El Bölkow Bo 46 fue un helicóptero experimental de Alemania Occidental construido para probar el sistema de rotor Derschmidt que tenía como objetivo permitir velocidades mucho más altas que los diseños de helicópteros tradicionales. [1] Las pruebas en el túnel de viento resultaron prometedoras, pero el Bo 46 presentó una serie de problemas y una complejidad adicional que llevaron al abandono del concepto. El Bo 46 fue uno de los nuevos diseños que exploraban el vuelo de helicópteros a alta velocidad que se construyeron a principios de la década de 1960.
Los rotores de los helicópteros funcionan en un entorno mucho más desafiante que la hélice de una aeronave normal. Para empezar, los helicópteros normalmente utilizan el rotor principal tanto para la sustentación como para la maniobrabilidad, mientras que las aeronaves de ala fija normalmente utilizan superficies separadas para estas tareas. El cabeceo y la guiñada se operan cambiando la sustentación en diferentes lados del rotor, utilizando un sistema de manivelas acodadas para ajustar las palas a diferentes ángulos de ataque a medida que giran. Para alabear hacia la derecha, las palas se ajustan de modo que haya un ángulo de ataque ligeramente mayor en la parte delantera y un poco menos en la trasera, lo que da como resultado la reorientación del empuje del rotor para alabear la aeronave en la dirección deseada. La razón por la que las palas se ajustan en la parte delantera y trasera en lugar de a la derecha y a la izquierda se debe al desfase de fase causado por la precesión .
En vuelo hacia adelante, el sistema de rotor está sujeto a varias formas de carga diferencial. Imaginemos un sistema de rotor en el que las puntas de las palas giran a 300 km/h con respecto al aire en calma. Cuando el helicóptero está suspendido en el aire en calma, las palas ven el mismo viento relativo de 300 km/h durante toda su rotación. Sin embargo, cuando el helicóptero comienza a moverse hacia adelante, su velocidad se suma a la velocidad de las palas a medida que avanzan hacia el frente de la aeronave, y se resta a medida que retroceden. Por ejemplo, si el helicóptero vuela hacia adelante a 100 km/h, las palas que avanzan ven 300 + 100 km/h = 400 km/h, y para las que retroceden es 300 – 100 km/h = 200 km/h.
En este ejemplo, la velocidad relativa del aire cambia por un factor de dos durante cada rotación. La sustentación es una función del ángulo del perfil aerodinámico con respecto al flujo de aire relativo combinado con la velocidad del aire. Para contrarrestar este cambio en la sustentación, que normalmente haría que el avión se inclinara, el sistema de rotor tiene que ajustar dinámicamente el ángulo de ataque de los perfiles aerodinámicos para garantizar que generen una cantidad constante de sustentación durante todo su movimiento. Este ajuste se suma a cualquier otro que se aplique deliberadamente para maniobrar. Dado que cada sistema de control tiene algún límite mecánico, a medida que el avión aumenta su velocidad, pierde maniobrabilidad.
La resistencia aerodinámica es una función del cuadrado de la velocidad aerodinámica, por lo que los mismos cambios en la velocidad hacen que la resistencia varíe en un factor de cuatro. Para reducir la fuerza neta tanto como sea posible, las palas de los helicópteros están diseñadas para ser lo más delgadas posible, reduciendo así su resistencia aerodinámica. En la década de 1950, las palas de los helicópteros se fabricaban de forma muy similar a las alas de los aviones de ala fija: un larguero recorría la longitud de la pala del rotor y proporcionaba la mayor parte de la resistencia estructural, mientras que una serie de largueros le daban la forma aerodinámica adecuada. Este método de construcción, dados los materiales de la época, ejercía enormes tensiones sobre el larguero.
Para reducir las cargas, especialmente los cambios rápidos, los ejes del rotor incluían un sistema de cojinetes que permitían que las palas se movieran hacia adelante o hacia atrás en respuesta a la resistencia, y hacia arriba y hacia abajo en un movimiento de aleteo en respuesta a los cambios de velocidad. Estos se sumaban al sistema utilizado para cambiar el ángulo de ataque para proporcionar control; los ejes del rotor tendían a ser muy complejos.
Desde un punto de vista aeronáutico elemental, existen dos problemas principales respecto a la velocidad máxima de un helicóptero impuesta por su sistema de rotor.
Todas las alas requieren que una cierta cantidad de aire fluya sobre su superficie para generar sustentación. La mecánica de vuelo inherente de un helicóptero que no está en vuelo estacionario hará que una parte del disco de palas giratorias "vea" una velocidad aerodinámica menor en relación con la dirección de desplazamiento. A medida que aumenta la velocidad del fuselaje en la dirección ordenada, habrá una disminución en la velocidad aerodinámica relativa de las palas en retirada. Un helicóptero convencional alcanzará un límite estricto en términos de velocidad máxima cuando la velocidad aerodinámica relativa de las palas en retirada decaiga hasta casi cero, lo que dará como resultado la pérdida de sustentación de las palas en retirada .
Una solución a este problema es aumentar las rpm del rotor para que la velocidad relativa de las palas que retroceden sea mayor. Sin embargo, esta solución también tiene sus límites. A medida que cualquier perfil aerodinámico se acerca a la velocidad del sonido, se encuentra con un problema conocido como resistencia de onda . Los perfiles aerodinámicos diseñados para el vuelo subsónico experimentarán un aumento significativo en la resistencia si se someten a velocidades aerodinámicas transónicas o superiores. Si se aumentaran las rpm del rotor en un intento de aliviar la pérdida de sustentación de las palas que retroceden, el helicóptero se enfrentará a una velocidad máxima inducida por la resistencia extrema de las palas que avanzan del rotor a medida que sus puntas se acercan a la velocidad aerodinámica relativa supersónica.
En resumen, si las revoluciones del rotor principal son demasiado bajas, la velocidad a la que las secciones de las palas que retroceden se detendrán será el límite de velocidad máxima. Si las revoluciones del rotor principal son demasiado altas, la velocidad a la que las palas que avanzan se encuentran con el flujo de aire supersónico sería el límite de velocidad máxima. Incluso para el observador casual debería resultar claro que el diseñador debería buscar un equilibrio entre estos dos límites. También debería mencionarse que, además de estos dos problemas abordados, hay una serie de otros que también contribuyen a los límites de velocidad aerodinámica máxima.
El problema básico inherente al diseño de rotores es la diferencia de velocidad aerodinámica entre las palas que avanzan y retroceden. Entre los muchos efectos que esto provoca, hay uno de interés: las palas giran hacia delante y hacia atrás alrededor del eje a medida que aumenta y disminuye la resistencia. Consideremos una pala cuando llega a la parte trasera del avión y comienza a girar hacia delante; durante este tiempo, la velocidad aerodinámica relativa comienza a aumentar rápidamente y la pala es empujada cada vez más hacia atrás por la creciente resistencia. Esta fuerza se alivia mediante un cojinete de resistencia. Durante el breve período en el que gira alrededor de este cojinete, la velocidad general de la pala disminuye, compensando ligeramente la velocidad debida al movimiento hacia delante. [2]
El diseño del rotor de Derschmidt exagera deliberadamente esta rotación para compensar el aumento y la disminución de la velocidad a lo largo de la rotación de la pala. En el mismo punto de rotación que la pala tradicional anterior, un rotor Derschmidt ha avanzado la pala considerablemente hasta un ángulo de unos 40 grados en comparación con su posición de reposo directamente desde el eje. A medida que la pala continúa avanzando, un varillaje hace oscilar la pala de 40 grados hacia adelante a 40 grados hacia atrás, lo que reduce la velocidad de la punta en aproximadamente la mitad de la velocidad de rotación. Este proceso se invierte cuando la pala alcanza su posición más adelantada, lo que aumenta la velocidad de la pala a medida que retrocede.
El movimiento resultante ayuda a suavizar la velocidad relativa del aire que ve la pala. Dado que los efectos del movimiento hacia delante del helicóptero se reducen, o incluso se eliminan a velocidades más bajas, el rotor puede girar a alta velocidad sin temor a alcanzar el régimen de resistencia de las olas. Al mismo tiempo, la velocidad de la pala que retrocede nunca se acerca al punto de pérdida. Asimismo, los cambios en la resistencia se reducen aún más, hasta el punto de ser insignificantes. Esto permite que el rotor Derschmidt sea un diseño rígido, eliminando la compleja serie de cojinetes, accesorios flexibles y conexiones que se utilizan en los rotores convencionales.
Como el movimiento del rotor de Derschmidt sigue el cambio natural de la resistencia a través de la rotación, la fuerza aplicada a las palas para moverlas a su posición es bastante pequeña. De los varios diseños que presentó en sus primeras patentes, la mayoría utilizaba un pequeño mecanismo articulado desde una manivela en el lado interior de la pala unida a una pequeña varilla de empuje para su funcionamiento. Estas varillas estaban unidas a un disco colocado excéntricamente en el centro de rotación, que impulsaba las palas a sus posiciones adecuadas. [2]
El último diseño de la serie fue un enfoque diferente que utilizaba un solo contrapeso para cada pala, engranado de modo que su movimiento se amplificara mecánicamente. El peso se seleccionó para crear un péndulo armónico a la velocidad de diseño del rotor. No había ninguna fijación mecánica entre las palas y todo el conjunto se encontraba fuera del buje, lo que dejaba un amplio espacio para el mantenimiento. [2]
Bölkow llevaba tiempo interesado en el vuelo a alta velocidad con rotores y había elaborado varios conceptos experimentales basados en sistemas de propulsión con punta de chorro . Más tarde se encargó de desarrollar una pala de compuesto de fibra de vidrio mucho más resistente que los diseños metálicos existentes. [3] Cuando Derschmidt recibió su primera patente en 1955, Bölkow retomó el concepto y comenzó a trabajar en el Bölkow Bo 46 como banco de pruebas experimental, financiado mediante un contrato del Ministerio de Defensa . [1]
El diseño básico del Bo 46 se finalizó en enero de 1959. El sistema de rotor de cinco palas se probó inicialmente en un túnel de viento y arrojó resultados impresionantes. Estos sugirieron que el Bo 46 podría alcanzar velocidades de hasta 500 km/h (270 nudos); incluso los diseños más avanzados de la época estaban limitados a velocidades de alrededor de 250 km/h (130 nudos). La construcción de tres fuselajes altamente aerodinámicos comenzó en Siebel . Estaban propulsados por un turboeje Turboméca Turmo de 800 hp que impulsaba un rotor Derschmidt de cinco palas. [1] El diseño originalmente presentaba una fenestración con rejilla para el rotor antipar que podía cerrarse en vuelo a alta velocidad, pero esto se eliminó de los prototipos y el rotor de seis palas se montó convencionalmente en el lado izquierdo de la cola. La velocidad máxima no estaba limitada por consideraciones del rotor, sino por la potencia máxima del motor. [4] Se esperaba que la adición de motores separados para un mayor empuje hacia adelante permitiera alcanzar velocidades de hasta 700 km/h (380 nudos).
A principios de los años 60, la compañía también diseñó varios diseños de producción, la mayoría de ellos con rotores gemelos, el más grande de ellos era el Bo 310. Este diseño estaría propulsado por dos motores T55 o T64, cada uno de los cuales impulsaba un rotor Derschmidt y una hélice orientada hacia adelante para un empuje adicional hacia adelante. Los motores estarían en los extremos de una sección aerodinámica para reducir la carga del rotor. Se modelaron varias versiones del Bo 310, principalmente para transporte de pasajeros, pero también versiones de helicóptero de ataque . El Bo 310 tendría una velocidad de crucero de 500 km/h (270 nudos). [1]
Los primeros vuelos de prueba del Bo 46 con los rotores bloqueados comenzaron en el otoño de 1963. Durante las pruebas se encontraron una serie de nuevos tipos inesperados de cargas dinámicas que provocaron peligrosas oscilaciones en el rotor. Estas no parecían ser inherentes al diseño en sí, pero solo podían solucionarse mediante una complejidad adicional en el rotor. Durante el mismo período, el diseño del rotor estaba cambiando hacia palas compuestas que eran mucho más fuertes que los antiguos diseños de largueros y largueros, lo que eliminaba la necesidad del complejo sistema de cojinetes que aliviaba las cargas. Aunque el rotor Derschmidt seguía mejorando el rendimiento, parecía que la complejidad añadida no merecía la pena.
El interés por el sistema disminuyó, pero los vuelos de investigación continuaron. El Bo 46 fue equipado finalmente con dos motores Turboméca Marboré , que le permitían alcanzar una velocidad de 400 km/h. Sin embargo, el rotor con palas de fibra de vidrio demostró ser funcional y se utilizaría ampliamente en el Bölkow Bo 105 .
El piloto de pruebas de vuelo del Bo 46 fue Wilfried von Engelhardt . Sus anotaciones en el libro de vuelo son las siguientes:
Un ejemplar conservado del Bo 46 se exhibe al público en el Museo Hubschrauber de Bückeburg . [5]
Datos de [ cita requerida ]
Características generales
Actuación
