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Wunderwaffen: i prototipi DFS

4 anni fa

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La velocità e l’autonomia degli aerei di oggi parte dagli studi fatti prima della Seconda Guerra Mondiale e dalle invenzioni nate durante il conflitto. A volte gli stessi protagonisti dell’epoca hanno continuato a lavorare fino ai giorni nostri.

L’Istituto Tedesco di Ricerca per il Volo a Vela (DFS: Deutsche Forschungsanstalt für Segelflug)  fu creato nazionalizzando nel 1933 il gruppo di ricerca della Rhön-Rossitten Gesellschaft (RRG), una importante società di volo a vela: quest’ultima nacque nel 1925 dalla fusione delle due scuole principali per alianti in Germania, quella del Reno (Rhön) fondata nel 1920 dal pionere dell’aviazione Oskar Ursinus e quella di Rossitten in Prussia Orientale, oggi Rybatschi nell’Oblast di Kaliningrad.

Scuole simili si erano diffuse in Germania come uno dei pochi modi di occuparsi di aeronautica, con le forti limitazioni del trattato di pace: quelle citate erano le più importanti.

 

I voli sul Reno partivano dal Wasserkuppe (da Wasenkuppe, lett. montagna di pascolo) la cima più alta della zona: 950 metri.

Ursinus aveva progettato molti dei bombardieri dell’azienda Gotha nella prima guerra mondiale: la sua scuola fu una delle prime al mondo a dedicarsi agli alianti.

La RRG ebbe subito il discreto supporto dello Stato: vi collaborarono tra gli altri il fisico Theodore von Kármán che invitò l’ingegnere Wolfgang Klemperer a progettare alianti da competizione.

La ricerca del DFS sotto Walter Georgii dall’aerodinamica si espanse alla meteorologia e segretamente ai motori a razzo e modelli da trasporto. Sin dall’inizio gli alianti servirono per l’addestramento al volo della Gioventù Hitleriana: nel 1938 un incidente mortale spinse ad un concorso per un più efficace freno aerodinamico, vinto da un modello della ditta Schempp-Hirth che è usato ancora oggi.

 

Nato e laureato in ingegneria a Budapest, Kármán fece importanti studi sui fluidi a velocità supersoniche e rese nota l’importanza delle ali a freccia. Ad Aachen disegnò uno dei primi elicotteri. Si spostò in USA nel 1930: fu tra i fondatori del Jet Propulsion Laboratory (JPL) e più tardi di numerosi altri istituti.Convinto assertore della collaborazione tra scienziati al di là delle appartenenze nazionali, indisse la prima conferenza internazionale di meccanica a Innsbruck nel 1922.

Klemperer progettò poi dirigibili per la Goodyear-Zeppelin negli USA, studiò gli strati alti dell’atmosfera per l’esercito americano e fu dato “in prestito” alla Douglas Aircraft realizzando il suo progetto di cabina pressurizzata usata per la prima volta nel DC 6. Oltre a strumenti ottici di precisione e calcolatori analogici, sviluppò sistemi di guida per missili che finirono nei programmi Nike, Sparrow e Thor. Sviluppò le omonime rosette  per studiare le proprietà dei corpi orbitanti: una successione regolare di diverse masse con un baricentro comune. [1]

 

La sede principale divenne l’aeroporto di Griesheim, vicino Darmstad: da 73 dipendenti il DFS  passò nel 1940 a 680 persone, venendo spostata prima a Brunswick e poi ad Ainring, in Baviera.

Portò avanti studi sulle tecniche di rifornimento in volo e sul traino di aerei e alianti, necessari per i test aerodinamici. Le truppe britanniche che occuparono la Baviera permisero di portare avanti alcuni esperimenti fino ad agosto 1945, quando il DFS venne sciolto.

Le famose orecchie di Lippisch usate poi nello Heinkel 162 furono da lui sviluppate al DFS per controllare i vortici alle estremità alari, che si formano all’incontro dei flussi sopra e sotto l’ala.

I vortici danno resistenza e possono creare instabilità: le alette (wingtips) possono invece ridurne i problemi e a seconda della forma e angolazione anche dare più portanza.

Uno studio del 1952 di Sighard Hoerner, coprogettista del famoso Fi.156 Storch insieme a Erich Bachem, le ha rese note internazionalmente come Hoerner Tips.

 

 

 

Le persone

 

Felix Kracht

Nato nel 1912 a Krefeld, si laureò all’università Tecnica di Aachen: entrò nell’Associazione per la Ricerca sul Volo di Aachen (Flugwissenschaftliche Vereinigung Aachen, FVA), associata all’università, e disegnò nel 1936 l’aliante FVA-10b “Rheinland” con cui attraversò le Alpi l’anno successivo.

Il successo nel FVA gli aprì la strada per il DFS, dove collaborò con Lippisch  sui modelli DFS 228 e DFS 346. Dopo la guerra lavorò in Francia per la Nord Aviation e coordinò poi le aziende coinvolte nel progetto Transall C.160.

 

Il Transall C.160 era un aereo da trasporto costruito dalla Transporter Allianz, joint-venture della tedesca MBB, la francese Aerospatiale e la joint-venture tedesco-olandese VFW-Fokker. Entrato in servizio nel 1967, era ancora in attività in Sud Africa nel 1997: dei 214 esemplari alcuni vennero venduti anche alla Turchia.

 

 

Tornato in Germania nel 1968, Kracht divenne direttore della produzione della Deutsche Airbus GmbH, occupandosi dell’A300: il suo ruolo principale fu la collaborazione transnazionale e l’eliminazione delle ridondanze.

Divenne poi Vice Presidente Senior e responsabile della produzione nello stabilimento di Tolosa fino alla pensione, nel 1981: dopo fornì consulenze sempre alla Airbus. Morì nel 2002 vicino Brema.

 

Lo A300 fu il primo aereo prodotto dalla Airbus ed il primo bimotore con struttura wide-body, cioè più di un corridoio tra i passeggeri. Portava fino a 280 persone su rotte a medio raggio, e da questo sono derivati lo A330 e A340 usati in molte compagnie in giro per il mondo: in sintesi molti voli in Europa e altrove oggi sono dovuti al lavoro di Kracht.

 

 

Alexander Lippisch

Nato nel 1894 a Monaco nell’allora era Regno di Baviera, rimase affascinato dagli aerei ad una dimostrazione di Orville Wright a Berlino nel 1909: voleva studiare arte, ma allo scoppio della Grande Guerra fini nell’aeronautica bavarese facendo fotografie e traendone mappe.

Dopo la guerra lavorò per la Zeppelin: iniziò ad interessarsi a velivoli senza coda (tailless) e progettò qualcosa come 50 tipi di alianti tra il 1920 e il 1930, anche con linee “tradizionali” ma sempre alla ricerca delle migliori prestazioni. Divenne direttore tecnico della RRG nel 1925, e iniziò i progetti tailless con la serie Storch (cicogna), i cui modelli andarono da I a IX.

 

Un aereo tailless non ha gli stabilizzatori orizzontali, di solito vicino al timone verticale in coda: a volte può mancare anche quest’ultimo. Nella configurazione canard [2] sono invece spostati davanti l’ala.

I tailless sono detti tuttala (flying wing) quando non c’è distinzione tra la fusoliera e l’ala stessa, come nei modelli Horten.

I vantaggi dei tailless sono semplicità strutturale, minore resistenza all’aria e ovviamente minore superficie esposta ai radar. Gli svantaggi sono la minore stabilità longitudinale e il controllo del beccheggio che però è gestibile ad esempio in modelli con ali a delta.

 

Passò poi alla serie Delta, dotati di ali del tipo omonimo: il Delta I fu il primo aliante tailless con ali a delta a volare, nel 1931. Con la nazionalizzazione della RRG, i Delta IV e V vennero rinominati DFS 39 e 40.

 

Lippisch DFS.39 (1936)

 

Nel 1939 si trasferì con il suo gruppo di lavoro alla Messerschmitt per costruire un intercettore usando i motori a razzo che Helmut Walter stava sviluppando. Il DFS 194 venne rapidamente modificato per accettare un motore Walter in coda e volò l’anno successivo: divenne poi il Me.163 Komet, molto manovrabile ma di difficile manutenzione.

La scarsità di successi in battaglia ed i contrasti caratteriali con Messerschmitt fecero interrompere la collaborazione nel 1943.

 

Lippisch andò all’Istituto di ricerca aeronautica di Vienna (Luftfahrtforschungsanstalt Wien, LFW) ottenendo anche il dottorato in ingegneria dell’università di Heidelberg e continuando a progettare aerei a razzo, ma con ali a delta che nelle prove in camera a vento già nel 1939 avevano mostrato una superiore stabilità nel volo supersonico.

 

Le ali a delta hanno numerosi vantaggi su quelle a freccia: l’attacco alla fusoliera (root chord) è molto più lungo e quindi resistente, permettendo di renderle più leggere. La superficie maggiore permette ali più corte a parità di portanza, e all’interno c’è più spazio per superfici di controllo o carburante.

Sono anche più facili e meno costose da costruire, e danno maggiore stabilità in voli supersonici. D’altro canto richiedono maggiore superficie a parità di carico e possono dare problemi alle basse velocità, a meno di usare altre superfici stabilizzatrici.

 

Dopo la guerra finì nell’operazione Paperclip: i suoi studi portarono all’XF-92A, prototipo Convair a propulsione mista razzo-getto fornito nel 1948 all’USAF e portato da Chuck Yeager a Mach 1.05 in picchiata: in quell’occasione, per rallentare la velocità di atterraggio Yeager continuò ad alzare il muso per accelerare lo stallo. Arrivò a 45 gradi, ma l’aereo non stallava: atterrò a circa 110km/h, mentre il minimo ottenuto alla Convair era di 270km/h.

 

Convair F-102

 

L’aereo era poco manovrabile, più che altro per la ridotta potenza dei motori: il fatto che si potessero gestire sia alte che basse velocità spinsero però la Convair a produrre modelli con ala a delta negli anni ’50 e ’60, come lo F-102 Delta Dagger e lo F-106 Delta Dart.

 

F-106 Delta Dart

 

Lippisch si spostò poi in Iowa dove esplorò l’effetto suolo producendo nel 1963 il prototipo di idrovolante X-112 per la divisione aeronautica della Collins Radio Company: si dimise lo stesso anno dopo aver scoperto di avere il cancro.

Collins intanto aveva ceduto i diritti alla Rhein Flugzeugbau (RFB): una volta guarito, Lippisch progettò lo RFB X-113 nel 1970 e l’X-114 nel 1977, costruito l’anno dopo la sua morte. Entrambi rimasero prototipi.

 

L’effetto suolo (ground effect) è l’aumento della portanza in velivoli ad ala fissa quando sono vicini ad una superficie. Aiuta durante il decollo, ma può dare la sensazione di “galleggiare” in atterraggio, che può non essere voluta. E’ usata anche nelle macchine da corsa, dove è regolata perché può dare problemi di sicurezza.

a sinistra manca l’effetto suolo, presente invece a destra

Semplificando molto, la portanza è dovuta alla differenza di pressione dell’aria tra la parte superiore dell’ala e quella inferiore, dove la pressione è più alta. La vicinanza ad una superficie fissa aumenta molto la pressione inferiore, e quindi la portanza.

I velivoli che lo usano in genere lavorano sull’acqua: non sono idrovolanti perché non possono sollevarsi molto, e non sono hovercraft perché non la toccano. Sono detti in genere Ecranoplani.

 

 

 

I prototipi

 

DFS 228

Nato prima della guerra come DFS 54, venne sviluppato da Felix Kracht per sperimentare un sistema di espulsione per piloti di alianti da alta quota. Fu ripreso come DFS 228 per produrre un aliante da ricognizione.

 

DFS 228

 

I vantaggi di un aliante nella ricognizione sono il silenzio, la velocità relativamente bassa che aumenta la qualità delle foto, l’autonomia ad alta quota e la possibilità di girare intorno a un’area di interesse senza sprecare carburante.

 

 

La cabina era una cellula pressurizzata ed auto contenuta, staccabile in caso di emergenza, già testata nel DFS 54. Il primo volo del V1 fu a marzo ’44: un Do.217 doveva portarlo in altitudine e doveva poi atterrare su slitte retraibili.

Per problemi di pressurizzazione, nel prototipo V2 il pilota venne messo in posizione prona.  Il V2 doveva poter decollare da solo con un motore Walther, ma a febbraio ’45 il progetto fu accantonato per l’avanzata americana, che lo distrusse in un raid a maggio. A giugno il V1 fu portato in Inghilterra per studiarlo: se ne persero le tracce, ma si pensa che venne demolito nel 1947.

 

 

DFS 346

Altro progetto nato dal DFS 54 per provare il volo supersonico a razzo e le ali a freccia. Sviluppato parallelamente al DFS 228 e dotato anche questo di cellula staccabile, le esperienze precedenti fecero adottare da subito la posizione prona per il pilota per ridurre la sezione della fusoliera e aiutare nel superamento della barriera del suono, cioè oltre Mach 1 con le accelerazioni che avrebbe comportato.

 

DFS 346

 

Il numero di Mach è adimensionale: si dice Mach 1 e non 1 Mach. Rappresenta la velocità del flusso del fluido (gas o liquido) rispetto a quella del suono:

 

 

È il rapporto tra la velocità del mezzo e la velocità del suono alla data temperatura, che è il parametro fondamentale: i fluidi incomprimibili hanno comportamenti simili a parità di temperatura indipendentemente da altre variabili.

Per esempio a livello mare e 15 °C Mach 1 è 295 m/s, mentre a 11.000 metri la temperatura media è di −56.5 °C e Mach 1 è 256 m/s.

Per definizione Mach 1 è la velocità del suono in qualsiasi fluido incomprimibile a parità di temperatura. Il nome deriva da quello del fisico austriaco Ernst Mach.

 

Doveva essere propulso da due razzi allineati verticalmente sulla coda, o da un motore Walther 509B o C con due camere di combustione per modulare meglio i consumi. Come il DFS 228 doveva fungere da ricognitore d’alta quota, decollando trainato da un Dornier 217.

Il DFS non aveva però i mezzi per costruirlo, essendo tutto in metallo: il lavoro fu trasferito alla Siebel Werke e il prototipo parzialmente costruito fu catturato dall’Armata Rossa.

A ottobre ’46 venne completato come Samolyot 346 (velivolo 346): la galleria del vento provò che a certi angoli di attacco avrebbe avuto uno stallo irrecuperabile e che non poteva arrivare a Mach 1.

Si costruì comunque un modello più grande dotato di paretine sulle ali, che “rompendo” il flusso d’aria laterale potevano ridurre lo stallo: le paretine divennero poi standard su molti caccia sovietici degli anni ’50 e ’60.

Il modello 346P (Planer, aliante) ebbe vari incidenti per la poca affidabilità della cellula di emergenza e delle slitte di atterraggio.

Ad ogni riparazione venivano fatte modifiche minori e alla fine ne furono costruiti tre esemplari: solo il terzo volò con un motore proprio nel 1951, dopo il lancio da un bombardiere. Arrivò a 900km/h ma il pilota perse il controllo, lanciandosi con la cellula e lasciandolo distruggere al suolo. Il progetto fu abbandonato.

 

Lippisch P13a / DM1

Progettato da Lippisch nel 1944, era un semplice delta tailless con la cabina immersa nella “coda” che doveva arrivare quasi alla presa d’aria sul muso. Il DM1 era il nome del modello senza motore in legno con tubi di metallo costruito dall’Akaflieg DM [3]. La particolarità era nel carburante: nel suo caso l’espressione “zero carbonella” poteva essere drammaticamente vera.

 

Lippisch P13a

 

Il “motore” era un canestro di maglia di metallo pieno di carbone triturato molto fino per consumarsi in modo regolare, immerso nel flusso d’aria della presa sul muso e acceso da un bruciatore a gas una volta raggiunta la velocità operativa di 320km/h. Anche di questo vennero fatti test in camera del vento: avrebbe dovuto ruotare a 60 giri al secondo mischiando aria pura con i fumi della combustione sfruttando il flusso e la differenza di pressione per la spinta.

 

Lippisch P13a

 

L’aereo avrebbe dovuto essere trainato o lanciato con razzi per arrivare in quota e alla velocità giusta: non è chiaro come sarebbe stato armato.

Dopo la resa, altri voli avvennero per l’esercito americano con Patton e Lindbergh come testimoni. A novembre ’45 il DM1 venne inviato in USA dove venne modificato dal  NACA (National Advisory Committee for Aeronautics, predecessore della NASA) riducendo lo spessore delle ali e usando una coda “normale” ed una cabina presa da un P-80.

I test in camera del vento influenzarono il progetto dello XF-92A.

 

Lippisch progettava ali a delta piuttosto “spesse”: i normali profili alari avevano una “gobba” al centro, che ovviamente alla radice di un’ala a delta, molto più profonda di un’ala normale, le rendevano più grandi. Robert T. Jones alla NACA nel 1945 invece sviluppò l’ala a delta con profilo “sottile”, che però non convinse tutti: von Karman aveva condotto gli esperimenti ed era d’accordo, ma ci volle la scoperta dei risultati di Lippisch per convincere l’USAF della bontà delle teorie di Jones.

 

 

 

 

Note

[1] Larry Niven nel suo Discworld  (i burattinai in Italia) descrive la “flotta dei mondi” come una “Kemplerer rosette” di cinque elementi, mentre il dispositivo di Klemperer (notare lo spostamento della “L”) ha sicuramente un numero pari di corpi e almeno due diverse masse.

[2] il canard  (“anatra” in francese) era molto diffuso all’alba dell’aeronautica: tutti i modelli Wright avevano gli stabilizzatori davanti l’ala. Il termine viene dal modello Santos-Dumont 14bis, volato a Parigi nel 1906 con l’ala molto indietro rispetto agli stabilizzatori: Bleriot, pionere dell’aeronautica francese, disse che gli ricordava un’anatra in volo.
Nonostante il nome, Santos-Dumont era brasiliano: il suo 14bis fu il primo aereo a volare in Europa ed il primo dotato di un carrello di atterraggio invece che di slitte.

[3] Akaflieg sta per Akademische Fliegergruppe, gruppo accademico di volo: studenti in ingegneria di varie università (DM sta per Darmstadt – Munich) che progettavano alianti. Durante la guerra molti dei lavori gli arrivavano dal Deutsche Versuchsanstalt für Luftfahrt (Istituto tedesco di ricerca sul volo, DVL) di cui si è già parlato in altre Wunderwaffen

[4] Quattro

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