Dal Ju-287 all’X-29, storia dell’ala a freccia negativa, parte 1

31 agosto 1939.

GROSSMUTTER GESTORBEN.

La nonna è morta.

Due parole per cambiare il mondo, due parole per scatenare l’irreparabile.

Fu con questa strana e apparentemente innocua comunicazione radio che Richard Heydrich, allora capo supremo delle SS, diede il via libera all’episodio più noto fra quelli che fecero parte dell’Operazione Himmler, una serie di azioni più o meno losche attuate dalla Germania di Hitler per giustificare agli occhi del mondo l’invasione tedesca della Polonia. Ricevuta la notizia della triste scomparsa della vecchia, complice l’oscurità della notte, alcuni soldati tedeschi delle SS con addosso uniformi polacche assaltarono la stazione radio di Gleiwitz, piccola città tedesca al confine con la Polonia (la città oggi si chiama Gliwice ed è in Polonia).

Lì dentro, con i microfoni accesi in modo che tutti potessero ascoltare, fra urla in polacco e altre in tedesco, vennero sparati diversi colpi a salve contro altri uomini delle SD (Sicherheitsdienst des Reichsführers-SS, i servizi segreti delle SS) travestiti da guardie di confine tedesche. Le trasmissioni radio vennero poi interrotte e dai microfoni venne trasmesso un messaggio tattico:

“Halo! Tu Gliwice. Rozgłośnia znajduje się w rękach polskich”

Traduco per comodità: “Pronto! Qui Gliwice. La stazione radio è in mani polacche” a cui fece seguito la messa in onda per pochi istanti di una canzone patriottica polacca prima di interrompere tutto e abbandonare il posto lasciando a terra il corpo di un contadino tedesco, Franciszek Honiok, 43 anni, scelto dalle SS sia per la sua reputazione di nazionalista polacco ma anche per i suoi tratti tipicamente slavi e travestito da polacco a dimostrazione dell’effettivo combattimento fra i tedeschi della stazione radio e gli insorti.

Franciszek fu, suo malgrado, la prima vittima della Seconda guerra mondiale.

Poche ore dopo, prima in Germania e poi nel resto del mondo, iniziò a girare la notizia che “La stazione radio di Gleiwitz è stata presa d’assalto da un gruppo di insorti polacchi e momentaneamente occupata”. Il mondo intero ignorava la verità, consueta prima vittima della guerra, ignorava il fatto che era tutta una messa in scena e che l’unica cosa polacca di quella sera erano le uniformi ma, poco male, così, con quello che passerà alla storia come “l’incidente di Gleiwitz”, Hitler ebbe l’occasione di dare il via al diabolico piano che aveva architettato già da tempo, invadendo la Polonia il mattino successivo e, di fatto, gettando il mondo nel caos, riportandolo indietro di 21 anni, quando dentro quel vagone ferroviario venne siglato lo sciagurato Patto di Versailles che doveva punire la Germania ma che invece la fece incazzare di più.

Da quella sera, da quella stazione radio, dalla morte di quella nonna, prenderà il via la Seconda guerra mondiale durante la quale l’aeroplano venne sviluppato i maniera assurda, passando dai timidi aeroplani degli anni ’30 ai cazzuti jet e bombardieri del 1945, il tutto grazie alla spinta della guerra, il tutto grazie a studi incredibili, non solo a livello motoristico ma anche aerodinamico.

Ecco allora che, se per parlare di motori a getto, della loro storia e della loro evoluzione ti rimando allo strepitoso DI BRUTTO A MANETTA che oltre ad essere una figata unica è anche un modo per far si che Rollingsteel continui ad esistere e visto che stai leggendo vuol dire che ti piace e non vorresti mai che chiudesse, per arrivare a parlare dell’X-29 e del fighissimo Su-47 Berkut dobbiamo, come al solito, ripartire dalla Seconda guerra mondiale e, come spesso accade quando si affronta la storia dell’aviazione, dai tedeschi.

Proprio i tedeschi, grazie all’avvento dei motori a getto e alla messa in produzione dei primi aeroplani capaci di avvicinarsi a Mach 1 – il Messerschmitt Me-262 e il Me-163 Komet, del primo parliamo a lungo su DI BRUTTO A MANETTA, il secondo ve lo raccontiamo qui –, si trovarono nella condizione di abbandonare la classica ala dritta per avventurarsi nel mondo delle ali a freccia, quasi sempre positiva, a volte, come vedremo fra poco, negativa. Per quanto infatti l’ala a freccia non fosse una novità e, anzi, fosse stata studiata già agli albori dell’aviazione dal progettista britannico John William Dunne, alla fine, fin tanto che gli aerei volavano a velocità relativamente basse e nettamente inferiori a quella del suono, l’ala dritta fu la scelta più indicata.

La motivazione di questa affermazione va ricercata nel fatto che entro certe velocità un’ala a freccia presenta parecchie complicazioni in più rispetto alla canonica ala dritta senza, di contro, offrire alcun reale beneficio. Voglio scendere al volo nei dettagli ma, cari i miei ingegneri e/o aerodinamici ve lo dico, la questione è assai complicata e approfondirla ulteriormente andrebbe ben oltre a quello che è il mio obiettivo ovvero scrivere un articolo tranquillo e leggero da sorseggiare come fosse un buon bicchiere di amaro con il ghiaccio che tintinna nel bicchiere.

Comunque: a basse velocità la componente del flusso che contribuisce a generare portanza diminuisce con l’angolo di freccia e quindi, a parità di superficie alare, oltre a richiedere un longherone più lungo, un’ala a freccia produce meno portanza di un’ala dritta, obbligando a usare ali più grandi, più pesanti e che generano una maggiore resistenza indotta. Questo peggiora anche le prestazioni in decollo e atterraggio, perché servono velocità più elevate e, se possibile, piste più lunghe. Le difficoltà aumentano in caso di stallo, con l’ala a freccia che ha un comportamento più brusco e pericoloso rispetto ad un’ala dritta in quanto tende a perdere portanza prima alle estremità con conseguenti spostamenti del centro di pressione, abbiamo parlato di questo comportamento nell’articolo dedicato agli aerei della celebre Century Series e all’F-100 Super Sabre che, proprio a causa della sua ala a freccia molto pronunciata, soffriva di quello che si chiama “superstallo”, lo trovate qui.

I problemi proseguono dal punto di vista strutturale perché, siccome l’aria tende a scorrere sull’ala nella direzione della freccia, la portanza non si distribuisce uniformemente sull’ala ma tende a concentrarsi verso le estremità con il risultato che l’intera ala è soggetta a momenti torcenti maggiori rispetto a quelli di un’ala dritta con la necessità di una struttura molto più rigida, difficile da gestire con le tecnologie costruttive proprie degli anni ’30 e ’40.

Ecco allora che, fin tanto che si utilizzavano grossi motori a pistoni e gli aerei, ben che andava, riuscivano a tirare fino a circa 700 km/h in volo livellato, i costruttori rimasero dalla parte dei bottoni e fedeli alla classica ala dritta che funzionava bene e rompeva le balle poco.

Poi arrivò il motore a getto e, con lui, aeroplani più veloci che iniziarono a mostrare gli effetti (spesso in maniera catastrofica con diversi buchi in terra a forma di aeroplano tipo quello dello United 93) di quelli che chiamiamo fenomeni di comprimibilità, ovvero tutti quei problemi che si verificano quando l’aereo si avvicina a velocità tali per cui l’aria che passa sopra l’ala – e che, per la forma stessa dell’ala, accelera – raggiunge (o supera) la velocità del suono, generando onde d’urto che possono causare sia separazione del flusso d’aria (se avviene sulle ali = stallo) che repentini aumenti della resistenza, aggiungendo così asimmetria e instabilità al flusso attorno all’aeroplano.

NOTA: della questione delle onde d’urto e dei repentini aumenti di pressione che queste generano vi rimando ad un mio video su YouTube in cui descrivo il funzionamento delle prese d’aria, sia subsoniche che supersoniche, lo trovate QUI.

Ecco quindi che viene il bello perché, fin dai primi studi condotti nelle gallerie del vento, divenne evidente che man mano che aumenta l’angolo dell’ala aumenta la velocità alla quale si formano le onde d’urto, rendendo quindi l’ala a freccia preferibile per il volo trans- e supersonico.

Certo, la questione è molto complicata e i problemi di comprimibilità e i disastrosi effetti che questo provocava non vennero risolti, ne abbiamo parlato a lungo nell’articolo dedicato al Me-262 e di come alcuni suoi piloti si convinsero di esser riusciti a superare la barriera del suono a bordo del gioiello di Willy Messerschmitt tuttavia in Germania, in cerca di aeroplani sempre più veloci e, altra cosa importante, in cerca di un modo per aumentare l’autonomia degli aeroplani diminuendone la resistenza, le ricerche sull’ala a freccia divennero sempre più centrali. Così, grazie all’avvento del motore a getto, nel pieno della bulimia creativa che caratterizzò gli ultimi anni dell’industria aeronautica tedesca, iniziarono a nascere aeroplani sempre più interessanti e sviluppati proprio per sfruttare a fondo le caratteristiche dell’ala a freccia. Aeroplani come il Blohm und Voss P 215 o il Focke Wulf Ta-183 o addirittura il Messerschmitt P.1101 con ala a geometria variabile sono solo alcuni dei tantissimi esperimenti di quegli anni, culminati in ferri pazzeschi come l’ala volante (spiccatamente a freccia) dei fratelli Horten, il mitico Horten Ho.IX.

Fra questi aeroplani “tradizionali” spicca però un aeroplano decisamente più particolare, lo Junkers Ju-287, il prototipo per un innovativo bombardiere pesante a lungo raggio spinto da quattro motori a getto ma, più che altro, caratterizzato da una audace ala a freccia negativa.

Banco prova aerodinamico per sviluppare la tecnologia necessaria alla costruzione di un bombardiere a getto plurimotore capace di volare abbastanza veloce da evitare l’intercettazione da parte dei caccia nemici, alimentato da quattro motori Junkers Jumo 004B, caratterizzato da una rivoluzionaria ala a freccia negativa e assemblato in gran parte da componenti prelevati da altri aerei tra cui il carrello di un B-24, lo Ju 287 è una figata incredibile e che finalmente mi da modo di parlare dell’ala a freccia negativa.

Strano e apparentemente incasinato, lo Ju 287 attira l’attenzione – e, oggi, la nostra in special modo – per la sua ala, suggerita dal capo progettista del progetto, il dottor Hans Wocke, in cerca di un modo per aumentare la portanza alle basse velocità – necessaria a causa della scarsa reattività dei primi turbogetti nei momenti vulnerabili di decollo e atterraggio – e come escamotage per ampliare il vano bombe grazie allo spostamento verso il retro dell’aeroplano della trave principale dell’ala.

I test di volo iniziarono il 16 agosto 1944 e fin da subito l’aeroplano mostrò ottime caratteristiche di manovrabilità ma, inutile girarci attorno, iniziò fin da subito a mostrare anche alcuni dei problemi che sono propri dell’ala a freccia negativa fra cui la sua eccessiva torsione.

Per capire questa cosa che è un po’ il problema principale di questa curiosa configurazione alare dobbiamo fare un altro excursus nel mondo dell’aerodinamica e della aeroelasticità, quella branca dell’ingegneria che studia le interazioni tra le forze inerziali, elastiche e aerodinamiche quando un corpo è immerso in un flusso di fluido.

Lo so, è un casino ma aiutiamoci con l’immagine qui sopra: come abbiamo visto prima, l’aria tende a scorrere sulla superficie alare seguendo l’angolo di freccia. In questo modo varia anche la distribuzione della portanza che in un’ala a freccia positiva tende a massimizzarsi alle estremità alari. Questo fa sì che le estremità tendano a torcere “in avanti”, abbassando il bordo d’attacco, diminuendo localmente la portanza e quindi stabilizzando il flusso e “smorzando” l’effetto.

Viceversa, in un’ala a freccia negativa, sebbene l’aria scorra dalle estremità (che sono il primo punto dell’ala ad “impattare” l’aria) verso le radici concentrando la portanza in questo punto, rimane il fatto che le estremità alari, in quanto punto di “impatto” dell’aria, sono sottoposte a sforzi aerodinamici molto importanti in un punto in cui, per forza di cose, l’ala è più sottile e meno robusta. Questa sollecitazione aerodinamica tende a generare una torsione inversa delle estremità, il bordo di attacco tenderà ad alzarsi, la portanza aumenterà (localmente) e, di conseguenza, l’effetto si amplificherà. Si parla di torsione divergente e se l’ala non è progettata in maniera accurata può letteralmente sbriciolarsi sotto sforzi meccanici troppo intensi per quella che è la sua resistenza.

I tecnici Junkers si accorsero del problema e puntavano a risolverlo nei prototipi successivi sui quali, da programma, tutto il peso dei motori – che sul primo prototipo erano quattro, due in gondole subalari, due ai lati del muso – sarebbe stato concentrato sotto le ali, in questo modo più rigide e sono soggette a flessioni indesiderate. Tuttavia, come ben noto, nel giro di pochi mesi la Germania collassò su sé stessa e i lavori sul programma Ju-287, insieme a molti altri progetti tedeschi in sospeso, si interruppero nel luglio 1944 e la fabbrica Junkers, impiegata nella costruzione del secondo e terzo prototipo, fu invasa dall’Armata Rossa alla fine di aprile 1945. Wocke e il suo staff, insieme ai due prototipi incompleti, furono portati nell’Unione Sovietica dove il terzo prototipo (rinominato secondo la designazione interna originale Junkers, EF 131) fu finalmente completato e volò il 23 maggio 1947, ma a quel tempo, con la rapida accelerata subita dall’aviazione subito dopo la fine della guerra, quell’aereo era ormai obsoleto.

Finita la guerra, fra l’avvento di motori a getto sempre più potenti e i grandi avanzamenti in fatto di aerodinamica e progettazione aeronautica, con lo sviluppo di aerei sempre più veloci e prestazionali, per qualche anno di ala a freccia negativa non se ne parlò più. Poco conta che questa configurazione abbia degli indubbi vantaggi sull’ala a freccia positiva grazie al fatto che lo scorrimento dell’aria verso le radici alari la rende meno sensibile allo stallo delle estremità e, anzi, aumenta la resistenza allo stallo agli alti angoli di attacco, in quegli anni di grande entusiasmo a spuntarla fu la classica ala a freccia, garanzia di prestazioni elevate in un momento storico nel quale le prestazioni erano tutto.

Tuttavia gli indubbi vantaggi garantiti dall’ala a freccia negativa – maggiore spazio a bordo, maggiore resistenza allo stallo specialmente ad angoli di attacco elevati – continuarono a sedurre tecnici ed ingegneri facendo sì che la sperimentazione nei confronti di questo tipo d’ala non si sia mai fermata. A parte alcuni aeroplani semi sconosciuti come l’HFB 320 Hansa Jet, un piccolo business jet progettato dallo stesso Hans Wocke dopo il suo ritorno nella DDR nel 1954 e costruito attorno ad un’ala a freccia negativa voluta più per questioni di spazio a bordo che per i suoi vantaggi aerodinamici, l’ala a freccia negativa tornò prepotentemente alla ribalta nel momento in cui furono disponibili nuovi materiali – più leggeri e resistenti, ottimi per sopportare le particolari sollecitazioni a cui un’ala a freccia negativa è sottoposta senza però appesantire troppo l’aereo – e nuovi sistemi di volo di tipo fly-by-wire, indispensabili per rendere governabili velivoli concepiti per sfruttare al massimo le qualità dell’ala a freccia negativa, ma al prezzo di un’instabilità intrinseca che, senza computer, sarebbe stata difficilmente gestibile.

Ecco allora che, fra esperimenti strani compiuti dai tedeschi e l’Hansa Jet, unico aereo civile certificato con ala a freccia negativa, quando si parla di questa configurazione alare non si può non parlare del Grumman X-29, audace prototipo finanziato dalla DARPA (Defence Advanced Research Project Agency) e dall’USAF (in realtà dall’Air Force Flight Dynamics Laboratory ma ci siamo capiti) proprio per analizzare e studiare a fondo l’utilizzo di questa configurazione alare in un innovativo aereo da combattimento che, proprio grazie alla sua ala e al sofisticato controllo di volo FBW, potesse unire grandi doti di manovrabilità ad un maggiore controllo agli alti angoli di attacco.

Nel dicembre 1981 la Grumman ricevette quindi 87 milioni di dollari per sviluppare due aeroplani, denominati X-29 e caratterizzati da un design molto particolare. Sebbene tutta la parte anteriore di questo nuovo aereo sperimentale provenisse da un F-5 Freedom Fighter, tutto il resto era estremamente innovativo; non solo l’ala a freccia negativa conferiva all’aereo una forma molto strana ma a colpire l’attenzione è il modo in cui sono posizionate le superfici di controllo, oggi una cosa abbastanza normale ma per l’epoca una vera novità. Il beccheggio dell’X-29 infatti non è governato dai classici timoni di profondità ma da due grandi canard completamente mobili posizionati davanti all’ala con la quale condividevano parte della portanza totale generata dalle superfici di volo. Altre particolarità sono le superfici alari a camber variabile mediante l’utilizzo di flaperon (da flap + aileron), utili per modificare la curvatura dell’ala e aumentare la portanza o, se azionati in maniera asimmetrica, per regolare il rollio dell’aereo. Altre chicche sono l’ala con profilo supercritico (tipo di profilo utile per diminuire la resistenza generata dalle onde d’urto normali), la presenza di “strake flaps” in coda che, operando assieme ai grandi canard, contribuiscono al controllo del beccheggio. In tutto questo ben di dio che farebbe andare in brodo di giuggiole qualunque appassionato di aerodinamica, tutte le superfici di controllo erano governate da un sistema fly-by-wire digitale a tripla ridondanza che, con oltre 40 input al secondo, manteneva il controllo di un aeroplano altrimenti molto instabile, molto di più dell’F-16, a sua volta caratterizzato da una decisa instabilità longitudinale e per questo governato da un sistema FBW. Chiude il quadro un bel General Electric F404, piccola (relativamente) turboventola che ha equipaggiato diversi aeroplani fra cui gli F/A-18 Hornet (i nuovi Super Hornet hanno gli F414), l’F-117 e il mai nato F-20 Tigershark.

In tutto ciò, cerchiamo di andare al dunque: il primo X-29 staccò le ruote da terra per la prima volta il 14 dicembre del 1984, quarto aereo con ala a freccia negativa della storia a volare dopo lo strano esperimento della Junkers, il sovietico OKB-1 EF-131 (che altro non era che lo sviluppo di uno Junkers Ju-287) e l’HFB-320 descritto poco sopra. Un anno esatto dopo, il 13 dicembre 1985, mentre mi godevo il mio secondo giorno di vita, l’X-29 superava finalmente la barriera del suono, primo aereo con questa configurazione alare a riuscirci.

Sempre il primo dei due X-29 venne utilizzato per una lunga serie di voli di prova finalizzati a verificare il comportamento dell’ala in condizioni prettamente “standard”, senza esagerare con gli angoli di attacco ma più che altro per convalidare tutto quel che si sapeva – o si credeva di sapere – sull’ala a freccia negativa. Così arrivò la conferma che il movimento dell’aria dall’esterno verso la radice permetteva di evitare lo stallo delle estremità ad angolo di attacco moderati e che, in tutto ciò, la struttura aeroelastica dell’ala (come evidenziato nella didascalia di una foto qui sopra) si comportava come previsto, prevenendo la divergenza strutturale e tutte le pugnette che rendono così delicate e soggette a collassi le ali a freccia negativa. Anche il profilo supercritico, precedentemente studiato a fondo dalla NASA mediante un F-8 Crusader opportunamente modificato, dimostrò buone prestazioni, sia di manovrabilità che, ed è il motivo per cui è stato sviluppato questo particolare profilo, di stabilità nel delicato regime transonico. In tutto ciò il primo dei due X-29 ha dimostrato che l’aereo volava in maniera sicura ed affidabile, aprendo così le porte al secondo X-29 ma, più che altro, alla seconda fase di test, quella destinata alle manovre più spinte.

Se infatti il primo X-29 non venne mai spinto ad angoli di attacco superiori ai 21°, per il secondo la faccenda si fece ben più seria: dotato di un paracadute di recupero, accessorio fondamentale per recuperare l’aereo da eventuali viti causate da assetti di volo particolarmente spinti e potenzialmente catastrofiche, a partire dal 1989 il secondo X-29 venne strapazzato in maniera ben più intensa in una lunga serie di voli nel corso dei quali l’aereo venne spinto ad angoli di attacco sempre più elevati, rimanendo sempre controllabile e manovrabile, anche in assetti fuori da ogni grazia di Dio. Le evidenze sperimentali furono che i controlli rimanevano perfettamente efficaci ad angoli di attacco fino a 45° salvo poi perdere gradualmente la loro efficacia con l’aereo che rimaneva controllabile (poco) fino a 67°, un valore abbastanza esagerato ma che veniva raggiunto proprio grazie alla particolare forma dell’ala e al suo accoppiamento con i canard.

In tutto ciò il programma X-29 si chiuse nel 1991 con 242 voli grazie ai quali non solo l’aereo ha dimostrato le potenzialità della sua ala a freccia negativa ma più che altro delle incredibili possibilità offerte dai materiali compositi e dall’utilizzo di sistemi computerizzati per sfruttare al meglio le superfici canard su aeroplani instabili per migliorare la manovrabilità fino a livelli altrimenti impensabili. Ecco allora che, se l’X-29 ha completato il suo percorso sperimentale finendo quasi dimenticato o senza lasciare nessuna apparente eredità, le cose sono ben diverse perché l’X-29 ha influenzato in maniera decisiva moltissimi progetti dagli anni ’90 in poi. Sdoganata con l’F-16 e spinta a livelli estremi con l’X-29, l’instabilità aerodinamica è diventata un must per moltissimi aerei da combattimento moderni che la sfruttano proprio per ottenere doti di manovrabilità altrimenti impensabili. L’esperienza raccolta dall’X-29 (ma anche dall’F-16 CCV) ha generato una quantità enorme di dati nel campo delle configurazioni aerodinamiche non convenzionali e ha contribuito in modo indiretto allo sviluppo delle configurazioni canard-delta europee: aeroplani come il “nostro” EFA, il Gripen o il Rafale raggiungono le loro elevate doti di manovrabilità anche grazie all’accoppiamento fra sistemi di volo computerizzati e le grandi superfici canard posizionate davanti alle ali.

In tutto ciò, per tornare al punto da cui eravamo partiti, con la fine del programma X-29 negli Stati Uniti non si parlò più di aeroplani ad alte prestazioni con ala a freccia negativa (questo anche perché questo tipo di ala tende ad aumentare la segnatura radar di un aereo) mentre in Russia, a partire dal 1997, iniziò a farsi vedere un nuovo aeroplano, basato sul sempreverde Sukhoi Su-27 ma caratterizzato da una arrogante ala a freccia negativa. Parliamo del celebre Sukhoi Su-47 Berkut che ho consumato su Ace Combat 4 e di cui, però, parleremo in un altro articolo che qui mi pare che siamo già andati per le lunghe. Appena disponibile vi metterò qui il link per lui, intanto godetevi questo che qui vi va sempre di lusso.