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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 ( contrarrotantes ).
Esta configuración de rotor es una característica de los helicópteros producidos por la oficina de diseño de helicópteros rusa Kamov .
La idea de los rotores coaxiales se remonta a Mijaíl Lomonosov , que en julio de 1754 desarrolló un pequeño modelo de helicóptero con rotores coaxiales y lo presentó ante la Academia Rusa de Ciencias . [1]
En 1859, la Oficina de Patentes británica 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 "D'AT3" construido por Corradino D'Ascanio en 1930, y el generalmente más exitoso Gyroplane Laboratoire francés de mediados de la década de 1930 , utilizaron ambos sistemas de rotor coaxial para volar.
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El hecho de tener dos conjuntos coaxiales de rotores proporciona simetría de fuerzas alrededor del eje central para elevar el vehículo y lateralmente cuando se 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 un solo rotor principal. Las alternativas comunes son los helicópteros de un solo rotor o los arreglos de rotores en tándem .
Uno de los problemas de cualquier conjunto de palas de rotor es el par (fuerza de rotación) que se ejerce sobre el fuselaje del helicóptero en 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 al hacer girar cada conjunto de rotores en direcciones opuestas. Los pares opuestos de los rotores se anulan entre sí. La maniobra de rotación, el control de la guiñada , se logra aumentando el paso colectivo de un rotor y disminuyendo el paso colectivo del otro. Esto provoca una asimetría 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 sustentación proporcional a la cantidad de aire que fluye sobre ellas. Cuando se ven desde arriba, las palas del rotor se mueven en la dirección del 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 del rotor produce más sustentación en la mitad de avance. 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 del rotor en la mitad de retroceso 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 está nuevamente perpendicular al viento relativo. Los rotores coaxiales evitan los efectos de la disimetría de 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 se deriva de un diseño coaxial es el aumento de la 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 sustentación y el empuje con un diseño coaxial. La reducción del ruido es la principal ventaja de la configuración; parte del fuerte sonido de "azote" 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 al precio de una mayor altura, y en consecuencia tienen usos en áreas donde el espacio es un bien 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 que no son portaaviones (un ejemplo son los cruceros de clase Kara de la marina rusa, que llevan un helicóptero Ka-25 "Hormone" como parte de su equipo 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 las tripulaciones de tierra y los transeúntes. [ cita requerida ]
El eje del rotor presenta una mayor complejidad mecánica. Los enlaces y los platos oscilantes para los dos sistemas de rotor deben ensamblarse encima del mástil, lo que resulta más complejo debido a la necesidad de accionar dos rotores en direcciones opuestas. Debido a la mayor cantidad de piezas móviles y la complejidad, el sistema de rotor coaxial es más propenso a fallas mecánicas y posibles fallos. [ cita requerida ] Los helicópteros coaxiales también son más propensos al "latigazo" 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 controlados por radio . Estos beneficios se obtienen a costa de una velocidad de avance limitada y una mayor sensibilidad al viento. Estos dos factores son especialmente limitantes en el uso al aire libre. Dichos modelos suelen ser de 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 la entrada colectiva . Compensar incluso la brisa más leve hace que el modelo ascienda en lugar de volar hacia adelante incluso con la aplicación completa del cíclico .
Los vehículos aéreos no tripulados de tipo multirotor existen en numerosas configuraciones, incluyendo duocóptero, [5] tricóptero, cuadricóptero , hexacóptero y octocóptero. Todos ellos pueden actualizarse a una configuración coaxial para brindar más estabilidad y tiempo de vuelo, al mismo tiempo que permiten 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 estructura de avión octorotor de cuatro ejes gracias a la configuración coaxial. Los duocópteros se caracterizan por dos motores alineados en un eje vertical. El control se realiza mediante la aceleración apropiada de una sola pala del rotor para la generación de empuje dirigida durante la revolución. Tener más poder de elevación para una mayor carga útil explica por qué los multirotores coaxiales son los preferidos para casi todas las aplicaciones comerciales de UAS de gran carga útil . [6]
El Departamento de Transporte de los Estados Unidos ha publicado un “Manual básico de helicópteros”. Uno de los capítulos se titula “Algunos peligros del vuelo en helicóptero”. Se han enumerado diez peligros para indicar a qué se enfrenta un helicóptero típico de un solo rotor. El diseño de rotor coaxial reduce o elimina por completo muchos de estos peligros. La siguiente lista indica cuáles son:
La reducción y eliminación de estos peligros son los puntos fuertes de la seguridad del diseño de rotores coaxiales. [7] [8]
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