La configurazione di base delle eliche tradizionali non è sostanzialmente cambiata dal primo volo a motore dei fratelli Wright nel 1903.
Tuttavia, man mano che gli ingegneri imparano di più sull’aerodinamica e tentano nuovi esperimenti, le eliche si stanno evolvendo verso forme più complesse. Questi sono dotati di lame multiple, angoli di spazzata elevati, dispositivi di punta della lama e altre caratteristiche per ottimizzare le prestazioni in diverse condizioni.
Un recente progresso nella tecnologia delle eliche sono le eliche “toroidali”. Questi dispositivi sono a forma di anello, con le lame che si avvolgono l’una intorno all’altra. Alcuni articoli e video recenti li hanno esaltati, ma quanto sono “rivoluzionari”, davvero?
Raffinare la forma
Nel 2017, i ricercatori del MIT hanno depositato un brevetto per le eliche toroidali. Il loro brevetto afferma che l’invenzione è più efficiente delle eliche tradizionali ed è meno rumorosa.
Per coincidenza, già nel 2012, anche la società di ingegneria statunitense Sharrow Marine ha sviluppato un’elica toroidale per imbarcazioni; hanno dimostrato che è più efficiente e più silenzioso delle tradizionali eliche marine.
Il motivo per cui le eliche toroidali possono essere più silenziose è dovuto alla loro forma complessa: riduce al minimo la forza del vortice (un movimento a spirale di aria, acqua o altro fluido) che si verifica naturalmente sulle punte delle pale dell’elica.
Ciò accade perché c’è una regione ad alta pressione sotto la lama e una bassa pressione sopra di essa. Mentre l’aria ad alta pressione da sotto la pala si sposta verso la regione a bassa pressione sopra di essa, viaggia a spirale, un vortice.
Questo fenomeno non è unico per le pale dell’elica, che sono essenzialmente ali rotanti. Anche l’ala di un aereo sperimenta questo fenomeno. Gli ingegneri hanno svolto molte ricerche sui dispositivi alari che possono minimizzare questo problema.
L’uso di strutture a circuito chiuso, come in un’elica toroidale, è un modo per ridurre i vortici di punta.
Anche se la forma di base dell’elica è rimasta la stessa dalla sua invenzione, sono stati proposti molti progetti di pale dell’elica. Per testarli, gli ingegneri devono eseguire studi di compromesso di progettazione. Alcuni di questi approcci sono stati testati per provare a rendere le pale degli elicotteri e i droni più efficienti e meno rumorosi.
Nessuna elica magica
È importante comprendere che la geometria dell’elica deve essere ottimizzata per uno specifico “inviluppo operativo”. Ciò significa le proprietà del fluido o dell’aria in cui opera, velocità di rotazione, velocità di avanzamento e altri dettagli. Al di fuori di tale involucro, l’elica funzionerà male.
Finora, nessuno ha raggiunto la magica geometria dell’elica che raggiungerà un basso rumore e un’elevata efficienza per tutte le condizioni operative e le scale. Le eliche toroidali non fanno eccezione: dagli scarsi risultati finora disponibili, i loro vantaggi non sono ancora del tutto quantificati.
Il confronto tra un’elica toroidale ben progettata e un’elica tradizionale mal progettata mostrerà un miglioramento significativo, ma non è un confronto equo.
Eliche toroidali ben progettate possono presentare vantaggi in condizioni operative specifiche, come fluidi densi o una gamma specifica di velocità. Tuttavia, rimane la domanda su come un’elica toroidale si confronta con un’elica tradizionale ben progettata per le stesse condizioni.
Questa è una sfida, poiché i miglioramenti sono sempre relativi a un benchmark, che potrebbe non essere il design più efficiente con cui iniziare.
Un altro aspetto di un confronto equo che non sembra essere stato pubblicato per le eliche toroidali è il confronto di eliche diverse con la stessa forza di spinta. Solo così si possono vedere i veri vantaggi in termini di riduzione del rumore e di energia necessaria per far girare l’elica.
Gli esperimenti domestici non sono rappresentativi
Un annuncio del MIT all’inizio di quest’anno sulle eliche toroidali che hanno vinto uno dei 2022 R&D 100 Awards del MIT Lincoln Laboratory ha generato un notevole entusiasmo. C’è stata una sperimentazione diffusa con eliche toroidali stampate in 3D, ma non tutte hanno prodotto risultati positivi.
Ciò potrebbe essere dovuto alla geometria non ottimizzata e allo scarso rigore scientifico da parte del pubblico in generale che conduce alcuni di questi esperimenti. Ciò offre alla comunità scientifica un’opportunità di ricerca per valutare e ottimizzare veramente le eliche toroidali e tradizionali per migliorarne le prestazioni.
Sono stati condotti precedenti studi di ottimizzazione, alcuni dei quali utilizzano anche tecniche di apprendimento automatico per identificare le geometrie adatte. Gli ingegneri stanno anche cercando di rendere le eliche che suonano meno fastidiose, considerando come gli esseri umani percepiscono il suono.
Costoso e difficile da scalare
Anche le eliche toroidali presentano evidenti svantaggi. Il principale è la difficoltà di adattarli alla produzione di massa a causa della loro geometria complessa, che comporta costi di produzione elevati.
La complessa struttura richiede inoltre un’attenzione particolare per evitare vibrazioni indesiderate, un problema significativo durante la rotazione ad alta velocità. Ciò si aggiunge anche a costi di produzione più elevati.
Quando si tratta di utilizzare eliche toroidali per droni, il loro peso maggiore avrà anche implicazioni sulla reattività e stabilità del drone. Questo è fondamentale quando si opera in condizioni ventose e turbolente come il tempo ventoso.
Nel complesso, le eliche toroidali sono un entusiasmante sviluppo recente nel design delle eliche, almeno in alcuni casi. Sebbene possano essere più silenziose, non sostituiranno ancora completamente le eliche tradizionali: non esiste un unico design dell’elica adatto a tutte le situazioni.
Autore
Abdulghani Mohamed, Università RMIT
