En un helicóptero , el rotor principal o sistema de rotor es la combinación de varias alas giratorias ( palas de 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 vuelo hacia adelante. . Cada rotor principal está montado en un mástil vertical sobre la parte superior del helicóptero, a diferencia del rotor de cola de un helicóptero , que se conecta a través de una combinación de ejes de transmisión y cajas de cambios a lo largo del brazo de cola. El paso de las palas normalmente lo controla el piloto utilizando los controles de vuelo del helicóptero . Los helicópteros son un ejemplo de aviones de ala giratoria ( helicópteros ). El nombre se deriva de las palabras griegas helix , helik-, que significa espiral; y pteron que significa ala.
El rotor del helicóptero es accionado por el motor, a través de la transmisión, hasta el mástil giratorio. El mástil es un eje metálico cilíndrico que se extiende hacia arriba desde la transmisión y es impulsado por ésta. En la parte superior del mástil se encuentra el punto de fijación (coloquialmente llamado tuerca de Jesús ) para las palas del rotor llamado buje. Luego, las palas del rotor se unen al cubo, y el cubo puede tener entre 10 y 20 veces la resistencia de la pala. [1] Los sistemas de rotor principal se clasifican según cómo se unen y se mueven las palas del rotor principal en relación con el cubo del rotor principal. Hay tres clasificaciones básicas: rígido, semirrígido y totalmente articulado, aunque algunos sistemas de rotor modernos utilizan una combinación de estas clasificaciones. Un rotor es una masa giratoria finamente sintonizada y diferentes ajustes sutiles reducen las vibraciones a diferentes velocidades del aire. [2] Los rotores están diseñados para funcionar a RPM fijas [3] [4] [5] (dentro de un rango estrecho de un pequeño porcentaje), [6] [7] pero algunos aviones experimentales utilizaron rotores de velocidad variable . [8]
A diferencia de los ventiladores de pequeño diámetro utilizados en los motores a reacción turbofan , el rotor principal de un helicóptero tiene un gran diámetro que le permite acelerar un gran volumen de aire. Esto permite una velocidad descendente más baja para una cantidad determinada 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 de disco baja (empuje por área de disco) aumenta en gran medida la capacidad de la aeronave. eficiencia energética, lo que reduce el consumo de combustible y permite una autonomía razonable. [11] [12] La eficiencia de vuelo estacionario ("cifra de mérito") [13] de un helicóptero típico es de alrededor del 60%. [14] El tercio interior de la longitud de una pala de rotor contribuye muy poco a la sustentación debido a su baja velocidad del aire. [10]
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). Generalmente contienen un grado de lavado que reduce la elevación 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 diversos materiales, incluido aluminio, estructura compuesta y acero o titanio , con protectores contra la abrasión 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 aletas de borde de fuga para controlar el 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 mediante flaps del 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 este tipo de puntas son las puntas de los rotores BERP creadas durante el Programa de Rotores Experimentales Británicos.
El rotor simple de un Robinson R22 que muestra (desde arriba):
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 cubo 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, aletear y adelantarse o retrasarse independientemente unas de otras. La bisagra horizontal, llamada bisagra batiente , permite que la hoja se mueva hacia arriba y hacia abajo. Este movimiento se llama aleteo y está diseñado para compensar la asimetría de elevación . La bisagra batiente puede estar ubicada a diferentes distancias del cubo del rotor y puede haber más de una bisagra. La bisagra vertical, llamada bisagra de avance-retraso o bisagra de arrastre , permite que la hoja se mueva hacia adelante y hacia atrás. Este movimiento se llama avance-retraso, arrastre o caza. Los amortiguadores generalmente se usan para evitar un movimiento excesivo 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 en el arrastre experimentado por las palas que avanzan y retroceden. Los modelos posteriores han pasado de utilizar rodamientos tradicionales a rodamientos elastoméricos . Los cojinetes elastoméricos son naturalmente a prueba de fallos y su desgaste es gradual y visible. En este diseño se elimina el contacto metal con metal de los rodamientos más antiguos y la necesidad de lubricación. La tercera bisagra en el sistema completamente articulado se llama bisagra flexible alrededor del eje flexible. Esta bisagra es responsable del cambio de paso de las palas del rotor excitadas mediante la entrada del piloto al colectivo o cíclico.
Una variación del sistema totalmente articulado es el sistema de rotor blando en plano . Este tipo de rotor se puede encontrar en varios aviones producidos por Bell Helicopter, como el OH-58D Kiowa Warrior . Este sistema es similar al tipo totalmente articulado en el sentido de que cada pala tiene la capacidad de adelantarse/retrasarse y cazar 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 sujeto al mástil y pasa a través de 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, normalmente a palas opuestas. Si bien esto no está completamente articulado, las características de vuelo son muy similares y se reducen el tiempo y el costo de mantenimiento.
El término rotor rígido generalmente se refiere a un sistema de rotor sin bisagras [16] [17] con palas unidas de manera flexible al cubo. Irv Culver de Lockheed desarrolló uno de los primeros rotores rígidos, que fue probado y desarrollado en una serie de helicópteros en las décadas de 1960 y 1970. En un sistema de rotor rígido, cada pala aletea y arrastra 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 del aleteo y las fuerzas de avance/retraso se acomodan mediante la flexión de las palas del rotor, en lugar de mediante bisagras. Al flexionarse, las propias hojas 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 cubo que normalmente se genera. [18] El sistema de rotor rígido elimina así el peligro de choque del mástil inherente a los rotores semirrígidos. [19]
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El rotor semirrígido también puede denominarse rotor oscilante o de balancín. Este sistema normalmente se compone de dos palas que se encuentran justo debajo de una bisagra común que aletea o se tambalea en el eje del rotor. Esto permite que las hojas se muevan juntas en movimientos opuestos como un balancín . Esta colocación debajo de las palas debajo de la bisagra oscilante, combinada con un ángulo de cono o diédrico adecuado en las palas, minimiza las variaciones en el radio del centro de masa de cada pala desde el eje de rotación a medida que gira el rotor, lo que a su vez reduce la tensión en las palas de las fuerzas de avance y retraso causadas por el efecto Coriolis . También se pueden usar bisagras de aleteo secundarias para proporcionar suficiente flexibilidad para minimizar el rebote. El desvanecimiento se logra mediante la bisagra de desvanecimiento en la raíz de la hoja, lo que permite cambios en el ángulo de inclinación de la hoja.
Los sistemas de rotor modernos pueden utilizar los principios combinados de los sistemas de rotor mencionados anteriormente. Algunos bujes de rotor incorporan un buje flexible, que permite doblar la pala sin necesidad de cojinetes o bisagras. Estos sistemas, llamados flexiones , [20] suelen construirse a partir de material compuesto. También se pueden utilizar cojinetes elastoméricos en lugar de cojinetes de rodillos convencionales . Los cojinetes elastoméricos están fabricados con un material tipo caucho y proporcionan un movimiento limitado que se adapta perfectamente a aplicaciones de helicópteros. Los cojinetes flexibles y elastoméricos no requieren lubricación y, por lo tanto, requieren menos mantenimiento. También absorben las vibraciones, 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 durante la rotación. El piloto lo utiliza para controlar la dirección del vector de empuje del rotor , que define la parte del disco del rotor donde se desarrolla el máximo empuje. 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, elevando o bajando el plato cíclico con los controles de vuelo. La gran mayoría de helicópteros mantienen una velocidad del 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 cíclico son dos discos o placas concéntricas. Una placa gira con el mástil, conectada por eslabones locos, mientras que la otra no gira. La placa giratoria también está conectada a las palas individuales a través de enlaces de paso y cuernos de paso. La placa no giratoria está conectada a enlaces que son manipulados por controles piloto, específicamente, los controles colectivos y cíclicos. El plato cíclico puede desplazarse verticalmente e inclinarse. Mediante desplazamiento e inclinación, la placa no giratoria controla la placa giratoria, que a su vez controla el paso de la hoja individual.
Varios ingenieros, entre ellos Arthur M. Young en Estados Unidos y el aeromodelador 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 barra de vuelo tiene un peso o una paleta (o ambos para mayor estabilidad en helicópteros más pequeños) en cada extremo para mantener un plano de rotación constante. A través de enlaces mecánicos, la rotación estable de la barra se mezcla con el movimiento del plato cíclico para amortiguar las fuerzas internas (dirección) y externas (viento) en el rotor. Esto facilita que el piloto mantenga el control de la aeronave. Stanley Hiller ideó un método similar para mejorar la estabilidad añadiendo aletas cortas y rechonchas, o paletas, en cada extremo. Sin embargo, el sistema "Rotormatic" de Hiller también entregaba entradas de control cíclicas al rotor principal como una especie de rotor de control, y las paletas proporcionaban estabilidad adicional al amortiguar los efectos de las fuerzas externas sobre el rotor.
El sistema de rotor Lockheed utilizaba un giroscopio de control, similar en principio al de la barra estabilizadora Bell, pero diseñado para brindar estabilidad sin intervención y una respuesta de control rápida del sistema de rotor sin bisagras.
En helicópteros fly-by-wire o modelos de control remoto (RC), un microcontrolador con sensores giroscópicos y un sensor Venturi puede reemplazar el estabilizador. Este diseño sin barra volante 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, ralentizar el rotor en algunas situaciones puede resultar beneficioso.
A medida que aumenta la velocidad de avance, la velocidad de avance de la punta del rotor pronto se aproxima a la velocidad del sonido . Para reducir el problema, se puede reducir la velocidad de rotación, permitiendo que el helicóptero vuele más rápido.
Para ajustar la elevación del rotor a velocidades más lentas, 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 así mejorar la economía de combustible.
La mayoría de los helicópteros tienen un solo rotor principal, pero requieren un rotor separado para superar el torque. Esto se logra mediante un rotor antipar de paso variable o un rotor de cola. Este es el diseño que eligió Igor Sikorsky 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 el sentido contrario a las agujas del reloj; Los helicópteros franceses y rusos giran en el sentido de las agujas del reloj. [21]
Con un helicóptero de un solo rotor principal, la creación de torque cuando el motor hace girar el rotor crea un efecto de torque 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 con un margen suficiente de potencia disponible para permitir que el helicóptero mantenga su rumbo y proporcione control de guiñada. Los tres controles más comunes utilizados hoy en día son el rotor de cola, el Fenestron de Eurocopter (también llamado cola de milano ) y el NOTAR de MD Helicopters .
El rotor de cola es un rotor más pequeño montado de manera que gira vertical 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 sólo requieren cambios colectivos de paso para variar el empuje. El piloto ajusta el paso de las palas del rotor de cola mediante los pedales antipar, que también proporcionan control direccional al permitir al piloto girar el helicóptero alrededor de su eje vertical, cambiando así la dirección hacia la que apunta la nave.
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Fenestron y FANTAIL [22] son marcas comerciales de un ventilador con conductos montado en el extremo del brazo de cola del helicóptero y utilizado en lugar de un rotor de cola. Los ventiladores con conductos tienen entre ocho y dieciocho aspas dispuestas con espaciamientos irregulares para que el ruido se distribuya en diferentes frecuencias. La carcasa es integral con el revestimiento de la aeronave y permite una alta velocidad de rotación; por lo tanto, un ventilador con conductos puede tener un tamaño más pequeño que un rotor de cola convencional.
El Fenestron se utilizó por primera vez a finales de la década de 1960 en el segundo modelo experimental del SA 340 de Sud Aviation y se produjo en el modelo posterior Aérospatiale SA 341 Gazelle . Además de Eurocopter y sus predecesores, en el proyecto cancelado de helicóptero militar, el RAH-66 Comanche del ejército de los Estados Unidos , también se utilizó un rotor de cola de ventilador con conductos como FANTAIL.
NOTAR, acrónimo de no tail rotor , es un sistema antipar de helicóptero que elimina el uso del rotor de cola en un helicóptero . Aunque el concepto tomó algo de tiempo para perfeccionarse, el sistema NOTAR es simple en teoría y proporciona antitorque de la misma manera que un ala desarrolla sustentación mediante el efecto Coandă . [23] Un ventilador de paso variable está encerrado en la sección trasera 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 el sentido contrario a las agujas del reloj (visto desde arriba del rotor principal), el ventilador de paso variable fuerza el aire a baja presión a través de dos ranuras en el lado derecho del brazo de cola, lo que provoca la La corriente descendente del rotor principal abraza el brazo de cola, produciendo sustentación y, por lo tanto, una medida de antitorque proporcional a la cantidad de flujo de aire del lavado del rotor. Esto se ve aumentado por 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. [23] En diciembre de 1981, Hughes voló un OH-6A equipado con NOTAR por primera vez. [24] Un prototipo de demostrador 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 futuras aplicaciones en el diseño de helicópteros. [25] Actualmente hay tres helicópteros de producción que incorporan el diseño NOTAR, todos producidos por MD Helicopters. Este diseño antitorque también mejora la seguridad al eliminar la posibilidad de que el personal entre en el rotor de cola.
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Existió una especie de predecesor de este sistema 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 refrigeración de su motor de pistón para empujar aire a través de una boquilla integrada en el brazo de cola para contrarrestar el par del rotor. [26]
El rotor principal puede ser accionado por chorros de punta. Un sistema de este tipo puede funcionar con aire a alta presión proporcionado por un compresor. El aire puede mezclarse o no con combustible y quemarse en propulsores, propulsores o cohetes. Aunque este método es simple y elimina la reacción de torsión, los prototipos que se han construido consumen menos combustible que los helicópteros convencionales. A excepción de los rotores de punta accionados por aire comprimido sin quemar, los niveles de ruido muy altos son la razón más importante por la que los rotores impulsados por chorro 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.
Hay varios ejemplos de helicópteros propulsados por chorros 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 por lo demás funcionó mal. Otros aviones utilizaron empuje auxiliar para el vuelo de traslación, de modo que los chorros de punta pudieran apagarse mientras el rotor giraba automáticamente. El experimental Fairey Jet Gyrodyne , los prototipos de pasajeros Fairey Rotodyne de 48 asientos y los autogiros compuestos McDonnell XV-1 volaron bien con este método. Quizás el diseño más inusual de este tipo fue el Rotary Rocket Roton ATV , que originalmente fue concebido 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 ayudó a que se convirtiera en el único helicóptero con rotor propulsado por chorro de punta que entró en producción. El Hughes XH-17 tenía un rotor de punta impulsado por chorro, 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, aumentando la capacidad de elevación. Principalmente, tres configuraciones comunes utilizan el efecto contrarrotante 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 sobre el mismo eje. Los rotores entrelazados son dos rotores montados cerca uno del otro en un ángulo suficiente para permitir que los rotores se entrelacen sobre la parte superior de la aeronave. Otra configuración, que se encuentra en los rotores basculantes y en algunos de los primeros helicópteros, se llama rotores transversales, donde se montan un par de rotores en cada extremo de una estructura tipo ala o estabilizador.
Los rotores en tándem son dos conjuntos de rotor principal horizontales montados uno detrás del otro. Los rotores en tándem logran cambios de actitud de cabeceo para acelerar y desacelerar el helicóptero mediante un proceso llamado cabeceo cíclico. Para avanzar y acelerar, ambos rotores aumentan el paso en la parte trasera y reducen el paso en la parte delantera (cíclico), manteniendo el par igual en ambos rotores. El vuelo lateral se logra aumentando el paso en un lado y reduciendo el paso en el otro. El control de guiñada se desarrolla mediante el paso cíclico opuesto en cada rotor. Para girar hacia la derecha, el rotor delantero se inclina hacia la derecha y el rotor trasero se inclina hacia la izquierda. Para girar hacia la izquierda, el rotor delantero se inclina hacia la izquierda y el rotor trasero se inclina hacia la derecha. Toda la potencia del rotor contribuye a la elevación y es más sencillo manejar los cambios en el centro de gravedad hacia adelante y hacia atrás. Sin embargo, requiere el gasto de dos rotores grandes en lugar del más común rotor principal grande y un rotor de cola mucho más pequeño. El Boeing CH-47 Chinook es el helicóptero de rotor tándem más común.
Los rotores coaxiales son un par de rotores montados uno encima del 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: la pérdida de las palas en retirada . 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 cíclicos 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 en el sistema de rotor superior deben pasar a través del sistema de rotor inferior.
Los rotores entrelazados en 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 respecto al otro para que las palas se entrelacen sin chocar. Esta configuración a veces se denomina sincrónico. Los rotores entrelazados tienen una alta estabilidad y una poderosa capacidad de elevación. El dispositivo fue pionero 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 experimento. Helicóptero ligero de guerra antisubmarina . Durante la Guerra Fría , una empresa estadounidense, Kaman Aircraft , produjo el HH-43 Huskie para las misiones de rescate y extinción de incendios de la USAF . El último modelo de Kaman, el Kaman K-MAX , es un diseño de grúa aérea exclusivo.
Los rotores transversales están montados en el extremo de las alas o estabilizadores perpendiculares al cuerpo de la aeronave. Al igual que los rotores en tándem y los rotores entrelazados, el rotor transversal también utiliza un paso colectivo diferencial. Pero al igual que los rotores entrelazados, los rotores transversales utilizan el concepto para cambios en la actitud de balanceo 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 rotores basculantes como el Bell-Boeing V-22 Osprey y el AgustaWestland AW609 .
Un quadrotor o quadrotor comprende cuatro rotores en una configuración en "X". Los rotores izquierdo y derecho están en configuración transversal, mientras que los de delante y detrás están en configuración tándem.
Una ventaja de los rotores cuádruples en aviones pequeños como los drones es la oportunidad de lograr simplicidad mecánica. Un cuadricóptero que utiliza motores eléctricos y rotores de paso fijo tiene sólo cuatro partes móviles. El cabeceo, la guiñada y el balanceo se pueden controlar cambiando la sustentación relativa de diferentes pares de rotores sin cambiar la sustentación total. [27]
Las dos familias de perfiles aerodinámicos son
Las palas simétricas son muy estables, lo que ayuda a mantener al mínimo la torsión de las palas y las cargas de control de vuelo. Esta estabilidad se logra manteniendo el centro de presión prácticamente sin cambios a medida que cambia el ángulo de ataque. El centro de presión es el punto imaginario de 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 requerida utilizando 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 "reflexionar". 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 el centro de la fuerza de elevación 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 avanza. Si se adelanta al punto de giro, 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, alinearse, adelantarse y retrasarse en mayor grado. [28]
Los helicópteros con rotores oscilantes (por ejemplo, el sistema de dos palas del Bell , Robinson y otros) no deben estar sujetos a condiciones de baja gravedad porque dichos sistemas de rotor no controlan la actitud del fuselaje. Esto puede dar como resultado que el fuselaje adopte una actitud controlada por el impulso y el empuje del rotor de cola que hace que el brazo de cola se cruce con el plano de trayectoria de la punta del rotor principal o que las raíces de las palas entren en contacto con el eje impulsor del rotor principal, provocando que las palas se separen del buje (choque del mástil). [29]
Cuando se opera en ambientes arenosos, la arena que golpea las palas del rotor en movimiento erosiona su superficie. Esto puede dañar los rotores y presentar problemas de mantenimiento graves y costosos. [30]
Las tiras de abrasión de las palas de los rotores 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 a poca altura en entornos desérticos, la arena que golpea las palas del rotor puede provocar erosión. Por la noche, la arena que golpea la banda de abrasión metálica 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 la triboluminiscencia [ cita necesaria ] mediante la cual el impacto con las partículas de arena produce fotoluminiscencia. [31] [32] [33]
El fotógrafo de combate y periodista Michael Yon observó el efecto mientras acompañaba a los 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, un estadounidense y otro británico. [34]
El uso de un rotor para el vuelo vertical existe desde el año 400 a. C. en forma del helicóptero de bambú , un antiguo juguete chino. [35] [36] 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. [35] El libro del filósofo Ge Hong , el Baopuzi (Maestro que abraza la simplicidad), escrito alrededor del año 317, describe el uso apócrifo de un posible rotor en los aviones: "Algunos han fabricado coches voladores [feiche 飛車] con madera de la parte interior del árbol de azufaifo, usando cuero de buey (correas) sujetas a las hojas que regresan para poner la máquina en movimiento." [37] Leonardo da Vinci diseñó una máquina conocida como "tornillo aéreo" con un rotor basado en un tornillo de agua . El erudito ruso Mikhail Lomonosov desarrolló un rotor basado en el juguete chino. El naturalista francés Christian de Launoy construyó su rotor con plumas de pavo. [35] Sir George Cayley , inspirado en el juguete chino de su infancia, creó múltiples máquinas de vuelo vertical con rotores hechos de láminas de hojalata. [35] Alphonse Pénaud desarrollaría más tarde el modelo de helicóptero de juguete con rotor coaxial en 1870, impulsado por bandas de goma. Uno de estos juguetes, regalado por su padre, inspiraría a los hermanos Wright a perseguir el sueño de volar. [38]
Antes del desarrollo de helicópteros propulsados prácticos a mediados del siglo XX, el pionero del autogiro Juan de la Cierva investigó y desarrolló muchos de los fundamentos del ala del rotor. A De la Cierva se le atribuye el desarrollo exitoso de sistemas de rotores totalmente articulados y de múltiples palas. Estos sistemas, en sus diversas formas modificadas, son la base de la mayoría de los sistemas de rotores de helicópteros multipala modernos. El trabajo en el autogiro constituye la base para el análisis de helicópteros. [39]
El primer intento exitoso de diseñar un helicóptero con un solo rotor utilizó un rotor principal de cuatro palas, diseñado por los ingenieros aeronáuticos soviéticos Boris N. Yuriev y Alexei M. Cheremukhin, ambos trabajando en el Tsentralniy Aerogidrodinamicheskiy Institut (TsAGI, el Instituto Central Aerohidrodinámico). ) cerca de Moscú a principios de los años 1930. Su helicóptero TsAGI 1-EA pudo volar en pruebas a baja altitud en 1931-1932, y Cheremukhin lo voló a una altura de hasta 605 metros (1985 pies) a mediados de agosto de 1932. [40] [41]
En la década de 1930, Arthur Young mejoró la estabilidad de los sistemas de rotores 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 paletas aerodinámicas en los extremos de la barra de vuelo se ha utilizado en muchos de los primeros diseños de modelos de helicópteros 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). NC y CNC (control numérico computarizado) resultaron ser una nueva tecnología importante que luego afectó a todas las industrias del mecanizado .
El rotor funciona mejor girando a una velocidad de rotor constante.
La velocidad del rotor en un helicóptero típico puede variar entre un 95 y un 102 %.
El "efecto corona" se caracteriza por distintivos anillos brillantes a lo largo de las palas del rotor de metal o fibra de vidrio que funcionan en condiciones desérticas.
Una preocupación secundaria con la erosión de las tiras de abrasión metálica se refiere a la firma visible que se produce... causando un efecto corona en ambientes arenosos.
Un problema igualmente importante con la protección de Ti es que durante la noche se genera una corona o halo visible alrededor de las palas del rotor debido a que la arena impacta el borde de ataque de Ti y hace que el Ti chispee y se oxide.
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