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Una aeronave de rotor coaxial es una aeronave cuyos rotores están montados uno encima del otro sobre ejes concéntricos , con el mismo eje de rotación, pero girando en direcciones opuestas ( contrarrotativas ).
Esta configuración del rotor es una característica de los helicópteros producidos por la oficina de diseño de helicópteros rusa Kamov .
La idea de los rotores coaxiales se origina en Mikhail Lomonosov . En julio de 1754 desarrolló un pequeño modelo de helicóptero con rotores coaxiales y lo demostró ante la Academia de Ciencias de Rusia . [1]
En 1859, la Oficina Británica de Patentes concedió la primera patente de helicóptero a Henry Bright por su diseño coaxial. A partir de ese momento, los helicópteros coaxiales se convirtieron en máquinas totalmente operativas tal como las conocemos hoy. [2] [3]
Dos helicópteros pioneros, el Corradino D'Ascanio "D'AT3" construido en 1930, y el Gyroplane Laboratoire francés de mediados de la década de 1930, generalmente más exitoso , utilizaron sistemas de rotor coaxial para el vuelo.
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Tener dos conjuntos coaxiales de rotores proporciona simetría de fuerzas alrededor del eje central para levantar el vehículo y lateralmente cuando vuela en cualquier dirección. Debido a la complejidad mecánica, muchos diseños de helicópteros utilizan configuraciones alternativas para evitar los problemas que surgen cuando se utiliza solo un rotor principal. Las alternativas más comunes son los helicópteros de un solo rotor o las disposiciones de rotores en tándem .
Uno de los problemas con cualquier conjunto de palas de rotor es el par (fuerza de rotación) ejercido sobre el fuselaje del helicóptero en la dirección opuesta a las palas del rotor. Este par hace que el fuselaje gire en dirección opuesta a las palas del rotor. En los helicópteros de un solo rotor, el rotor antipar o rotor de cola contrarresta el par del rotor principal y controla la rotación del fuselaje.
Los rotores coaxiales resuelven el problema del par del rotor principal haciendo girar cada conjunto de rotores en direcciones opuestas. Los pares opuestos de los rotores se anulan entre sí. Las maniobras de rotación, control de guiñada , se logran aumentando el paso colectivo de un rotor y disminuyendo el paso colectivo del otro. Esto provoca una disimetría controlada del par.
La disimetría de sustentación es un fenómeno aerodinámico causado por la rotación de los rotores de un helicóptero en vuelo hacia adelante. Las palas del rotor proporcionan una elevación proporcional a la cantidad de aire que fluye sobre ellas. Cuando se ven desde arriba, las palas del rotor se mueven en la dirección de vuelo durante la mitad de la rotación (mitad de avance) y luego se mueven en la dirección opuesta durante el resto de la rotación (mitad de retroceso). Una pala de rotor produce más sustentación en la mitad que avanza. A medida que una pala se mueve hacia la dirección de vuelo, el movimiento hacia adelante de la aeronave aumenta la velocidad del aire que fluye alrededor de la pala hasta que alcanza un máximo cuando la pala está perpendicular al viento relativo . Al mismo tiempo, una pala de rotor en la mitad que retrocede produce menos sustentación. A medida que una pala se aleja de la dirección de vuelo, la velocidad del flujo de aire sobre la pala del rotor se reduce en una cantidad igual a la velocidad de avance de la aeronave, alcanzando su efecto máximo cuando la pala del rotor vuelve a ser perpendicular al viento relativo. Los rotores coaxiales evitan los efectos de la disimetría de la sustentación mediante el uso de dos rotores que giran en direcciones opuestas, lo que hace que las palas avancen en ambos lados al mismo tiempo.
Otro beneficio que surge de un diseño coaxial incluye una mayor carga útil para la misma potencia del motor; Un rotor de cola normalmente desperdicia parte de la potencia disponible del motor que se dedicaría por completo a la elevación y el empuje con un diseño coaxial. La reducción del ruido es la principal ventaja de la configuración; Parte del fuerte sonido de "azotes" asociado con los helicópteros convencionales surge de la interacción entre los flujos de aire de los rotores principal y de cola, que en algunos diseños puede ser grave. Además, los helicópteros que utilizan rotores coaxiales tienden a ser más compactos (con una huella más pequeña en el suelo), aunque a costa de una mayor altura, y en consecuencia tienen usos en áreas donde el espacio es escaso; Varios diseños de Kamov se utilizan en funciones navales , siendo capaces de operar desde espacios reducidos en las cubiertas de los barcos, incluidos barcos distintos de los portaaviones (un ejemplo son los cruceros clase Kara de la marina rusa, que llevan un Ka-25 'Hormone ' helicóptero como parte de su equipamiento estándar). Otro beneficio es una mayor seguridad en tierra; la ausencia de un rotor de cola elimina la principal fuente de lesiones y muertes para el personal de tierra y los transeúntes. [ cita necesaria ]
Existe una mayor complejidad mecánica del cubo del rotor. Los varillajes y platos cíclicos para sistemas de dos rotores deben ensamblarse encima del mástil, lo cual es más complejo debido a la necesidad de impulsar dos rotores en direcciones opuestas. Debido a la mayor cantidad de piezas móviles y a la complejidad, el sistema de rotor coaxial es más propenso a fallas mecánicas y posibles fallas. [ cita necesaria ] Los helicópteros coaxiales también son más propensos a los "azotes" de las palas y a la autocolisión de las palas, según los críticos. [4]
La estabilidad inherente del sistema y la rápida respuesta de control lo hacen adecuado para su uso en pequeños helicópteros radiocontrolados . Estos beneficios tienen el costo de una velocidad de avance limitada y una mayor sensibilidad al viento. Estos dos factores son especialmente limitantes en el uso en exteriores. Estos modelos suelen tener paso fijo (es decir, las palas no se pueden girar sobre sus ejes para diferentes ángulos de ataque), lo que simplifica el modelo pero elimina la capacidad de compensar con entrada colectiva . Compensar incluso la más mínima brisa hace que el modelo ascienda en lugar de volar hacia adelante incluso con la aplicación completa de cíclico .
Los vehículos aéreos no tripulados de tipo multirotor existen en numerosas configuraciones, incluidos duocópteros, [5] tricópteros, cuadricópteros , hexacópteros y octocópteros. Todos ellos se pueden actualizar a una configuración coaxial para brindar más estabilidad y tiempo de vuelo y al mismo tiempo permitir transportar mucha más carga útil sin ganar demasiado peso. De hecho, los multirotores coaxiales se fabrican teniendo cada brazo con dos motores orientados en direcciones opuestas (uno hacia arriba y otro hacia abajo). Por lo tanto, es posible tener una célula octorotor de cuatro ejes gracias a la configuración coaxial. Los duocópteros se caracterizan por tener dos motores alineados en un eje vertical. El control se realiza mediante la aceleración adecuada de una sola pala del rotor para generar un empuje específico durante la revolución. Tener más potencia de elevación para una mayor carga útil explica por qué se prefieren los multirotores coaxiales para casi todas las aplicaciones comerciales de UAS de gran carga útil . [6]
El Departamento de Transporte de EE. UU. ha publicado un "Manual básico de helicópteros". Uno de sus capítulos se titula "Algunos peligros del vuelo en helicóptero". Se han enumerado diez peligros para indicar a qué se enfrenta un típico helicóptero de un solo rotor. El diseño del rotor coaxial reduce o elimina por completo muchos de estos peligros. La siguiente lista indica cuáles:
La reducción y eliminación de estos peligros son los puntos fuertes de la seguridad del diseño de rotor coaxial. [7] [8]
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