Los controles de vuelo de helicópteros se utilizan para lograr y mantener un vuelo aerodinámico controlado del helicóptero . [1] Los cambios en el sistema de control de vuelo de la aeronave se transmiten mecánicamente al rotor, produciendo efectos aerodinámicos en las palas del rotor que hacen que el helicóptero se mueva de la manera deseada. Para inclinarse hacia adelante y hacia atrás (inclinación) o hacia los lados (giro) se requiere que los controles alteren cíclicamente el ángulo de ataque de las palas del rotor principal durante la rotación, creando diferentes cantidades de sustentación en diferentes puntos del ciclo. Para aumentar o disminuir la sustentación general es necesario que los controles alteren el ángulo de ataque de todas las palas colectivamente en cantidades iguales al mismo tiempo, lo que resulta en ascenso, descenso, aceleración y desaceleración.
Un helicóptero típico tiene tres entradas de control de vuelo: la palanca cíclica, la palanca colectiva y los pedales antipar. [2] Dependiendo de la complejidad del helicóptero, el cíclico y el colectivo pueden estar unidos mediante una unidad de mezcla , un dispositivo mecánico o hidráulico que combina las entradas de ambos y luego envía la entrada "mezclada" a las superficies de control para lograr el resultado deseado. El acelerador manual también puede considerarse un control de vuelo porque es necesario para mantener la velocidad del rotor en helicópteros más pequeños sin reguladores. Los gobernadores también ayudan al piloto a controlar el paso colectivo de los rotores principales del helicóptero, para mantener un vuelo estable y más preciso.
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El control cíclico, comúnmente llamado palanca cíclica o simplemente cíclico , es similar en apariencia en la mayoría de los helicópteros a una palanca de control de un avión de ala fija. La palanca cíclica comúnmente se eleva desde debajo del frente del asiento de cada piloto. El Robinson R22 tiene un diseño cíclico "tambaleante" conectado a una columna central ubicada entre los dos asientos. Los helicópteros con sistemas de vuelo por cable permiten montar un controlador de estilo cíclico al costado del asiento del piloto.
El cíclico se utiliza para controlar el rotor principal con el fin de cambiar la dirección de movimiento del helicóptero. En vuelo estacionario, el cíclico controla el movimiento del helicóptero hacia adelante, hacia atrás y lateralmente. Durante el vuelo hacia adelante, las entradas de control cíclicas provocan cambios en la trayectoria de vuelo similares al vuelo de un avión de ala fija; Las entradas hacia la izquierda o hacia la derecha hacen que el helicóptero gire en la dirección deseada, y las entradas hacia adelante y hacia atrás cambian la actitud de cabeceo del helicóptero, lo que resulta en cambios de altitud (vuelo ascendente o descendente).
El control se llama cíclico porque cambia de forma independiente el ángulo de paso mecánico o el ángulo de bandera de cada pala del rotor principal según su posición en el ciclo. El paso se cambia para que cada pala tenga el mismo ángulo de incidencia cuando pasa por el mismo punto del ciclo, cambiando la sustentación generada por la pala en ese punto y provocando que cada pala cambie su ángulo de incidencia, es decir, a gire ligeramente a lo largo de su eje mayor, en secuencia a medida que pasa por el mismo punto. Si ese punto está justo delante, el paso de la pala aumenta brevemente en esa dirección. Por lo tanto, si el piloto empuja el cíclico hacia adelante, el disco del rotor se inclina hacia adelante y el helicóptero avanza en línea recta. Si el piloto empuja el cíclico hacia la derecha, el disco del rotor se inclina hacia la derecha.
Cualquier sistema de rotor tiene un retraso entre el punto de rotación donde los controles introducen un cambio en el paso y el punto donde ocurre el cambio deseado en el vuelo de la pala del rotor. Esta diferencia es causada por un desfase , a menudo confundido con la precesión giroscópica . Un rotor es un sistema oscilatorio que obedece las leyes que gobiernan la vibración y que, según el sistema de rotor, pueden parecerse al comportamiento de un giroscopio.
El control de paso colectivo, o palanca colectiva , normalmente está ubicado en el lado izquierdo del asiento del piloto con un control de fricción ajustable para evitar movimientos involuntarios. El colectivo cambia el ángulo de paso de todas las palas del rotor principal colectivamente (es decir, todas al mismo tiempo) y es independiente de su posición en el ciclo de rotación. Por tanto, si se realiza una entrada colectiva, todas las palas cambian por igual y, como resultado, el helicóptero aumenta o disminuye su sustentación total derivada del rotor. En vuelo nivelado, esto provocaría un ascenso o descenso, mientras que con el helicóptero inclinado hacia adelante, un aumento en la sustentación total produciría una aceleración junto con una determinada cantidad de ascenso.
Si un helicóptero sufre un corte de energía, un piloto puede ajustar el paso colectivo para mantener el rotor girando, generando suficiente sustentación para aterrizar y patinar en un aterrizaje relativamente suave. [3]
El control de paso colectivo en un Boeing CH-47 Chinook se llama control de empuje , pero cumple el mismo propósito, excepto que controla dos sistemas de rotor, aplicando paso colectivo diferencial. [4]
Los rotores de los helicópteros están diseñados para funcionar a una velocidad de rotación específica. El acelerador controla la potencia del motor, que está conectado al rotor mediante una transmisión. La configuración del acelerador debe mantener suficiente potencia del motor para mantener la velocidad del rotor dentro de los límites en los que el rotor produce suficiente sustentación para el vuelo. En muchos helicópteros, el control del acelerador es una empuñadura giratoria estilo motocicleta simple o doble montada en el control colectivo (la rotación es opuesta a la del acelerador de una motocicleta), mientras que algunos helicópteros multimotor tienen palancas de potencia.
En muchos helicópteros propulsados por motores de pistón , el piloto manipula el acelerador para mantener la velocidad del rotor. Los helicópteros con motor de turbina y algunos helicópteros de pistón utilizan gobernadores u otros sistemas de control electromecánicos para mantener la velocidad del rotor y aliviar al piloto de la responsabilidad rutinaria de esa tarea. (Normalmente también hay disponible una reversión manual en caso de falla del gobernador).
Los pedales antitorque están ubicados en el mismo lugar que los pedales del timón de un avión y tienen un propósito similar: controlan la dirección hacia la que apunta el morro del avión. Al aplicar el pedal en una dirección determinada se cambia el paso de las palas del rotor de cola, lo que aumenta o reduce el empuje del rotor de cola y hace que la nariz se desvíe en la dirección del pedal aplicado [5]
Los diseños posteriores conocidos como ' NOTAR ' utilizan una corriente de aire para proporcionar control antipar en lugar de un rotor de cola. Esta corriente de aire se genera en el fuselaje mediante un pequeño ventilador o turbina y se dirige fuera de la parte trasera del brazo de cola a través de orificios de ventilación. Las paletas de control internas pueden variar este flujo, permitiendo controlar el eje de guiñada. Los sistemas NOTAR son más seguros que usar un rotor de cola giratorio, y la ausencia del rotor también elimina la resistencia asociada, lo que potencialmente aumenta la eficiencia. [6]
Hay tres condiciones básicas de vuelo para un helicóptero: vuelo estacionario, vuelo hacia adelante y autorrotación.
Algunos pilotos consideran que flotar es el aspecto más desafiante del vuelo en helicóptero. [7] Debido a que los helicópteros son generalmente dinámicamente inestables, las desviaciones de una actitud determinada no se corrigen sin la intervención del piloto. Por lo tanto, el piloto debe realizar frecuentes entradas de control y correcciones para mantener el helicóptero en una ubicación y altitud deseadas. El uso que hace el piloto de las entradas de control en vuelo estacionario es el siguiente: el cíclico se utiliza para eliminar la deriva en el plano horizontal (por ejemplo, movimiento hacia adelante, hacia atrás y de lado a lado); el colectivo se utiliza para mantener la altitud deseada; y los pedales del rotor de cola (o sistema anti-torque) se utilizan para controlar la dirección del morro o el rumbo . Es la interacción de estos controles lo que puede dificultar el aprendizaje del vuelo estacionario, ya que a menudo un ajuste en cualquier control requiere el ajuste de los otros dos, lo que requiere que el piloto esté familiarizado con el acoplamiento de las entradas de control necesarias para producir un vuelo suave.
En vuelo hacia adelante, los controles de vuelo de un helicóptero se comportan más como los de un avión de ala fija. Mover el cíclico hacia adelante hace que el morro se incline hacia abajo, perdiendo así altitud y aumentando la velocidad del aire. Mover el cíclico hacia atrás hace que el morro se levante, lo que ralentiza el helicóptero y lo hace ascender. Aumentar el colectivo (potencia) mientras se mantiene una velocidad constante induce un ascenso, mientras que disminuir el colectivo (potencia) hace que el helicóptero descienda. La coordinación de estas dos entradas, colectivo descendente más cíclico de popa (atrás) o colectivo ascendente más cíclico de avance provoca cambios en la velocidad del aire mientras se mantiene una altitud constante. Los pedales cumplen la misma función tanto en un helicóptero como en un avión, mantener un vuelo equilibrado. Esto se hace aplicando un pedal en la dirección necesaria para centrar la bola en el indicador de giro e inclinación .
El vuelo hacia adelante en un helicóptero tiene limitaciones diferentes a las de un avión de ala fija. En un avión de ala fija, la velocidad máxima está limitada por la tensión que la estructura del avión puede soportar; en un helicóptero está limitado por las RPM del rotor y la velocidad efectiva sobre cada pala. [5]
En un vuelo estacionario, cada pala del rotor experimentará la misma velocidad aerodinámica a RPM constantes. En condiciones de vuelo hacia adelante, una pala del rotor se moverá hacia la corriente de aire que se aproxima mientras la otra se aleja de ella. A ciertas velocidades, esto puede crear una condición peligrosa en la que la pala del rotor en retroceso se detiene, provocando un vuelo inestable. [5]
Para helicópteros con dos rotores montados horizontalmente, los cambios de actitud a menudo requieren que los dos rotores se comporten de manera inversa en respuesta a las entradas de control estándar del piloto. Aquellos con rotores coaxiales (como el Kamov Ka-50 ) tienen ambos rotores montados en el mismo mástil, uno encima del otro en ejes de transmisión concéntricos que giran en sentido contrario (girando en direcciones opuestas sobre un eje compartido) y realizan cambios de guiñada aumentando la paso colectivo del rotor que gira en la dirección del giro deseado y al mismo tiempo se reduce el paso colectivo del otro, creando una disimetría del par.
Las naves con rotores en tándem (como en el Boeing CH-47 Chinook ) también emplean dos rotores que giran en direcciones opuestas (lo que se denomina contrarrotación cuando ocurre desde dos puntos separados en la misma estructura del avión), pero tienen los rotores en ejes de transmisión separados a través de mástiles. en la nariz y la cola. Esta configuración utiliza un paso colectivo diferencial para cambiar la actitud de cabeceo general de la aeronave. Cuando el piloto mueve el cíclico hacia adelante para inclinar el morro hacia abajo y acelerar hacia adelante, el helicóptero responde disminuyendo el paso colectivo en el rotor delantero y aumentando proporcionalmente el paso colectivo en el rotor trasero, girando los dos extremos alrededor de su centro de masa común . Los cambios en la guiñada se realizan con paso cíclico diferencial , el rotor delantero altera el paso cíclico en la dirección deseada y el paso opuesto se aplica a la parte trasera, girando una vez más la nave alrededor de su centro.
Por el contrario, los helicópteros contrarrotativos con rotor sincrónico y montado transversalmente (como el rotor basculante Bell/Boeing V-22 ) tienen dos grandes conjuntos de rotores horizontales montados uno al lado del otro y utilizan un paso colectivo diferencial para afectar el balanceo de la aeronave. Al igual que los rotores en tándem, el paso cíclico diferencial se utiliza para controlar el movimiento alrededor del eje de guiñada.