Gestione del motore: manette del gas, elica e miscela

Spesse volte su Flight simulator non si tiene in debita considerazione la gestione del motore/motori, ossia la migliore efficienza che può fornire il propulsore a seguito di una corretta regolazione della potenza, del passo dell'elica e della miscela. 

Cessna 182 - In evidenza le tre manette: nera per la potenza, blu per il passo dell'elica e rossa per la miscela

Premetto che negli aerei aerei moderni, con tecnologia elettronica avanzata, le tre manette tradizionali sono unite in una sola (in alcuni modelli si trovano due manette: potenza e miscela). Per esempio il Cirrus SR 22 o il DA 42 usano un sistema intelligente di autoregolazione basato sulla map erogata per garantire sempre il migliore rapporto prestazione-consumi. 

DA 42 NG - Nel powerplant noterete una sola manetta 

Cirrus SR 22 - Il powerplant ha solo 2 manette, una grande nera e bianca per il gas che controlla anche il passo dell'elica, mentre accanto c'è quella rossa della miscela

ELICA

Prima di parlare di passo fisso o variabile è opportuno fornire un accenno sull'elica. L'elica di un aereo viene utilizzata per trasformare la potenza di rotazione di un motore in spinta in avanti. L'elica funziona spostando l'aria dietro di sé (azione), questo movimento d'aria quindi fa sì che l'aereo venga spinto in avanti dalla differenza di pressione risultante (reazione). Più aria viene aspirata dietro l'elica, maggiore sarà la spinta o la propulsione in avanti.

Le eliche possono essere composte da una singola pala o più pale in linea con le esigenze di efficienza dei diversi aeromobili. I requisiti di prestazione dell'aeromobile e la potenza del motore sono i principali fattori determinanti nel numero di pale dell'elica. Man mano che la potenza del motore aumenta, sono necessarie pale aggiuntive per utilizzare in modo efficiente il maggiore livello di potenza. L'angolo delle pale di un'elica e la sua dimensione e forma (insieme alla potenza del motore) influenzano la quantità di spinta generata.

Le pale dell'elica sono costruite in modo simile a un'ala, in quanto tali sono soggette ad alcune delle stesse forze aerodinamiche, come la resistenza e la portanza. La differenza è che un'elica ha le forze aggiuntive della velocità di rotazione e della quantità di moto in avanti.

Le eliche possono essere a passo fisso e a passo variabile o costante. 

• Le elica a passo fisso sono realizzate con l'angolo (passo) incorporato nell'elica che non può essere modificato. Sono progettate per un funzionamento ottimale in condizioni ottimali, il che significa che le prestazioni dell'aeromobile saranno influenzate in condizioni variabili. Le eliche a passo fisso sono montate su velivoli monomotore che volano a basse velocità, con portata e altitudine limitata. L'angolo della pala è, quindi, un compromesso tra il passo ottimale per il decollo, la salita e la crociera. In queste installazioni l'elica è collegata meccanicamente al motore e la sua velocità di rotazione è direttamente correlata alla velocità del motore.
• Eliche a passo variabile o a velocità costante. A volte chiamate eliche a passo controllabile, queste eliche sono progettate con un passo (angolo) variabile che può essere modificato in volo mentre l'elica sta ruotando. Ciò significa che l'elica può essere regolata durante il volo per adattarsi meglio alle mutevoli condizioni.

Chi fosse interessato ad approfondire l'argomento vi invito a leggere un interessante ed esaustivo tutorial in italiano

Negli aerei più complessi come i liner, executive o alcuni turboprop, il motore è gestito dal FADEC (Full Authority Digital Engine Control System) , un sistema di controllo computerizzato  che permette al motore di operare alla massima efficienza per ogni condizione di funzionamento richiesta senza eccedere i limiti propri di ciascun motore; il FADEC non è aggirabile da alcun controllo manuale, nemmeno in caso di avaria del sistema, da qui la dicitura di "full authority".

Detto questo andiamo a vedere le manette tradizionali che troviamo principalmente nei velivoli con motori a pistoni, non molto avanzati e che non hanno grandi performance di crociera.

ELICA A PASSO FISSO

Entrando nel cockpit di un aereo ad elica a passo fisso, sul powerplant troviamo la manopola del gas o leva nera e una leva della miscela del carburante (manopola o leva rossa). 

Ora faccio un esempio comparativo tra un aereo e un'automobile. Consideriamo la leva della manetta dell'aereo l'acceleratore dell'auto, mentre la manetta della miscela comanda il carburatore (che si trova nelle vecchie auto). 

Ebbene quando partite con l'auto inserite la prima e premete l'acceleratore, il carburatore dell'auto miscelerà il flusso della benzina e quello d'aria (rapporto stechiometrico) che  convergerà nei cilindri. Ebbene la stessa cosa accade per l'aereo a passo fisso; spingete la manetta per il decollo, tenete la leva della  miscela su ricca, di conseguenza avrete il massimo flusso di benzina e di aria nei cilindri. Quando siete in crociera (sopra i 3 e i 4 mila piedi) il rapporto tra aria e benzina incomincerà a non essere gradito dal motore, poichè non abbiamo bisogno di una miscela eccessivamente ricca. Motivo per cui smagriremo la miscela buttando un occhio (e un orecchio) affinchè i giri del motore siano fluidi e in aumento. 

L'impostazione corretta della miscela è importante tanto quanto l'acceleratore e altre impostazioni e il suo utilizzo sarà utile non solo per una maggiore efficienza del motore, ma anche per la cura del motore a lungo termine. 

Leve  tradizionali di un aereo a passo fisso

Se c'è abbastanza carburante per la quantità di aria, il motore funzionerà in modo più ruvido e con una potenza inferiore. In questo modo, è un po' come tenere acceso un falò, troppa legna (combustibile) e il fuoco soffocherà, con troppa aria e il fuoco si spegnerà. 

(Tratto da Flightinsight)  Miscela ricca, carburante ricco, RPM 2300, EGT 1300 °F

Al decollo e in altre fasi critiche del volo, in genere la leva è tutta in alto (miscela ricca), ciò fornisce abbastanza carburante al motore per produrre potenza, riservandosi un po 'di carburante in eccesso poiché ci dà un cuscinetto di sicurezza in modo da sapere che il motore non inizierà a tossire in un momento critico. Il carburante in eccesso nel cilindro non è solo per la sicurezza, ma ha anche un effetto di raffreddamento sul motore, perché a piena potenza, il motore si surriscalda. In genere, l'aria e l'olio che scorrono intorno al motore sono sufficienti per mantenere i cilindri freschi, ma a potenza elevate, come al decollo, si surriscaldano e quel carburante in più è utile per mantenere il motore alle normali temperature di esercizio. 

(Tratto da Flightinsight) Miscela magra, carburante in diminuzione, 2300 RPM, 1450 °F 

Salendo, l'aria si assottiglia e si rischia di far girare il motore in modo irregolare, poiché la miscela diventa eccessivamente ricca (come dicevo prima troppa legna sul fuoco). Quindi dovremo impostare una regolazione ottimale della miscela che si ripercuote sulla temperatura dei cilindri, temperatura che controlleremo sull'indicatore dei gas di scarico (EGT). Su alcuni velivoli più semplici non dotati di EGT ci si regola con il contagiri e ad "orecchio".

Manometro EGT espresso in gradi Fahrenheit

L'EGT misura i gas che sono l'effetto della combustione e vengono espulsi dal cilindro attraverso la valvola di scarico. Quindi con meno carburante che raffredda i cilindri, l'EGT inizia a salire e se  smagriamo ancora di più, si noterà una ruvidità nel motore e una riduzione di potenza.

Il pilota deve regolare su una miscela sicuramente non povera, in quanto la benzina incombusta è un consumo inutile, ma contribuisce alla lubrificazione ed al raffreddamento del pistone, mentre una miscela "povera" rischia di "asciugare" troppo il cilindro e provocare surriscaldamento con conseguente usura prematura se non grippaggio dei pistoni e dei cilindri.

(Tratto da Flightinsight) Miscela smagrita ulteriormente, carburante in diminuzione, RPM 2100, EGT 1370 F

In sostanza il pilota diminuisce la miscela arretrando la leva, attende sino a che l'indicatore dell'EGT non si stabilizza (le temperature sono descritte nel manuale dell'aereo). Appena smagriamo maggiormente si noterà una ruvidità nel motore e una riduzione di potenza perché abbiamo esaurito  la quantità di carburante nel motore necessaria per produrre la massima potenza, quindi il numero dei giri (RPM) inizia a diminuire. 

(Immagine da Flightinsight) Miscela arricchita con ritorno di potenza, carburante in aumento, RPM 2300, EGT 1400 °F

Configurazione tipica di un aereo a passo fisso.

• Fase di Volo: Decollo
• Manetta della potenza: tutta avanti
• Manetta della miscela: tutta in avanti
• Passo dell'elica: fisso non modificabile
• Potenza dell'elica: variabile intervenendo sulla manetta della potenza 

Fase del volo: crociera

• Manetta della potenza : regolata al numero di giri previsto per la velocità di crociera (vedi manuale dell'aereo) e all'ottimale rapporto stechiometrico (regolata dalla manetta della miscela) 
• Manetta della miscela: sopra i 3/4 mila smagrire (abbassare la leva)
• Potenza dell'elica: variabile intervenendo sulla manetta della potenza e della miscela

ELICA A PASSO VARIABILE

L'elica a passo variabile invece regola il calettamento delle pale a seconda delle esigenze e situazioni di volo.Un aereo con un'elica a passo variabile (leva blu), nota anche come elica a velocità costante, ha una gestione un po' più complessa di una a passo fisso. Per riprendere l'esempio dell'automobile, il passo variabile può essere paragonato alle marce dell'auto. 

Quando partiamo abbiamo bisogno di coppia, innestiamo la prima e pigiamo sull'acceleratore, poi raggiunta un certo numero di giri passiamo in seconda e così via. Ebbene la stessa cosa accade quando decolliamo con un aereo a passo variabile: diamo potenza, la leva del passo dell'elica è tutta in avanti (che corrisponde alla prima marcia della nostra auto), quando livelliamo aumentiamo il passo (che corrisponde alla marcia successiva) e se aumentiamo ulteriormente il passo (tirando indietro ancora di più la leva blu) inseriremo una marcia più fluida.

Le pale dell'elica funzionano né più né meno come un'ala e al pari di un'ala producono portanza (che qui chiamiamo trazione perché rivolta nel senso del moto), e come un'ala hanno un loro angolo di incidenza. Per fornire una migliore efficienza dell'elica durante le diverse fasi del volo, il pilota dovrebbe essere in grado di controllare il passo delle pale dell'elica e il modo migliore per farlo è un sistema di governo a velocità costante.

Angolo di calettamento

Quando il velivolo è in decollo, a bassa velocità (V1), la risultante del vento, composto dalla velocità dovuta alla rotazione della pala più quella di traslazione del velivolo comporta un certo angolo d'incidenza della pala. In crociera, ad alta velocità la risultante del vento comporterebbe un angolo di incidenza diverso, addirittura negativo,  l'elica in questo caso girerebbe "a vuoto" senza produrre trazione, o addirittura frenerebbe. In un aereo a passo variabile ciò può essere gestito, quindi  spostando in avanti il passo dell'elica diminuisce (configurazione di decollo e salita), mentre spostandola all'indietro il pilota cambia il passo dell'elica in modo che questo aumenti (configurazione di crociera).  

Normale passo in avanti - Configurazione Decollo e salita

Elica in bandiera

 Passo dell'elica di zero gradi. Questo è tipicamente associato ad un “ground idle” condition. 

Configurazione Reverse

All'aumento o diminuzione del passo dell'elica corrisponde un maggior o minore sforzo del motore.

Vediamo di seguito le varie posizioni dell'elica nelle diverse configurazioni di volo.

Nella maggior parte dei casi, si decolla e atterra con il controllo dell'elica completamente in avanti, l'elica in quella configurazione dà molta potenza di decollo, ma una volta che ci si avvicina alla quota di crociera, si deve iniziare a tirare indietro la leva del passo dell'elica.

Nell'animazione sopra, ogni passaggio avviene separatamente in modo da poter vedere più chiaramente cosa sta succedendo. Ma in realtà, quando si inizia a ridurre il passo dell'elica, questa aumenta l'angolo di attacco dell'elica e, a sua volta, aumenta la coppia richiesta al motore per far oscillare l'elica.

Con quell'aumento di coppia, l'RPM diminuisce, rendendolo più efficiente all'aria. E' come dare un filo di acceleratore alla nostra auto in quinta senza tenere sotto sforzo il motore e con un minore consumo di carburante. Quando si atterra, in genere si sposta la leva dell'elica in avanti così da dare una potenza più "istantanea" (in caso di un go-around) perché il motore non ha bisogno di funzionare ad alto numero di giri.  Dopo aver impostato il regime del motore, il governor di Watt manterrà tale regime. Ma cosa succede quando si inizia a salire o a scendere?

Dopo aver impostato il regime del motore, il governor farà tutto il possibile per mantenere tale regime. Ma cosa succede quando si inizia a salire e scendere?

Esaminiamo la salita che determina una bassa velocità (underspeed). Se i giri del motore diminuiscono il governor di Watt si chiude (diminuisce la forza centrifuga sulle masse) e va ad aprire la valvola dell'olio sul circuito di drenaggio in modo da far diminuire il passo dell'elica.

Diminuendo il passo diminuisce anche la resistenza, ciò fa sforzare meno il motore e aumenta il numero dei giri. Animazione sotto.

Se i giri del motore aumentano (overspeed) il governor di Watt si apre (aumenta la forza centrifuga sulle masse) e va ad aprire la valvola dell'olio sul circuito in pressione in modo da far aumentare il passo dell'elica.
Aumentando il passo aumenta anche la resistenza, ciò fa sforzare il motore e riduce il numero dei giri. Animazione sotto.

Se si vola con un motore a pistoni ed elica a passo variabile in aerei complessi, entra in gioco un altro strumento che è il Manifold Pressure Sensor (MAP). Questo è uno strumento che regola la MAP e svolge un ruolo fondamentale nelle impostazioni dell'alimentazione. 

Il manometro del collettore detto anche Manifold è  un sensore di pressione assoluta del sistema di controllo elettronico del motore che fornisce informazioni istantanee sulla pressione di aspirazione del collettore all'unità di controllo elettronica (ECU) del motore.  I dati vengono utilizzati per calcolare la densità dell'aria e determinare la portata massiccia d'aria del motore, che a sua volta determina il dosaggio del carburante richiesto per una combustione ottimale (vedi stechiometria ) e influenza l'anticipo o il ritardo della fasatura dell'accensione.

Manifold analogico

Manifold digitale 

Quando il motore non è in funzione, il manometro del collettore indica la pressione standard dell'aria dell'ambiente che è di circa 29,92 pollici di mercurio (29,92 "Hg). Quando il motore viene avviato, l'indicazione della pressione del collettore diminuirà a un valore inferiore alla pressione ambiente (il minimo è a 12 "Hg). Il manifold (analogico) ha un arco verde per il normale funzionamento e una linea radiale rossa per indicare il limite superiore della pressione del collettore. Se la pressione del collettore viene superata troppo frequentemente, questa sollecitazione può indebolire i componenti del cilindro e alla fine causare guasti al motore. Come regola generale, la pressione del collettore dovrebbe essere inferiore al numero di giri. Ricordatevi che se il numero di giri viene ridotto prima della pressione del collettore, la pressione del collettore aumenterà automaticamente, probabilmente superando le tolleranze del produttore, mentre quando si aumentano le impostazioni di potenza, invertire prima il regime dei giri, quindi la pressione del collettore.

Prediamo la checklist del Cessna 182 S, alla voce Enroute Climb è indicata una MAP di 23 In. HG e 2450 giri 

Checklist Cessna 182 S Skyline

Particolare della checklist di sopra. In salita il 182 S richiede una potenza di 23 In HG e 2450 giri 
 

Ecco cosa vedrebbe il pilota del 182 S nel manifold in configurazione Enroute climb

Se negli aerei meno complessi come il C 182, la regolazione della potenza è nella checklist,  negli aerei più complessi invece è indicata in un apposita tabella. Nella foto sotto vediamo la tabella del Bech Baron 58 relativa al settaggio della potenza in configurazione crociera.

Una pagina della tabella del cruise power setting del Beech Baron 58

Come indicato nella tabella in alto (rettangolo in blu), la potenza massima di crociera a 20 gradi celsius è di 25 In. HG a 2500 RPM. Prendiamo per esempio il caso di un'atmosfera standard (ISA standard) indicata nel rettangolo in rosso riferita al Beech Baron 58. Alla quota di 6000 piedi (rettangolo in giallo) avremo 3 gradi centigradi di temperatura esterna (OAT), un valore di manifold di 24 In. HG, un flusso di carburante "fuel flow" di 102 PPH (Pound per Hour) o libbra all'ora, un consumo di 17 galloni per ora (GPH), una velocità indicata (KIAS) di 186 e una velocità reale (KTAS) di 202.

Particolare giallo della tabella ingrandita alla linea 6 mila piedi

Configurazione tipica di un aereo a passo variabile:

• Fase di volo: Decollo
• Potenza: leva tutta in avanti
• Passo dell'elica: minimo (leva tutta in avanti)
• RPM: massimo

• Fase di volo: Crociera
• Potenza: quanto basta per tenere il numero di giri previsto da manuale, in coordinamento con il passo dell'elica
• Passo dell'elica: quanto basta per avere l'aereo in condizioni di massima efficienza, in coordinamento con la potenza
• RPM: adeguati per la crociera come indicato da manuale

Quello che avete letto potrebbe generare confusione, ma non disperate, è solo questione di addestramento e di abitudine. Molte azioni vi verranno spontanee e per la regolazione della MAP non avrete bisogno di tenere la tabella del "Cruise Power setting" sulle ginocchia. La gestione del motore/motori, soprattutto in un velivolo avanzato, è abbastanza complessa, ed è fondamentale che il pilota conosca alla perfezione, anzi direi a memoria, il proprio aereo. Pilotare numerosi aerei con prestazioni molto diverse tra loro può essere divertente, ma questo richiede una conoscenza approfondita del mezzo, nella realtà così come nella simulazione.

In conclusione, anche nella simulazione si deve tener conto della gestione del motore/motori, quando siete seduti sul Bonanza o sul Beech Baron, oppure sul King Air di qualunque simulatore, una nota di attenzione dovrà sempre essere posta sulle regolazione delle manette, sul manifold o sull'EGT, tenendo sempre l'orecchio sul rombo del motore, che spesse volte è l'infallibile spia del funzionamento ottimale del motore.  

Per chi volesse approfondire:

• FAA: Transition to Turbopropeller PoweredAirplanes
• The Blue lever
• How to Lean the Mixture in Cruise Flight
• Aircraft Propeller Basics
• Propeller
• Map sensor
• What is manifold pressure?