Staffa di lancio a scomparsa automatica
 

18-10-2003


Staffa di lancio a scomparsa automatica (Automatic Vanishing Launch Lug - AVLL)





 
Idea, progetto e realizzazione di Paolo Volpe Sacile (PN), 01.10.2003 paolo.volpe48@tin.it 

 


Immagine del prototipo completo, della staffa a scomparsa. 

 

Foto della staffa, già montata sul proprio pannello esterno, in alluminio, dotato di micro-bulloni di fissaggio, in ottone.

Vi si nota, in basso, la piccola finestra/fessura per la chiave di riarmo del sistema.

Si notino, inoltre, le dimensioni, rispetto al “coccodrillo” che sostiene il pezzo.


Concetti di base e sviluppo dell’idea.


Lo sviluppo del progetto ha portato all’ideazione e realizzazione del prototipo di un congegno meccanico, completamente automatico, capace di far rientrare nel corpo del missile le staffe di sostegno, alla fine della rampa di lancio.

Ciò è in grado di evitare, così, la formazione di resistenza passiva, provocata dall’attrito aerodinamico di tali componenti (staffe, anelli e simili; “launch lugs” in inglese) che, normalmente, servono per assicurarlo alla rampa, in fase di partenza e che restano sporgenti dalla superficie esterna del missile, durante il volo, influendo, così, negativamente, sulle sue prestazioni d’insieme.

L’idea di base è stata sviluppata partendo dal classico schema del sistema di aggancio a rotaia, che fosse in grado, però, di rientrare automaticamente e completamente nel corpo del missile, non appena superata l’estremità superiore della rampa di lancio.

Le soluzioni progettate e vagliate sono state oltre una cinquantina e tutte variamente articolate per complessità e difficoltà di realizzazione, oltre che per affidabilità e sicurezza di funzionamento.

Il fattore dimensionale, poi, il peso, la robustezza, la semplicità, la modularità ed il minor numero di componenti sono stati tutti fattori che hanno contribuito alla scelta dell’attuale soluzione progettuale, definitiva.



 
Sezione grafica dello schema interno
 

Schema grafico d’insieme e sezione interna del sistema staffa / cilindro. Sono state volutamente omesse le dimensioni e relative quote, non essendo influenti al fine della realizzazione…

In ogni caso, il prototipo misura solo 18,5 mm di lunghezza per 15 mm di diametro esterno e pesa solo 8 gr., ma è possibile ridurne ulteriormente le dimensioni, realizzando, così, qualcosa di estremamente contenuto.


Modularità…


Il sistema è stato progettato in maniera modulare, in modo tale che, volendo, le due staffe di lancio a scomparsa, risultino completamente smontabili (o sostituibili con altre di varie dimensioni (diametro) ed installabili, secondo necessità, su modelli diversi, per peso e dimensioni, mediante rapido fissaggio con micro bulloni, su finestre “standard”, dotate, in sostituzione, di piccolo pannello di chiusura, rimovibile (qui non raffigurato)...

La scelta dei materiali ha determinato l’adozione, per la staffa di scorrimento, di un materiale con bassissimo coefficiente di attrito quale il Delrin®, dotato di una scorrevolezza decisamente migliore di quello del Nylon, utilizzato in prima battuta per le prove iniziali, al fine di valutare, globalmente, il principio di funzionamento del sistema.

 
La staffa di scorrimento, opportunamente sagomata a rocchetto, ad un’estremità, per impegnarsi nelle scanalature del binario di lancio, è munita di due fermi, che scorrono in apposite scanalature longitudinali sull’esterno del pistone, posizionati a 180 gradi l’uno dall’altro.

Tali fermi sono realizzati mediante l’impiego di micro bulloni filettati, in ottone, di circa 1,8 mm di diametro, avvitati in profondità nella staffa-pistone in Delrin® e capaci di scorrere, come già detto, nelle apposite scanalature del cilindro, che funge da contenitore esterno.

Svolgono, inoltre, la funzione di blocco, nei confronti del magnete mobile, fissato all’interno del pistone. Le scanalature longitudinali, inoltre, rappresentano i limiti di scorrimento del sistema stesso ed agiscono, anche, come punti estremi di blocco del pistone a ciascuna delle due posizioni, esterna ed interna.


Sono state volutamente omesse le dimensioni e relative quote, non essendo influenti al fine della realizzazione…

In ogni caso, il prototipo misura solo 18,5 mm di lunghezza per 15 mm di diametro esterno e pesa solo 8 gr., ma è possibile ridurne ulteriormente le dimensioni, realizzando, così, qualcosa di estremamente contenuto.

 

Figura 4 - Staffa aperta
 

La staffa / pistone in posizione aperta. I due bulloni in ottone, scorrendo nelle scanalature del cilindro esterno, limitano la corsa del pistone. Il fondello è in ferro dolce…




Figura 5 - Staffa chiusa

La staffa / pistone in posizione chiusa. I due bulloni in ottone, si trovano nella posizione più arretrata, vicinissimi al fondo in ferro dolce, completamente bloccati dal sistema.


 

La staffa / pistone in posizione chiusa. I due bulloni in ottone, trattengono in posizione il magnete mobile, impedendone la fuoriuscita dalla sede. Si noti il cilindro in plastica o in ottone, distanziatore, omesso nel prototipo.


 


Nello schema sono chiaramente indicate le reciproche posizioni dei due magneti, cuore del sistema, con le rispettive polarità contrapposte.

Il “pistone” in Delrin® deve poter scorrere facilmente nel proprio cilindro e presentare un piccolissimo “gioco” relativo, in modo da assicurare un movimento fluido, quasi privo di oscillazioni laterali e/o verticali che, in ogni caso, comunque, non ridurrebbero assolutamente l’efficienza di funzionamento del complesso (nel prototipo, il “gioco” relativo, tra pistone/staffa e cilindro/contenitore risultava di circa 0,1 mm in senso radiale).


Principio di funzionamento.


Come avrete già intuito, il funzionamento della staffa a scomparsa si basa, fondamentalmente, sull’interazione reciproca di due micro magneti cilindrici al samario/cobalto (facilmente ricavabili da in paio di quelle barrette dei diffusissimi giochi modulari, a sfere e magneti…) che, diversamente dall’azione della classica molla a spirale, esercitano tra loro una forza di attrazione erculea quando si trovano alla minima distanza reciproca (staffa in posizione chiusa), mentre interagiscono ugualmente, ma in modo relativamente debole, allorché si trovano in posizione opposta (staffa in posizione aperta).





Figura 6 - Tutti i principali componenti del sistema
 

I componenti principali del sistema, da Sx a Dx: due micro-bulloni, in ottone, a testa piana – La staffa/pistone in Delrin® tornito, con un foro interno, non passante (non visibile), per alloggiare il magnete mobile – magnete mobile al samario/cobalto che va affondato all’interno della staffa – cilindro esterno con le due scanalature da cui sporgeranno le teste dei micro-bulloni – fondello in ferro dolce per la chiusura posteriore – tubetto in ottone che va incollato con epoxy al fondello in ferro dolce; serve a contenere il magnete fisso e ad evitarne gli spostamenti laterali, causati dall’accelerazione del missile – magnete fisso al samario/cobalto.

Sfruttando, così, una coppia di piccoli magneti, di cui uno fisso e l’altro mobile, fissati rispettivamente uno all’interno del pistone-staffa e l’altro sul fondo del cilindro di scorrimento e disposti in modo che i rispettivi poli si attraessero, ho realizzato un sistema che, nella fase di massima apertura (e, quindi, di maggior distanza reciproca dei magneti), presenta una forza di attrazione estremamente lieve e, in ogni caso, decisamente inferiore a quella rappresentata dall’azione della classica molla di trazione, a spirale.



Figura 7 - Staffa chiusa, senza fondello in ferro dolce posteriore.



Vista posteriore del sistema cilindro / pistone, con la sede del magnete mobile, trattenuto in posizione dai due micro-bulloni in ottone, contrapposti e liberi di scorrere nelle due scanalature del cilindro esterno.




Figura 8 – Fondello in ferro dolce, con magnete fisso.

 

Fondello di chiusura posteriore in ferro dolce con il piccolo cilindro di ottone, incollato con epoxy, per impedire al magnete fisso possibili scorrimenti laterali, durante la fase iniziale di accelerazione del missile (nota: sostituibile con un “cordolo” di stucco epoxy…)

L’inevitabile attrito residuo di scorrimento, rispetto al binario della rotaia, risulta praticamente trascurabile e, perfettamente ininfluente, rispetto alle notevoli forze in gioco, dovute all’enorme spinta propulsiva del motore a razzo.

I materiali impiegati, oltre al Delrin®, il cui utilizzo è quasi…obbligatorio, non sono assolutamente critici e, volendo, l’intero meccanismo potrebbe essere realizzato anche in metalli leggeri, come alluminio ed ottone, oltre alla solita plastica che, come si vede, è stata utilizzata nella costruzione del prototipo e che può trovare impiego nei modelli più leggeri.

All’ultimo momento, proprio prima di “pubblicare” questo mio progetto, comunque, ho effettuato tutta una serie di prove con un materiale alternativo al Delrin®, molto più “esotico” e la cui scorrevolezza, rispetto al binario in alluminio è, a mio avviso, almeno dalle prime risultanze sperimentali, addirittura superiore a quella del Delrin: potrà sembrare strano, ma sto parlando proprio di un…legno esotico: il TEK, compatto, ceroso, consistente e tenace, facilmente lavorabile e decisamente gradevole, anche all’olfatto…!

Le prove effettuate con il prototipo hanno consentito di verificare il perfetto funzionamento del meccanismo che, oltretutto, presenta un peso limitatissimo, dell’ordine di circa otto grammi per l’intero pezzo, finito, completo di tutti i componenti assemblati.





 
Figura 9 - Foto della staffa, impegnata nel binario.



La staffa, in posizione aperta, nel binario a scorrimento della rampa di lancio (nella foto, uno spezzone di rotaia serve a dimostrarne il principio di funzionamento)…

Proseguendo verso l’alto, appena superato il limite superiore del binario, il cilindro in Delrin® scatta immediatamente verso l’interno, attirato dal magnete fisso, che si trova fissato al fondello in ferro dolce…(se ne intravede il riflesso metallico, attraverso la fessura di scorrimento).

In posizione aperta, i due magneti esercitano tra di loro una forza veramente debole (nella foto, ho dovuto usare un pezzettino di nastro adesivo per tenere momentaneamente in posizione il pezzo, altrimenti sarebbe scivolato verso il basso, lungo il binario…).

In posizione chiusa, invece, trovandosi reciprocamente molto vicini, si attirano con una forza notevole, che impedisce ogni possibilità di riapertura accidentale del sistema.


Aspetto, non trascurabile, poi, del sistema appena descritto, è il fatto che, come già accennato, il pistone-staffa, una volta rientrato nel corpo del missile, risulta fortemente trattenuto, in posizione chiusa, dalla forza di attrazione dei due magneti, ora vicinissimi, per cui si evita, così, che fenomeni di depressione aerodinamica durante il volo ed eventuali urti violenti, nella fase di atterraggio, facciano nuovamente fuoriuscire, accidentalmente, la staffa di lancio.

Riarmo del sistema.


Il riarmo del meccanismo, poi, per la predisposizione di un nuovo lancio, viene assicurato da un’apposita “chiave” di riarmo, che può essere costituita da una lamina rettangolare di alluminio, delle seguenti dimensioni: spessore di circa 0,5 mm, larga 5 mm e lunga 35 mm e che presenta, ad una estremità, un foro di circa 3,2mm di diametro, in cui va ad impegnarsi la testa cilindrica di uno dei micro bulloni che fuoriescono all’esterno del cilindro, attraverso le apposite guide di scorrimento ( Nota: può essere facilmente rimpiazzata, in caso di emergenza, ( e nelle foto, come si vede, ho preferito adottare proprio questa soluzione) durante l’uso sul campo, da un leggero filo di ferro / rame / ottone, opportunamente piegato ad U ed introdotto nell’apposita piccola fessura orizzontale, realizzata sul pannello/finestra, sotto la staffa, che consente di impegnare, all’interno, la testa di uno dei micro bulloni di cui sopra, per consentirne, così, il trascinamento verso l’esterno, con conseguente “riarmo” della staffa stessa).



Figura 11 – Riarmo del meccanismo: inserimento della chiave.

 

Sistema cilindro / staffa, fissato al pannello esterno, in posizione di chiusura e “chiave” di riarmo del meccanismo, già inserita nell’apposito “scanso”, mentre già impegna il bullone di trascinamento…




Figura 12 – Staffa riarmata: estrazione della chiave.


Sistema riarmato. Un lieve movimento oscillante della parte esterna della “chiave”, verso l’alto, la disimpegna dal bullone interno e ne consente una facile estrazione.

Ciò consente, appunto, di estrarre nuovamente la staffa, vincendo la forza dei magneti che la trattengono in posizione di chiusura, per reinserirla, così, nella guida a binario della rampa di lancio.

Una possibile alternativa alla chiave di riarmo e relativa “toppa”, presente sul pannello e, forse, anche meno difficile da realizzare e più pratica, potrebbe consistere, in un piccolo foro cieco e filettato, realizzato sulla superficie esterna del pistone/staffa in Delrin®, dove verrebbe avvitato (e poi sempre svitato a mano, ad operazione conclusa) un piccolo bullone in ottone, con l’unico scopo di fungere da “maniglia” di estrazione ma, sinceramente, mi dispiaceva rovinare la bianca superficie del pistone in Delrin®…anche l’estetica ha il suo peso e, così sono andato a complicarmi un po’ le cose! (Nota: la chiave potrebbe assumere anche una semplice forma a “L” consentendo così alla “toppa” di ridursi ad un semplice foro di circa 1.6 mm, dal quale sarebbe comunque facile estrarre la chiave stessa)

Alcuni piccoli spessori in legno, o una forcella a “U” poi, possono servire per trattenere stabilmente la staffa in posizione aperta, fino al momento dell’inserimento sulla rampa di lancio, dove sarà, poi, lo stesso binario, con le sue espansioni, a mantenerla in tale posizione. Come si può vedere dai dettagli delle foto, comunque, il sistema resta ugualmente “sporgente” per circa un millimetro in senso laterale, ma il profilo estremamente ribassato di tale sporgenza rende praticamente trascurabile ogni effetto di turbolenza e di resistenza residue, grazie, anche, all’andamento avvolgente dell’insieme cilindro/pannello di montaggio.


Possibili ulteriori sviluppi


La variazione di posizione dei due micro-bulloni scorrevoli, suggerisce, inoltre, un loro possibile impiego, quale “switch” interno, destinato ad attivare automaticamente e solo alla fine della rampa di lancio, al momento della partenza del missile, gran parte dei sistemi elettronici di bordo…se non proprio a fungere da interruttore generale…Ogni sperimentatore, a questo punto, saprà certamente congegnare il proprio!