La autorrotación es un estado de vuelo en el que el sistema de rotor principal de un helicóptero u otra aeronave de ala giratoria gira por la acción del aire que se mueve hacia arriba a través del rotor, como en 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 planeado de una aeronave de ala fija. Algunos árboles (por ejemplo, los arces ) tienen semillas que tienen estructuras similares a alas que permiten que la semilla gire hasta 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 el aterrizaje seguro de la aeronave 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 entrenamiento.
En un vuelo normal de helicóptero motorizado, el aire se introduce en el sistema del rotor principal desde arriba y se fuerza hacia abajo, pero durante la autorrotación, el aire se introduce en el sistema del 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 siga 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 que 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]
El giro en autorrotación más largo de la historia lo 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 apagó y no pudo volver a arrancar. Al usar la autorrotación, pudo aterrizar el avión de manera segura. [6] La autorrotación es el modo de funcionamiento normal de los autogiros ; el récord de distancia es de 1653 km. [ cita requerida ]
En el caso de los helicópteros, la "autorrotación" se refiere a la maniobra de descenso en la que el motor se desacopla 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 desacopla 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 desacopla automáticamente el motor del rotor principal, lo que permite 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 la pérdida de efectividad del rotor de cola , [7] ya que prácticamente no se produce torque en una autorrotación. Si la altitud lo permite, las autorrotaciones también se pueden utilizar para recuperarse de un estado de anillo de vórtice , también conocido como asentamiento con potencia . [2] En todos los casos, un aterrizaje exitoso depende de la altura y velocidad del helicóptero al comienzo de la autorrotación (ver diagrama de altura-velocidad ).
En el momento en que falla el motor, las palas del rotor principal están produciendo sustentación y empuje a partir de su ángulo de ataque y velocidad . Al reducir inmediatamente el paso colectivo , lo que debe hacerse en caso de una falla del motor, el piloto reduce la sustentación y la resistencia y el helicóptero comienza un descenso inmediato, lo que produce un flujo de aire ascendente a través del sistema del 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 un vuelo normal.
Varios factores afectan la velocidad de descenso en autorrotación: altitud de densidad , peso bruto , velocidad de rotación del rotor y velocidad aerodinámica de avance . El control principal del piloto de la velocidad de descenso es la velocidad aerodinámica. Se obtienen velocidades aerodinámicas más altas o más bajas con el control de paso cíclico, al igual que en el vuelo normal. La velocidad de descenso es alta a velocidad aerodinámica cero y disminuye hasta un mínimo aproximadamente a 50 a 90 nudos, dependiendo del helicóptero en particular y de los factores mencionados anteriormente. A medida que la velocidad aerodinámica aumenta más allá de la velocidad que da la velocidad mínima de descenso, la velocidad de descenso aumenta nuevamente. Incluso a velocidad aerodinámica cero, el rotor es bastante efectivo, ya que tiene casi el coeficiente de arrastre de un paracaídas [8] [9] a pesar de estar compuesto de palas.
Al aterrizar desde una autorrotación, la energía cinética almacenada en las palas giratorias y el movimiento hacia delante 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 para detener un helicóptero que desciende más lentamente. Por lo tanto, los descensos autorrotativos a velocidades aerodinámicas muy bajas o muy altas son más críticos que los realizados a la velocidad aerodinámica de descenso mínima. Una maniobra de aterrizaje óptima detiene todo el movimiento vertical, horizontal y rotacional dentro de la aeronave hasta una parada perfecta. En la práctica, rara vez se logra un aterrizaje perfecto. [ cita requerida ]
Cada tipo de helicóptero tiene una velocidad aerodinámica específica a la que un planeo sin potencia es más eficiente. La mejor velocidad aerodinámica es la que combina el mayor rango de planeo con la menor velocidad de descenso. La velocidad aerodinámica específica es diferente para cada tipo de helicóptero, aunque ciertos factores (altitud de densidad, viento) afectan a todas las configuraciones de la misma manera. La velocidad aerodinámica específica para autorrotaciones se establece para cada tipo de helicóptero en función de las condiciones meteorológicas y del viento promedio y de la carga normal. [ cita requerida ]
Un helicóptero que opere con cargas pesadas en altitudes de alta densidad o en condiciones de vientos racheados puede lograr un mejor rendimiento con un ligero aumento de la velocidad aerodinámica en el descenso. A altitudes de baja densidad y cargas ligeras, el mejor rendimiento se logra con una ligera disminución de la velocidad aerodinámica normal. Siguiendo este procedimiento general de ajustar la velocidad aerodinámica 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 las palas 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 que se encuentra al final de las palas. Normalmente, ocupa alrededor del 30 por ciento del radio. Es la región impulsada la que produce la mayor resistencia. El resultado general es una desaceleración en la rotación de la pala.
La región de impulsión, o región autorrotativa, se encuentra normalmente 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 impulsión está ligeramente inclinada hacia delante del eje de rotación, lo que produce una fuerza de aceleración continua. Esta inclinación proporciona empuje, que tiende a acelerar la rotación de la pala. El tamaño de la región de impulsión varía con el ajuste del paso de la pala, la velocidad de descenso y la velocidad de rotación del rotor.
El 25 por ciento interior de la pala del rotor se denomina región de pérdida y funciona por encima de su ángulo máximo de ataque (ángulo de pérdida), lo que provoca una resistencia que ralentiza la rotación de la pala. Se logra una velocidad de rotación constante del rotor ajustando el paso colectivo de modo que las fuerzas de aceleración de la pala de la región motriz se equilibren con las fuerzas de desaceleración de las regiones impulsada y de pérdida.
Al controlar el tamaño de la región de conducción, el piloto puede ajustar la velocidad de rotación autorrotativa. Por ejemplo, si se aumenta el paso colectivo, el ángulo de paso aumenta en todas las regiones. Esto hace que el punto de equilibrio se mueva hacia el interior 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. Reducir el tamaño de la región de conducción hace que la fuerza de aceleración de la región de conducción y la velocidad de rotación disminuyan. [ investigación original? ]
El premio Broken Wing Award 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, según se establece en el Reglamento del Ejército 672-74, son: "Un miembro de la tripulación debe, mediante una excelente habilidad para el vuelo, minimizar o prevenir daños a la aeronave o lesiones al personal durante una situación de emergencia. El miembro de la tripulación debe haber demostrado una habilidad extraordinaria al recuperar una aeronave de una situación de emergencia en vuelo". [11]
Un sistema de rotor de autogiro opera en autorrotación.