OLTRE IL FLAP: L’INTERCEPTOR – 1a parte

Andrea Mancini
Scritto da Andrea Mancini

Come Funziona

Intruder o interceptor, comunque vogliate chiamarlo, stiamo parlando di quella piccola lamina verticale sporgente alcuni millimetri dal fondo di una carena in corrispondenza dello specchio di poppa che, incredibilmente, permette di migliorare in modo sensibile le prestazioni di uno scafo planante, e non solo. Ne avevamo parlato oltre 10 anni fa, quando questo dispositivo fece le sue prime apparizioni nel diporto nautico. E oggi?

Ne avevamo parlato oltre 10 anni fa, quando di questo allora nuovissimo e sconosciuto dispositivo per correggere l’assetto dinamico (ovvero in navigazione) di una carena planante, ne parlava solo qualche guru della nautica o qualche stregone da banchina che lo suggeriva, strizzando l’occhio, per migliorare le prestazioni o, più spesso, per cercare di “salvare” una carena planante che funzionava male. Proprio su Nautica (n. 514/2005 e n. 528/2006) ne avevamo parlato in modo approfondito con alcuni articoli in cui riportavamo i risultati di alcuni studi scientifici e delle prime sperimentazioni su questo dispositivo, tanto semplice quanto efficace che, allora come oggi, non ha ancora una definizione univoca: intruder o interceptor (più raramente, tegolo poppiero), comunque lo si chiami esso è costituito da una piccola lamina verticale sporgente alcuni millimetri dal fondo (20, 30 al massimo) di uno scafo planante o semiplanante posta in corrispondenza dello specchio di poppa (figura 01).

Tale lamina può essere fissa oppure mobile, cioè può scorrere verticalmente in modo da poter variare a piacimento la sporgenza. In questo caso l’utilizzo dell’interceptor è analogo a quello dei flap ed essere utilizzato come stabilizzatore e/o correttore d’assetto e, come i flap, può essere esteso su tutto lo specchio di poppa o avere una estensione parziale. Ma in determinati casi l’interceptor è anche in grado di migliorare le prestazioni della carena, garantendo una minor resistenza all’avanzamento e, di conseguenza, una maggior velocità a parità di potenza installata. Oggi, a distanza di oltre 10 anni, nonostante l’interceptor si sia ampiamente diffuso nel diporto nautico, molti ancora ne ignorano l’esistenza o, comunque, non sanno quale sia il suo principio di funzionamento. Allo stesso tempo in questi anni sono stati eseguiti molti altri studi e condotte altre sperimentazioni su questo dispositivo e sulle sue modalità di utilizzo. Così oggi è più facile sapere quando e come utilizzare un interceptor.

Da dove arriva l’interceptor

L’interceptor deriva da un altro dispositivo chiamato “Gurney Flap”, dal nome di un pilota di auto da corsa che lo installava sulle proprie vetture per aumentare la spinta verso il basso degli alettoni e quindi per aumentare l’aderenza al suolo. Tale dispositivo era già stato studiato e sviluppato nell’ambito della ricerca aeronautica a metà degli anni ’70 e le prime applicazioni furono sulle ali dei DC10. Esso consiste in una lamina verticale posta sul bordo d’uscita dell’ala, sporgente dalla faccia di una quantità minima inferiore al 1% della corda. Nel campo navale questo dispositivo è da anni utilizzato come stabilizzatore sui monoscafi ad alta velocità a “V” profonda tipo Acquastrada col nome di interceptor. Nell’ultimo decennio questo dispositivo è stato poi importato nel mondo navale e adattato per l’utilizzo su scafi ad alta velocità con il fine di migliorarne le prestazioni. Spesso, in tale ambito è chiamato anche intruder.

In questo grafico è schematizzata la variazione del campo di pressioni sul fondo di una carena planante con l’utilizzo dell’interceptor, variazione che si manifesta con un aumento del sostentamento idrodinamico, in particolare a poppa, e una variazione di assetto. Se montato e utilizzato correttamente, il risultato finale è un significativo miglioramento delle prestazioni della carena. Il grafico sotto mostra come i risultati di uno studio, condotto dal Dip.to di Ingegneria navale dell’Università Federico II di Napoli, su un lastra piana inclinata di 2 gradi e lunga 2 metri, che rappresenta un modello semplificato di superficie di carena planante, sia coerente con quanto appena detto: in particolare il grafico mostra l’andamento del coefficiente di pressione sul modello sia in assenza di interceptor (curva nera) sia con diverse sporgenze dell’interceptor (3, 4, 5 mm). Come si può notare il coefficiente di pressione subisce dei forti incrementi, specie a poppa dove senza interceptor, o dispositivi analoghi, la pressione tende ad annullarsi (Grafico da: “Valutazione sperimentale e numerica del funzionamento degli interceptor” – De Luca, Pensa, Pranzitelli, Sea-Med 2010).

La figura mostra i risultati dello studio numerico citato nel grafico precedente, le piccole frecce rappresentano la direzione e il verso dei vettori di velocità del flusso nella regione di un interceptor di 3 millimetri sia dell’acqua (in rosso) sia dell’aria (in blu). Si può notare come la struttura vorticosa che si genera alla fine della lamina dell’interceptor (scia multicolore) sia influenzata dalla presenza della superficie di interfaccia tra aria e acqua (Figura da: “Valutazione sperimentale e numerica del funzionamento degli interceptor” – De Luca, Pensa, Pranzitelli, Sea-Med 2010).

Come funziona

Secondo la comune visione delle cose, la funzione degli interceptor è quella di determinare un momento appruante generato dalle piccole resistenze locali provocate dalla sporgenza della lamina dal fondo della carena. In questo modo cambia l’assetto dinamico e la barca si apprua quel tanto da assicurare migliori prestazioni in un determinato campo di velocità. Tutto esattamente come con i flap.
Ma, se oggi è esperienza consolidata la maggiore efficacia degli interceptor nei confronti dei tradizionali flap, sia da quanto riportato dalla letteratura tecnica che dalle esperienze al vero, è pur vero che la conoscenza del principio di funzionamento di questo dispositivo ancora non è del tutto chiara. In ogni caso le proporzioni di questa maggiore efficacia sono tali da far ipotizzare, con ragionevole certezza, che l’uso dell’interceptor modifichi significativamente il campo di pressioni sul fondo di una carena ad alta velocità, specie quando la carena è anche sostentata idrodinamicamente come avviene per gli scafi plananti. A conferma di quanto appena detto ci sono alcuni studi numerici, che mostrano l’andamento del coefficiente di portanza su una lastra piana inclinata che rappresenta un modello semplificato di superficie di carena planante, nonché le strutture vorticose che determinano tale andamento. Ulteriore conferma della variazione del campo di pressione sul fondo della carena dovuta all’utilizzo dell’interceptor, viene da alcune prove sperimentali su modelli eseguite presso la vasca navale del Dipartimento di Ingegneria Navale dell’Università Federico II di Napoli. Queste prove hanno permesso di verificare che con l’interceptor le migliori prestazioni si hanno con angoli di assetto dinamici molto più piccoli di quelli tipicamente ottimi delle carene senza inteerceptor (la barca che ne è equipaggiata è più dritta), segno che i valori di pressione sul fondo assumono valori diversi, anche rispetto a quelli assunti dalla carena con i flap, determinando così una maggiore efficienza complessiva del sistema carena + interceptor. Inoltre l’interceptor produce delle resistenze aggiuntive notevolmente inferiori di quelle che producono i flap, trascurabili sulla resistenza totale della barca, per due principali motivi:

  • perché le sue dimensioni complessive sono minime;
  • perché la sporgenza dal fondo è minima e di conseguenza esso è immerso nello strato limite, quel sottile strato d’acqua a contatto con la superficie della carena che diviene più spesso andando da prua verso poppa, in cui la velocità del fluido varia passando da un valore uguale a quello della carena in movimento, acqua immediatamente a contatto con la superficie della carena stessa, fino a un valore quasi nullo via via che ci si allontana da essa.

Il grafico mostra i risultati di alcune prove eseguite presso la vasca navale del Dip.to di Ingegneria navale dell’Università Federico II di Napoli sul modello di carena planante di 2,40 metri della foto, risultati rielaborati per un motoryacht di circa 20 metri (dislocamento = 63 t): in funzione della velocità, in alto è raffigurata la diminuzione di resistenza in termini percentuali della carena con varie sporgenze dell’interceptor (curve dei vari colori rappresentano le reali sporgenze dell’interceptor sulla nave al vero) rispetto alla carena senza interceptor; in basso è invece raffigurato l’assetto dinamico assunto dalla stessa carena nelle medesime prove. Come si può vedere, con l’interceptor le migliori prestazioni si ottengono con angoli di assetto dinamici molto più piccoli di quelli tipicamente ottimi delle carene senza interceptor (la barca con l’interceptor è più dritta). Ad esempio alla velocità di 23 nodi, in cui l’interceptor ha la massima efficienza, l’assetto dinamico è pari a 5 gradi quando la carena si trova senza interceptor, mentre diventa addirittura inferiore ai 2 gradi in concomitanza della massima sporgenza dell’interceptor. In termini adimensionali siamo a una velocità pari a Fn∇ = 1.9 che ci dice che sta iniziando la planata pura. Tutto ciò ci permette di affermare che con l’interceptor l’efficienza complessiva del sistema carena + interceptor aumenta considerevolmente. (Dati elaborati da: “Valutazione sperimentale e numerica del funzionamento degli interceptor” – De Luca, Pensa, Pranzitelli, Sea-Med 2010).

In pratica l’interceptor si trova a lavorare in acqua che rimane, almeno parzialmente, “attaccata” alla superficie di carena. A conferma di quanto sopra, sempre la ricerca del Dipartimento di Ingegneria Navale dell’Università Federico II di Napoli, ha mostrato che l’utilizzo dell’interceptor, a fronte di grandi aumenti di portanza (ovvero la spinta verticale prodotta sul fondo della carena che tende a farla uscire dall’acqua) e di momento appruante, determina aumenti di resistenza pressoché nulli.

Tutto ciò determina una maggiore efficacia rispetto ai flap, come risulta da prove effettuate sia su modelli in vasca navale sia al vero. Infatti, un appropriato utilizzo dell’interceptor permette di ottenere un miglioramento delle prestazioni che può arrivare, soprattutto nel range di velocità di preplanata, fino al 10-20 per cento. La sporgenza dell’interceptor va però valutata attentamente perché se eccessiva, al contrario, può peggiorare sensibilmente le prestazioni della carena, specie alle alte velocità. Ma questo in realtà accade anche con i flap quando vengono angolati troppo o utilizzati quando non è necessario. L’interceptor però è molto più sensibile e, così come può migliorare sensibilmente le prestazioni, allo stesso modo le può peggiorare se utilizzato male con una sporgenza eccessiva.Quindi con l’interceptor, ovviamente correttamente utilizzato, si possono migliorare le prestazioni della carena, ovvero si riduce la resistenza all’avanzamento e si ottiene, di conseguenza, una maggior velocità a parità di potenza installata. Ciò è possibile perché, potremmo in qualche modo dire, la barca “sta meglio in acqua”, naviga meglio, come è possibile notare anche dalle foto della figura in alto.

 

La figura a sinistra mostra gli andamenti del coefficiente di portanza (CL), che fa sollevare la carena dall’acqua, e di momento (CM), che fa raddrizzare la carena che tende ad appopparsi, in funzione delle dimensioni dell’interceptor sul modello, permette di valutare immediatamente l’efficienza di questo dispositivo. Si può infatti notare che ai forti incrementi di CL e CM dovuti all’azione dell’aumentata sporgenza dell’interceptor (in ascissa), corrispondono variazioni del coefficiente di resistenza, CD (Drag), pressoché nulli, rendendo nettamente più vantaggiosi gli interceptor in confronto agli altri correttori di assetto (figura da: “Valutazione sperimentale e numerica del funzionamento degli interceptor” – De Luca, Pensa, Pranzitelli, Sea-Med 2010).

Fattori che influenzano l’efficienza dell’interceptor

Sono diverse le ricerche portate avanti in questi anni per studiare il funzionamento dell’interceptor che hanno analizzato i diversi fattori che vanno ad incidere sul suo rendimento. Al primo posto, ovviamente, ci sono la velocità e la sporgenza della lamina.

Nelle foto il modello di carena di un motoryacht di 30 metri in prova a un Fn∇= 2.2 (corrispondente a una velocità reale di 28 nodi) presso la vasca navale di Roma (Insean). Nella foto a sinistra, il modello è senza interceptor, mentre nella foto a destra, il modello è dotato di interceptor e si può notare la carena più orizzontale e la ridotta formazione ondosa. Potremmo in qualche modo dire che con l’interceptor la barca “sta meglio in acqua”, naviga meglio, come si può dedurre dal miglior assetto assunto in navigazione e da una importante sopraelevazione della poppa che, congiuntamente, determinano una minore formazione ondosa prodotta e quindi una minore resistenza idrodinamica.

a) Velocità e sporgenza
Come per i flap, l’effetto dell’interceptor, determinato dalla sua sporgenza, aumenta con la velocità. Di conseguenza per le carene plananti pure, che hanno un regime di funzionamento idrodinamico ampio perché sono prima dislocanti e poi al crescere della velocità iniziano ad avere un sostentamento idrodinamico sempre maggiore fino alla planata pura, sarà necessario avere dei dispositivi che permettano di regolare la sporgenza della lamina, altrimenti ai benefici che si ottengono alle velocità inferiori si contrappongono dei sensibili peggioramenti delle prestazioni alle velocità più elevate. Di contro, per le imbarcazioni che hanno un regime di funzionamento idrodinamico limitato, le cosiddette carene semi plananti, sarà possibile montare un interceptor con una sporgenza fissa e predeterminata. La sequenza di foto della figura nella pagina seguente, mostra visivamente, su una carena planante gli effetti della sporgenza dell’interceptor che, se è eccessiva, determina un repentino peggioramento delle prestazioni. Conseguentemente è opportuno, come per i flap, regolare la sporgenza della lamina. Oggi ci sono diverse società che commercializzano dei dispositivi mobili con diverse soluzioni meccaniche e/o di funzionamento, ma tutti forniti di specifica elettronica di controllo. Sul prossimo numero ne vedremo le caratteristiche.

Gli interceptor a sporgenza variabile permettono di “dosare” il loro effetto alle diverse velocità.

b) Peso della barca
Le variazioni di dislocamento (ovvero peso) che si possono ragionevolmente avere su uno yacht non determinano grandi cambiamenti sull’efficienza dell’interceptor. A dimostrarlo sono i risultati della citata ricerca condotta presso il Dipartimento di Ingegneria Navale dell’Università Federico II di Napoli, la quale ha definito che, a una sporgenza fissa della lamina, l’efficienza dell’interceptor aumenta in modo omogeneo per tutte e tre le condizioni di carico sperimentate al crescere della velocità. Nel caso della carena sperimentata, i cui risultati sono stati rielaborati per un motoryacht di circa 20 metri, si può notare come l’efficienza dell’interceptor aumenta fino ai 24, 25 nodi, velocità oltre la quale la resistenza della carena torna poi a crescere fino a superare il valore della carena senza interceptor, quando si oltrepassano i 30 nodi (vedi grafico).

Il grafico mostra i risultati ottenuti variando il dislocamento di un modello di carena planante di 2,40 metri dotato di interceptor fisso durante le prove eseguite presso la vasca navale del Dip.to di Ingegneria navale dell’Università Federico II di Napoli, risultati rielaborati per un motoryacht di circa 20 metri. Come si può notare, le variazioni di dislocamento (ovvero peso) che si possono ragionevolmente avere su uno yacht non determinano grandi cambiamenti sull’efficienza dell’interceptor: con una sporgenza fissa della lamina, l’efficienza dell’interceptor aumenta in modo omogeneo per le tre condizioni di carico sperimentate al crescere della velocità, fino ai 24, 25 nodi nel caso della carena sperimentata, velocità oltre la quale la resistenza della carena torna poi a crescere fino a superare il valore della carena senza interceptor, quando si superano i 30 nodi (Dati elaborati da: “Valutazione sperimentale e numerica del funzionamento degli interceptor” – De Luca, Pensa, Pranzitelli, Sea-Med 2010).

 

Nel grafico i risultati di alcune prove eseguite presso la vasca navale del Dip.to di Ingegneria navale dell’Università Federico II di Napoli su tre modelli di carena planante prismatici di 2,40 metri dotati di interceptor fisso sui quali l’unica variazione era l’angolo di rialzamento del fondo β (nella foto-figura uno dei tre modelli). I risultati, per facilità di lettura rielaborati per un motoryacht di circa 15 metri (dislocamento = 23 t), mostrano due cose: la prima come l’efficacia dell’interceptor, in termini di riduzione di resistenza, diminuisce al crescere dell’angolo di rialzamento del fondo; la seconda come le migliori performance con l’interceptor si ottengono tra i 20 e i 24 nodi per tutti e tre gli angoli di rialzamento del fondo provati, velocità corrispondenti a Fn∇compresi tra 1,9 e 2,3 (Dati elaborati da: F. De Luca, C. Pensa “ Experimental data on interceptor effectiveness” – HSMV 2011)

Questo grafico ci dice due cose:
1) l’interceptor è efficace in particolar modo nel range di velocità di preplanata che, nel nostro caso, termina proprio alla velocità di 24, 25 nodi;
2) gli effetti dell’interceptor sono poco sensibili al dislocamento.
c) Angolo di rialzamento del fondo β È noto che più la carena è stellata (ma potremmo dire anche una “V” del fondo profonda o un angolo di rialzamento β elevato), più la resistenza della carena aumenta. Non a caso la carena planante ideale dovrebbe essere completamente piatta, una lastra piana. Ciò ovviamente non è possibile altrimenti una minima onda causerebbe impatti e sollecitazioni non sopportabili dalle strutture e dalle persone a bordo. Ecco quindi che tutte le carene plananti hanno una carena a “V” che addolcisce l’impatto con l’onda, un angolo di rialzamento del fondo che, mediamente, è intorno ai 15 gradi, grado più grado meno. Su barche molto spinte, come gli scafi da competizione, tale angolo può però arrivare e superare i 30 gradi, proprio per attenuare gli impatti che, alle alte velocità, sono ancora più violenti. Ma, come dicevamo, tutto ciò si paga in termini di maggiore resistenza della carena perché l’acqua in pressione su cui “scivola” l’imbarcazione tende a sfuggire e non tutta la spinta verticale generata viene utilizzata. Lo stesso avviene nel caso dell’interceptor quando viene montato su carene a “V” profondo: la sua efficienza diminuisce. A dimostrarlo scientificamente i risultati di un’altra ricerca condotta presso il Dipartimento Ingegneria Navale Napoli che hanno rilevato come l’efficacia dell’interceptor, in termini di riduzione di resistenza, diminuisca al crescere dell’angolo di rialzamento del fondo. La stessa ricerca ha anche evidenziato come le migliori performance con l’interceptor comunque si ottengono per numeri di Froude Volumetrici (Fn∇) compresi tra 1,9 e 2,3 indipendentemente dall’angolo di “V” del fondo (di questo stano indice Fn∇ che indica il regime di funzionamento idrodinamico di una carena veloce ne parleremo in dettaglio nel prossimo numero di Nautica).
Nella figura in basso, i risultati, rielaborati per un motoryacht di circa 15 metri, mostrano che le migliori performance con l’interceptor corrispondono a un campo di velocità tra i 20 e i 24 nodi per tutti e tre gli angoli di rialzamento del fondo provati.

Per ora ci fermiamo qui. Nella seconda parte andremo a vedere quali sono le modalità di utilizzo dell’interceptor, anche in relazione ad alcuni dei dispositivi commerciali presenti sul mercato. Vedremo poi quali sono le tipologie di barche sulle quali il suo utilizzo è più vantaggioso, a partire dalle imbarcazioni a sostentamento idrodinamico, ovvero plananti, anche se, negli ultimi anni, sono stati evidenziati vantaggi significativi anche con applicazioni su imbarcazioni destinate a velocità relative minori tipiche delle imbarcazioni veloci a sostentamento idrostatico, ovvero le cosiddette imbarcazioni dislocanti veloci.

sull'autore

Andrea Mancini

Andrea Mancini

Ingegnere nautico e tecnico specializzato presso l'Istituto di Ingegneria del Mare (INM) del Cnr (la Vasca Navale di Roma) dal 1986 dove si occupa della gestione tecnica ed operativa delle esperienze di idrodinamica su modelli di navi, carene plananti, mezzi non convenzionali, propulsori, etc., nonché della analisi ed elaborazione dei relativi dati sperimentali. Su questi argomenti specifici, e su tematiche inerenti, oltre ad avere al suo attivo numerose pubblicazioni scientifiche, svolge anche una intensa attività di docenza e di divulgazione. È inoltre giornalista pubblicista e collabora con diverse testate del settore navale e nautico per le quali scrive articoli divulgativi e di approfondimento.

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