Algo de teoría sobre helicópteros...

Responder
Avatar de Usuario
PA_Yomesmo
Líder-Piloto
Líder-Piloto
Mensajes: 3257
Registrado: 26 Nov 2008, 02:10
Ubicación: Donde Internet YA llega... :D

Algo de teoría sobre helicópteros...

Mensaje por PA_Yomesmo »

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.

Imagen

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.

Imagen

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.

Imagen

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).

Imagen

--- CONTINUARÁ ---
Última edición por PA_Yomesmo el 23 Mar 2022, 18:43, editado 1 vez en total.
Imagen
"Sólo los que vuelan saben por qué los pájaros cantan"
Avatar de Usuario
PA_Yren
Líder-Piloto
Líder-Piloto
Mensajes: 7517
Registrado: 18 Ago 2011, 08:45

Re: Algo de teoría sobre helicópteros...

Mensaje por PA_Yren »

Gracias, Helimesmo!!
Imagen
1.- Por encima de todo está la misión.
2.- La línea divisoria entre As y Prisionero de Guerra es terriblemente delgada
Avatar de Usuario
PA_Keko
Piloto-Punto
Piloto-Punto
Mensajes: 1960
Registrado: 06 Ene 2014, 01:11
Ubicación: Vantaa Finlandia

Re: Algo de teoría sobre helicópteros...

Mensaje por PA_Keko »

Gracias Yomesmo!!
Imagen

"Þat mælti mín móðir,
at mér skyldi kaupa
fley ok fagrar árar,
fara á brott með víkingum,
standa upp í stafni,
stýra dýrum knerri,
halda svá til hafnar,
höggva mann ok annan. "
Avatar de Usuario
PA_Yomesmo
Líder-Piloto
Líder-Piloto
Mensajes: 3257
Registrado: 26 Nov 2008, 02:10
Ubicación: Donde Internet YA llega... :D

Re: Algo de teoría sobre helicópteros...

Mensaje por PA_Yomesmo »

Continúo con el tostón para los aún interesados :-B

CONTROLES DE VUELO

Se usan tres mandos para controlar el vuelo de un helicóptero, denominados colectivo, cíclico y pedales. Aunque similares a los que se pueden encontrar en un avión convencional, su uso tiene muchas peculiaridades y difiere bastante de este. Cada uno de esos mandos genera un efecto principal y otro secundario.

Imagen

Colectivo: montado en el lateral izquierdo del asiento del piloto y copiloto, se mueve arriba y abajo sobre un eje en su parte posterior, de manera similar al freno de mano de un coche. Se maneja con la mano izquierda y suele tener algún sistema de fricción o de freno para que mantenga la posición en la que se deja.

Al tirar hacia arriba del colectivo se aumenta en la misma medida el ángulo de paso de todas las palas del rotor principal, de tal manera que este genera más sustentación; bajar el colectivo tiene el efecto totalmente contrario. Durante el estacionario, tirar del colectivo hace que el helicóptero se eleve en vertical y bajarlo hace que descienda. Este es el efecto principal.

El efecto secundario viene producido por el aumento de la potencia necesaria para mantener girando el rotor principal al incrementar el ángulo de ataque de las palas respecto a la corriente de aire. En helicópteros más antiguos, el piloto debía usar un mando acelerador similar al de una motocicleta, situado en la empuñadura del colectivo, y con él aumentar o reducir la potencia del motor para mantener las RPM óptimas del rotor principal. Los helicópteros modernos hacen esto automáticamente, y es este el motivo por el que la velocidad de giro del rotor principal no se suele medir en RPM sino en tanto por ciento. En ambos casos, el aumento o disminución de la potencia lleva consigo el aumento o disminución del efecto del par o torque del rotor principal, provocando que el helicóptero tienda a rotar en un sentido o en el otro. Para corregir esta tendencia se utilizan los pedales.

Cíclico: se monta al frente y centrado respecto al asiento del piloto/copiloto, con una base pivotante que permite su balanceo en un arco de 360º. Se maneja con la mano derecha y suele tener algún tipo de freno magnético o hidráulico para mantener su posición.

Cuando el cíclico es empujado fuera de su posición central, cada una de las palas del rotor principal cambia su ángulo de ataque al girar alrededor del eje. En un punto del círculo que describen, el ángulo de ataque es superior al fijado por el colectivo y por tanto se genera más sustentación, mientras que en su extremo opuesto es inferior generando menos sustentación, haciendo que el disco del rotor se incline en la misma dirección en la que haya sido empujado el cíclico y que el helicóptero también se incline, comenzando su movimiento respecto al suelo en esa misma dirección.

El manejo correcto del cíclico, especialmente a bajas velocidades o durante el estacionario, requiere de leves correcciones y anticipación para evitar sobrecorrecciones y que el helicóptero comience a balancearse de forma descontrolada. Un piloto novato suele tender a sobrecorregir cuando está aprendiendo a realizar la maniobra de estacionario, especialmente si hay viento.

Pedales: dos pedales de guiñada, también conocidos como pedales antitorque o simplemente pedales, están montados en el suelo frente al asiento, cada uno en un extremo de una barra o mecanismo con un eje central, de tal manera que cuando se presiona un pedal, el otro retrocede la misma distancia. Actúan sobre el rotor de cola del mismo modo que el colectivo actúa sobre el rotor principal, cambiando el ángulo de paso de las palas y con ello aumentando o disminuyendo o incluso invirtiendo el empuje que este genera. Como ya se ha descrito anteriormente, se usan para pivotar el helicóptero alrededor de su eje vertical y para contrarrestar el efecto del par de torsión del rotor principal al subir o bajar el colectivo. Presionando el pedal izquierdo el helicóptero rota hacia la izquierda y viceversa, de forma similar al funcionamiento de los pedales de un avión.

COMBINANDO LOS CONTROLES

Vamos a analizar a continuación la secuencia de acciones que se requieren en las principales maniobras del vuelo: despegue, transición al vuelo horizontal, ascensos y descensos, virajes, vuelta a estacionario y aterrizaje. Todos los movimientos deben ser realizados de forma suave y deliberada, evitando movimientos bruscos sobre los mandos de vuelo.

1. Despegue y Estacionario: para ascender es necesario tirar del colectivo lentamente mientras se aplica el pedal correspondiente para contrarrestar el aumento del par de torsión, hasta que el helicóptero se eleve sobre el terreno. Si no se coordinan correctamente estos dos mandos, el helicóptero comenzará a pivotar tan pronto como el tren de aterrizaje deje de soportar el peso del aparato. Esta es la razón principal por la que se debe tirar lentamente del colectivo – cuanto más violentamente se actúe sobre este, mayor será el efecto del torque.

Efecto Suelo: si has levantado el colectivo lentamente, notarás que el helicóptero comienza a ascender lentamente y se estabiliza a cierta altura sobre el terreno sin tener que hacer ninguna corrección sobre el mando. En este momento, el helicóptero se está apoyando sobre un colchón de aire generado por el flujo de aire del rotor principal (downwash). El efecto suelo magnifica la sustentación disponible para una determinada posición del colectivo, y disminuye conforme aumenta la altitud hasta una altura sobre el terreno igual al diámetro del disco del rotor. El terreno irregular o inclinado, las maniobras violentas o el viento fuerte y racheado pueden hacer que este colchón se deshaga, se desplace a un lado o que directamente no se forme.

En cualquier caso, se debe recordar siempre que el movimiento del helicóptero tiene inercia y que cuanto más rápido se esté moviendo, más tardará en ajustarse a nuevas posiciones de los mandos de vuelo.

2. Transición al vuelo horizontal: una vez superada una altitud mínima de seguridad y con la velocidad vertical lo más cercana posible a cero, comprueba que la zona inmediatamente al frente esté despejada de obstáculos; si es necesario, vira con los pedales hasta encontrarla. Ahora, presiona ligeramente el cíclico hacia delante y podrás observar tres efectos de este cambio:

(1) El helicóptero se inclina hacia delante.
(2) El helicóptero comienza a ganar velocidad.
(3) El helicóptero comienza a perder altitud.

Los dos primeros efectos son sencillos de entender: al inclinar hacia adelante el disco del rotor, el helicóptero se inclina también hacia adelante y esto hace que parte del empuje del rotor principal se dirija hacia atrás impulsando el aparato en la dirección contraria. El tercer efecto es más indirecto aunque igual de importante. Cuando hacemos un estacionario, el empuje del rotor principal se dirige directamente hacia abajo y es igual en magnitud a la fuerza que la gravedad ejerce sobre el helicóptero, contrarrestando el peso del helicóptero. Al inclinar el rotor, ese empuje deja de estar dirigido directamente hacia abajo, por lo que el helicóptero comienza a descender. En el gráfico a continuación se verá de forma más clara.

Imagen

A) Cíclico centrado / Colectivo sin variación / Sustentación = Peso / Estacionario

B) Cíclico inclinado / Colectivo sin variación / Sustentación < Peso / El helicóptero baja y se desplaza

C) Cíclico inclinado / Colectivo subido / Sustentación = Peso / El helicóptero no varía su altitud y se desplaza

Para mantener la altitud, debemos tirar del colectivo ligeramente mientras compensamos con el movimiento requerido de los pedales el aumento de torque para mantener la dirección, de tal manera que la componente vertical del empuje del rotor aumente hasta compensar nuevamente el peso del helicóptero. Obviamente, cuanto más aumente la inclinación del disco del rotor, mayor es la cantidad de colectivo que habrá que aplicar para compensar esta pérdida de altitud.

Sustentación traslacional: según gana velocidad el helicóptero, comenzará a ganar altitud nuevamente. Esto se debe a un fenómeno conocido como “Sustentación traslacional” y que, simplificándolo mucho, se produce porque al sumar el flujo del aire circundante contra el disco del rotor durante el movimiento del helicóptero, el ángulo de ataque efectivo de las palas aumenta, produciendo más sustentación. La sustentación traslacional aparece a baja velocidad y desparece conforme esta aumenta.

3. Ascensos y descensos: para ganar altitud en vuelo horizontal puedes 1) tirar del cíclico, 2) tirar del colectivo o 3) combinar ambos controles, que es lo habitual. Si únicamente tiras del cíclico, el morro del helicóptero se eleva y este comienza a ascender pero también a perder velocidad horizontal; si únicamente tiras del colectivo (aplicando la corrección correspondiente con los pedales), el helicóptero comienza a ascender pero también a acelerar debido al aumento del empuje del rotor principal. Por lo tanto, para ascender sin perder o ganar velocidad se deben combinar ambos controles, tirando del cíclico y simultáneamente del colectivo.

De forma similar, se puede perder altitud empujando el cíclico hacia delante, lo que también hará que el helicóptero aumente su velocidad; o bajando el colectivo, reduciendo así el empuje del rotor principal, lo que hará que el helicóptero pierda altitud pero también pierda velocidad horizontal. Para descender sin perder o ganar velocidad se debe bajar el colectivo, empujando simultáneamente el cíclico.

Con la práctica, serás capaz de anticiparte a los efectos de los controles de vuelo y podrás combinarlos de la manera más eficiente para que el helicóptero haga lo que tú quieres que haga, dentro de los límites de su envolvente de vuelo.

4. Virando en vuelo: cuando el helicóptero está en estacionario o a baja velocidad, el viraje se realiza utilizando principalmente los pedales. A alta velocidad, el viraje se realiza inclinando el cíclico a derecha o izquierda para inclinar también el helicóptero, de forma similar a como vira un avión. En virajes sostenidos o agresivos, dado que estás cambiando sustentación por traslación para realizar el giro, deberás bien aumentar el colectivo o bien relajar la presión sobre el cíclico, sacrificando velocidad para mantener la altitud.

5. Transición a estacionario desde vuelo horizontal: la técnica se conoce como “flaring” (recogida) y es similar a la de aeronaves de ala fija, salvo que esta variante en helicópteros es más compleja y demandante dado que requiere del uso coordinado de los tres controles de vuelo. El objetivo final es perder velocidad hasta detenerse por completo sin perder o ganar altitud.

La maniobra comienza tirando del cíclico hasta una actitud de morro arriba, esto hace que el empuje del rotor principal se dirija al frente, frenando el helicóptero pero también haciendo que el ángulo de ataque efectivo del disco rotor aumente y con ello la sustentación, haciendo que el aparato ascienda, así que para contrarrestar este efecto deberás bajar al mismo tiempo el colectivo y corregir con los pedales para mantener la dirección de vuelo.

A medida que el helicóptero pierde velocidad, el empuje del rotor también disminuye y debes compensar nuevamente aumentando el colectivo y corrigiendo con los pedales el nuevo torque, hasta que la velocidad se acerca a cero, momento en el cual deberás ir relajando la presión sobre el cíclico para mantener el estacionario y ajustar el colectivo al torque necesario para mantener la altitud. En el siguiente diagrama se desglosa la maniobra completa.

Imagen

Durante toda la maniobra debes estar atento al indicador de velocidad vertical y mirar fuera para comprobar que el rumbo es constante y la actitud la correcta.

6. Técnicas y problemas durante el Aterrizaje: --- CONTINUARÁ ---
Imagen
"Sólo los que vuelan saben por qué los pájaros cantan"
Responder

Volver a “DCS”