Algo de teoría sobre helicópteros...
Publicado: 23 Mar 2022, 18:18
Voy a intentar, desde mis escasos conocimientos de la materia, aclarar algunos de los principios que rigen el vuelo de esos extraños y antinaturales aparatos voladores llamados helicópteros. Me voy a concentrar únicamente en lo que puede ser de utilidad para alguien que se acerca por primera vez a este tipo de aparatos y omitir toda la teoría aerodinámica que no sea estrictamente necesaria para que las explicaciones sean entendibles.
Los principios básicos que rigen el vuelo de un helicóptero son los mismos que los de cualquier otra aeronave, aunque aplicados de forma distinta, pero una vez que se comprende el funcionamiento de los diferentes controles y lo que se puede hacer y lo que no, volar un helicóptero es simplemente una cuestión de coordinación y práctica.
CONFIGURACIÓN CONVENCIONAL DE UN HELICÓPTERO
Aunque existen diferentes configuraciones de rotores y tipos, la distribución más habitual es un rotor principal, dispuesto en posición más o menos horizontal y de gran tamaño, y un rotor de cola, dispuesto en posición más o menos vertical, de menor tamaño y montado al final del puro de cola, ambos movidos por uno o más motores de gran potencia, generalmente turboeje.
El cometido del rotor principal es proporcionar la sustentación necesaria para que el helicóptero se eleve del suelo y también, mediante su capacidad de inclinarse, para que se desplace hacia delante, atrás y lateralmente. El cometido del rotor de cola es contrarrestar el par de rotación, también llamado par de torsión o torque, del rotor principal para evitar que el helicóptero gire descontroladamente. Vamos a explicar esto último a continuación.
Cuando el rotor gira en un sentido, ejerce una fuerza en sentido contrario sobre el fuselaje del helicóptero, de tal manera que en cuanto este se eleva y deja de estar “sujeto” por la fricción del tren de aterrizaje sobre el terreno comienza a girar. Cuanto más deprisa gira el rotor, mayor es este efecto. Para evitar este giro indeseado se utiliza el rotor de cola, el cual genera un empuje en la dirección opuesta al efecto de par de torsión del rotor principal, contrarrestándolo. ¿Cómo es posible que el empuje que puede generar un rotor de un tamaño tan reducido, en comparación con el rotor principal, sea capaz de compensar el efecto de este último? Pues por el hecho de que está montado en el extremo de una palanca, que es el puro de cola, lo cual incrementa su efecto. Además, el empuje que genera este rotor de cola puede ser ajustado mediante los controles del piloto, permitiendo que el helicóptero pueda pivotar alrededor del eje del motor principal en ambas direcciones.
En otras configuraciones, sobre todo en los helicópteros de origen ruso, se utilizan dos rotores principales montados en el mismo eje, uno sobre el otro, una configuración denominada “rotor coaxial”. Un rotor gira en un sentido y el otro en el sentido contrario, anulándose el par de torsión de cada uno por el efecto del otro, por lo que no necesitan de rotor de cola. También es posible ver otra configuración con dos rotores principales, donde un rotor está en la parte delantera del fuselaje y el otro en la trasera, o uno en el extremo de un ala y otro en el extremo de la otra ala, pero el principio es el mismo que el anterior, cada rotor gira en un sentido, anulándose mutuamente sus efectos.
¿CÓMO FUNCIONA UN ROTOR?
Un rotor (no confundir con una hélice) es un conjunto de alas muy estrechas unidas a un eje central. Estas alas se denominan comúnmente aspas o palas y, cuando están girando, al conjunto se le denomina “disco del rotor”. Igual que en cualquier otra aeronave, cuando se mueven al girar el rotor con cierta velocidad a través del aire circundante, estas alas generan sustentación. La cantidad de la misma que generan depende de tres factores: la densidad del aire, la velocidad de las alas a través del aire y el ángulo de ataque de estas.
1. Densidad del aire: cuanto más denso el aire más sustentación se genera. Este efecto tiene su máximo a nivel del mar, donde la densidad del aire es mayor, y se va reduciendo conforme aumenta la altitud. La temperatura también afecta a la densidad del aire, toda vez que el aire caliente es menos denso que el aire frío, por tanto la combinación de gran altitud y altas temperaturas es la peor situación para el vuelo, y condiciona en gran medida el peso máximo al despegue de un helicóptero.
2. Velocidad de las alas a través del aire: cuanto más rápido se mueve un ala, más sustentación genera. En los helicópteros modernos, el rotor principal gira a unas RPM constantes y que no varían salvo que se produzca una avería o se demande más potencia de la que el motor es capaz de suministrar. Por tanto, la sustentación que genera el rotor principal no se controla mediante la velocidad de giro del mismo. Entonces, ¿por qué pierdes el tiempo contándome esta historia de las RPM del rotor si no afectan a la sustentación? Pues porque si afectan a otros aspectos del vuelo, como la velocidad máxima horizontal que el helicóptero puede alcanzar de forma segura y qué puede suceder cuando se supera dicha velocidad (ver “Pérdida de pala en retroceso” más adelante).
3. Ángulo de ataque: es el ángulo al que las palas inciden sobre el flujo de aire, cuanto mayor es este ángulo mayor es la sustentación que se genera (hasta cierto punto) y también mayor es la potencia que se le exige al motor para mantener constantes las RPM. Todos los mandos de vuelo actúan sobre el ángulo de paso de las palas, tanto del rotor principal como del rotor de cola.
Cuando el rotor está girando en aire en calma, el ángulo de las palas y el ángulo de ataque son iguales, pero esta situación solo existe durante los primeros segundos en los que el rotor comienza girar y ganar velocidad. Una vez que alcanza suficiente velocidad, comienza a generar un flujo constante en forma de columna de aire hacia abajo a través del disco del rotor (“downwash”) y el ángulo de ataque se reduce respecto al ángulo de las palas, aunque no es tanta la variación ya que la velocidad a la que gira el rotor es muy superior a la velocidad del aire que se desplaza hacia abajo a través del disco del rotor. Por el contrario, cuando existe una corriente de aire que se desplaza sobre el disco del rotor (como cuando se vuela a cierta velocidad respecto al suelo o existe viento durante el estacionario) esto afecta al ángulo de ataque y también a la velocidad relativa de las palas. Las palas que avanzan contra el aire tienen un ángulo de ataque mayor (y más velocidad relativa) y generan más sustentación que las palas que retroceden. Además, el efecto de la columna de aire que genera el rotor se reduce al estar continuamente avanzando sobre aire inalterado.
El resultado final es que el rotor genera más sustentación cuando se desplaza horizontalmente (Sustentación traslacional) que en estacionario, y que el lado del rotor que avanza genera más sustentación que el lado que retrocede (Sustentación asimétrica) provocando una ligera tendencia a la rotación sobre el eje de avance (alabeo).
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Los principios básicos que rigen el vuelo de un helicóptero son los mismos que los de cualquier otra aeronave, aunque aplicados de forma distinta, pero una vez que se comprende el funcionamiento de los diferentes controles y lo que se puede hacer y lo que no, volar un helicóptero es simplemente una cuestión de coordinación y práctica.
CONFIGURACIÓN CONVENCIONAL DE UN HELICÓPTERO
Aunque existen diferentes configuraciones de rotores y tipos, la distribución más habitual es un rotor principal, dispuesto en posición más o menos horizontal y de gran tamaño, y un rotor de cola, dispuesto en posición más o menos vertical, de menor tamaño y montado al final del puro de cola, ambos movidos por uno o más motores de gran potencia, generalmente turboeje.
El cometido del rotor principal es proporcionar la sustentación necesaria para que el helicóptero se eleve del suelo y también, mediante su capacidad de inclinarse, para que se desplace hacia delante, atrás y lateralmente. El cometido del rotor de cola es contrarrestar el par de rotación, también llamado par de torsión o torque, del rotor principal para evitar que el helicóptero gire descontroladamente. Vamos a explicar esto último a continuación.
Cuando el rotor gira en un sentido, ejerce una fuerza en sentido contrario sobre el fuselaje del helicóptero, de tal manera que en cuanto este se eleva y deja de estar “sujeto” por la fricción del tren de aterrizaje sobre el terreno comienza a girar. Cuanto más deprisa gira el rotor, mayor es este efecto. Para evitar este giro indeseado se utiliza el rotor de cola, el cual genera un empuje en la dirección opuesta al efecto de par de torsión del rotor principal, contrarrestándolo. ¿Cómo es posible que el empuje que puede generar un rotor de un tamaño tan reducido, en comparación con el rotor principal, sea capaz de compensar el efecto de este último? Pues por el hecho de que está montado en el extremo de una palanca, que es el puro de cola, lo cual incrementa su efecto. Además, el empuje que genera este rotor de cola puede ser ajustado mediante los controles del piloto, permitiendo que el helicóptero pueda pivotar alrededor del eje del motor principal en ambas direcciones.
En otras configuraciones, sobre todo en los helicópteros de origen ruso, se utilizan dos rotores principales montados en el mismo eje, uno sobre el otro, una configuración denominada “rotor coaxial”. Un rotor gira en un sentido y el otro en el sentido contrario, anulándose el par de torsión de cada uno por el efecto del otro, por lo que no necesitan de rotor de cola. También es posible ver otra configuración con dos rotores principales, donde un rotor está en la parte delantera del fuselaje y el otro en la trasera, o uno en el extremo de un ala y otro en el extremo de la otra ala, pero el principio es el mismo que el anterior, cada rotor gira en un sentido, anulándose mutuamente sus efectos.
¿CÓMO FUNCIONA UN ROTOR?
Un rotor (no confundir con una hélice) es un conjunto de alas muy estrechas unidas a un eje central. Estas alas se denominan comúnmente aspas o palas y, cuando están girando, al conjunto se le denomina “disco del rotor”. Igual que en cualquier otra aeronave, cuando se mueven al girar el rotor con cierta velocidad a través del aire circundante, estas alas generan sustentación. La cantidad de la misma que generan depende de tres factores: la densidad del aire, la velocidad de las alas a través del aire y el ángulo de ataque de estas.
1. Densidad del aire: cuanto más denso el aire más sustentación se genera. Este efecto tiene su máximo a nivel del mar, donde la densidad del aire es mayor, y se va reduciendo conforme aumenta la altitud. La temperatura también afecta a la densidad del aire, toda vez que el aire caliente es menos denso que el aire frío, por tanto la combinación de gran altitud y altas temperaturas es la peor situación para el vuelo, y condiciona en gran medida el peso máximo al despegue de un helicóptero.
2. Velocidad de las alas a través del aire: cuanto más rápido se mueve un ala, más sustentación genera. En los helicópteros modernos, el rotor principal gira a unas RPM constantes y que no varían salvo que se produzca una avería o se demande más potencia de la que el motor es capaz de suministrar. Por tanto, la sustentación que genera el rotor principal no se controla mediante la velocidad de giro del mismo. Entonces, ¿por qué pierdes el tiempo contándome esta historia de las RPM del rotor si no afectan a la sustentación? Pues porque si afectan a otros aspectos del vuelo, como la velocidad máxima horizontal que el helicóptero puede alcanzar de forma segura y qué puede suceder cuando se supera dicha velocidad (ver “Pérdida de pala en retroceso” más adelante).
3. Ángulo de ataque: es el ángulo al que las palas inciden sobre el flujo de aire, cuanto mayor es este ángulo mayor es la sustentación que se genera (hasta cierto punto) y también mayor es la potencia que se le exige al motor para mantener constantes las RPM. Todos los mandos de vuelo actúan sobre el ángulo de paso de las palas, tanto del rotor principal como del rotor de cola.
Cuando el rotor está girando en aire en calma, el ángulo de las palas y el ángulo de ataque son iguales, pero esta situación solo existe durante los primeros segundos en los que el rotor comienza girar y ganar velocidad. Una vez que alcanza suficiente velocidad, comienza a generar un flujo constante en forma de columna de aire hacia abajo a través del disco del rotor (“downwash”) y el ángulo de ataque se reduce respecto al ángulo de las palas, aunque no es tanta la variación ya que la velocidad a la que gira el rotor es muy superior a la velocidad del aire que se desplaza hacia abajo a través del disco del rotor. Por el contrario, cuando existe una corriente de aire que se desplaza sobre el disco del rotor (como cuando se vuela a cierta velocidad respecto al suelo o existe viento durante el estacionario) esto afecta al ángulo de ataque y también a la velocidad relativa de las palas. Las palas que avanzan contra el aire tienen un ángulo de ataque mayor (y más velocidad relativa) y generan más sustentación que las palas que retroceden. Además, el efecto de la columna de aire que genera el rotor se reduce al estar continuamente avanzando sobre aire inalterado.
El resultado final es que el rotor genera más sustentación cuando se desplaza horizontalmente (Sustentación traslacional) que en estacionario, y que el lado del rotor que avanza genera más sustentación que el lado que retrocede (Sustentación asimétrica) provocando una ligera tendencia a la rotación sobre el eje de avance (alabeo).
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