En aeronáutica , la hélice de un avión , también llamada hélice , [1] [2] convierte el movimiento giratorio de un motor u otra fuente de energía en una estela arremolinada que empuja la hélice hacia adelante o hacia atrás. Comprende un cubo giratorio impulsado por energía, al que están unidas varias palas de sección de perfil aerodinámico radial de manera que todo el conjunto gira alrededor de un eje longitudinal. El paso de la hoja puede ser fijo, variable manualmente a unas pocas posiciones establecidas o del tipo de "velocidad constante" variable automáticamente.
La hélice se conecta al eje de transmisión de la fuente de energía, ya sea directamente o mediante un engranaje reductor . Las hélices pueden estar hechas de madera, metal o materiales compuestos .
Las hélices son más adecuadas para su uso a velocidades subsónicas generalmente inferiores a aproximadamente 480 mph (770 km/h), aunque se lograron velocidades supersónicas en el avión experimental equipado con hélice McDonnell XF-88B . Las velocidades punta supersónicas se utilizan en algunos aviones como el Tupolev Tu-95 , que puede alcanzar 575 mph (925 km/h). [ cita necesaria ]
Las primeras referencias sobre vuelo vertical provienen de China. Desde aproximadamente el año 400 a. C., [3] los niños chinos han jugado con juguetes voladores de bambú . [4] [5] [6] Este helicóptero de bambú se hace girar haciendo rodar un palo unido a un rotor entre las manos. El giro crea elevación y el juguete vuela cuando se suelta. [3] El libro taoísta del siglo IV d.C. Baopuzi de Ge Hong (抱朴子 "Maestro que abraza la simplicidad") supuestamente describe algunas de las ideas inherentes a los aviones de ala giratoria. [7]
Diseños similares al helicóptero de juguete chino aparecieron en pinturas y otras obras del Renacimiento. [8]
No fue hasta principios de la década de 1480, cuando Leonardo da Vinci creó un diseño para una máquina que podría describirse como un "tornillo aéreo" , que se registró algún avance hacia el vuelo vertical. Sus notas sugerían que construyó pequeños modelos voladores, pero no había indicios de que hubiera alguna disposición para impedir que el rotor hiciera girar la nave. [9] [10] A medida que el conocimiento científico aumentó y se volvió más aceptado, el hombre continuó persiguiendo la idea del vuelo vertical. Muchos de estos modelos y máquinas posteriores se parecerían más a la antigua peonza de bambú con alas giratorias que al tornillo de Leonardo.
En julio de 1754, el ruso Mikhail Lomonosov había desarrollado un pequeño coaxial inspirado en la peonza china pero impulsado por un dispositivo de resorte enrollado [11] y lo demostró ante la Academia de Ciencias de Rusia . Estaba impulsado por un resorte y se sugirió como método para levantar instrumentos meteorológicos . En 1783, Christian de Launoy y su mecánico Bienvenu utilizaron una versión coaxial de la peonza china en un modelo que consistía en plumas de vuelo de pavo contrarrotativas [11] como palas de rotor, y en 1784 lo demostraron ante la Academia Francesa de Ciencias . Jean Baptiste Marie Meusnier describió un dirigible dirigible presentado en 1783. Los dibujos representan una envoltura aerodinámica de 260 pies de largo (79 m) con globos internos que podrían usarse para regular la sustentación. El dirigible fue diseñado para ser impulsado por tres hélices. En 1784, Jean-Pierre Blanchard instaló una hélice manual en un globo, el primer medio de propulsión transportado en el aire del que se tiene constancia. [12] Sir George Cayley , influenciado por una fascinación infantil por la peonza voladora china, desarrolló un modelo de plumas, similar al de Launoy y Bienvenu, pero impulsado por bandas elásticas. A finales de siglo, había avanzado hasta utilizar láminas de estaño para las palas del rotor y resortes para generar energía. Sus escritos sobre sus experimentos y modelos influirían en los futuros pioneros de la aviación. [9]
William Bland envió diseños para su "Dirigible Atmótico" a la Gran Exposición celebrada en Londres en 1851, donde se exhibió un modelo. Se trataba de un globo alargado con una máquina de vapor que impulsaba dos hélices suspendidas debajo. [13] [14] Alphonse Pénaud desarrolló juguetes de helicópteros modelo de rotor coaxial en 1870, también propulsados por bandas elásticas. En 1872, Dupuy de Lomé lanzó un gran globo navegable, impulsado por una gran hélice accionada por ocho hombres. [15] Hiram Maxim construyó una nave que pesaba 3,5 toneladas largas (3,6 t), con una envergadura de 110 pies (34 m) y estaba propulsada por dos motores de vapor de 360 hp (270 kW) que impulsaban dos hélices. En 1894, su máquina fue probada con rieles elevados para evitar que se elevara. La prueba demostró que tenía suficiente sustentación para despegar. [16] Uno de los juguetes de Pénaud, regalado por su padre , inspiró a los hermanos Wright a perseguir el sueño de volar. [17] Los hermanos Wright fueron pioneros en la forma de perfil aerodinámico retorcido (ala aerodinámica) de una hélice de avión. Mientras que algunos ingenieros anteriores habían intentado modelar hélices de aire a partir de hélices marinas , los hermanos Wright se dieron cuenta de que una hélice es esencialmente lo mismo que un ala y pudieron utilizar datos de sus experimentos anteriores en el túnel de viento con alas, introduciendo un giro a lo largo de su longitud. de las palas. Esto era necesario para mantener un ángulo de ataque más uniforme de la hoja a lo largo de su longitud. [18] Las palas de sus hélices originales tenían una eficiencia de aproximadamente el 82%, [19] en comparación con el 90% de una pequeña hélice de aviación general moderna (2010), la McCauley de 3 palas utilizada en un avión Beechcraft Bonanza . [20] Roper [21] cita el 90% para una hélice para un avión de propulsión humana.
La caoba fue la madera preferida para las hélices durante la Primera Guerra Mundial , pero la escasez durante la guerra impulsó el uso de nogal , roble , cerezo y fresno . [22] Alberto Santos Dumont fue otro de los primeros pioneros, ya que diseñó hélices antes que los hermanos Wright [23] para sus dirigibles . Aplicó los conocimientos adquiridos a partir de sus experiencias con dirigibles para fabricar una hélice con eje de acero y palas de aluminio para su biplano 14 bis en 1906. Algunos de sus diseños utilizaban una lámina de aluminio doblada como pala, creando así una forma de perfil aerodinámico. Tenían mucha inclinación , y esto, sumado a la ausencia de torsión longitudinal, las hacía menos eficientes que las hélices Wright. [24] Aun así, este fue quizás el primer uso de aluminio en la construcción de una hélice. Originalmente, se llamaba hélice al perfil aerodinámico que giraba detrás del avión y lo empujaba, mientras que al que tiraba desde delante se le llamaba tractor . [25] Más tarde, se adoptó el término "empujador" para el dispositivo montado en la parte trasera en contraste con la configuración del tractor y ambos pasaron a denominarse "hélices" o "tornillos de aire". La comprensión de la aerodinámica de las hélices de baja velocidad era bastante completa en la década de 1920, pero los requisitos posteriores para manejar más potencia en un diámetro más pequeño han hecho que el problema sea más complejo.
La investigación de hélices para el Comité Asesor Nacional de Aeronáutica (NACA) fue dirigida por William F. Durand desde 1916. Los parámetros medidos incluyeron la eficiencia de la hélice, el empuje desarrollado y la potencia absorbida. Si bien una hélice puede probarse en un túnel de viento , su rendimiento en vuelo libre puede diferir. En el Laboratorio Aeronáutico Langley Memorial , EP Leslie utilizó Vought VE-7 con motores Wright E-4 para datos sobre vuelo libre, mientras que Durand utilizó un tamaño reducido, con forma similar, para datos de túnel de viento. Sus resultados fueron publicados en 1926 como informe NACA #220. [26]
Lowry [27] cita una eficiencia de hélice de aproximadamente el 73,5% en crucero para un Cessna 172 . Esto se deriva de su "enfoque Bootstrap" para analizar el rendimiento de aviones ligeros de aviación general que utilizan hélices de paso fijo o de velocidad constante. La eficiencia de la hélice está influenciada por el ángulo de ataque (α). Esto se define como α = Φ - θ, [28] donde θ es el ángulo de hélice (el ángulo entre la velocidad relativa resultante y la dirección de rotación de la pala) y Φ es el ángulo de paso de la pala . Los ángulos de paso y de hélice muy pequeños dan un buen rendimiento contra la resistencia pero proporcionan poco empuje, mientras que los ángulos más grandes tienen el efecto contrario. El mejor ángulo de hélice es cuando la pala actúa como un ala y produce mucha más sustentación que resistencia. Sin embargo, "levantar y arrastrar" es sólo una forma de expresar la fuerza aerodinámica sobre las palas. Para explicar el rendimiento de la aeronave y del motor, la misma fuerza se expresa de manera ligeramente diferente en términos de empuje y par [29] , ya que la potencia requerida de la hélice es el empuje. El empuje y el par son la base de la definición de eficiencia de la hélice, como se muestra a continuación. La relación de avance de una hélice es similar al ángulo de ataque de un ala.
La eficiencia de una hélice está determinada por [30]
Las hélices son similares en la sección del perfil aerodinámico a un ala de baja resistencia y, como tales, su funcionamiento es deficiente cuando se encuentran en un ángulo de ataque distinto del óptimo . Por lo tanto, la mayoría de las hélices utilizan un mecanismo de paso variable para alterar el ángulo de paso de las palas a medida que cambian la velocidad del motor y la velocidad del avión.
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Otra consideración es el número y la forma de las palas utilizadas. Aumentar la relación de aspecto de las palas reduce la resistencia, pero la cantidad de empuje producido depende del área de las palas, por lo que el uso de palas de gran aspecto puede dar como resultado un diámetro excesivo de la hélice. Un equilibrio adicional es que el uso de un número menor de palas reduce los efectos de interferencia entre las palas, pero tener suficiente área de palas para transmitir la potencia disponible dentro de un diámetro establecido significa que se necesita un compromiso. Aumentar el número de palas también disminuye la cantidad de trabajo que debe realizar cada pala, lo que limita el número de Mach local , un límite de rendimiento significativo en las hélices. El rendimiento de una hélice se ve afectado cuando el flujo transónico aparece por primera vez en las puntas de las palas. Como la velocidad relativa del aire en cualquier sección de una hélice es una suma vectorial de la velocidad del avión y la velocidad tangencial debida a la rotación, el flujo sobre la punta de la pala alcanzará la velocidad transónica mucho antes que el avión. Cuando el flujo de aire sobre la punta de la pala alcanza su velocidad crítica , la resistencia al arrastre y al torque aumentan rápidamente y se forman ondas de choque que crean un fuerte aumento del ruido. Por lo tanto, los aviones con hélices convencionales no suelen volar a más de Mach 0,6. Ha habido aviones de hélice que alcanzaron un rango de Mach 0,8, pero la baja eficiencia de la hélice a esta velocidad hace que tales aplicaciones sean raras.
La punta de una pala de hélice viaja más rápido que el cubo. Por lo tanto, es necesario girar la pala para disminuir gradualmente el ángulo de ataque de la pala y, por lo tanto, producir una elevación uniforme desde el cubo hasta la punta. El mayor ángulo de incidencia, o el paso más alto, se encuentra en el centro, mientras que el ángulo de incidencia más pequeño o el paso más pequeño se encuentra en la punta. Una pala de hélice diseñada con el mismo ángulo de incidencia en toda su longitud sería ineficiente porque a medida que aumenta la velocidad del aire en vuelo, la parte cercana al cubo tendría un AOA negativo mientras que la punta de la pala estaría en pérdida. [31]
Se han realizado esfuerzos para desarrollar hélices y ventiladores para aviones a altas velocidades subsónicas. [32] La 'solución' es similar a la del diseño de ala transónica . Se utilizan secciones delgadas de las palas y las palas se barren hacia atrás en forma de cimitarra ( hélice de cimitarra ) de una manera similar al barrido del ala, para retrasar la aparición de ondas de choque a medida que las puntas de las palas se acercan a la velocidad del sonido. La velocidad relativa máxima se mantiene lo más baja posible mediante un control cuidadoso del paso para permitir que las palas tengan grandes ángulos de hélice. Se utiliza una gran cantidad de hojas para reducir el trabajo por hoja y, por tanto, la fuerza de circulación. Se utilizan hélices contrarrotativas . Las hélices diseñadas son más eficientes que los turboventiladores y su velocidad de crucero (Mach 0,7-0,85) es adecuada para aviones de pasajeros, pero el ruido generado es tremendo (consulte el Antonov An-70 y el Tupolev Tu-95 para ver ejemplos de dicho diseño). .
Las fuerzas que actúan sobre las palas de la hélice de un avión incluyen las siguientes. Algunas de estas fuerzas pueden disponerse para contrarrestarse entre sí, reduciendo las tensiones mecánicas generales impuestas. [33] [1]
El propósito de variar el ángulo de paso es mantener un ángulo de ataque óptimo para las palas de la hélice, brindando la máxima eficiencia durante todo el régimen de vuelo. Esto reduce el uso de combustible. Sólo maximizando la eficiencia de la hélice a altas velocidades se puede alcanzar la velocidad más alta posible. [35] El ángulo de ataque efectivo disminuye a medida que aumenta la velocidad del aire, por lo que se requiere un cabeceo más grueso a altas velocidades.
La necesidad de variación del paso se demuestra en el rendimiento de la hélice durante la competición del Trofeo Schneider en 1931. La hélice de paso fijo utilizada por Fairey Aviation Company se detuvo parcialmente en el despegue y alcanzó los 260 km/h (160 mph) en su ascenso. a una velocidad máxima de 407,5 mph (655,8 km/h). [36] El rango de velocidad muy amplio se logró porque algunos de los requisitos habituales para el rendimiento de los aviones no se aplicaban. No hubo compromiso en la eficiencia de la velocidad máxima, la distancia de despegue no estaba restringida a la longitud de pista disponible y no había requisitos de ascenso. [37]
Las palas de paso variable utilizadas en el Tupolev Tu-95 lo impulsan a una velocidad que excede la máxima que alguna vez se consideró posible para un avión propulsado por hélice [38] utilizando un paso excepcionalmente grueso. [39]
Las primeras configuraciones de control de tono eran operadas por piloto, ya sea con una pequeña cantidad de posiciones preestablecidas o continuamente variables. [1]
El mecanismo más simple es la hélice ajustable desde el suelo , que puede ajustarse en el suelo, pero que en realidad es una hélice de paso fijo una vez en el aire. La hélice VP de "dos velocidades" accionada por resorte se ajusta a la posición fina para el despegue y luego se activa a la posición gruesa una vez en crucero, y la hélice permanece gruesa durante el resto del vuelo.
Después de la Primera Guerra Mundial , se desarrollaron hélices automáticas para mantener un ángulo de ataque óptimo. Esto se hizo equilibrando el momento de torsión centrípeto de las palas y un conjunto de contrapesos contra un resorte y las fuerzas aerodinámicas sobre las palas. Las hélices automáticas tenían la ventaja de ser simples, livianas y no requerían control externo, pero el rendimiento de una hélice en particular era difícil de igualar con el del motor del avión.
La hélice de paso variable más común es la hélice de velocidad constante . Esto está controlado por una unidad hidráulica de velocidad constante (CSU). Ajusta automáticamente el paso de las palas para mantener una velocidad constante del motor para cualquier configuración de control de potencia determinada. [1] Las hélices de velocidad constante permiten al piloto establecer una velocidad de rotación según la necesidad de máxima potencia del motor o máxima eficiencia, y un regulador de hélice actúa como un controlador de circuito cerrado para variar el ángulo de paso de la hélice según sea necesario para mantener el motor seleccionado. velocidad. [40] En la mayoría de los aviones, este sistema es hidráulico y el aceite de motor actúa como fluido hidráulico. Sin embargo, las hélices controladas eléctricamente se desarrollaron durante la Segunda Guerra Mundial y se utilizaron ampliamente en aviones militares, y recientemente han visto un resurgimiento en su uso en aviones de fabricación propia. [ cita necesaria ]
Otro diseño es el V-Prop , que es autoalimentado y autónomo.
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En la mayoría de las hélices de paso variable, las palas se pueden girar paralelas al flujo de aire para detener la rotación de la hélice y reducir la resistencia cuando el motor falla o se apaga deliberadamente. Esto se llama plumaje , término tomado del remo . En aviones monomotor, ya sea un planeador propulsado o un avión propulsado por turbina, el efecto es aumentar la distancia de planeo. En una aeronave multimotor, poner la hélice en bandera con un motor inoperativo reduce la resistencia y ayuda a la aeronave a mantener la velocidad y la altitud con los motores operativos. El plumaje también evita el molino de viento , el giro de los componentes del motor por la rotación de la hélice forzada por la estela; El molino de viento puede dañar el motor, provocar un incendio o causar daños estructurales a la aeronave.
La mayoría de los sistemas de alineamiento para motores alternativos detectan una caída en la presión del aceite y mueven las palas hacia la posición de alineamiento, y requieren que el piloto tire del control de la hélice hacia atrás para desenganchar los pasadores de tope de paso alto antes de que el motor alcance las RPM en ralentí . Los sistemas de control de turbohélice generalmente utilizan un sensor de par negativo en la caja de cambios reductora que mueve las palas hacia la posición de plumas cuando el motor ya no proporciona potencia a la hélice. Dependiendo del diseño, es posible que el piloto tenga que presionar un botón para anular las paradas de tono alto y completar el proceso de cambio de rumbo, o el proceso de cambio de rumbo puede ser totalmente automático.
Las hélices de algunos aviones pueden funcionar con un ángulo de paso de pala negativo y, por tanto, invertir el empuje de la hélice. Esto se conoce como Beta Pitch. El empuje inverso se utiliza para ayudar a reducir la velocidad del avión después del aterrizaje y es particularmente ventajoso cuando se aterriza en una pista mojada, ya que el frenado de las ruedas tiene una eficacia reducida. En algunos casos, el paso inverso permite que el avión ruede en reversa; esto es particularmente útil para sacar hidroaviones de muelles confinados.
Las hélices contrarrotativas se utilizan a veces en aviones bimotores y multimotores con motores montados en las alas. Estas hélices giran en direcciones opuestas a sus contrapartes en la otra ala para equilibrar los efectos del par y del factor p . A veces se las denomina hélices "de mano", ya que hay versiones para mano izquierda y derecha de cada hélice.
Generalmente, las hélices de ambos motores de la mayoría de los aviones bimotores convencionales giran en el sentido de las agujas del reloj (visto desde la parte trasera del avión). Para eliminar el problema crítico del motor , las hélices contrarrotativas generalmente giran "hacia adentro" hacia el fuselaje (en el sentido de las agujas del reloj en el motor izquierdo y en el sentido contrario a las agujas del reloj en el derecho); sin embargo, hay excepciones (especialmente durante la Segunda Guerra Mundial ), como el P-38 Lightning. que giraba "hacia afuera" (en el sentido contrario a las agujas del reloj en el motor izquierdo y en el sentido de las agujas del reloj en el derecho) lejos del fuselaje de los años de la Segunda Guerra Mundial, y el Airbus A400 cuyos motores internos y externos giran en direcciones opuestas incluso en la misma ala.
Una hélice contrarrotativa o contrahélice coloca dos hélices contrarrotativas en ejes de transmisión concéntricos de modo que una se asienta inmediatamente "aguas abajo" de la otra hélice. Esto proporciona los beneficios de las hélices contrarrotativas para un solo motor. La hélice delantera proporciona la mayor parte del empuje, mientras que la hélice trasera también recupera la energía perdida en el movimiento giratorio del aire en la estela de la hélice. La contrarotación también aumenta la capacidad de una hélice para absorber potencia de un motor determinado, sin aumentar el diámetro de la hélice. Sin embargo, el coste añadido, la complejidad, el peso y el ruido del sistema rara vez hacen que valga la pena y sólo se utiliza en tipos de alto rendimiento donde el rendimiento final es más importante que la eficiencia.
Un ventilador es una hélice con una gran cantidad de palas. Por lo tanto, un ventilador produce mucho empuje para un diámetro determinado, pero la proximidad de las aspas significa que cada una afecta fuertemente el flujo alrededor de las demás. Si el flujo es supersónico, esta interferencia puede ser beneficiosa si el flujo se puede comprimir mediante una serie de ondas de choque en lugar de una. Al colocar el ventilador dentro de un conducto con forma , se pueden crear patrones de flujo específicos según la velocidad de vuelo y el rendimiento del motor. A medida que el aire ingresa al conducto, su velocidad se reduce mientras que su presión y temperatura aumentan. Si el avión está a una velocidad subsónica alta, esto crea dos ventajas: el aire ingresa al ventilador a una velocidad Mach más baja; y la temperatura más alta aumenta la velocidad local del sonido. Si bien hay una pérdida de eficiencia ya que el ventilador consume un área más pequeña de la corriente libre y, por lo tanto, utiliza menos aire, esto se equilibra con el ventilador con conductos que retiene la eficiencia a velocidades más altas donde la eficiencia de la hélice convencional sería pobre. Un ventilador o hélice con conductos también tiene ciertos beneficios a velocidades más bajas, pero el conducto debe tener una forma diferente a la de uno para vuelos a mayor velocidad. Se aspira más aire y, por lo tanto, el ventilador funciona con una eficiencia equivalente a una hélice más grande sin conductos. Los conductos también reducen el ruido y, si se soltara una cuchilla, el conducto ayudaría a contener el daño. Sin embargo, el conducto añade peso, coste, complejidad y (hasta cierto punto) resistencia.
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