La autorrotación es un estado de vuelo en el que el sistema de rotor principal de un helicóptero u otro avión de ala giratoria gira por la acción del aire que se mueve hacia arriba a través del rotor, como ocurre con un autogiro , en lugar de la potencia del motor que impulsa el rotor. [1] [2] [3] El término autorrotación data de un período de desarrollo temprano de helicópteros entre 1915 y 1920, y se refiere a los rotores que giran sin el motor. [4] Es análogo al vuelo sin motor de un avión de ala fija. Algunos árboles (por ejemplo, los arces ) tienen semillas que han desarrollado estructuras en forma de alas que permiten que la semilla gire hacia el suelo en autorrotación, lo que ayuda a que las semillas se diseminen en un área más amplia.
El uso más común de la autorrotación en helicópteros es aterrizar la aeronave de manera segura en caso de falla del motor o del rotor de cola. Es un procedimiento de emergencia común que se enseña a los pilotos de helicópteros como parte de su formación.
En el vuelo normal de un helicóptero propulsado, el aire ingresa al sistema de rotor principal desde arriba y se fuerza hacia abajo, pero durante la autorrotación, el aire ingresa al sistema de rotor desde abajo a medida que el helicóptero desciende. La autorrotación se permite mecánicamente gracias a una unidad de rueda libre , que permite que el rotor principal continúe girando incluso si el motor no está en marcha, así como a las fuerzas aerodinámicas del viento relativo que mantienen la velocidad del rotor. Es el medio por el cual un helicóptero puede aterrizar de forma segura en caso de fallo total del motor. En consecuencia, todos los helicópteros monomotor deben demostrar esta capacidad para obtener un certificado de tipo . [5]
La autorrotación de helicóptero más larga de la historia la realizó Jean Boulet en 1972 cuando alcanzó una altitud récord de 12.440 m (40.814 pies) en un Aérospatiale SA 315B Lama . Debido a una temperatura de -63 °C (-81,4 °F) a esa altitud, tan pronto como redujo la potencia, el motor se incendió y no se pudo arrancar. Mediante el uso de la autorrotación pudo aterrizar el avión de forma segura. [6] La autorrotación es el modo de funcionamiento normal de los autogiros ; el récord de distancia es 1653 km [ cita requerida ] .
Para los helicópteros, la "autorotación" se refiere a la maniobra de descenso en la que el motor se desconecta del sistema del rotor principal y las palas del rotor son impulsadas únicamente por el flujo ascendente de aire a través del rotor. La unidad de rueda libre es un mecanismo de embrague especial que se desconecta cada vez que la velocidad de rotación del motor es menor que la velocidad de rotación del rotor. Si el motor falla, la unidad de rueda libre desconecta automáticamente el motor del rotor principal, permitiendo que el rotor principal gire libremente.
La razón más común para la autorrotación es un mal funcionamiento o falla del motor, pero la autorrotación también se puede realizar en caso de una falla completa del rotor de cola , o después de una pérdida de efectividad del rotor de cola , [7] ya que prácticamente no se produce torque en un rotación automática. Si la altitud lo permite, también se pueden utilizar autorrotaciones para recuperarse de un estado de anillo de vórtice , también conocido como asentamiento con poder . [2] En todos los casos, un aterrizaje exitoso depende de la altura y la velocidad del helicóptero al comienzo de la autorrotación (ver diagrama altura-velocidad ).
En el instante en que falla el motor, las palas del rotor principal producen sustentación y empuje desde su ángulo de ataque y velocidad . Al bajar inmediatamente el paso colectivo , lo que debe hacerse en caso de falla del motor, el piloto reduce la sustentación y la resistencia y el helicóptero comienza un descenso inmediato, produciendo un flujo de aire ascendente a través del sistema de rotor. Este flujo de aire ascendente a través del rotor proporciona suficiente empuje para mantener la velocidad de rotación del rotor durante todo el descenso. Dado que el rotor de cola es impulsado por la transmisión del rotor principal durante la autorrotación, el control del rumbo se mantiene como en vuelo normal.
Varios factores afectan la velocidad de descenso en autorrotación: densidad, altitud , peso bruto , velocidad de rotación del rotor y velocidad aerodinámica de avance . El control principal del piloto sobre la velocidad de descenso es la velocidad del aire. Se obtienen velocidades más altas o más bajas con el control de cabeceo cíclico tal como en vuelo normal. La velocidad de descenso es alta a velocidad cero y disminuye a un mínimo aproximadamente entre 50 y 90 nudos, dependiendo del helicóptero en particular y de los factores mencionados anteriormente. A medida que la velocidad del aire aumenta más allá de la velocidad que proporciona la velocidad mínima de descenso, la velocidad de descenso aumenta nuevamente. Incluso a velocidad cero, el rotor es bastante efectivo, ya que tiene casi el coeficiente de resistencia de un paracaídas [8] [9] a pesar de estar formado por palas.
Al aterrizar desde una autorrotación, la energía cinética almacenada en las palas giratorias y el movimiento hacia adelante de la aeronave se utilizan para disminuir la velocidad de descenso y realizar un aterrizaje suave. Se requiere una mayor cantidad de energía del rotor para detener un helicóptero con una alta velocidad de descenso que la requerida para detener un helicóptero que desciende más lentamente. Por lo tanto, los descensos autorrotativos a velocidades muy bajas o muy altas son más críticos que los realizados a la velocidad mínima de descenso. Una maniobra de aterrizaje óptima detiene todo movimiento vertical, movimiento horizontal y movimiento de rotación dentro de la nave hasta una parada perfecta. En la práctica, rara vez se consigue un aterrizaje perfecto. [ cita necesaria ]
Cada tipo de helicóptero tiene una velocidad específica a la que un planeo sin motor es más eficiente. La mejor velocidad aérea es la que combina el mayor rango de planeo con la menor velocidad de descenso. La velocidad específica es diferente para cada tipo de helicóptero, aunque ciertos factores (densidad, altitud, viento) afectan a todas las configuraciones de la misma manera. La velocidad específica para las autorrotaciones se establece para cada tipo de helicóptero en función de las condiciones meteorológicas y de viento medias y de la carga normal. [ cita necesaria ]
Un helicóptero operado con cargas pesadas en altitudes de alta densidad o en condiciones de viento racheado puede lograr el mejor rendimiento con una velocidad ligeramente mayor en el descenso. A una altitud de baja densidad y carga ligera, el mejor rendimiento se logra con una ligera disminución de la velocidad normal del aire. Siguiendo este procedimiento general de ajustar la velocidad del aire a las condiciones existentes, el piloto puede lograr aproximadamente el mismo ángulo de planeo en cualquier conjunto de circunstancias y estimar el punto de aterrizaje. Este ángulo de planeo óptimo suele ser de 17 a 20 grados. [10]
Durante la autorrotación vertical, el disco del rotor se divide en tres regiones: la región impulsada, la región impulsora y la región de pérdida. Los tamaños de estas regiones varían con el paso de las palas, la velocidad de descenso y la velocidad de rotación del rotor. Al cambiar la velocidad de rotación autorrotativa, el paso de la pala o la velocidad de descenso, los tamaños de las regiones cambian entre sí.
La región impulsada, también llamada región de la hélice, es la región al final de las palas. Normalmente, consta de aproximadamente el 30 por ciento del radio. Es la región impulsada la que produce la mayor resistencia. El resultado global es una desaceleración en la rotación de la pala.
La región impulsora, o región autorrotativa, normalmente se encuentra entre el 25 y el 70 por ciento del radio de la pala, lo que produce las fuerzas necesarias para girar las palas durante la autorrotación. La fuerza aerodinámica total en la región de conducción se inclina ligeramente hacia delante del eje de rotación, produciendo una fuerza de aceleración continua. Esta inclinación proporciona empuje, que tiende a acelerar la rotación de la pala. El tamaño de la región de conducción varía según el ajuste del paso de las palas, la velocidad de descenso y la velocidad de rotación del rotor.
El 25 por ciento interior de la pala del rotor se conoce como región de pérdida y opera por encima de su ángulo máximo de ataque (ángulo de pérdida), lo que provoca resistencia, lo que ralentiza la rotación de la pala. Se logra una velocidad de rotación constante del rotor ajustando el paso colectivo de manera que las fuerzas de aceleración de las palas provenientes de la región motriz se equilibren con las fuerzas de desaceleración de las regiones impulsadas y de pérdida.
Al controlar el tamaño de la región de conducción, el piloto puede ajustar la velocidad de rotación autorotativa. Por ejemplo, si se aumenta el tono colectivo, el ángulo de tono aumenta en todas las regiones. Esto hace que el punto de equilibrio se mueva hacia adentro a lo largo de la envergadura de la pala, aumentando así el tamaño de la región impulsada. La región de pérdida también se hace más grande mientras que la región de conducción se hace más pequeña. La reducción del tamaño de la región motriz hace que disminuyan la fuerza de aceleración de la región motriz y la velocidad de rotación. [ ¿ investigacion original? ]
El premio Broken Wing es un premio del ejército de los Estados Unidos por la ejecución exitosa de una autorrotación en condiciones de emergencia. Los requisitos para el premio, como se establece en el Reglamento del Ejército 672-74, son: "Un miembro de la tripulación aérea debe, a través de una excelente habilidad aérea, minimizar o prevenir daños a la aeronave o lesiones al personal durante una situación de emergencia. El miembro de la tripulación aérea debe haber demostrado una habilidad extraordinaria mientras recuperar una aeronave de una situación de emergencia en vuelo." [11]
Un sistema de rotor de autogiro opera en autorrotación.