Antares, l’aliante elettrico di alta performance

Antares, l’aliante elettrico di alta performance

27 set, 2007

Dalla rivista Volo a Vela n° 283

Servizio di Klaus Keim/Margot

Foto di Aldo Cermezzi

La Storia

27 settembre 2007. Come ex ingegnere disegnatore di allianti alla Glasfluegel e più tardi specialista di strumenti (sto lavorando con la Cambridge), sono sempre molto attento e interessato al mondo del volo a vela e allo sviluppo di nuovi progetti di alianti.

Nel 1995 ho comperato un DG-800 S grezzo appena uscito dagli stampi e me lo sono finito io. In quell’occasione ho incontrato Axel Lange, il disegnatore dell’ala del DG-800 che ha avuto tanto successo.

Axel aveva da tanto tempo l’idea di realizzare un aliante con motore elettrico a decollo autonomo. Ha quindi creato la ditta Lange Flugzeugbau a Zweibrucken, lungo una vecchia pista NATO di 3 km, abbandonata in un angolo Ovest-Sud-Ovest del Rheinland-Pfalz.

Per testare il concettosi un motore elettrico ad elica, e specialmente per testare i sistemi di batteria moderni altamente performanti, Axel si è costruito una versione 20 metri di un DG-800 B. Ha fatto molti voli, scritto articoli e tenuto conferenze alla presenza di persone interessate per poter ufficializzare questo nuovo e rivoluzionario concetto nel mondo del volo a vela.

Gli stampi

Grazie all’aiuto che lo Stato da alle nuove industrie e con l’apporto di amici svizzeri dell’Università di Biel, uno stabilimento nuovo fiammante ospita ora gli stampi, progettati col CAD e fresati a controllo numerico, delle sottili ali a freccia positiva di questo nuovo prodotto. Tutto il progetto è stato sviluppato a computer e lo si vede quando si osservano le singole parti incollate: il risultato è una perfetta e costante distanza fra le superfici incollate e dei dettagli.

Axel si è iodurato un gruppo fra i migliori artigiani che aveva conosciuto in passato e giovani ingegneri dell’Università per la parte di aerodinamica, per costruire attentamente un impianto di produzione ed un buon team. Sono stato spesso da Axel ed ho visto nascere con velocità le ali. Per quanto riguarda i profili alari, questi sono stati fatti con l’aiuto di Luc Boermans di Delft, autorità mondiale nel campo la cui galleria del vento ha partecipato a progetti quali l’ASH-26, ASW-27, e il famoso 31 metri ETA. Anche lo stampo della fusoliera è stato finito quasi subito, ma per il dettagliato progetto dei componenti elettrici di alta tecnologia e della capottino ci è voluto molto tempo. Infatti le consegne sono scivolate… Qualcosa che Axel ha dovuto imparare, come molti altri progettisti di alianti.

Lo scopo del progetto

L’ vuole essere un aliante che, nonostante un sistema abbastanza pesante di batterie ricaricabili alloggiate in una sezione del bordo d’entrata, abbia un carico alare ragionevole. Axel ha inoltre voluto realizzare la miglior geometria possibile e profili sottili per presentare un prodotto che sia meglio di qualsiasi altra macchina già esistente. Axel ha pensato ad un 20 m. con la possibilità di ridurlo a 18 per le gare.

Sollecitazione di torsione delle ali sotto carico aerodinamico e test di volo

Questa procedura è sempre molto temuta dai progettisti, ma è quella che attesta la validità dei calcoli del progetto. L’ala dell’Antares è stata caricata fino al massimo di G richiesto all’Università di Stoccarda, portata fino al test di rottura, ottenendo un buon successo. Dal maggio al luglio del 2003 sono stati fatti tutti i test di volo richiesti con risultati molto promettenti. In agosto e settembre del 2003 i risultati del test sul flutter hanno evidenziato che non era necessaria alcuna ulteriore bilanciatura delle parti mobili. L’Antares ha quindi superato tutti i tet senza bisogno di ulteriori modifiche. Finalmente è giunto il giorno in cui ho potuto provare il “nuovo bambino”. L’11 settembre sono arrivato a Zweibruecken ed Axel mi ha fatto un preciso briefing pre-volo.

L’abitacolo

L’abitacolo è veramente sicuro, ha una cellula anti-crash e buon spazio per le gambe. Sonoalto quasi 1,90 m. per cui per me il test dell’abitacolo è sempre fondamentale.

Nel nostro ASH-25 ho dovuto fare 4 modifiche al sedile (dopo 1200 ore di volo…) per essere seduto comodo. Il DG-800 è andato subito bene. Il test sull’Antares è stato positivo dopo aver tolto il cuscino standard. La regolazione della pedaliera è come nella maggior parte degli alianti, il fissaggio dei cavi del timone necessita di alcune migliorie per la produzione in serie, poiché i tacchi sono bloccati nella parte inferiore del supporto del pedale prima di toccare la parte alta del pedale.

La posizione della cloche è perfetta, è incredibilmente facile il controllo della forza, ottimamente guidata dai gruppi di cuscinetti delle aste, giusta la dimensione delle aste fra i giunti e la scatola di miscelazione dei flaperoni risulta ben disegnata. La sede aperta dei flap risulta strana a prima vista, così come le leve pieghevoli dei flap e dei diruttori. La cromatura delle leve ricorda quelle di una macchina da corsa, ma in volo si riescono ad usare senza dover guardare la loro posizione. Il cruscotto è a fungo, come quello del DG-800, ma anche più piccolo. Personalmente preferisco un muso più appuntito per farlo apparire più veloce.

Dati del test di volo

Peso dell’aliante a vuoto: 520 kg.

Carico alare: 41 kg/m2

Centro di gravità: 2/3 indietro

Temperatura: 14°C

Condizioni: vento da NW da 20 a 50 km/h, base dei cumuli 1000/1100 m QFE

Copertura: da 1/8 a 7/8 con piovaschi isolati

La capottina

La capottina assomiglia molto a quella del DG: la particolare struttura aiuta anche l’aria a canalizzarsi e distribuirsi lungo il plexiglass ed ha chiusura meccanica. E’ incernierata in punta e molto facilmente rimovibile per lavori sul cruscotto, molto più facile di tipi simili a questo. Il fissaggioè completamente visibile all’occhio del pilota e sembra in qualche modo un po’ rudimentale: io aggiungerei una copertura in carbonio, per nasconderlo. Al limite alto della capottina c’è un solido gancio Roeger che tiene e guida la parte posteriore della capottina in caso di sgancio di emergenza. Due impugnature ben visibili chiudono la capottina con spinotti semovibili su ambo le parti e la maniglia destra, se tirata completamente indietro, sgancia la capottina.

La ventilazione

Chiudendo la capottina, si collega il tubo di aerazione del muso. Funziona bene anche se è ancora un po’ rumoroso, un problema condiviso dalla maggior parte degli alianti. Parte dell’aria viene guidata nella cavità della struttura della capottina, che funge da condotto verso piccole uscite di aria attraverso antiappannamento. Poiché l’Antares è molto silenzioso ad alte velocità, bisogna risolvere questo problema. Nel mio DG-800 ho ottimizzato tutti gli angoli e le superfici irregolari all’interno del dotto (ed erano veramente irregolari!) ed ho anche mezzo un pezzo di pelliccia di visone: il risultato è stato molto meno rumore specialmente alle alte velocità. Piccolo dettaglio di facile soluzione.

Avviamento e rullaggio

Una nuova sensazione è allinearsi in modo preciso e poco rumoroso. Axel parcheggia l’aliante davanti al suo hangar super pulito, con porte telecomandate, che fanno parte della fabbrica. Da questa posizione si può rullare verso l’enorme pista, dove potrebbe atterrare senza problemi anche un 747. Mantenendosi con la ruota su un lato della pista, si riesce a rulare tenendo il ruotino dell’ala sull’asfalto. Il ruotino pivotante di coda, con il suo forte supporto, si inserisce gentilmente nella sezione posteriore della coda ed aiuta ad un preciso rullaggio.

Tutte le aste dei comandi sono poste sul lato sinistro, cosicché la mano destra può sempre restare sulla cloche. La leva comando del motore è posta sotto l’asta del flap, ma il suo funzionamento non crea nessun problema, poiché i comandi per il motore sono semplici e chiari.

Col motore retratto, bisogna posizionare la leva 3 cm avanti, fino alla prima tacca: la vite senza fine posta dietro il pilota comincia a funzionare facendo abbastanza rumore, e l’elica che si è alzata davanti al motore appare nello specchio retrovisore. Quando il rumore smette, dopo circa 12 secondi, appare una luce verde sul display centrale nella parte inferiore del cruscotto, che mostra tutte le informazioni importanti del funzionamento del sistema. Poiché non c’è calore che debba essere trasferito all’esterno dal motore, le patellette dello stesso si chiudono subito dopo l’estrazione del motore, rendendo di nuovo l’aliante aerodinamicamente perfetto! Il diametro del motore è di soli 25 cm.

I due pali bianchi in fibra di carbonio ricoprono i due grossi cavi che portano la corrente a 24 volt al motore. Ci sono alcuni piccoli lembi sulla superficie inferiore dell’ala che si aprono automaticamente, se necessario, per mantenere la temperatura delle batterie nei limiti stabiliti.

Ora comincia il rullaggio: per far funzionare il motore è necessario muovere la leva in avanti, e l’elica comincia a muoversi con un rumore paragonabile a quello di un tram. 

Con questa leva è possibile incrementare delicatamente i giri dell’elica, cosicché il rullaggio può essere fatto i n modo da non creare rumori spiacevoli per chi sta intorno. Le batterie devono raggiungere 20° prima di poter dare potenza. Nella stazione fredda le celle vengono portate a questa temperatura dalla gestione di un motore interno, normalmente questa temperatura si raggiunge senza riscaldamento.

Il freno del mozzo ruota Tost (tipo 5.00-5” a ganascia, non a disco) è collegato con i diruttori, ed interviene subito dopo che i diruttori sono completamente estratti.

Ottengo autorizzazione al decollo e do manetta. Il vento abbastanza forte da destra rende il mio decollo abbastanza “interessante”, una situazione nella quale nessuno ama trovarsi visto anche il valore del prototipo naturalmente non assicurato… Tutto ciò  che Axel mi aveva detto prima è puntualmente avvenuto: l’accelerazione è impressionante, poiché questo tipo di nuovo motore elettrico può assorbire tutta la potenza fornita dalle batterie che in quel momento erano completamente cariche.

Con il vento al traverso ovviamente l’aliante vuole naturalmente entrare nel letto del vento, ma il gran peso della ruota di coda aiuta il timone a riportare in traiettoria l’aliante.

L’elevatore tende a non avere effetto a basse velocità, ma la coda prende portanza improvvisamente a circa 65 km/h. Tutto quello che si deve fare è tenere la cloche al centro e l’aliante sale da solo, ed immediatamente si porta ad un rateo di salita impressionante, fra i 90 e i 100 km/h. Può essere che il vento abbia interferito con lo strumento, ma il vario metro andava da una costante di 3 m/s a punte di 6 m/s. Ho trovato alcuni valori “rubati” dallo strumento Cambridge 302 in tracciati anche di precedenti flight-test. Entro due minuti ero a 400 metri sul terreno, ho ridotto la potenza  per vedere quale è i vero vantaggio dell’apporto elettrico. A 1700 giri con 1 m/s di salita, il display mostrava una potenza del 25% e aumentando la velocità, non aumenta la discesa. Ho tolte le cuffie per sentire il livello di rumore: l’elica in se è rumorosa come le altre, in più c’è questo buffo rumore del motore: assolutamente inferiore ad un motore a due tempi.

Il carrello retrattile

Agendo sull’interruttore posizionato nel cruscotto chiudo il carrello elettro-idraulico. Un altro rumore insolito e il correlo si chiude con un “bang” finale. Che differenza con il progetto un po’ rudimentale del meccanismo del ASH-25! E se il sistema non funziona quando devi aprire il carrello?  Avevo provato con la fusoliera sulla sella del carrello. C’è una impugnatura rossa: tirando questa emergenza si apre il vano del carrello con un colpo forte ed un gancio di sicurezza lo blocca automaticamente: questo è il metodo più veloce se ti accorgi all’ultimo di non aver aperto il carrello prima di toccare l’asfalto, molto simile al sistema d’emergenza dello Stemme S10.

Retrazione del motore

Ho realizzato velocemente i vantaggi del motore elettrico. Perciò dopo aver raggiunto la quota di 600 m ho retratto il motore: ho ridotto i giri fino ad avere fermato l’elica, ho mosso la leva indietro fino al fermo, e guardato che cosa succedeva. Velocità 100 km/h. Axel mi aveva spiegato come funziona il  fermo automatico dell’elica: gli avvolgimenti di questo motore elettrico possono essere usati per fermare magneticamente il rotore in una certa posizione, guidata da un sensore. L’unico prerequisito per il pilota è di volare almeno a 100 km/h, così il motore dolcemente spinge l’elica nella posizione verticale e l’avvolgimento lo blocca. Se la velocità è troppo bassa, l’elica comincia a girare adagio e “si perde”, addirittura gira anche al contrario!.

Volare con l’Antares

La cosa più importante del volo è comunque capire il feeling con l’aliante. Così ho riposto il motore ed ho cominciato a termiche in una salita rotta. La forza esercitata sulla cloche è estremamente debole e dopo un’ora di volo in termica mi sono reso conto che questo aliante “sente” le termiche, una delle cose che mi interessano di più quando i moderni Delft sono al lavoro per i profili alari. Axel ha scelto dei profili con un esteso flusso laminare al 95%, che si sono tradotti in una superficie di flap e alettoni molto stretti. Questi profili necessitano di eccellenti superfici a basso attrito e ottime sigillature, altrimenti i piccoli impulsi creati dal vento  non possono essere percepiti dalle mani del pilota.

La delicata curva del bordo d’entrata che termina in una lucentissima winglet è assolutamente perfetta. L’ala, col suo rapporto di allungamento di 32 e con i suoi 12,6 m2 di superficie si flette il giusto: non è né troppo rigida né troppo morbida. Il movimento dell’elevatore è ben bilanciato con gli alettoni. Il timone è efficace, e sembra essere proporzionato. Poiché ho avuto soltanto la possibilità di fare questo volo in condizioni di vento, trarrò le mie conclusioni finali dopo aver fatto un altro volo in aria calma e assieme ad altri alianti idi alta performance.

L’inversione 45/45°  è estremamente veloce, le mie misure approssimative hanno rilevato 3 secondi a 115 km/h. La migliore velocità di spirale è a 95 km/h. Anche a 85 e a 80 km/h risponde ancora molto bene ma Axel mi ha spiegato le caratteristiche da lui richieste a questo profilo: quando tiri per fare lo stallo il naso è così alto che perdi contatto con l’orizzonte. L’aliante non mostra tendenza ad un vero e proprio stallo. Se si tira ancora, la velocità indicata a 73 km/h fino a 68 km/h, allora il naso tende a scendere un po’, riportando la velocità a 78 km/h. Questo è dovuto ad un profilo che mostra una chiara caduta della curva vicino all’angolo Ca di attacco. Tirando di nuovo tutto indietro (in  aria turbolenta) un leggero avviso di stallo ti avvisa di essere arrivato al limite. L’elevatore stalla dopo l’ala, rendendo l’aliante molto sicuro. Ho provato a metterlo in vite ma è stato quasi impossibile. L’aliante tende a mettersi in una spirale picchiata. Mettendo al centro la barra ritorna immediatamente ad un assetto di volo normale.

Una strada di cumuli mi ha dato l’opportunità di provare l’arrivo veloce e l’assetto dei flap. Per il decollo e la salita sono suggeriti il max positivo  +2/L. Lo stesso per un atterraggio con angolo di 18°.

Lo stesso per un atterraggio con angolo di 18°. Questo significa che non esiste un flap per l’atterraggio. Stranamente Axel suggerisce di non usare lo 0 per una migliore performance: Flap –1 = +5°: – 2 = 0°; -3 = -3°

Guardando il disegno della polare, ci si può chiedere se i dati di così alta performance siano veri.

Ho provato a volare con il flap a 0 fra i 100 e i 130 km/h, poi ho messo il –1 (-5°) alle stesse velocità. Naturalmente è stato difficile avere risultati chiari subito, ma l’aliante prende velocità molto velocemente e quando tiri senti di avere tutta l’energia. Axel raccomanda di non volare mai in volo rettilineo sotto i 130 km/h. La cosa è risultata vera nel mio volo di prova. Quello che ancora manca è un volo di comparazione con alianti competitivi. Ho volato fra i 150 e i 200 km/h per 20 minuti ed ho osservato altimetro e variometri. La mia impressione è che i valori indicati siano assolutamente possibili e questo rappresenta un grosso passo avanti specialmente in condizioni forti. L’Antares sarà così un grosso avversario in Classe Libera ma anche nella 18. La polare mostra la tacca laminare sul 210 km/h o oltre, dipende dal carico alare.

Parlando di carico alare: sono rimasto sorpreso dal basso effetto del carico alare di 41 kg/m2 in salite così deboli (da 10 a 20 cm) come quelle che no trovato nel mio volo. Sono sceso fino a 300 m sul terreno e mi sono salvato sul bordo della foresta, con delle deboli termichine rotte e postate dal vento a raffiche da NW. L’impressione è stata molto positiva!

L’Antares ha serbatoi ballast da 100 litri, portando il carico alare fino a 450 kg/m2, perfetto per le condizioni forti. Le sacche hanno sempre causato tanti di guai ai costruttori di alianti, la Schempp-Hirth è sicuramente la più esperta in questo settore. Le brutte notizie sono che perdite nelle sacche o una cattiva sigillatura delle stesse sono molto dannose alla superficie ed alla struttura. Speriamo che Lange cominci bene e si converta ai serbatoi integrati nel cassone alare.

Ho avuto anche la “fortuna” di volare attraverso una pioggerellina e la discesa non è stata drammatica, ma ovviamente, il variometro segnava il doppio della discesa fra i 90 e i 150 km/h.

Atterraggio

Poiché si stava avvicinando al campo un fronte, ho deciso di atterrare. Dal GPS ho visto che il vento al traverso era aumentato, situazione non ideale per una pista in asfalto costruita per i jet, con tutta l’illuminazione ai lati. E’ infatti molto pericoloso se il vento a raffiche ti butta giù l’ala. Per migliorare ancora la situazione, la torre mi ha cambiato direzione di atterraggio poiché c’era un aereo a motore che faceva “touch and go” a 110°.

Ho deciso di fare un finale veloce, basso e lungo su quella interminabile pista. Proprio in questo momento il fronte è arrivato sulla pista, con un fortissimo vento a 55 km/h al traverso. Ho dovuto volare a 45° rispetto la pista per non essere scarrocciato fuori. I diruttori sono efficienti anche per aggiustare la quota a velocità elevata vicino al terreno come nel mio caso. Vicino all’uscita D che porta alla ditta, ho deciso di toccare e fortunatamente in quel momento il vento era leggermente calato. Così l’atterraggio non è stato troppo duro e le buone sospensioni del carrello hanno fatto il resto. Poiché in tutti gli aeroporti le uscite sono solitamente segnalate, ho deciso di effettuare di effettuare un contropista. Il freno sulla ruota funziona, anche se un freno a disco sarebbe più efficiente. Suggerirei una manopola parallela alla cloche er azionare il freno. Sarebbe più efficace che non con la mano sinistra: bisognerebbe copiare la vecchia soluzione Glasfluegel!. Così con questo atterraggio ho fatto il test di atterraggio per l’LBA con vento al traverso.

Vantaggi del motore elettrico

Un motore elettrico consuma molta meno potenza a bassi regimi. Questo non è il caso del motore a due tempi con i quali è meglio volare una distanza maggiore nella modalità “dente di sega”. Per questo concetto elettrico e per il progetto del motore, è meglio volare a bassi regimi fino alla successiva termica o fino a casa e specialmente quando la base dei cumuli si abbassa questo è un vantaggio.

L’handicap per il volo orizzontale veloce è la configurazione dell’elica, fatta per le migliori prestazioni di salita e naturalmente senza passo variabile. Un altro fatto: un motore elettrico non perde potenza in quota o a temperature esterne alte. Inoltre: meno vibrazioni, meno rumore ed infine niente odore di benzina!.

Posizione del motore

In presa diretta, senza riduzione di giri all’elica, non c’è cinghia di trasmissione poiché il motore elettrico eroga coppia alta a qualsiasi numero di giri. Quindi non c’à cinghia di trasmissione, fonte inestinguibile di brutte sorprese, ed un’ottima configurazione di elica per le nostre necessità. IL motore elettrico eroga la coppia dolcemente, contrariamente a quanto avviene in un motore a due tempi. Questo significa meno stress per l’elica.

Vita delle batterie

Axel mi ha detto che un set di batterie agli ioni di litio durano circa 10 anni ed un ricambio oggi costa 1.000 Euro (forse un errore di battitura: da altre fonti risultano 10.000 euro che è una cifra ben più bassa di quando il progetto ha iniziato a nascere. N.d.R.).

Quando anche l’automobile userà questo tipo di batterie, i prezzi caleranno. Il sistema elettronico dell’Antares è così facile che il costo delle batterie può essere ben tollerato (e non dimenticate che con l’Antares prepagate 10 anni di benzina!!!).

Svantaggi del motore elettrico

Il problema maggiore è che ricaricare le batterie scariche impiega molto tempo. E’ assolutamente più veloce fare il pieno di benzina e ridecollare anche con il cattivo odore di benzina nell’abitacolo. (Non devo mai chiedere a un cliente che mi mando uno strumento su che tipo di Aliante vola, aprendo il pacco capisco immediatamente se si tratta di un motoaliante, posso anche dire di che tipo e la cura che il pilota ha nel fare rifornimento).

Axel ha raggiunto 3000 metri con un seti di batterie, ed io ho il suo tracciato lager logger. Dice che sarebbe potuto salire ancora ma il limite permesso nella zona di Francoforte sono 10.000 piedi. Non ci sono comunque altre possibilità di aggiungere altre batterie per i piloti girovaghi. Atterrando devi trovare una presa di corrente a 220 V.

Manutenzione

Ogni cliente deve possedere un telefonino GSM poiché la condizione del sistema elettrico viene testata per telefono, collegandosi col computer centrale alla Lange per diagnosi a distanza ed anche immediati rimedi attraverso il computer di bordo. Il TBO del motore (1000 ore) è incredibilmente alto: nulla a che vedere con un nostro motore 2 tempi. Rimarrà l’esperienza di quando ci saranno molti Antares per capire se ci saranno altri problemi.

Più facile?

Il funzionamento è logico e semplice. Il pilota deve guardare il display. Se c’è un problema elettrico (o di temperatura), il controllo elettronico correggerà l’impostazione della potenza ed accende automaticamente un allarme. Per cui se tutto funziona è fantastico. Se il pilota pensa che il sistema sia più difficile di questo che già conosce, si sbaglia! L’Antares è un aliante ad alta tecnologia, ricco di fili e di sensori, inclusi gli hardware dei 2 PC, ma guardando l’esecuzione di questo prototipo, la qualità è impressionantemente alta. Se pensiamo alle automobili moderne, anche loro sono piene di elettronica (cambio) e anche troppo e, funziona! Chiamo questa moda il “terrore dell’elettronica”.

Registrazione di volo

Per il cruscotto standard è stato scelto il Cambridge 302. Il 302 serve come computer di bordo, variometro, GPS-Logger nella dimensione di una radio ed invia i dati all’IPAQ ad esso collegato. Ho trasferito i voli sul PC, per vedere il tracciato della rilevazione del rumore e per rivedere tutti i dati del mio volo. Alla Cambridge il settaggio per il microfono del rumore del motore è fatto per le basse frequenze dell’elica, che è circa di 28 Hz. Il risultato è perfetto: si vede chiaramente il tracciato quando l’elica gira.

Risultato finale

L’Antares appare essere un bell’aliante che vola veramente bene. Personalmente preferisco un muso più appuntito per farlo apparire più veloce. Un prodotto che sarà forte sul mercato, concepito con nuovi concetti di un progettista conosciuto per essere un perfezionista.

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TAGS: aerei antares volvo a vela

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