Elicottero Contraves

Al termine del secondo conflitto mondiale l’elicottero iniziò lentamente ad affermarsi sia in campo militare sia in quello civile. Prima però che la configurazione standard (ossia quella con rotore principale e rotore anti-coppia) si affermasse definitivamente come formula di maggior successo (oggigiorno infatti la gran parte degli elicotteri adotta questa configurazione), un po’ ovunque vennero realizzati modelli con rotori azionati da motori a getto anche noti come esoreattori (statoreattori ramjets o pulsoreattori – pulsejets ) posti alle estremità delle pale.
Molti progettisti di elicotteri alla ricerca di metodi sperimentali per far girare il rotore si orientarono verso questa soluzione all’apparenza semplice ed economica. Tra questi ci fu anche l’azienda svizzera Contraves che sperimentò questa soluzione su un modello davvero originale e pressoché sconosciuto, rimasto per lungo tempo avvolto da una cortina di mistero.


Il principio di funzionamento di tutti i motori a getto è essenzialmente lo stesso: l’aumento di pressione dovuto alla combustione del carburante forza i gas combusti nella direzione dell’ugello di scarico e per il terzo principio della dinamica si genera una spinta nella direzione opposta.
I motori a getto sono di disegno molto semplice e leggero consistendo in pratica in un lungo tubo all'interno del quale la compressione dell'aria captata avviene dinamicamente, senza la necessità di un compressore. Non vi sono parti rotanti, il che costituisce un vantaggio rispetto ai motori tradizionali.
Nei pulsoreattori la prima accensione avviene immettendo aria compressa (per mezzo di un compressore o una bombola d'aria) nel motore o più semplicemente forzandola all'interno tramite la presa d'aria. All’avvio l'accensione della miscela viene innescata da una candela (vedasi schema qui sotto) dopodiché è provocata dal ritorno di fiamma della precedente fase di combustione. Speciali valvole impediscono il riflusso attraverso la presa d’aria.

Schema di funzionamento di un pulsoreattore (design by M. Ceresa)
Schema di funzionamento di un pulsoreattore (design by M. Ceresa)

In questo modo si avvia il ciclo che continua fintanto che non viene esaurito il carburante. La combustione non avviene secondo un processo continuo, ma in modo intermittente grazie a rapidissimi impulsi (varie decine al secondo).
Contrariamente allo statoreattore (il motore a getto cui più assomiglia), il pulsoreattore è in grado di fornire una spinta a punto fisso, ma a causa della bassa compressione la spinta fornita è scarsa. Lo statoreattore per contro ha un rapporto spinta/peso eccezionale, ma per funzionare in modo davvero efficiente deve raggiungere velocità davvero molto elevate.
Il pulsoreattore venne sviluppato a partire dagli anni Trenta del Novecento e trovò uno dei suoi primi impieghi sulle tristemente famose bombe volanti V1 lanciate dai tedeschi sull’Inghilterra durante la seconda guerra mondiale che montavano il pulsoreattore Argus AS 014.

L’impiego nel campo dell’ala rotante

Fu soprattutto tra il 1945 e l’inizio degli anni Sessanta che un po’ ovunque nel mondo vari costruttori di elicotteri sperimentarono sia i pulsoreattori sia gli statoreattori.
Negli elicotteri provvisti di questo tipo di motore/rotore non è necessaria una trasmissione e nemmeno un rotore di coda perché di fatto non viene prodotta la caratteristica coppia di reazione. Questo si traduce in maggior sicurezza sia in volo sia a terra ma anche in una minore complessità meccanica, un notevole risparmio di peso e di ingombro oltre che naturalmente una riduzione dei costi.
A fronte di questi notevoli vantaggi i costruttori incontrarono comunque grosse difficoltà che all’inizio degli anni Sessanta, dopo una fase sperimentale durata una quindicina d’anni, finirono col decretare l’abbandono pressoché definitivo dei rotori a getto.
I problemi comuni a quasi tutti gli elicotteri costruiti con questa formula costruttiva erano l’alto consumo, la ridotta autonomia e nel caso dei pulsoreattori l’eccessivo rumore prodotto.
I carburanti impiegati erano solitamente benzina o cherosene. Su alcuni modelli come il Kellett KH-15 Stable Mabel (1954) oppure il Rotor-Craft RH-1 "Pinwheel" (1954) fu impiegato il perossido d’idrogeno più comunemente conosciuto come acqua ossigenata.
In questo caso non si parla di esoreattori ma di endoreattori, motori che sfruttando l’energia che si sviluppa da una reazione chimica violenta che innalza il contenuto energetico del propellente. L’energia termica prodotta fuoriesce sotto forma di vapore acqueo da ugelli montati sulle pale.
Nel caso del perossido d’idrogeno il problema non era tanto il rumore quanto la pericolosità. Se a basse concentrazioni l’acqua ossigenata può essere usata come disinfettante, in alte concentrazioni l’inalazione dei vapori tossici irrita le vie respiratorie. A contatto con la pelle provoca invece profonde ustioni e se ingerito può essere anche letale.

Il Mc Donnell YH-20 “Little Henry” che effettuò il primo volo di prova il 5 maggio 1947 fu uno dei primi elicotteri sperimentali azionati da statoreattori (archivio Mc Donnell)
Il Mc Donnell YH-20 “Little Henry” che effettuò il primo volo di prova il 5 maggio 1947 fu uno dei primi elicotteri sperimentali azionati da statoreattori (archivio Mc Donnell)

Rotori a getto caldo o a getto freddo?

Nella classificazione dei rotori a getto esiste, volendola fare, ancora una differenziazione. Se il rotore è azionato da un motore a getto (quindi pulso o statoreattore) si parla di rotore a getto caldo (hot tip-jet rotor).
Quando invece il rotore è azionato dall’aria che fuoriesce dagli ugelli prodotta da un compressore azionato nei primi modelli da un motore a pistoni, e più tardi da un turboalbero, si parla di rotore a getto freddo (cold tip-jet rotor). In questo caso l’aria espulsa essendo stata compressa ha comunque una certa temperatura, ma non certamente paragonabile a quella dei gas di scarico.
Tra i primissimi pionieri a sperimentare questa configurazione ci fu l’ingegnere austriaco Friedrich von Doblhoff (1916-2000) che con il suo team costruì a Vienna presso la Wiener Neustädter Flugzeugwerke quattro prototipi. Il WNF 342V1 effettuò i primi nella primavera 1943. Seguirono altri tre prototipi l’ultimo dei quali fu inviato negli Stati Uniti al termine del conflitto per essere valutato dalle forze armate americane. Qui von Doblhoff iniziò a lavorare come ingegnere capo del programma elicotteri per conto della McDonnell.
Uno dei pochi elicotteri prodotti in serie con questo principio di funzionamento è stato il francese SO 1221 Djinn azionato da un turbogeneratore d’aria Turbomeca Palouste 4 (1955).
Tra i modelli sperimentali a getto freddo si possono menzionare lo Hughes XH-17 (1952), il Kaman K-17 (1958) o ancora il Monte-Copter Model 15 Triphibian (1960) e il Dornier DO-32 (1962), mentre nella lista di quelli a getto caldo troviamo il Mc Donnell YH-20 “Little Henry” (1947), l’Hiller YH-32 Hornet (1950), l’American Helicopter XA-6 Buck Private (1951), l’olandese NHI Kolibrie (prodotto in serie in pochi esemplari tra il 1958-1959) oppure l’Hagiwara JHX-4 (1958).

Un prototipo svizzero

In Svizzera l’idea di utilizzare dei pulsoreattori per far girare il rotore di un elicottero contagiò gli ingegneri dall’azienda zurighese Contraves AG fondata a Erlenbach (ZH) nel 1936 e poi rilevata negli anni 1940-50 dall’industriale d’origini tedesche Emil Georg Bührle che divenne proprietario della Werkzeugmaschinenfabrik Oerlikon (più tardi Oerlikon-Bührle Holding AG).
A partire dal 1955 questa società iniziò a sviluppare un prototipo monoposto. Le poche informazioni oggi disponibili sono probabilmente quelle raccolte dallo storico dell’ala rotante Peter Wernli (1943-2016) che dedicò parecchio tempo alla ricerca di notizie e dati tecnici su questo apparecchio ancor oggi avvolto da una cortina di mistero.
Wernli nel 1998 riuscì a contattare l’ingegnere Rudolf Heller che diresse il programma di sviluppo chiedendogli di compilare un apposito questionario grazie al quale è stato possibile preparare questo articolo.
E’ verosimile che questo documento sia oggi l’unico rimasto redatto di prima mano da una persona direttamente coinvolta nello sviluppo di questo prototipo concepito per usi militari da un ingegnere chiamato Slenzel (poi trasferitosi negli Stati Uniti) per compiti di ricognizione e collegamento. Quasi tutti i componenti vennero fabbricati dal gruppo di tecnici diretti da Heller.
Come altri modelli di quel periodo (per esempio l’Hiller XROE-1 Rotorcycle) anche l’apparecchio della Contraves era stato concepito per essere rapidamente ripiegato e trasportato con una jeep.
Nelle intenzioni del progettista doveva poter essere pilotato da persone senza una formazione di pilota (idea che lo stesso Heller giudicò comunque molto improbabile), per cui, come vedremo, anche il sistema di pilotaggio era davvero molto semplice e singolare.

Descrizione tecnica

L’elicottero al quale apparentemente non fu mai dato un nome ufficiale era provvisto di un rotore bipala del diametro di 6 metri azionato da due pulsoreattori costruiti dalla stessa Contraves. Questi motori dotati di valvole lamellari avevano un diametro di circa 80 mm. Fornivano ciascuno una spinta di circa 15 kg e imprimevano al rotore una velocità di 600 g/min.
I pulsoreattori alimentati con benzina erano montati su una barra con profilo alare disposta perpendicolarmente rispetto alle pale ad una distanza di circa 1.50 m dal mozzo del rotore.

In questa foto è ben visibile uno dei due pulsoreattori che azionava il rotore bipala dell'elicottero sperimentale Contraves (Heli-Archiv Wernli)
In questa foto è ben visibile uno dei due pulsoreattori che azionava il rotore bipala dell'elicottero sperimentale Contraves (Heli-Archiv Wernli)
Primo piano dei comandi di volo e degli strumenti montati sull'elicottero sperimentale Contraves (Heli-Archiv Wernli)
Primo piano dei comandi di volo e degli strumenti montati sull'elicottero sperimentale Contraves (Heli-Archiv Wernli)

La benzina arrivava ai pulsoreattori per mezzo di una pompa a doppio pistone ed era contenuta in un serbatoio della capacità di 30 litri che fungeva da basamento per il sedile del pilota. L’afflusso, e di conseguenza la potenza, era regolato per mezzo di due leve. Il consumo era stato stimato in circa 60 litri/ora.
Le pale costruite interamente in metallo avevano una corda di 12 cm e potevano essere ripiegate per facilitare il trasporto. Erano dotate di ammortizzatori idraulici ed erano fissate al mozzo del rotore per mezzo di snodi.
Il mozzo rotore era montato su un affusto a forma di 7 al cui interno era stato ricavato un serbatoio per l’aria compressa necessaria all’accensione dei motori. Su questo pilone che sorreggeva il rotore erano stati montati i comandi e gli strumenti essenziali: uno che misurava il numero di giri del rotore, un manometro che indicava la pressione dell’aria nel serbatoio, un doppio misuratore del flusso di benzina, un indicatore della quantità di benzina, un rubinetto che chiudeva l’afflusso di benzina, un interruttore elettrico.

Il sistema di controllo

L’elicottero disponeva di un originale sistema di controllo che si basava sul semplice spostamento del centro di gravità.
Tra i pionieri che ipotizzarono questa soluzione ci fu l'ingegnere aeronautico Charles Horton Zimmermann (1908-1996) che negli anni Trenta giunse alla conclusione che i normali riflessi di bilanciamento di un uomo erano sufficienti per controllare apparecchi di piccole dimensioni.
Le sue teorie trovarono conferma quando nei primi anni Cinquanta venne realizzata la piattaforma volante Hiller VZ-1 Pawnee. Questo concetto che Zimmermann battezzò “kinesthetic control” fu poi ripreso da vari costruttori come Eugene Michael Gluhareff che costruì la piattaforma volante MEG-3 (1959) oppure dalla William International per l’apparecchio William X-Jet (1969). Basta una rapida ricerca in Internet per scoprire che l’idea ancor oggi affascina inventori in tutto il mondo.
Sul prototipo della Contraves il sedile del pilota era montato, come detto, sopra il serbatoio e poteva scorrere avanti e indietro. Spostando il proprio peso (e quindi il centro di gravità) il pilota, che era assicurato con un’imbracatura di sicurezza fissata ad un tubo davanti al petto, poteva decidere in che direzione spostarsi. Spostandosi a sinistra o a destra otteneva il controllo laterale.

Questa fotografia mostra la compattezza dell'elicottero sperimentale Contraves (HAW)
Questa fotografia mostra la compattezza dell'elicottero sperimentale Contraves (Heli-Archiv Wernli)

L’incidenza delle pale poteva essere variata per mezzo di una manopola impugnata dal pilota e fissata su una guida. Scorrendo l’impugnatura su e giù egli poteva modificare il passo collettivo, ruotandola invece comandava lo stabilizzatore mobile costruito in lamiera d’alluminio che era fissato su un tubo della lunghezza di circa 2 metri a 45° circa a sua volta ancorato all’affusto che sorreggeva il mozzo rotore.
Analogamente alla prima versione dell’apparecchio americano Hoppi-Copter Inc. (1945), inizialmente era stato previsto che l’elicottero doveva essere “indossato” dal pilota per mezzo di un’imbracatura. Questa soluzione davvero molto inusuale venne scartata in favore di un carrello d’atterraggio su pattini con una carreggiata di circa 100 cm.
Il peso a vuoto dell’apparecchio era di circa 30 kg, mentre quello massimo previsto al decollo doveva essere di 140 kg.
In base alle testimonianze lasciate da Rudolf Heller le prove di volo (o almeno una parte di esse) vennero effettuate nella campagna nei pressi di Delémont. Al pilota Janotti (del quale purtroppo non si conosce il nome) nel frattempo deceduto fu affidato il compito di testare l’elicottero che per ragioni di sicurezza compì i voli fissato a terra o sospeso a un cavo di sicurezza. A quanto sembra per un errore di pilotaggio nel corso di una prova l’apparecchio venne danneggiato.

Novembre 1957 - Prove di volo con l'elicottero Contraves nella campagna di Delémont. L'elicottero è vincolato a dei cavi di sicurezza (Heli-Archiv Wernli)
Novembre 1957 - Prove di volo con l'elicottero Contraves nella campagna di Delémont. L'elicottero è vincolato a dei cavi di sicurezza (Heli-Archiv Wernli)

L’idea di modificare il prototipo e dotarlo di un motore a benzina convenzionale fu scartata e il progetto definitivamente abbandonato. A questo progettò lavorò anche l’ingegner Heinz Hoz impiegato per conto dell’Aggruppamento dell’armamento facente capo al Dipartimento militare federale che effettuò le calcolazioni.
In una lettera datata 10 agosto 1971 indirizzata dalla Contraves all’Hubschraubermuseum di Bückeburg (Germania) si legge che il prototipo venne smantellato proprio all’inizio di quello stesso anno. In seguito la documentazione tecnica fu probabilmente distrutta o comunque andò persa.

Conclusioni

Alla domanda per quale motivo la Contraves abbandonò l’ulteriore sviluppo di questo prototipo Heller scrisse che il rumore proveniente dai pulsoreattori era davvero assordante e la loro spinta insufficiente.
L’elicottero “made in Switzerland” entrò così a far parte di quella lunga lista di prototipi testati tra gli anni Quaranta e Sessanta ma poi abbandonati che nel migliore dei casi sono oggi esposti nei musei quale testimonianza dell’inventiva dei primi pionieri dell’ala rotante. Di altri invece rimangono purtroppo solo vecchie foto in bianco e nero e qualche sbiadito ricordo.
Se qualcuno però avesse ulteriori informazioni è invitato a contattare l’HAB per completare il puzzle di informazioni riguardanti questo apparecchio.

Sapevate che…

Il nome del famoso marchio Contraves nacque unendo le parole latine “contra aves” letteralmente “contro gli uccelli”. A partire dalla metà degli anni Trenta questa fabbrica si specializzò infatti nella costruzione di armi antiaerei.

HAB 09/2017