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Strumenti a capsula

L'atmosfera standard
La Terra è avvolta da un involucro gassoso, l'atmosfera. Man mano che la quota aumenta l'aria si fa sempre più rarefatta. Le caratteristiche dell'atmosfera variano non soltanto con la località e con la quota ma rappresentano variazioni giornaliere e stagionali notevoli. Per la taratura di alcuni strumenti di bordo, per costruire diagrammi e tabelle con le caratteristiche aerodinamiche ed operative dell'aeromobile, è necessario riferirsi ad un modello di atmosfera stazionario, cioè non variabile nel tempo e valido su tutta la superficie terrestre.
Tale modello è stato definito da un organismo intenazionale, I'ICAO, ed è pertanto denominato ISA (International Standard Atmosphere). L'ISA rappresenta le condizioni normali riscontrabili alle latitudini medie nel periodo equinoziale (21 marzo e 23 settembre). Si considera la composizione dell'atmosfera costante a tutte le quote. Benché l'aria contenga particelle solide e liquide in sospensione, essa viene considerata secca, ovvero priva di vapore acqueo, ed assimilabile ad un gas perfetto il che significa che tra la pressione p (espressa in pascal), la densità p (in kg/m3) e la temperatura T (in Kelvin) intercorre la seguente relazione:
P=pRT
essendo R una costante uguale a 287

Le caratteristiche dell'aria al livello del mare sono le seguenti:
- La pressione P si considera pari a 1013.25 millibar o ettopascal
- La temperatura è di 15 C°, pari a 288.16 K
- La densità risulta uguale a 1.225 kg/m3.
L'atmosfera ICAO è definita fino a 32000 m e si divide in:
- Troposfera (dal livello del mare fino 11000 m)
- Stratosfera (da 11000 m fino a 32000 m).

Qui di seguito verrà considerata soltanto la troposfera in quanto, a parte i voli
supersonici, la navigazione aerea civile si effettua a quote troposferiche.

Si ipotizza che nella troposfera la temperatura dell'aria diminuisce con l'aumentare della quota in modo lineare di una quantità pari a 0.0065C° per ogni metro di elevazione, corrispondente a circa 2C° ogni 1000 ft (per l'esattezza 1.98 C). Dai 15C° al livello del mare essa decresce in modo continuo fino a raggiungere il valore di -56.5C° al limite della troposfera. Per quote non eccessivamente elevate la pressione diminuisce di 1 hPa per ogni 27ft di elevazione.
La diminuzione della pressione comporta la necessità di pressurizzare l'aeromobile e creare all'interno di esso un'atmosfera artificiale rifornita continuamente di ossigeno e dalla quale possa essere rimossa l'anidride carbonica prodotta (a 6100 m di quota un individuo non acclimatato comincerebbe a manifestare una crisi di ipossia con possibile perdita della conoscenza). Anche la densità dell'atmosfera standard, diminuisce con l'aumentare della quota. Dal valore 1.225 kg/m3 al livello del mare la densità si riduce a 0.364 al limite della troposfera.
In realtà l'aria tipo è un'astrazione e ben raramente le condizioni reali sono quelle teoriche, molte volte un primo scostamento dall'aria tipo si ha per il fatto che la pressione a quota zero non è quella teorica di 1013,25 mbar, né la temperatura è quella di 15C°, ma essi sono valori dipendenti dalle condizioni meteorologiche locali.

ANEMOMETRO

L'indicatore di velocità all'aria, detto anche anemometro, ha la funzione di misurare la velocità dell'aeromobile rispetto alla massa d'aria circostante. Il principio di funzionamento di tale strumento è basato sul confronto tra la pressione totale e la pressione statica, la cui differenza, definita pressione dinamica, è in funzione della velocità dell'aeromobile in base alla relazione nota come equazione di Bernoulli per i fluidi incomprensibili.
L'equazione è valida per basse velocità (numero di Mach non superiore a 0.2).
L'elemento sensibile è costituito da una capsula il cui interno è collegato, tramite un tubicino, alla camera per la pressione totale del tubo di Pitot; la capsula è contenuta in una cassa a tenuta stagna a sua volta connessa alla presa statica. La capsula,pertanto, subirà espansioni o contrazioni a seconda della differenza tra la pressione totale e la pressione statica; tali deformazioni vengono trasmesse ad un indice che segna sul quadrante la velocità dell'aeromobile espressa, generalmente, in nodi (kts) ( ma sono numerosi anche quelli graduati in Km/h e in mph).

Ci sono varie velocità :

• IAS (Indicated Air Speed): é velocità letta sullo strumento; è nota come velocità indicata;
• BAS (Basic Air Speed): è l'IAS corretta dagli errori strumentali dell'anemometro;
• CAS (Calibrated Air Speed) : è la velocità cabrata ricavata dalla BAS tramite una seconda correzione: i valori delle pressioni che si misurano, infatti , possono essere influenzati da un errore di posizione del tubo di Pitot o delle prese statiche.
• EAS (Equivalent Air Speed ) : è quella che indicherebbe lo strumento, privo di errori, se fosse nullo l'effetto di compressibilità. Questo errore si presenta soltanto quando la velocità dell'aeromobile è tale che il numero di mach superi il valore 0.2, infatti in tal caso l'aria non può più considerarsi un fluido incompressibile.
• TAS (True Air Speed) : velocità vera all'aria, cioè la velocità reale con cui le molecole d'aria scorrono lungo le superfici dell'aereo in volo. Si ottiene correggendo la EAS dell'errore di densità, che diventa tanto più rilevante quanto maggiore è la quota di volo.

CURIOSITA'

ERRORE DI DENSITA' : L'anemometro è tarato in modo che l'indice segni esattamente la velocità del moto dell'aereo rispetto all'aria quando quest'ultima possiede tutte le caratteristiche
dell'atmosfera standard al livello del mare.
Quando ciò non avviene, cioè quando l'aria ha una densità diversa, lo strumento segna valori di
velocità che non corrispondono a quelli della reale velocità di volo
(l'errore di densità rende sempre la velocità indicata minore della velocità dell'aria).
NUMERO DI MACH: è il rapporto fra la velocità dell'aereo e la velocità del suono
nell'aria esistente alla quota di volo.

Arco bianco: insieme delle velocità in cui si possono estrarre i carichi
aerodinamici disponibili (carrello, flaps). Inizia dalla velocità di stallo dell'aereo in
linea di volo e senza potenza con carrello e flap completamente estesi (Vs0), e
termina alla velocità massima consentita coi flap completamente estesi (Vfe).
Arco verde: insieme di velocità in cui si può agire sui comandi aerodinamici dell'a/m (che sono volantino e pedaliera) a fondo corsa. Inizia dalla velocità di stallo dell'aereo in linea di volo senzapotenza con carrello e
flap retratti (Vsl) e termina alla velocità massima di operazione normale (Vno).
Arco giallo: insieme di velocità che si possono usare in aria calma cioe in assenza di turbolenza. Inizia dalla Vno, e termina alla velocità massima da non superare mai (Vne).
Linea rossa: velocità massima dell'a/m, al di sopra della quale abbiamo dei grossi problemi a livello strutturale.

ALTIMETRO

L'altimetro aeronautico è lo strumento di misura presente negli aeroplani che fa da indicatore di quota. Presenta al suo interno una cassa aneroide (depressione di 1/2 atm) collegata alla presa statica. All'interno della cassa è presente una capsula che contiene una molla. Questa molla facilita i movimenti della capsula, mantenendola tarata.
La parte visibile dello strumento, è un quadrante con numeri da 0 a 9 e lancette. Tra ogni numero ci sono 4 tacche, ognuna misura 20 piedi (ft). Le lancette sono 3: la prima, piccola, indica 1000 ft o metri, la seconda lunga e stretta, indica 100 ft o metri e la terza (non sempre presente) a forma di freccia rovesciata, indica 10000 ft o metri. All'interno del quadrante, troviamo anche 2 indicatori. Il primo permette di selezionare la pressione alla superficie di riferimento. I valori presenti al suo interno sono espressi in hPa (hectoPascal) o mbar (millibar), inchHg (pollici di mercurio). Il secondo è un indicatore di bassa quota. Esso appare solamente in aria non standard. L'area standard è considerata in condizioni di aria secca, pressione pari a 1013,25 hPa (hectoPascal), densità di 1,225 kg/m³, temperatura 15 °C, gradiente termico verticale (GTV) 1.98 °C ogni 1000 piedi con temperatura alla tropopausa (11 km alla latitudine di 45º) di - 56.5 °C. gradiente barico verticale (GBV) 1 mbar (millibar) ogni 27 piedi.

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Autore: Gueorgui Iliev Tchervenkov