Lezione 9 — Dispositivi di alta portanza¶

Obiettivo: alla fine di questa lezione sai a cosa servono flap e slat, distinguere i 4 tipi principali di flap, calcolare l'effetto sul \(C_{p,max}\) e capire perché un Boeing 737 ha quel sistema complesso di superfici mobili sotto le ali.

🎯 In una riga¶

I dispositivi di alta portanza (flap, slat, slot) sono superfici mobili dell'ala che si dispiegano in decollo e atterraggio per aumentare \(C_{p,max}\) e permettere di volare a velocità più basse senza stallare.

✈️ A cosa serve davvero¶

Hai visto in Lezione 4 che la velocità di stallo è:

\[V_S = \sqrt{\frac{2 W}{\rho \cdot S \cdot C_{p,max}}}\]

Per atterrare in sicurezza servono velocità basse: una pista standard è 1500–3000 m, e a 250 kt non frenerebbe nessun aereo. Ma ridurre la velocità troppo significa entrare in stallo.

L'unico modo per ridurre \(V_S\), a parità di peso e densità (quindi stessa pista, stesso giorno):

Aumentare \(S\) (la superficie alare) → flap Fowler lo fanno scivolando indietro
Aumentare \(C_{p,max}\) → flap, slat, slot lo fanno aumentando la curvatura del profilo e ritardando lo stallo

Esempio: Boeing 737 al peso massimo di atterraggio.

Senza flap: \(C_{p,max} \approx 1{,}3\) → \(V_S \approx 95\) m/s = 185 kt — pista enorme, frenata impossibile
Flap pieni (40°): \(C_{p,max} \approx 2{,}8\) → \(V_S \approx 65\) m/s = 126 kt — atterrabile

Senza flap, non ci sarebbero aeroporti urbani.

📐 I 4 tipi di flap — dal più semplice al più sofisticato¶

I 4 tipi di flap: plain, slotted, Fowler, multi-flap

1. Flap semplice (plain flap) — Cessna 172¶

La parte posteriore dell'ala ruota verso il basso, come un'aletta.

Aumento di \(C_{p,max}\): ~\(+0{,}3\) (da 1,2 a 1,5)
Aumento di \(C_R\): significativo (resistenza extra)
Cessna 172 → flap semplici a 3 posizioni (10°, 20°, 30°)

2. Flap a doppia/tripla fessura (slotted flap) — GA moderna¶

Quando il flap si abbassa, lascia una fessura tra ala e flap. L'aria ad alta pressione del ventre passa attraverso, energizzando lo strato limite sul dorso del flap → ritarda lo stallo.

Aumento di \(C_{p,max}\): ~\(+0{,}6\)–\(0{,}8\)
\(C_R\) moderato

3. Flap Fowler (extended) — Boeing 737, Airbus A320¶

Il flap scivola indietro lungo binari prima di abbassarsi → aumenta sia la superficie alare \(S\) che la curvatura.

Aumento di \(C_{p,max}\): ~\(+1{,}0\)–\(1{,}2\) (da 1,4 a 2,4-2,6)
Aumenta anche \(S\) → effetto cumulativo sulla portanza
Sistema meccanico complesso (binari, attuatori), pesante

4. Sistema multi-flap (Fowler + multi-slot) — Boeing 747, A380¶

Combinazione di Fowler con due o tre flap consecutivi, ciascuno con la sua fessura. Massima sofisticazione.

\(C_{p,max}\) può raggiungere 2,8–3,5 in atterraggio
Sistema mostruosamente complesso: A380 ha 6 superfici mobili per lato

🪶 Slat e slot — al bordo d'attacco¶

Mentre i flap stanno al bordo d'uscita, slat e slot stanno al bordo d'attacco:

Slat¶

Una superficie mobile che si estende avanti e in basso, creando una fessura sopra il bordo d'attacco. Energizza lo strato limite sul dorso → l'ala può lavorare a \(\alpha\) molto maggiori senza stallare.

Slat al bordo d'attacco con fessura — confronto ala normale vs slat estesa

Effetto principale: aumenta l'angolo di stallo \(\alpha_{stallo}\) da ~16° a ~22-25°.

Aerei: tutti i jet di linea moderni hanno slat. Cessna 172 NO (non gli serve, atterra già lentamente).

Slot fisso¶

Versione non mobile: un'apertura permanente al bordo d'attacco. Storica, oggi rara perché aumenta \(C_R\) in crociera.

Aerei famosi con slot fissi: Fieseler Storch (Fi-156, decollo in 60 m), Helio Courier.

📊 Effetto cumulativo — la curva \(C_p\)-\(\alpha\) con flap¶

Curva CL-alpha confronto: ala pulita, con flap, con flap+slat

Lettura: flap aumentano il \(C_p\) a ogni \(\alpha\) (sposta la curva in alto, da blu a verde a rosso), slat estendono \(\alpha\) di stallo (sposta il picco a destra: da 16° pulito a 22° con slat). Insieme, multiplicano l'effetto: \(C_{p,max}\) raddoppia, da 1,4 (pulito) a 2,8 (flap+slat).

🏗️ Configurazioni tipiche di volo¶

Fase	Flap	Slat	Velocità tipica (737)
Crociera	Retratto (0°)	Retratti	230 m/s (Mach 0,78)
Decollo	5°–15° (T/O setting)	Estesi	80 m/s (155 kt)
Salita iniziale	5°	Estesi	100 m/s (195 kt)
Approccio	25°–30°	Estesi	75 m/s (145 kt)
Atterraggio	40° (full flaps)	Estesi	65 m/s (126 kt)
Go-around (riattaccata)	15°	Estesi	80 m/s (155 kt)

⚠️ Velocità massima con flap (V_FE): tutti i flap hanno una velocità massima oltre la quale si rompono. Per il Cessna 172, \(V_{FE}\) flap pieni = 85 kt. Per il 737, \(V_{FE}\) flap 40° = 158 kt. Estendere flap ad alta velocità = danno strutturale immediato.

✈️ Esempi reali¶

Cessna 172 in atterraggio¶

Flap a 30° (massimo): \(C_{p,max}\) passa da 1,5 (pulita) a ~2,1
\(V_S\) scende da 51 kt a 41 kt (–20%)
Velocità di approccio standard \(V_{ref}\) = 1,3 × \(V_S\) ≈ 53 kt

Boeing 737-800 in atterraggio (peso 65 t)¶

Flap 40° + slat: \(C_{p,max} \approx 2{,}8\)
\(\rho_0 = 1{,}225\), \(S = 124{,}6\) m², \(W = 65000 \cdot 9{,}81 = 637\,650\) N
\(V_S = \sqrt{(2 \cdot 637\,650)/(1{,}225 \cdot 124{,}6 \cdot 2{,}8)} = \sqrt{2987} \approx 54{,}7\) m/s ≈ 106 kt
\(V_{ref}\) = 1,3 × \(V_S\) ≈ 138 kt — coerente con i tipici 130-145 kt all'atterraggio.

A380 — il pesce d'aprile dei flap¶

Sistema più complesso al mondo: flap multi-fessura su 3 superfici per lato + slat su 8 superfici per lato. Permette al gigante (peso atterraggio 390 t!) di toccare a 145 kt.

🎯 Box "Da ricordare per l'interrogazione"¶

Flap = bordo d'uscita; slat = bordo d'attacco.

4 tipi di flap: plain, split, slotted, Fowler. Ognuno aumenta \(C_{p,max}\) di ~\(+0{,}3\), \(+0{,}5\), \(+0{,}7\), \(+1{,}0\) rispettivamente.

Fowler aumenta anche la superficie alare \(S\) (scivola indietro), oltre alla curvatura.

Slat ritarda lo stallo (estende l'angolo critico da 16° a 22-25°).

Tutto questo costa resistenza: i flap aumentano molto il \(C_R\). Volare con flap fuori in crociera = consumo +30-50%.

Velocità massima con flap (\(V_{FE}\)) è un limite strutturale assoluto. Mai superarlo.

Cessna 172 ha solo flap semplici (basta per atterrare a ~50 kt). Liner ha flap+slat sofisticati perché vola pesante.

⚠️ Errori comuni¶

❌ Pensare che flap = stallo evitato. Falso: i flap abbassano la velocità di stallo ma se voli sotto la nuova \(V_S\) stalli comunque. Lo stallo dipende sempre dall'angolo di attacco.

❌ Estendere flap ad alta velocità. Conseguenze: strappi strutturali, fessurazioni, perdita di controllo. È uno degli errori più gravi che un pilota possa fare. Su jet di linea c'è il "flap warning system" che bloccare il movimento se la velocità è troppo alta.

❌ Confondere flap e ipersostentatori in generale. "Ipersostentatori" è il termine italiano per high-lift devices, che include flap, slat E slot. Flap = solo quelli al bordo d'uscita.

❌ Pensare che i flap aumentino solo la portanza. Aumentano sia \(C_p\) che \(C_R\). Il rapporto \(C_p/C_R\) (efficienza) scende. Per questo non si usano in crociera.

❌ Dimenticare di estrarre i flap in atterraggio. Conseguenza: velocità di toccata troppo alta, pista insufficiente. Un classico nei voli delle scuole di volo: piloti distratti che atterrano "puliti".

❌ Estrarre flap senza compensare il trim. I flap modificano il momento dell'ala → l'aereo cabra o picchia improvvisamente. Va dosato il trim simultaneamente.

🧠 Domande di autoverifica¶

Senza flap, \(C_{p,max} = 1{,}4\). Con flap pieni, \(C_{p,max} = 2{,}5\). Di quanto si riduce la velocità di stallo, in percentuale?
Un pilota di Cessna 172 si ricorda di estrarre i flap solo a 100 kt (limite \(V_{FE}\) = 85 kt). Cosa rischia?
Perché i jet di linea hanno slat ma il Cessna 172 no?
Con flap pieni e slat estesi, l'angolo di stallo passa da 16° a 23°. È un vantaggio in atterraggio?
Calcola la velocità di stallo \(V_S\) di un ATR 72 al peso massimo (22500 kg, \(S = 61\) m²) in atterraggio con flap pieni (\(C_{p,max} = 2{,}5\)) al livello mare.

👉 Risposte

\(V_S \propto 1/\sqrt{C_{p,max}}\). Rapporto: \(\sqrt{1{,}4/2{,}5} = \sqrt{0{,}56} \approx 0{,}748\). La velocità di stallo con flap è il 74,8% di quella pulita → riduzione del 25,2%.
Strappo strutturale: l'aereo è progettato per un certo carico aerodinamico sui flap fino a 85 kt. A 100 kt le forze sono \((100/85)^2 \approx 1{,}38\) → 38% in più di carico sui flap rispetto al limite. Possibili: deformazione permanente, fessurazione del cassone alare, distacco totale del flap. Un Cessna 172 in fase di estensione flap a velocità eccessiva può perdere un flap → asimmetria di portanza → cappottamento immediato. Esistono casi documentati di NTSB.
Perché il Cessna non vola pesante e non vola veloce. La sua \(V_S\) pulita è già ~50 kt (atterrabile su qualsiasi pista). Il jet di linea ha \(V_S\) pulita di 100+ kt: per atterrare a 130 kt serve aumentare \(C_{p,max}\) a 2,8+ → flap Fowler + slat sono necessari. Inoltre i jet hanno profili sottili ottimizzati per crociera ad alto Mach: questi profili stallano facilmente, lo slat compensa estendendo l'angolo critico.
Sì, enorme: il pilota può atterrare a un angolo di attacco maggiore (~20° invece di ~12°), il che significa che a parità di velocità di toccata, il muso è più alto e la traiettoria è più "ripida" → più controllo, frenata aerodinamica naturale. Inoltre la posizione "muso alto" allinea meglio il carrello con la pista. Senza slat, gli aerei militari moderni a volte usano "leading edge extension" (LEX) per ottenere un effetto simile.
\(W = 22500 \cdot 9{,}81 = 220\,725\) N. \(V_S = \sqrt{2W/(\rho S C_{p,max})} = \sqrt{(2 \cdot 220725)/(1{,}225 \cdot 61 \cdot 2{,}5)} = \sqrt{441450/186{,}8} = \sqrt{2363} \approx 48{,}6\) m/s. In nodi: \(48{,}6/0{,}5144 \approx 94{,}5\) kt. \(V_{ref} = 1{,}3 \cdot V_S \approx 126\) kt — coerente con i 110-130 kt di approccio dichiarati per ATR 72.

🎓 Hai finito le lezioni!¶

Le 9 lezioni di teoria sono complete. Ora il modo migliore per fissare i concetti è risolvere gli esercizi, specialmente l'Esercizio 1 (Cessna 172) come allenamento canonico.

Quando hai finito un esercizio, fai i quiz per autovalutarti prima dell'interrogazione.

💡 Consiglio finale: la teoria si impara, ma l'aerodinamica si capisce solo facendo gli esercizi. Non saltarli.