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En un helicóptero , el rotor principal o sistema de rotor es la combinación de varias alas giratorias ( palas del rotor ) con un sistema de control, que genera la fuerza de sustentación aerodinámica que soporta el peso del helicóptero y el empuje que contrarresta la resistencia aerodinámica en el vuelo hacia adelante. Cada rotor principal está montado en un mástil vertical sobre la parte superior del helicóptero, a diferencia de un rotor de cola de helicóptero , que se conecta a través de una combinación de eje(s) de transmisión y cajas de cambios a lo largo del brazo de cola. El paso de las palas generalmente lo controla el piloto utilizando los controles de vuelo del helicóptero . Los helicópteros son un ejemplo de aeronaves de ala giratoria ( giroavión ). El nombre se deriva de las palabras griegas helix , helik-, que significa espiral; y pteron, que significa ala.
El rotor del helicóptero es impulsado por el motor, a través de la transmisión, hasta el mástil giratorio. El mástil es un eje cilíndrico de metal que se extiende hacia arriba desde la transmisión y es impulsado por ella. En la parte superior del mástil se encuentra el punto de unión (coloquialmente llamado tuerca de Jesús ) para las palas del rotor llamado buje. Las palas del rotor se unen entonces al buje, y el buje puede tener entre 10 y 20 veces la resistencia de la pala. [1] Los sistemas de rotor principal se clasifican según cómo se unen las palas del rotor principal y se mueven en relación con el buje del rotor principal. Hay tres clasificaciones básicas: rígido, semirrígido y completamente articulado, aunque algunos sistemas de rotor modernos utilizan una combinación de estas clasificaciones. Un rotor es una masa giratoria finamente ajustada, y diferentes ajustes sutiles reducen las vibraciones a diferentes velocidades del aire. [2] Los rotores están diseñados para funcionar a una RPM fija [3] [4] [5] (dentro de un rango estrecho de unos pocos porcentajes), [6] [7] pero algunas aeronaves experimentales utilizaron rotores de velocidad variable . [8]
A diferencia de los ventiladores de diámetro pequeño que se utilizan en los motores a reacción con turbofán , el rotor principal de un helicóptero tiene un diámetro grande que le permite acelerar un gran volumen de aire. Esto permite una velocidad de corriente descendente más baja para una cantidad dada de empuje. Como es más eficiente a bajas velocidades acelerar una gran cantidad de aire en un grado pequeño que una pequeña cantidad de aire en un grado grande, [9] [10] una carga baja del disco (empuje por área del disco) aumenta en gran medida la eficiencia energética de la aeronave, y esto reduce el uso de combustible y permite una autonomía razonable. [11] [12] La eficiencia de vuelo estacionario ("factor de mérito") [13] de un helicóptero típico es de alrededor del 60%. [14] La longitud del tercio interior de una pala del rotor contribuye muy poco a la sustentación debido a su baja velocidad aerodinámica. [10]
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Las palas de un helicóptero son perfiles aerodinámicos largos y estrechos con una alta relación de aspecto , una forma que minimiza la resistencia de los vórtices de las puntas (ver las alas de un planeador para comparar). Por lo general, contienen un grado de erosión que reduce la sustentación generada en las puntas, donde el flujo de aire es más rápido y la generación de vórtices sería un problema importante. Las palas del rotor están hechas de varios materiales, incluidos aluminio, estructura compuesta y acero o titanio , con escudos antiabrasión a lo largo del borde de ataque.
Las palas de los helicópteros son tradicionalmente pasivas; sin embargo, algunos helicópteros incluyen componentes activos en sus palas. El Kaman K-MAX utiliza flaps de borde de salida para el control del paso de las palas y el Hiller YH-32 Hornet estaba propulsado por estatorreactores montados en los extremos de las palas. A partir de 2010 [actualizar], se están realizando investigaciones sobre el control activo de las palas a través de flaps de borde de salida. [15] Las puntas de algunas palas de helicópteros pueden diseñarse especialmente para reducir la turbulencia y el ruido y proporcionar un vuelo más eficiente. Un ejemplo de dichas puntas son las puntas de los rotores BERP creados durante el Programa Británico de Rotores Experimentales.
Descripción de un rotor simple:
Juan de la Cierva desarrolló el rotor totalmente articulado para el autogiro . La base de su diseño permitió el desarrollo exitoso del helicóptero. En un sistema de rotor totalmente articulado, cada pala del rotor está unida al eje del rotor a través de una serie de bisagras que permiten que la pala se mueva independientemente de las demás. Estos sistemas de rotor suelen tener tres o más palas. Las palas pueden aletear, emplumar y adelantar o retrasar independientemente unas de otras. La bisagra horizontal, llamada bisagra de aleteo , permite que la pala se mueva hacia arriba y hacia abajo. Este movimiento se llama aleteo y está diseñado para compensar la disimetría de la sustentación . La bisagra de aleteo puede estar ubicada a diferentes distancias del eje del rotor y puede haber más de una bisagra. La bisagra vertical, llamada bisagra de adelanto-atraso o bisagra de arrastre , permite que la pala se mueva hacia adelante y hacia atrás. Este movimiento se llama adelanto-atraso, arrastre o caza. Por lo general, se utilizan amortiguadores para evitar el exceso de movimiento hacia adelante y hacia atrás alrededor de la bisagra de arrastre. El propósito de la bisagra de arrastre y los amortiguadores es compensar la aceleración y desaceleración causada por la diferencia de arrastre que experimentan las palas que avanzan y retroceden. Los modelos posteriores han dejado de utilizar cojinetes tradicionales para utilizar cojinetes elastoméricos . Los cojinetes elastoméricos son naturalmente a prueba de fallos y su desgaste es gradual y visible. El contacto metal con metal de los cojinetes más antiguos y la necesidad de lubricación se eliminan en este diseño. La tercera bisagra en el sistema completamente articulado se llama bisagra de bandera sobre el eje de bandera. Esta bisagra es responsable del cambio de paso de las palas del rotor excitado a través de la entrada del piloto al colectivo o cíclico.
Una variación del sistema totalmente articulado es el sistema de rotor blando en el plano . Este tipo de rotor se puede encontrar en varias aeronaves producidas por Bell Helicopter, como el OH-58D Kiowa Warrior . Este sistema es similar al tipo totalmente articulado en que cada pala tiene la capacidad de adelantarse/atrasarse y buscarse independientemente de las otras palas. La diferencia entre un sistema totalmente articulado y un sistema blando en el plano es que el sistema blando en el plano utiliza un yugo compuesto. Este yugo está unido al mástil y pasa por las empuñaduras de las palas entre las palas y el cojinete de corte dentro de la empuñadura. Este yugo transfiere algo de movimiento de una pala a otra, generalmente palas opuestas. Si bien no está completamente articulado, las características de vuelo son muy similares y el tiempo y el costo de mantenimiento se reducen.
El término rotor rígido se refiere generalmente a un sistema de rotor sin bisagras [16] [17] con palas unidas de forma flexible al eje. Irv Culver de Lockheed desarrolló uno de los primeros rotores rígidos, que se probó y desarrolló en una serie de helicópteros en los años 1960 y 1970. En un sistema de rotor rígido, cada pala se agita y se arrastra sobre secciones flexibles de la raíz. Un sistema de rotor rígido es mecánicamente más simple que un sistema de rotor completamente articulado. Las cargas aerodinámicas y mecánicas de las fuerzas de agitación y de adelanto/retraso se acomodan a través de la flexión de las palas del rotor, en lugar de a través de bisagras. Al flexionarse, las palas mismas compensan las fuerzas que antes requerían bisagras resistentes. El resultado es un sistema de rotor que tiene menos retraso en la respuesta de control debido al gran momento del eje que se genera típicamente. [18] El sistema de rotor rígido elimina así el peligro de golpes del mástil inherente a los rotores semirrígidos. [19]
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El rotor semirrígido también se puede denominar rotor oscilante o de balancín. Este sistema normalmente está compuesto por dos palas que se encuentran justo debajo de una bisagra oscilante o de aleteo común en el eje del rotor. Esto permite que las palas se agiten juntas en movimientos opuestos como un balancín . Esta suspensión de las palas debajo de la bisagra oscilante, combinada con un ángulo diedro o cónico adecuado en las palas, minimiza las variaciones en el radio del centro de masa de cada pala con respecto al eje de rotación a medida que gira el rotor, lo que a su vez reduce la tensión en las palas de las fuerzas de adelanto y retraso causadas por el efecto Coriolis . También se pueden utilizar bisagras de aleteo secundarias para proporcionar suficiente flexibilidad para minimizar el rebote. El emplumado se logra mediante la bisagra de emplumado en la raíz de la pala, que permite cambios en el ángulo de inclinación de la pala.
Los sistemas de rotor modernos pueden utilizar los principios combinados de los sistemas de rotor mencionados anteriormente. Algunos cubos de rotor incorporan un cubo flexible, que permite la flexión de las palas sin necesidad de cojinetes o bisagras. Estos sistemas, llamados flexores , [20] suelen estar construidos con material compuesto. También se pueden utilizar cojinetes elastoméricos en lugar de los cojinetes de rodillos convencionales . Los cojinetes elastoméricos están construidos con un material tipo caucho y proporcionan un movimiento limitado que es perfectamente adecuado para aplicaciones de helicópteros. Los flexores y los cojinetes elastoméricos no requieren lubricación y, por lo tanto, requieren menos mantenimiento. También absorben la vibración, lo que significa menos fatiga y una vida útil más larga para los componentes del helicóptero.
Los controles varían el paso de las palas del rotor principal cíclicamente a lo largo de la rotación. El piloto utiliza esto para controlar la dirección del vector de empuje del rotor , que define la parte del disco del rotor donde se desarrolla el empuje máximo. El paso colectivo varía la magnitud del empuje del rotor aumentando o disminuyendo el empuje en todo el disco del rotor al mismo tiempo. Estas variaciones del paso de las palas se controlan inclinando, subiendo o bajando la placa oscilante con los controles de vuelo. La gran mayoría de los helicópteros mantienen una velocidad de rotor (RPM) constante durante el vuelo, dejando el ángulo de ataque de las palas como el único medio para ajustar el empuje del rotor.
El plato oscilante está formado por dos discos o placas concéntricas. Una de ellas gira con el mástil, conectada mediante eslabones libres, mientras que la otra no gira. La placa giratoria también está conectada a las palas individuales mediante eslabones de paso y bocinas de paso. La placa no giratoria está conectada a eslabones que se manipulan mediante controles piloto, específicamente, los controles colectivos y cíclicos. El plato oscilante puede desplazarse verticalmente e inclinarse. A través del desplazamiento y la inclinación, la placa no giratoria controla la placa giratoria, que a su vez controla el paso de cada pala.
Varios ingenieros, entre ellos Arthur M. Young en los EE. UU. y el aeromodelista de radiocontrol Dieter Schlüter en Alemania, descubrieron que la estabilidad de vuelo de los helicópteros se podía lograr con una barra estabilizadora, o flybar. La flybar tiene un peso o una pala (o ambos para una mayor estabilidad en helicópteros más pequeños) en cada extremo para mantener un plano de rotación constante. A través de conexiones mecánicas, la rotación estable de la barra se mezcla con el movimiento del plato cíclico para amortiguar las fuerzas internas (dirección) y externas (viento) sobre el rotor. Esto hace que sea más fácil para el piloto mantener el control de la aeronave. Stanley Hiller llegó a un método similar para mejorar la estabilidad agregando perfiles aerodinámicos cortos y rechonchos, o palas, en cada extremo. Sin embargo, el sistema "Rotormatic" de Hiller también enviaba entradas de control cíclicas al rotor principal como una especie de rotor de control, y las palas proporcionaban la estabilidad adicional al amortiguar los efectos de las fuerzas externas sobre el rotor.
El sistema de rotor de Lockheed utilizaba un giroscopio de control, similar en principio al de la barra estabilizadora de Bell, pero diseñado tanto para la estabilidad sin intervención como para la respuesta rápida del control del sistema de rotor sin bisagras.
En los helicópteros fly-by-wire o modelos de control remoto (RC), un microcontrolador con sensores de giroscopio y un sensor Venturi puede reemplazar el estabilizador. Este diseño sin barra estabilizadora tiene la ventaja de una fácil reconfiguración y menos piezas mecánicas.
La mayoría de los rotores de los helicópteros giran a velocidad constante. Sin embargo, reducir la velocidad del rotor en algunas situaciones puede traer beneficios.
A medida que aumenta la velocidad de avance, la velocidad de avance de la punta del rotor se acerca rápidamente a la velocidad del sonido . Para reducir el problema, se puede reducir la velocidad de rotación, lo que permite que el helicóptero vuele más rápido.
Para ajustar la sustentación del rotor a velocidades más bajas, en un diseño convencional el ángulo de ataque de las palas del rotor se reduce mediante un control de paso colectivo. En cambio, reducir la velocidad del rotor puede reducir la resistencia durante esta fase del vuelo y, por lo tanto, mejorar el ahorro de combustible.
La mayoría de los helicópteros tienen un solo rotor principal, pero requieren un rotor separado para superar el par motor. Esto se logra mediante un rotor antipar de paso variable o un rotor de cola. Este es el diseño que Igor Sikorsky eligió para su helicóptero VS-300 y se ha convertido en la convención reconocida para el diseño de helicópteros, aunque los diseños varían. Vistos desde arriba, la mayoría de los rotores de los helicópteros estadounidenses giran en sentido antihorario; los helicópteros franceses y rusos giran en el sentido de las agujas del reloj. [21]
Otro tipo de helicóptero es el rotor basculante , que tiene muchas similitudes con los rotores principales de los helicópteros cuando está en modo de sustentación motorizada .
En un helicóptero con un solo rotor principal, la creación de par motor a medida que el motor hace girar el rotor crea un efecto de par motor que hace que el cuerpo del helicóptero gire en la dirección opuesta al rotor. Para eliminar este efecto, se debe utilizar algún tipo de control antipar motor con un margen de potencia suficiente disponible para permitir que el helicóptero mantenga su rumbo y proporcione control de guiñada. Los tres controles más comunes que se utilizan hoy en día son el rotor de cola, el Fenestron de Eurocopter (también llamado cola de abanico ) y el NOTAR de MD Helicopters .
El número de rotores también es importante, muchos helicópteros tienen dos rotores en una sola línea, y otra configuración es de 4 rotores. [22] Un ejemplo de rotor de dos palas es el Bell 212 , y la versión de cuatro palas de este helicóptero es el Bell 412. [ 23] Un ejemplo del efecto del número de palas del rotor es el UH-72 ( variante EC145 ); el modelo A tenía cuatro palas, pero el UH-72B se cambió a cinco palas, lo que redujo la vibración. [24] Son posibles otros números de palas, por ejemplo, el CH-53K , un gran helicóptero de transporte militar tiene un rotor principal de siete palas. [25]
El rotor de cola es un rotor más pequeño montado de manera que gira verticalmente o casi verticalmente en el extremo de la cola de un helicóptero tradicional de un solo rotor. La posición del rotor de cola y la distancia desde el centro de gravedad le permiten desarrollar empuje en una dirección opuesta a la rotación del rotor principal, contrarrestando así el efecto de par creado por el rotor principal. Los rotores de cola son más simples que los rotores principales, ya que solo requieren cambios colectivos en el paso para variar el empuje. El piloto puede ajustar el paso de las palas del rotor de cola mediante los pedales antipar, que también proporcionan control direccional al permitirle girar el helicóptero alrededor de su eje vertical, cambiando así la dirección en la que apunta la aeronave.
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Fenestron y FANTAIL [26] son marcas comerciales de un ventilador entubado montado en el extremo del brazo de cola del helicóptero y utilizado en lugar de un rotor de cola. Los ventiladores entubados tienen entre ocho y dieciocho aspas dispuestas con un espaciado irregular de modo que el ruido se distribuye en diferentes frecuencias. La carcasa está integrada en el revestimiento de la aeronave y permite una alta velocidad de rotación; por lo tanto, un ventilador entubado puede tener un tamaño más pequeño que un rotor de cola convencional.
El Fenestron se utilizó por primera vez a finales de los años 60 en el segundo modelo experimental del SA 340 de Sud Aviation y se fabricó en el modelo posterior Aérospatiale SA 341 Gazelle . Además de Eurocopter y sus predecesores, un rotor de cola con ventilador entubado también se utilizó en el proyecto de helicóptero militar cancelado, el RAH-66 Comanche del ejército de los Estados Unidos , llamado FANTAIL.
NOTAR, acrónimo de no tail rotor (sin rotor de cola ) , es un sistema antipar para helicópteros que elimina el uso del rotor de cola en un helicóptero. Aunque el concepto llevó algún tiempo perfeccionarse, el sistema NOTAR es simple en teoría y proporciona antipar de la misma manera que un ala desarrolla sustentación mediante el efecto Coandă . [27] Un ventilador de paso variable está encerrado en la sección de popa del fuselaje inmediatamente delante del brazo de cola y es impulsado por la transmisión del rotor principal. Para proporcionar la fuerza lateral para contrarrestar el par en el sentido de las agujas del reloj producido por un rotor principal que gira en sentido contrario a las agujas del reloj (como se ve desde arriba del rotor principal), el ventilador de paso variable fuerza aire a baja presión a través de dos ranuras en el lado derecho del brazo de cola, lo que hace que la estela descendente del rotor principal abrace el brazo de cola, produciendo sustentación y, por lo tanto, una medida de antipar proporcional a la cantidad de flujo de aire de la estela del rotor. A esto se suma un propulsor de chorro directo que también proporciona control de guiñada direccional, con la presencia de un empenaje de superficie fija cerca del final de la cola, que incorpora estabilizadores verticales.
El desarrollo del sistema NOTAR se remonta a 1975, cuando los ingenieros de Hughes Helicopters comenzaron a trabajar en el desarrollo del concepto. [27] En diciembre de 1981, Hughes voló por primera vez un OH-6A equipado con NOTAR. [28] Un prototipo de demostración más modificado voló por primera vez en marzo de 1986 y completó con éxito un programa avanzado de pruebas de vuelo, validando el sistema para su futura aplicación en el diseño de helicópteros. [29] Actualmente hay tres helicópteros de producción que incorporan el diseño NOTAR, todos producidos por MD Helicopters. Este diseño antipar también mejora la seguridad al eliminar la posibilidad de que el personal se estrelle contra el rotor de cola.
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Un predecesor (de algún modo) de este sistema existió en la forma del helicóptero Cierva W.9 de Gran Bretaña , un avión de finales de la década de 1940 que utilizaba el ventilador de enfriamiento de su motor de pistón para impulsar aire a través de una boquilla incorporada en el brazo de cola para contrarrestar el torque del rotor. [30]
El rotor principal puede ser impulsado por propulsores de punta. Este sistema puede ser alimentado por aire a alta presión suministrado por un compresor. El aire puede o no estar mezclado con combustible y quemarse en estatorreactores, propulsores o cohetes. Aunque este método es simple y elimina la reacción de par, los prototipos que se han construido son menos eficientes en cuanto a consumo de combustible que los helicópteros convencionales. A excepción de los propulsores de punta impulsados por aire comprimido sin quemar, los niveles muy altos de ruido son la razón más importante por la que los rotores impulsados por propulsores de punta no han ganado una amplia aceptación. Sin embargo, se están realizando investigaciones sobre la supresión del ruido que pueden ayudar a que este sistema sea viable.
Existen varios ejemplos de helicópteros propulsados por chorro de punta. El Percival P.74 tenía poca potencia y no podía volar. El Hiller YH-32 Hornet tenía una buena capacidad de elevación, pero su rendimiento era deficiente en otros aspectos. Otros aviones utilizaban empuje auxiliar para el vuelo traslacional, de modo que los chorros de punta pudieran apagarse mientras el rotor giraba automáticamente. El Fairey Jet Gyrodyne experimental, los prototipos de pasajeros Fairey Rotodyne de 48 asientos y los autogiros compuestos McDonnell XV-1 volaron bien utilizando este método. Quizás el diseño más inusual de este tipo fue el Rotary Rocket Roton ATV , que originalmente se concibió para despegar utilizando un rotor con punta de cohete. El Sud-Ouest Djinn francés utilizó aire comprimido sin quemar para impulsar el rotor, lo que minimizó el ruido y lo ayudó a convertirse en el único helicóptero con rotor propulsado por chorro de punta que entró en producción. El Hughes XH-17 tenía un rotor propulsado por chorro de punta, que sigue siendo el rotor más grande jamás instalado en un helicóptero.
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Los rotores gemelos giran en direcciones opuestas para contrarrestar el efecto de par en la aeronave sin depender de un rotor de cola antipar. Esto permite que la aeronave aplique la potencia que habría impulsado un rotor de cola a los rotores principales, lo que aumenta la capacidad de elevación. Básicamente, tres configuraciones comunes utilizan el efecto de contrarrotación en los helicópteros. Los rotores en tándem son dos rotores, uno montado detrás del otro. Los rotores coaxiales son dos rotores montados uno encima del otro en el mismo eje. Los rotores engranados son dos rotores montados uno cerca del otro en un ángulo suficiente para permitir que los rotores se engranen sobre la parte superior de la aeronave. Otra configuración, que se encuentra en los rotores basculantes y algunos helicópteros tempranos, se llama rotores transversales, donde un par de rotores están montados en cada extremo de una estructura tipo ala o estabilizador.
Los rotores en tándem son dos conjuntos de rotores principales horizontales montados uno detrás del otro. Los rotores en tándem logran cambios de actitud de cabeceo para acelerar y desacelerar el helicóptero a través de un proceso llamado cabeceo cíclico. Para cabecear hacia adelante y acelerar, ambos rotores aumentan el cabeceo en la parte trasera y reducen el cabeceo en la parte delantera (cíclico) manteniendo el par motor igual en ambos rotores; el vuelo lateral se logra aumentando el cabeceo en un lado y reduciendo el cabeceo en el otro. El control de guiñada se desarrolla a través del cabeceo cíclico opuesto en cada rotor. Para pivotar a la derecha, el rotor delantero se inclina a la derecha y el rotor trasero se inclina a la izquierda. Para pivotar a la izquierda, el rotor delantero se inclina a la izquierda y el rotor trasero se inclina a la derecha. Toda la potencia del rotor contribuye a la sustentación, y es más sencillo manejar los cambios en el centro de gravedad de adelante hacia atrás. Sin embargo, requiere el gasto de dos rotores grandes en lugar del más común, un rotor principal grande y un rotor de cola mucho más pequeño. El Boeing CH-47 Chinook es el helicóptero de rotor en tándem más común.
Los rotores coaxiales son un par de rotores montados uno sobre el otro en el mismo eje y que giran en direcciones opuestas. La ventaja del rotor coaxial es que, en vuelo hacia adelante, la sustentación proporcionada por las mitades que avanzan de cada rotor compensa la mitad que retrocede del otro, eliminando uno de los efectos clave de la disimetría de la sustentación: el estancamiento de las palas al retroceder . Sin embargo, otras consideraciones de diseño afectan a los rotores coaxiales. Existe una mayor complejidad mecánica del sistema de rotor porque requiere enlaces y platos oscilantes para dos sistemas de rotor. Además, debido a que los rotores deben girar en direcciones opuestas, el mástil es más complejo y los enlaces de control para los cambios de paso del sistema de rotor superior deben pasar por el sistema de rotor inferior.
Un ejemplo de diseño coaxial en un helicóptero compuesto fue el Sikorsky Skyraider X , que también tenía una hélice de empuje en la parte trasera. [31]
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Los rotores entrelazados de un helicóptero son un conjunto de dos rotores que giran en direcciones opuestas con cada mástil de rotor montado en el helicóptero con un ligero ángulo con el otro para que las palas se entrelazan sin colisionar. Esta configuración a veces se conoce como sincróptero. Los rotores entrelazados tienen una gran estabilidad y una potente capacidad de elevación. La disposición fue pionera en la Alemania nazi en 1939 con el exitoso diseño Flettner Fl 265 de Anton Flettner , y luego se puso en producción limitada como el exitoso Flettner Fl 282 Kolibri , utilizado por la Kriegsmarine alemana en pequeñas cantidades (24 fuselajes producidos) como un helicóptero experimental de guerra antisubmarina ligera . Durante la Guerra Fría , una empresa estadounidense, Kaman Aircraft , produjo el HH-43 Huskie para misiones de extinción de incendios y rescate de la USAF . El último modelo de Kaman, el Kaman K-MAX , es un diseño de grúa aérea dedicado.
Los rotores transversales se montan en el extremo de las alas o estabilizadores perpendiculares al cuerpo de la aeronave. De manera similar a los rotores en tándem y a los rotores engranados, el rotor transversal también utiliza un paso colectivo diferencial. Pero al igual que los rotores engranados, los rotores transversales utilizan el concepto para los cambios en la actitud de alabeo del helicóptero. Esta configuración se encuentra en dos de los primeros helicópteros viables, el Focke-Wulf Fw 61 y el Focke-Achgelis Fa 223 , así como en el helicóptero más grande del mundo jamás construido, el Mil Mi-12 . También es la configuración que se encuentra en los rotores basculantes como el Bell-Boeing V-22 Osprey y el AgustaWestland AW609 .
Un rotor cuádruple o cuadrirrotor consta de cuatro rotores en configuración en "X". Los rotores de la izquierda y la derecha están en configuración transversal, mientras que los de la parte delantera y trasera están en configuración en tándem.
Una ventaja de los rotores cuádruples en aeronaves pequeñas como los drones es la posibilidad de simplificar la mecánica. Un cuadricóptero que utiliza motores eléctricos y rotores de paso fijo tiene solo cuatro partes móviles. El cabeceo, la guiñada y el alabeo se pueden controlar modificando la sustentación relativa de diferentes pares de rotores sin cambiar la sustentación total. [32]
Las dos familias de perfiles aerodinámicos son
Las palas simétricas son muy estables, lo que ayuda a mantener la torsión de las palas y las cargas de control del vuelo al mínimo. Esta estabilidad se logra manteniendo el centro de presión prácticamente inalterado a medida que cambia el ángulo de ataque. El centro de presión es el punto imaginario en la línea de cuerda donde se considera que se concentra la resultante de todas las fuerzas aerodinámicas. Hoy en día, los diseñadores utilizan perfiles aerodinámicos más delgados y obtienen la rigidez necesaria mediante el uso de materiales compuestos.
Algunos perfiles aerodinámicos tienen un diseño asimétrico, lo que significa que las superficies superior e inferior no tienen la misma curvatura. Normalmente, estos perfiles aerodinámicos no serían tan estables, pero esto se puede corregir doblando el borde de salida para producir las mismas características que los perfiles aerodinámicos simétricos. Esto se llama "reflexión". El uso de este tipo de pala de rotor permite que el sistema de rotor funcione a velocidades de avance más altas. Una de las razones por las que una pala de rotor asimétrica no es tan estable es que el centro de presión cambia con los cambios en el ángulo de ataque. Cuando la fuerza de elevación del centro de presión está detrás del punto de pivote de una pala de rotor, tiende a hacer que el disco del rotor se incline hacia arriba. A medida que aumenta el ángulo de ataque, el centro de presión se mueve hacia adelante. Si se mueve por delante del punto de pivote, el paso del disco del rotor disminuye. Dado que el ángulo de ataque de las palas del rotor cambia constantemente durante cada ciclo de rotación, las palas tienden a aletear, balancearse, adelantarse y retrasarse en mayor grado. [33]
El hexacóptero es una configuración popular para helicópteros no tripulados, y se han estudiado formas de gestionar y mejorar el control de los drones multirotor . [34] La configuración del octocóptero se utiliza especialmente en la sonda Dragonfly planificada por la NASA , diseñada para volar en la atmósfera de la luna Titán de Saturno . [35]
Un helicóptero multirotor tripulado que volaba en la década de 2010 tenía 18 rotores propulsados eléctricamente; el avión monoplaza funcionaba con baterías. [36]
El primer dron acrobático tripulado, como se conoce a este tipo de helicóptero multirotor propulsado eléctricamente, tenía 12 rotores y podía transportar entre 1 y 2 personas. [37]
Los drones tripulados o eVTOL, como se les llama generalmente, diseños multirotor alimentados por baterías ganaron cada vez más popularidad y diseños en la década de 2020. [38]
El nombre de algunos de los diseños aún no se ha decidido por completo, siendo eVTOL un nombre popular, aunque también se utilizan drones tripulados, o incluso automóviles voladores, o en ciertos casos, taxis aéreos. [39] [37]
Como aeronave, la FAA ha trabajado para refinar las regulaciones en torno a los diseños eVTOL, que están orientadas a los helicópteros y aviones tradicionales, pero en 2024 finalizó los criterios de aeronavegabilidad mientras resuelve cómo clasificar y certificar este tipo de aeronaves en los Estados Unidos. [40]
Entre los peligros a los que se enfrentan los helicópteros se incluyen los más comunes en las aeronaves, como los impactos con aves , pero también otros muchos que dependen del diseño del helicóptero y de las condiciones. Entre ellos se incluyen, entre otros: vuelco dinámico , resonancia en tierra , pérdida de eficacia del rotor de cola , pérdida de sustentación de las palas en retroceso , pérdida de sustentación dinámica , estado de anillo de vórtice , transparencia de los servos , choques con el motor y choques con la cola .
Debido a que el rotor principal es vital para mantener un helicóptero en el aire, cualquier daño en él puede tener consecuencias desastrosas. Debido a que la punta suele ser el extremo más alejado, los helicópteros que vuelan en formación deben tener cuidado de mantener la distancia y no tocar las puntas ni los rotores de cola, ni con el entorno.
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A finales de los años 60, el ejército estadounidense descubrió el peligro de que un rotor principal golpeara la cola del helicóptero en determinadas condiciones aerodinámicas, especialmente en casos en los que el peso del helicóptero se descarga del rotor principal en condiciones de baja gravedad. En ese caso, las acciones sobre los controles pueden crear una situación peligrosa o puede ser posible resolverla. [41]
En particular, los helicópteros con rotores tambaleantes (por ejemplo, el sistema de dos palas del Bell , Robinson y otros) no deben someterse a una condición de baja gravedad porque dichos sistemas de rotor no controlan la actitud del fuselaje. Esto puede provocar que el fuselaje asuma una actitud controlada por el momento y el empuje del rotor de cola que hace que el brazo de cola interseque el plano de la trayectoria de la punta del rotor principal o que las raíces de las palas entren en contacto con el eje de transmisión del rotor principal, lo que hace que las palas se separen del buje (golpe del mástil). [42] En la década de 2020, Robinson desarrolló un nuevo empenaje de cola para el R66 para reducir la posibilidad de este tipo de accidente. [41] Dos estudios universitarios del rotor principal de Robinson, uno de Georgia Tech y el otro de la Universidad de Maryland, no encontraron que el diseño del rotor fuera más susceptible en condiciones de baja gravedad que otros diseños tambaleantes, y esto encaja con el estudio en curso de Robinson sobre su diseño. Sin embargo, en la década de 2020 Robinson ideó un nuevo empenaje para aumentar la estabilidad de balanceo a alta velocidad, y esto fue aprobado por la FAA en 2023. Robinson espera llevar este rediseño a sus otros modelos, aunque las maniobras de baja gravedad siguen prohibidas. [41] Las maniobras de baja gravedad están prohibidas en los diseños de Robinson incluso para demostraciones. [41]
La colisión entre el rotor de cola y el brazo de cola es un peligro, y en un caso se cree que los controles de entrada abruptos después del impacto de un pájaro en el Bell 206, llevaron a la colisión del rotor y el brazo de cola que rompió el helicóptero en vuelo. [43] Otro ejemplo de colisiones entre el rotor principal y la cola fue un EC120 que cortó su propia cola durante un aterrizaje brusco causado por la práctica de autorrotación. [44]
Los helicópteros pueden ser vulnerables a que un tubo de cola golpee su entorno, especialmente cuando están cerca del suelo en lugares de aterrizaje desconocidos. [45]
Cuando se trabaja en entornos arenosos, la arena que golpea las palas móviles del rotor erosiona su superficie, lo que puede dañar los rotores y presenta problemas de mantenimiento graves y costosos. [46]
Las bandas de abrasión de las palas del rotor de los helicópteros están hechas de metal, a menudo titanio o níquel , que son muy duros, pero menos duros que la arena. Cuando un helicóptero vuela bajo en entornos desérticos, la arena que golpea la pala del rotor puede causar erosión. Por la noche, la arena que golpea la banda de abrasión de metal provoca una corona o halo visible alrededor de las palas del rotor. El efecto es causado por la oxidación pirofórica de las partículas erosionadas y por triboluminiscencia [ cita requerida ] por la cual el impacto con las partículas de arena produce fotoluminiscencia. [47] [48] [49]
El fotógrafo de guerra y periodista Michael Yon observó el efecto mientras acompañaba a soldados estadounidenses en Afganistán. Cuando descubrió que el efecto no tenía nombre, acuñó el nombre de efecto Kopp-Etchells en honor a dos soldados que habían muerto en la guerra, uno estadounidense y otro británico. [50]
El uso de un rotor para el vuelo vertical existe desde el año 400 a. C. en la forma del helicóptero de bambú , un antiguo juguete chino. [51] [52] El helicóptero de bambú se hace girar haciendo rodar un palo unido a un rotor. El giro crea elevación y el juguete vuela cuando se suelta. [51] El libro del filósofo Ge Hong, Baopuzi (Maestro que abraza la simplicidad), escrito alrededor del año 317, describe el uso apócrifo de un posible rotor en aeronaves: "Algunos han hecho autos voladores [feiche 飛車] con madera de la parte interior del árbol de azufaifo, usando cuero de buey (correas) sujetas a las palas que regresaban para poner la máquina en movimiento". [53] Leonardo da Vinci diseñó una máquina conocida como "tornillo aéreo" con un rotor basado en un tornillo de agua . El polímata ruso Mikhail Lomonosov desarrolló un rotor basado en el juguete chino. El naturalista francés Christian de Launoy construyó su rotor con plumas de pavo. [51] Sir George Cayley , inspirado por el juguete chino de su infancia, creó múltiples máquinas de vuelo vertical con rotores hechos de láminas de hojalata. [51] Alphonse Pénaud desarrollaría más tarde los juguetes de helicópteros modelo con rotor coaxial en 1870, impulsados por bandas de goma. Uno de estos juguetes, que les regaló su padre, inspiraría a los hermanos Wright a perseguir el sueño de volar. [54]
Antes del desarrollo de los helicópteros motorizados prácticos a mediados del siglo XX, el pionero del autogiro Juan de la Cierva investigó y desarrolló muchos de los fundamentos del ala de rotor. A De la Cierva se le atribuye el desarrollo exitoso de sistemas de rotor multipala totalmente articulados. Estos sistemas, en sus diversas formas modificadas, son la base de la mayoría de los sistemas de rotor de helicópteros multipala modernos. El trabajo sobre el autogiro constituye la base para el análisis de los helicópteros. [55]
El primer intento exitoso de diseñar un helicóptero con un rotor de sustentación única utilizó un rotor principal de cuatro palas, como el diseñado por los ingenieros aeronáuticos soviéticos Boris N. Yuriev y Alexei M. Cheremukhin, ambos trabajando en el Tsentralniy Aerogidrodinamicheskiy Institut (TsAGI, el Instituto Aerohidrodinámico Central) cerca de Moscú a principios de la década de 1930. Su helicóptero TsAGI 1-EA pudo volar en pruebas de baja altitud en 1931-32, y Cheremukhin lo voló a una altura de 605 metros (1985 pies) a mediados de agosto de 1932. [56] [57]
En la década de 1930, Arthur Young mejoró la estabilidad de los sistemas de rotor de dos palas con la introducción de una barra estabilizadora. Este sistema se utilizó en varios modelos de helicópteros Bell y Hiller . La variante del sistema Hiller que utiliza palas aerodinámicas en los extremos de la barra estabilizadora se ha utilizado en muchos de los primeros diseños de helicópteros modelo de control remoto , desde sus orígenes en la década de 1970 hasta principios del siglo XXI.
A finales de la década de 1940, la fabricación de palas de rotor de helicópteros fue un trabajo que inspiró a John T. Parsons a ser pionero del control numérico (NC). El NC y el CNC (control numérico computarizado) resultaron ser una nueva tecnología importante que luego afectó a todas las industrias de mecanizado .
El rotor funciona mejor si gira a una velocidad constante.
La velocidad del rotor de un helicóptero típico puede variar entre un 95 y un 102 %.
{{cite web}}: |first1=tiene nombre genérico ( ayuda )El "efecto corona" se caracteriza por anillos brillantes distintivos a lo largo de las palas de rotor de metal o fibra de vidrio que operan en condiciones desérticas.
preocupación secundaria con la erosión de las tiras de abrasión de metal se relaciona con la firma visible que se produce... causando un efecto corona en entornos arenosos.
Un problema igualmente importante con la protección de Ti es que se genera una corona o halo visible alrededor de las palas del rotor por la noche debido a la arena que impacta el borde de ataque de Ti y hace que el Ti genere chispas y se oxide.
{{cite journal}}: Requiere citar revista |journal=( ayuda )