l'adozione di norme internazionali e convenzioni in materia di navigazione aerea, trasporto di passeggeri e merci, sicurezza e trasporto aereo.