El diseño de las palas del rotor BERP se desarrolló en el marco del Programa de Rotores Experimentales Británicos . Las palas del rotor BERP iniciales se desarrollaron a finales de los años 1970 y mediados de los 1980 como un programa de empresa conjunta entre Westland Helicopters y el Royal Aircraft Establishment (RAE), con el profesor Martin Lowson como copatente. [1] El objetivo era aumentar la capacidad de elevación y la velocidad máxima del helicóptero utilizando nuevos diseños y materiales.
A medida que los objetos se acercan a la velocidad del sonido , se forman ondas de choque en áreas donde el flujo local se acelera por encima de la velocidad del sonido. Esto normalmente ocurre en áreas curvas, como las ventanas de la cabina, los bordes de ataque del ala y áreas similares donde el principio de Bernoulli acelera el aire. Estas ondas de choque irradian una gran cantidad de energía que los motores deben suministrar, lo que aparece en el conjunto del avión como una gran cantidad de resistencia adicional, conocida como resistencia de onda . Fue la aparición del arrastre de las olas lo que da lugar a la idea de una barrera del sonido .
Los helicópteros tienen el problema adicional de que sus rotores se mueven en relación con el fuselaje mientras giran. Incluso cuando están suspendidos, las puntas del rotor pueden viajar a una fracción significativa de la velocidad del sonido. A medida que el helicóptero acelera, su velocidad general se suma a la de las puntas, lo que significa que las palas en el lado del rotor que se mueve hacia adelante ven una velocidad significativamente mayor que el lado que se mueve hacia atrás, lo que provoca una disimetría de sustentación . Esto requiere cambios en el ángulo de ataque de las palas para asegurar que la sustentación sea similar en ambos lados, a pesar de las grandes diferencias en el flujo de aire relativo.
Es la capacidad del rotor para cambiar su patrón de elevación lo que pone un límite a la velocidad de avance de un helicóptero; en algún momento, la velocidad de avance significa que las palas que se mueven hacia atrás están por debajo de su velocidad de pérdida . El punto en el que esto ocurre se puede mejorar haciendo que el rotor gire más rápido, pero luego se enfrenta al problema adicional de que a altas velocidades las palas que se mueven hacia adelante se acercan a la velocidad del sonido y comienzan a sufrir la resistencia de las ondas y otros efectos negativos.
Una solución al problema de la resistencia de las olas es la misma que se observó en los aviones de combate de la década de 1950: el uso del barrido del ala . Esto reduce el efecto del arrastre de las olas sin efectos negativos significativos, excepto a velocidades muy bajas. En el caso de los cazas, esto era una preocupación, especialmente en el aterrizaje, pero en el caso de los helicópteros, esto es un problema menor porque las puntas del rotor no desaceleran significativamente, incluso durante el aterrizaje. Estas puntas de barrido se pueden ver en varios tipos de helicópteros de los años 1970 y 1980, en particular el UH-60 Blackhawk y el AH-64 Apache .
Sin embargo, para garantizar que no se experimenten movimientos del centro de gravedad o del centro aerodinámico detrás del eje elástico de la pala (que pueden introducir acoplamientos aerodinámicos e inerciales indeseables), entonces la punta debe configurarse con un desplazamiento de área hacia adelante. Esto se puede mantener al mínimo reconociendo que el número de Mach varía a lo largo de la pala, por lo que no tenemos que usar un ángulo de barrido constante, minimizando así la cantidad de desplazamiento del área hacia adelante.
La metodología utilizada en el diseño de la pala BERP garantiza que el número de Mach efectivo normal a la pala permanezca nominalmente constante en la región barrida. El barrido máximo empleado en la mayor parte de la hoja BERP es de 30 grados y la punta comienza en un radio adimensional r/R=cos 30 = 86% de radio. La distribución del área de esta región de la punta está configurada para garantizar que el centro de presión medio de la punta esté ubicado en el eje elástico de la pala. Esto se hace desplazando la ubicación del eje local de 1/4 de cuerda hacia adelante en un radio del 86%.
Este desplazamiento también produce una discontinuidad en el borde de ataque (denominada muesca), lo que produce otros efectos interesantes. Por ejemplo, cálculos recientes utilizando un código CFD basado en las ecuaciones de Navier-Stokes han demostrado que esta "muesca" en realidad ayuda a reducir aún más la fuerza de las ondas de choque en la pala. Por lo tanto, un subproducto inesperado de la entalla más allá del efecto básico de barrido es ayudar a reducir aún más los efectos de compresibilidad.
También debemos reconocer que una geometría de punta en flecha de este tipo no necesariamente mejorará el rendimiento de la pala en un ángulo de ataque alto correspondiente al lado del disco que retrocede. De hecho, la experiencia ha demostrado que una pala con punta en flecha puede tener una característica de calado inferior en comparación con la punta de pala estándar.
La hoja BERP emplea una geometría final que funciona como una punta en flecha con números de Mach altos y ángulos de ataque bajos, pero también permite que la punta opere en ángulos de ataque muy altos sin detenerse. Este último atributo se obtuvo aumentando radicalmente el barrido de la parte más externa de la punta (el 2% externo aproximadamente) a un valor (70 grados) donde cualquier ángulo de ataque significativo causará la separación del flujo en el borde de ataque.
Debido a que el borde de ataque está tan barrido, esta separación del borde de ataque se convierte en una estructura de vórtice que rueda alrededor del borde de ataque y finalmente se asienta sobre la superficie superior (como en un avión de ala delta). Este mecanismo se mejora haciendo que el borde de ataque del perfil aerodinámico en esta región sea relativamente afilado.
A medida que aumenta el ángulo de ataque, este vórtice comienza a desarrollarse desde un punto cada vez más adelante a lo largo del borde de ataque, siguiendo la geometría en planta hacia la región de barrido más moderado. Con un ángulo de ataque suficientemente alto, el vórtice se iniciará cerca de la mayor parte delantera del borde de ataque cerca de la región de la "muesca".
La evidencia ha demostrado que también se forma un fuerte vórtice de "muesca", que es arrastrado a lo largo de la pala. Este vórtice actúa como una barrera aerodinámica y retarda la invasión de la región de separación del flujo hacia la región de la punta. Aumentos adicionales en el ángulo de ataque producen pocos cambios en la estructura del flujo hasta que se alcanza un ángulo de ataque muy alto (¡cerca de 22 grados!) cuando el flujo se separará groseramente. Para una forma en planta de punta convencional, se esperaría que ocurriera una descomposición del flujo bruto similar en un ángulo de ataque local de aproximadamente 12 grados.
Por lo tanto, la pala BERP logra aprovechar lo mejor de ambos mundos al reducir los efectos de compresibilidad en la pala que avanza y retrasar la aparición de pérdida de la pala en retirada. El resultado neto es un aumento significativo en la envolvente de vuelos operativos.
El programa inicial, BERP I, estudiaba el diseño, la fabricación y la cualificación de palas de rotor compuestas . Esto dio como resultado la producción de nuevas palas de rotor principal y de cola para el Westland Sea King . A continuación del primero, el segundo programa, BERP II, analizó secciones avanzadas del perfil aerodinámico para futuras palas de rotor. Esto alimentó el programa BERP III.
Los diseños BERP III tienen una muesca hacia el extremo exterior de la pala del rotor, con una mayor cantidad de retroceso desde la muesca hasta el final de la pala en comparación con el interior de la muesca. [2] BERP III culminó con una demostración de tecnología en un helicóptero Westland Lynx . [3] En 1986, un Lynx G-LYNX registrado especialmente modificado estableció un récord absoluto de velocidad para helicópteros en un recorrido de 15 y 25 km al alcanzar 400,87 km/h (249,09 mph). [2] Tras la exitosa demostración de la tecnología, la pala BERP III entró en producción.
Usos de BERP IV: un nuevo perfil aerodinámico, forma revisada de la punta de la hoja y mayor torsión de la hoja. Después de 29 horas de pruebas, se descubrió que "mejora el rendimiento de la envolvente de vuelo del rotor, reduce las necesidades de potencia en vuelo estacionario y hacia adelante,... disminuye la vibración del fuselaje y del motor para una variedad de pesos de despegue". [4] Además, "se ha descubierto que la carga del cubo del rotor es igual o menor que con la pala BERP III ahora instalada en el helicóptero EH101 ". [4] Para evitar la erosión del borde de ataque, la pala utilizará una cinta a base de caucho en lugar del poliuretano utilizado en los Sea Kings de la marina británica. En las pruebas se descubrió que duraba cinco veces más, 195 minutos frente a 39 minutos. El programa finalizó en agosto de 2007 [4]
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