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Recupero
Doppia espulsione

Il recupero a doppia espulsione, o recupero a due stadi, consiste nell'espulsione di un piccolo paracadute ("drogue") o di un nastro ("streamer") all'apogeo, o comunque ad alta quota, e l'espulsione di un paracadute principale ad una quota più bassa.

Concetti base

Perchè la doppia espulsione?
I motivi per realizzare un sistema a doppia espulsione sono due:

Riduzione della distanza di atterraggio - E' stato il motivo che ha portato all'applicazione di questo sistema sui modelli spaziali. L'esigenza è nata durante i lanci nei vasti deserti dell'ovest degli Stati Uniti, per modelli che raggiungono grandi altezze. In questi modelli l'apertura del solo paracadute principale all'apogeo unita al vento che soffia sempre in quei luoghi dava origine a recuperi anche a molti chilometri di distanza, non sempre finiti con successo. Il recupero a doppia espulsione è il metodo migliore per ovviare a questo inconveniente in quanto il piccolo paracadute drogue permette al modello di cadere lungo una traiettroia quasi verticale anche in presenza di vento, e quando si apre il paracadute principale il modello è abbastanza basso da non essere trasportato eccessivamente lontano dal vento.

Riduzione della forza di apertura - Come è spiegato nella sezione Grandi modelli le sollecitazioni su un paracadute di dimensioni superiori ad 1,5 m sono eccessive se il paracadute viene espulso in modo non controllato all'apogeo. Il paracadute drogue di un sistema di recupero a due stadi genera forze di apertura molto inferiori e rallenta il modello fino ad una velocità alla quale il paracadute principale può aprirsi senza danni.

Il vantaggio dei sistemi a doppia espulsione è che se il paracadute drogue non dovesse essere espulso c'è sempre la possibilità che si apra il principale (anche se lo strappo probabilmente lo romperebbe) e viceversa se si apre solo il drogue e non il principale per lo meno il modello arriva a terra ad una velocità relativamente bassa.

Lo svantaggio di questo sistema è la maggiore complessità e il tempo che richiede per la preparazione al lancio.
In questi sistemi i paracadute vengono normalmente espulsi in modo non controllato. Tuttavia è possibile combinare le tecniche descritte nella sezione Grandi modelli (apertura controllata tramite deployment bag) anche ad un sistema a doppia espulsione.

Come si realizza
Non è possibile realizzare un sistema a doppia espulsione usando la sola espulsione comandata dal motore. Sono necessari dei dispositivi elettronici in grado di attivare almeno una carica di espulsione, ma normalmente due.

I metodi più comuni per realizzare un sistema di recupero a doppia espulsione sono:

Espulsione del drogue comandata dal motore - La carica di espulsione inclusa nel motore espelle il paracadute drogue all'apogeo come farebbe per un sistema a singola espulsione. Un dispositivo elettronico (altimetro o timer) espelle il paracadute principale quando il modello è giunto ad una quota predeterminata. Questo sistema è il più semplice perchè può essere realizzato aggiungendo anche solo un timer per l'espulsione del principale (con qualche svantaggio, vedi Elettronica) ma prevede un calcolo corretto del ritardo del motore e non permette la ridondanza nell'espulsione all'apogeo.

Utilizzo di dispositivi elettronici - Coi dispositivi elettronici si comanda l'apertura sia del paracadute drogue all'apogeo o in prossimità di esso, sia del principale ad una quota prestabilita che di solito è intorno ai 200 metri. I dispositivi elettronici agiscono comandando l'accensione elettrica di cariche di espulsione. Il sistema più utilizzato è l'altimetro, in grado di determinare l'apogeo, accendere la carica di espulsione del drogue, leggere la diminuzione di quota ed accendere la carica del paracadute principale al raggiungimento della quota stabilita. Per ulteriori informazioni sui vari dispositivi elettronici vedete la sezione Elettronica.

Entrambi i sistemi prevedono che il modello spaziale abbia un alloggiamento ermetico (electronic bay) per il dispositivo elettronico ed uno o due alloggiamenti per i paracadute.

Dimensionamento del drogue

Un paracadute drogue conico da 18" (45cm)
Il concetto alla base dei sistemi a doppia espulsione è il rallentamento del modello durante la fase di caduta, sia per evitare che finisca lontano, sia per aprire il paracadute principale ad una velocità di sicurezza. Questo rallentamento si realizza di solito tramite un paracadute molto più piccolo del principale (il drogue), ma può essere anche sufficiente un nastro o persino nulla.

Durante la discesa appeso ad un drogue, il modello si viene a trovare in posizione verticale sotto il paracadute offrendo una minore superficie al flusso d'aria e quindi una minore resistenza. Se il modello cadesse orizzontalmente, la superficie di resistenza sarebbe anche maggiore e il paracadute drogue potrebbe persino risultare inutile.
In effetti la presenza di un drogue serve soprattutto a stabilizzare la caduta, evitando che le parti del modello sbattano tra loro in modo caotico e possano rovinarsi. Come regola generale i drogue vengono utilizzati per modelli di diametro superiore a 2.6" (66 mm), mentre per diametri inferiori un nastro (in plastica o stoffa) è più che sufficiente, o addirittura nulla.

Alcuni modelli sono progettati in modo tale che non permettono che la struttura stessa del velivolo sia utilizzata per rallentare la discesa. In questi casi il drogue è necessario. Un esempio sono i modelli di cui la struttura del velivolo non può essere divisa in due, o quelli che espellono il drogue ed il paracadute principale dallo stesso compartimento (vedi oltre).

Un paio di calcoli - La velocità di discesa col paracadute drogue o senza deve essere rapida, ma senza eccedere. Un buon compromesso è 55 Kmh (15 m/s).
Può essere utile sapere quanto rapidamente cadrà un modello senza paracadute in circostanze varie. Per esempio, un modello del diametro di 4" (100 mm) pesante 2,5 kg se cade di punta - ovvero senza nulla che lo freni - raggiungerà una velocità di quasi 300 kmh. L'equazione di calcolo della velocità terminale è la seguente:

Vt = radq(2*P*g/(Cd*r*A))

Vt = velocità terminale [m/s]
P = peso del modello [kg]
g = accelerazione di gravità [9,81 m/sec2]
Cd = coefficiente di resistenza [circa 0,75]
r = densità atmosferica (circa 1,225 kg/m3 al livello del mare)
A = area frontale [m2]

Se il diametro (D) è 100mm, e il peso 2,5 kg allora:

A = (D/2)2* p = (0,1/2)2*3,1416 = 0,0078 m2

e

Vt = radq((2*2,5*9,81)/(0,75*1,225*0,0078)) = 82,7 m/s (297,7 kmh)

Se lo stesso modello ha una fusoliera di lunghezza (L) pari a 1,5 m e cade orizzontalmente, allora:

A = (D*p)/2* L= (0,1*3,1416)/2*1,5 = 0,23 m2
Vt = sqrt((2*2,5*9,81)/(0,75*1,225*0,23)) =
15,2 m/s (54,7 kmh)

Con questa velocità di discesa ragionevole non è necessario un paracadute drogue, anche se un piccolo paracadute (30 - 45 cm) può aiutare a stabilizzare la discesa pur senza influire significativamente sulla velocità.
Se desiderate calcolare il diametro del paracadute drogue per una velocità stabilita potete applicare i calcoli descritti nella sezione Grandi modelli.

Sistema a due compartimenti

Lo schema più tradizionale di un modello a doppia espulsione è descritto in questo disegno:

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Il modello ha un compartimento inferiore nel quale è contenuto il paracadute drogue, ed un altro compartimento nel quale è inserito il paracadute principale. Tra i due è collocato il vano che contiene l'elettronica che normalmente è solidale col compartimento del principale.

Di questo vano ne parliamo nella sezione Elettronica, ma importante ricordare che quando i paracadute sono aperti tutto lo sforzo di trazione sopportato proprio da questo elemento. Il metodo di costruzione più diffuso è utilizzare un accoppiatore per tubi come involucro esterno, due ordinate in compensato per chiudere le estemità tenute assieme da una, due o più barre filettate di opportuno diametro, come mostrato nel disegno in sezione qui sotto:

E' da notare che il drogue va sempre inserito nella compartimento inferiore del modello. Se le posizioni dei due paracadute fossero invertite, all'apertura del drogue lo strappo farebbe sfilare la parte inferiore e libererebbe immediatamente il principale. Inoltre non si potrebbe utilizzare la carica di espulsione del motore come sicurezza ulteriore perchè questa entra in funzione all'apogeo, e in questo caso espellerebbe il principale, e non il drogue.

Nella foto a destra si vede un tipico modello a doppia espulsione.

Si tratta di un modello con espulsione dei paracadute a pistone (vedi Protezione). In alto si vedeno le shock cord del paracadute principale e il suo pistone. L'ogiva è poggiata sul paracadute principale conico da 112 cm (44").
Il tubo più lungo si divide nel centro per accedere all'elettronica.


In basso si vede il pistone del paracadute drogue con le sue shock cord, il paracadute drogue da 45 cm (18") collegato alla sezione motore.

Uno svantaggio di questo sistema è l'inversione repentina dell'assetto all'apertura del paracadute principale, che provoca un certo sforzo sulla struttura.

 

Sistema ad uno scompartimento
Il drogue ed il paracadute principale possono essere espulsi dallo stesso compartimento. Esistono un paio di metodi per realizzare questo tipo di espulsione: il drogue può essere estratto tramite la solita espulsione dell'ogiva, e la shock cord trattenuta da un meccanismo. Una volta raggiunta la quota prefissata per l'espulsione del principale, il meccanismo (di solito di tipo pirotecnico) rilascia la shock cord che trascina fuori il paracadute principale. Un altro metodo è creare due camere all'interno della fusoliera per contenere i due paracadute.

Al momento sul mercato esistono due tipi di meccanismi di rilascio. Sono l'ARRD (Advanced Retention and Release Device) prodotto da blacksky e il "Tether" della Defy Gravity.

blacksky ARRD
Defy Gravity "Tether"

Funzionano secondo principi diversi ma entrambi utilizzano un accenditore elettrico che accende un piccolissima quantità di carica (0,2-0,3 gr) che a sua volta libera un anello o un altro aggancio al quale è fissata la shock cord.
Non esistono in commercio, per ora, sistemi di questo genere basati esclusivamente sulla meccanica, anche se alcuni produttori stanno progettandoli.

Un problema che si può incontrare usando quest'ultimo metodo è la possibilità che i paracadute si aggroviglino fra loro. Questo rischio può essere ridotto utilizzando una shock cord del paracadute drogue più lunga di quella del principale in modo che i due paracadute non possano venire in contatto.