Temperatura, umidità e densità dell'aria: come cambiano le prestazioni

La spinta di un'elica è direttamente proporzionale alla densità dell'aria. E la densità scende con quattro fattori: temperatura alta, umidità alta, quota e bassa pressione. Quando si sommano, un drone che a marzo al livello del mare saliva senza sforzo a luglio in quota diventa lento, consuma di più e ha meno margine per reagire a una raffica.

Il freddo, all'estremo opposto, non tocca l'aria: colpisce le batterie, e lo fa in modo molto più rapido di quanto la maggior parte dei piloti si aspetti.

Come funziona la densità dell'aria

In condizioni standard al livello del mare la densità dell'aria è di circa 1,225 kg/m³. È il valore su cui sono tarate le prestazioni dichiarate dai costruttori.

In atmosfera standard la densità si riduce di circa il 10% ogni 1.000 metri di quota. A 2.000 metri un drone dispone di circa l'80% della spinta che avrebbe al mare, a parità di regime dei motori. Il concetto che mette insieme tutti i fattori è la quota densità: la quota a cui corrisponde aerodinamicamente l'aria in cui ti trovi davvero. Una giornata calda a 1.500 metri può comportarsi come una quota sensibilmente più alta.

Le conseguenze pratiche sono tre, e si vedono tutte:

• i motori girano più velocemente per produrre la stessa spinta, quindi l'autonomia cala;
• il margine di manovra si riduce, perché il rapporto fra spinta disponibile e peso scende;
• la velocità di salita diminuisce, e con essa la prontezza nel togliersi da una situazione.

Il caldo: due problemi diversi

Il caldo agisce su due fronti separati che vale la pena tenere distinti.

Sull'aria. Aria calda è aria meno densa. Una giornata di luglio a 35 °C su asfalto urbano riduce la spinta disponibile in modo misurabile, e lo fa proprio dove ci sono anche le termiche più forti.

Sull'elettronica. Sopra i 40 °C ambiente motori ed ESC dissipano peggio il calore che producono. I droni consumer reagiscono riducendo le prestazioni o interrompendo la registrazione video per protezione termica: non è un guasto, è il firmware che si difende.

Le batterie LiPo, al caldo estremo, degradano più rapidamente e nei casi peggiori si gonfiano. Un pacco gonfio va ritirato immediatamente, senza eccezioni: la guida su carica, conservazione e smaltimento delle batterie spiega perché.

Il freddo: il collo di bottiglia è la batteria

Al freddo le reazioni elettrochimiche rallentano e la resistenza interna del pacco aumenta. Sotto i 10 °C la capacità utile cala in modo sensibile; sotto zero la riduzione diventa marcata. Le fonti tecniche indicano valori nell'ordine del 20-30% o più, con variazioni ampie a seconda della chimica e dell'età del pacco. Il numero esatto va preso con cautela; il fenomeno no.

Il rischio operativo non è tanto l'autonomia ridotta, che si può pianificare, quanto il crollo improvviso di tensione sotto carico: una richiesta di corrente elevata su un pacco freddo può far precipitare la tensione e attivare l'atterraggio automatico d'emergenza in un momento e in un punto che non hai scelto tu.

Le buone pratiche invernali sono poche e funzionano:

• preriscalda i pacchi a temperatura ambiente, tenendoli in una tasca interna o in una borsa termica fino al momento del decollo;
• decolla e resta in stazionario un minuto prima di allontanarti: la corrente assorbita scalda il pacco dall'interno;
• pianifica sull'autonomia ridotta, non su quella estiva;
• non caricare mai una batteria fredda.

Va tenuto presente anche l'intervallo di temperatura operativa dichiarato dal costruttore, tipicamente fra -10 e +40 °C per un drone consumer, ma da verificare sulla scheda tecnica del modello: fuori da quell'intervallo le prestazioni sono degradate e la garanzia in genere non copre.

Umidità, condensa e punto di rugiada

L'aria contiene sempre una quantità variabile di vapore acqueo. L'umidità relativa misura quanto ce n'è rispetto al massimo che quell'aria potrebbe contenere a quella temperatura; il punto di rugiada è la temperatura alla quale il vapore inizia a condensare.

Il dato che serve a un pilota è la differenza fra temperatura e punto di rugiada, che nei METAR si legge direttamente dai due numeri separati da una barra. Uno scarto ampio significa aria secca e cieli limpidi. Uno scarto inferiore ai 3 °C significa aria vicina alla saturazione: nebbia o nubi basse sono possibili nel giro di poco. Come si legge un bollettino è spiegato in METAR e TAF.

Per il drone l'umidità elevata comporta due effetti: condensa su ottiche, gimbal e sensori, che rende ciechi i sistemi anticollisione, e una riduzione della densità dell'aria, perché il vapore acqueo è più leggero dell'aria secca. Il secondo effetto è modesto da solo, ma si somma a caldo e quota.

Ghiaccio sulle eliche

Quando il drone vola in aria umida con temperatura pari o inferiore a zero, l'acqua sopraffusa può congelare sulle superfici. Sulle eliche il ghiaccio si deposita in genere sul bordo d'attacco, e produce quattro conseguenze insieme: aumento del peso, deterioramento dell'aerodinamica, asimmetria fra le pale e vibrazioni che sollecitano i motori.

Le condizioni a rischio sono quelle in cui c'è acqua liquida a temperature attorno allo zero: nebbia invernale, pioggia con temperatura prossima a 0 °C, attraversamento di strati nuvolosi freddi. In Italia riguarda soprattutto il volo in montagna d'inverno e le prime ore del mattino in pianura.

Tradurre tutto in numeri prima del volo

Nella pianificazione, temperatura e densità entrano in un solo modo utile: come margine sull'autonomia. Il tempo di volo dichiarato dai costruttori è misurato in laboratorio, senza vento, a temperatura ideale e con batteria nuova; nella realtà il tempo utile è tipicamente il 60-75% del dichiarato, e caldo, freddo o quota erodono ulteriormente quel valore.

Il modo corretto di procedere è calcolare l'autonomia attesa nelle condizioni reali, non in quelle di scheda tecnica, e riservare comunque il margine di rientro. La guida sull'autonomia reale del drone entra nel merito, e il quadro completo dei fattori meteo da valutare è nella guida al meteo per piloti di droni.