¿Cómo vuelan los helicópteros? (La aerodinámica explicada)

Hay una broma en ingeniería espacial, que dice: solo Dios sabe como vuela un avión, pero ni Dios sabe como funciona un helicóptero

La idea del helicóptero existe desde el siglo XV, cuando Leonardo da Vinci esbozó su diagrama de un "tornillo aéreo". Se concibieron diseños teóricos adicionales durante los siglos siguientes, pero los helicópteros funcionales de primera generación no se construyeron hasta principios del siglo XX, alrededor de la Primera Guerra Mundial.

Estos primeros modelos eran inestables y poco fiables. No fue hasta 1939 que Igor Sikorsky finalmente produjo el primer helicóptero verdaderamente funcional y práctico: el VS-300.

Si diseñar y producir helicópteros fue difícil, aprender cómo vuelan también puede ser un desafío. La aerodinámica de los aviones de ala fija tiene sentido. Es bastante fácil ver y comprender cómo un perfil aerodinámico fijo y plano que se mueve en el aire en la dirección de desplazamiento genera sustentación.

Todos podemos simular eso simplemente sacando la mano por la ventanilla de un automóvil en movimiento y ajustando el ángulo de la palma con respecto al suelo.

Los helicópteros son más complejos. No es tan sencillo visualizar cómo las pequeñas y estrechas palas giratorias de un helicóptero generan suficiente sustentación para impulsar el avión hacia los cielos, y mucho menos cómo las naves de rotor manejan el movimiento recto hacia arriba y hacia abajo, hacia la izquierda y hacia la derecha, hacia adelante y hacia atrás.

Si está listo para aprender un poco, quédese, porque hoy estamos desmitificando la aerodinámica del vuelo en helicóptero. También responderemos algunas de sus preguntas más candentes sobre helicópteros.

Saltemos a ello.

¿Qué fuerzas se utilizan en un helicóptero?

Empezaremos con lo básico. Al igual que los aviones de ala fija, las tres fuerzas aerodinámicas que afectan a los helicópteros son:

- Elevar
- Empuje
- Arrastrar

El empuje y la resistencia son fuerzas opuestas, mientras que la gravedad se opone a la sustentación. Así es como los helicópteros generan sustentación, empuje y resistencia.

Elevar

En un helicóptero, la sustentación es generada por el flujo de aire que se mueve a través de las palas del rotor que giran. Los aviones de ala fija deben moverse por la pista para generar sustentación, pero los helicópteros generan sustentación mientras permanecen estacionarios con las palas del rotor principal y el rotor de cola girando.

Empuje

Los aviones de ala fija producen empuje directamente a través de sus motores. Los helicópteros, por otro lado, convierten la sustentación en empuje cuando la inclinación del rotor principal altera el vector de sustentación (más sobre esto más adelante).

Arrastrar

Al igual que con los aviones de ala fija, el flujo de aire a través del cuerpo del helicóptero produce resistencia durante el vuelo.

Controles de helicópteros

Controles de helicópteros versus controles de aviones

Los helicópteros tienen un acelerador como los aviones de ala fija, junto con pedales (aunque estos se usan para el rotor de cola en lugar del timón), pero los helicópteros tienen otros controles que son diferentes a los de los aviones. Los controles cíclicos y colectivos son exclusivos de los aviones rotatorios.

Control colectivo

La palanca colectiva en el lado izquierdo del piloto controla el paso de los rotores principales. Los ajustes de paso iguales se realizan colectivamente en todas las palas al mismo tiempo (de ahí el nombre).

Los ajustes de paso del rotor principal se utilizan para mover el helicóptero verticalmente hacia arriba y hacia abajo. Cuando se aumenta el cabeceo, el helicóptero asciende. Una disminución del paso del rotor principal permite que el helicóptero descienda.

El control colectivo está vinculado a la potencia del motor, ya que un mayor paso requiere una mayor potencia del motor para mantener la velocidad del rotor.

Control cíclico

Los movimientos hacia adelante, hacia atrás y de lado a lado del helicóptero se controlan con la palanca de control cíclico (un joystick colocado entre las piernas del piloto). Al igual que el colectivo, el control cíclico también ajusta el paso de las palas del rotor principal, pero en lugar de ajustes simultáneos, las entradas de control cíclico se realizan a cada pala en el mismo punto de su ciclo.

Pedales

En lugar de controlar el timón, los pedales de un helicóptero controlan el paso del rotor de cola. El ángulo de inclinación predeterminado del rotor de cola está configurado para compensar la tendencia natural de balanceo hacia la derecha del helicóptero.

Al presionar el pedal derecho se desplaza el morro del helicóptero hacia la derecha y la cola hacia la izquierda, mientras que al presionar el pedal izquierdo se mueve el morro hacia la izquierda y la cola hacia la derecha.

¿Cómo despegan los helicópteros?

Mientras que los aviones de ala fija necesitan rodar por una pista para ganar suficiente velocidad y sustentación para el despegue, los helicópteros generan sustentación para el despegue gracias al flujo de aire que se mueve sobre las palas de sus rotores giratorios mientras el helicóptero está en el suelo.

Para despegar, los pilotos de helicópteros abren el acelerador para aumentar la velocidad del rotor. Las palas del rotor principal giran hasta que su rotación alcanza una velocidad suficiente para generar sustentación.

Una vez que el rotor principal genera sustentación, el piloto levanta lentamente el colectivo para cambiar simultáneamente el paso de todas las palas del rotor.

A medida que la entrada colectiva aumenta el par del rotor, el piloto presiona el pedal izquierdo y utiliza el rotor de cola para contrarrestar y compensar el par.

Cuando la sustentación generada por el rotor principal excede el peso del helicóptero, la nave se eleva verticalmente en el aire y pasa a un estado estacionario.

Nota: El rotor de cola del helicóptero es muy importante para un vuelo controlado. El rotor de cola funciona como una hélice para compensar el par generado por la fuerza opuesta del motor.

El rotor de cola mantiene el helicóptero recto y evita que gire fuera de control en la dirección opuesta al rotor principal. También se puede utilizar para girar y dirigir el helicóptero generando un movimiento de guiñada.

Flujo de aire en vuelo estacionario

Cuando los helicópteros están en vuelo estacionario sin viento, el flujo de aire y el manejo cambian dependiendo de qué tan cerca estén del suelo y de si están dentro o fuera del efecto suelo.

Si los helicópteros flotan dentro del diámetro de un rotor de la superficie, están en efecto suelo. En el efecto suelo, el flujo de aire vertical que pasa a través de los rotores golpea el suelo y es expulsado. También se generan pequeños vórtices en las puntas de las alas.

Cuando no hay efecto suelo, el flujo de aire vertical continúa hacia abajo. Sin el movimiento hacia afuera del flujo de aire descendente, los vórtices de las puntas de las alas no se ven afectados y crecen más de lo que lo harían si estuviera en efecto suelo. Los vórtices más grandes en las puntas de las alas disminuyen la sustentación.

Desde un punto de vista práctico, esto significa que los helicópteros tienen más sustentación cuando están flotando dentro del efecto suelo que cuando están fuera del efecto suelo. Cuando un piloto despega, necesita usar el colectivo para aumentar el cabeceo y compensar la disminución de la sustentación; de lo contrario, el avión se hundirá cuando salga del efecto suelo.

¿Cómo vuelan los helicópteros?

Una vez que un helicóptero despega, el piloto pasa de un vuelo estacionario a un vuelo direccional (hacia adelante, hacia atrás y hacia los lados) utilizando entradas cíclicas para inclinar el rotor. La inclinación del rotor crea una sustentación desequilibrada y, por lo tanto, un empuje.

La palanca cíclica se empuja en la dirección de desplazamiento prevista, lo que hace que las palas del rotor se inclinen más hacia esa dirección. El mayor ángulo de ataque genera sustentación en la dirección opuesta, y la sustentación desequilibrada permite que el helicóptero se mueva en dirección lateral.

Principios únicos de la aerodinámica de los helicópteros

Si ha estudiado las fuerzas aerodinámicas básicas, encontrará que muchos de los principios aerodinámicos del vuelo de ala fija también se aplican a los helicópteros, aunque las naves de rotor también tienen algunos principios únicos.

Disimetría de elevación

Cuando un avión de ala fija está en vuelo recto y nivelado, el flujo de aire es el mismo en ambas alas. Este flujo de aire igual produce una elevación simétrica.

Cuando se trata de la aerodinámica de un helicóptero, las palas giran en círculo a medida que el avión avanza, y hay palas que avanzan (que se mueven en la dirección del vuelo) y palas del rotor que retroceden (que se alejan de la dirección del vuelo).

Las aspas que avanzan experimentan un mayor flujo de aire y las aspas que retroceden tienen un flujo de aire menor. Este flujo de aire inigualable provoca un desajuste en la generación de sustentación, por lo tanto, una disimetría de la sustentación . Los helicópteros compensan la asimetría de la sustentación utilizando diseños de aleteo de palas y técnicas de abanderamiento cíclico.

Precesión giroscópica

Los efectos de la precesión giroscópica son causados por la rotación, por lo que la precesión giroscópica no se aplica a los aviones de ala fija. Para los pilotos de helicópteros, la precesión giroscópica significa que los efectos de cualquier entrada que se realice se producirán 90 grados más tarde.

Por ejemplo, cuando un piloto de ala fija realiza acciones de control para elevar el morro del avión, el morro sube y las alas permanecen niveladas.

Si un piloto de helicóptero levanta el morro mientras la pala del rotor está en la posición delantera, el aumento de inclinación se expresará 90 grados más tarde como un aumento de inclinación en el lado izquierdo de la aeronave, lo que provocará un balanceo hacia la derecha.

Efecto de flujo transversal

El efecto de flujo transversal es un fenómeno específico de los helicópteros que ocurre cuando la dirección del flujo de aire cambia de vertical a horizontal. Cuando un helicóptero comienza a pasar de un vuelo estacionario a un vuelo hacia adelante, experimenta un movimiento de balanceo hacia la derecha y ligeras vibraciones causadas por el efecto del flujo transversal.

En vuelo estacionario, la mayor parte del flujo de aire a través de los rotores es vertical, mientras que durante el vuelo hacia adelante, la mayor parte del flujo de aire es horizontal. Esto significa que cuando un helicóptero pasa de estar estacionario a volar, la dirección del flujo de aire cambia y genera un flujo transversal.

A una velocidad de 10 a 20 nudos, el flujo de aire es más horizontal en la mitad delantera de los rotores y más vertical en la mitad trasera. La mitad delantera de las palas tiene más sustentación que la mitad trasera.

Como ya cubrimos, debido a la precesión giroscópica, el aumento y la disminución de la sustentación se expresan 90 grados después de que ocurren. Esto significa que a medida que los pilotos pasan de un vuelo estacionario a un vuelo hacia adelante, sentirán un balanceo hacia la derecha y necesitarán aplicar una entrada cíclica hacia la izquierda para compensar.

Elevación traslacional efectiva

Cuando un helicóptero pasa de un vuelo estacionario a un vuelo hacia adelante, lo hace generando sustentación traslacional. La sustentación traslacional efectiva ocurre cuando el sistema del rotor principal supera completamente los vórtices de las puntas del ala y el helicóptero está operando en un ambiente de aire limpio.

En esta etapa, el flujo de aire ha completado la transición de vertical a horizontal y los pequeños vórtices en las puntas de las alas que se generan ocurren detrás del sistema de rotor.

La sustentación traslacional efectiva se genera primero a velocidades de entre 16 y 24 nudos. El morro querrá inclinarse hacia arriba durante la transición a la sustentación traslacional, y el piloto tiene que compensar mediante una entrada de control cíclico hacia adelante.

Diferencia entre helicópteros y aviones

Los aviones y los helicópteros son máquinas voladoras comunes, pero como compartimos, tienen algunas diferencias clave.

Aquí hay una descripción general rápida:

El empuje es generado por un motor o hélice en un avión y por el paso de las palas del rotor principal en un helicóptero.
Los helicópteros tienen controles colectivos y cíclicos que los aviones no tienen.
Los pilotos de helicópteros necesitan más entradas de control para mantener la estabilidad de la aeronave.
Los helicópteros pueden despegar y aterrizar en espacios reducidos sin pistas.
Los helicópteros pueden moverse lateralmente y ascender y descender verticalmente.
Los helicópteros pueden flotar en el lugar.
En caso de fallo del motor, un avión de ala fija intentaría planear hasta aterrizar, mientras que un helicóptero utilizaría la autorrotación para intentar aterrizar.

Preguntas frecuentes sobre helicópteros

Finalmente, como prometí, aquí hay algunas respuestas rápidas a todo lo que quería saber sobre los helicópteros.

¿A qué altura vuelan los helicópteros?

El vuelo en helicóptero más alto del mundo fue de 42.000 pies en un AS 350 B2 Squirrel . Sin embargo, el Squirrel es un caso atípico, ya que la mayoría de los helicópteros vuelan alrededor del rango de 5,000 pies e incluso los helicópteros de alto rendimiento generalmente permanecen a 10,000 pies.

Las altitudes máximas de los helicópteros son más bajas que las de los aviones de ala fija porque a medida que el aire se adelgaza, es necesario aumentar el paso de las palas del rotor para compensar.

Sólo se puede hacer un ajuste de inclinación limitado debido al diseño de las palas, y cuando ya no se puede ajustar la inclinación, el helicóptero no puede generar sustentación.

¿Hasta dónde pueden volar los helicópteros?

El vuelo en helicóptero más largo registrado fue un viaje de 2213 millas realizado en un Hughes YOH-6 Cayuse. El helicóptero de mayor alcance actualmente en vuelo es el Bell Boeing V-22 Osprey con un alcance de 2230 millas.

A diferencia de los aviones de ala fija, los helicópteros no están diseñados para vuelos prolongados y el alcance promedio de un helicóptero está más cerca de 200 a 800 millas, según el tamaño y el tipo de helicóptero.

¿Qué tan rápido pueden volar los helicópteros?

El helicóptero más rápido del mundo es el Eurocopter X3 con una velocidad máxima de 295 millas por hora (255 nudos). Por el contrario, el helicóptero militar más rápido es el Chinook CH-47F, que alcanza 195 millas por hora (170 nudos).

El Airbus H155 es otro helicóptero rápido para civiles con una velocidad máxima de 200 millas por hora (174 nudos). La velocidad media de los helicópteros oscila entre 150 y 200 millas por hora.

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Es tu turno

¿Eres piloto de helicóptero o estudiante? ¿Cuál fue la parte más desafiante de aprender a volar un avión de rotor versus uno de ala fija? Comparta lo que más le gusta de volar helicópteros o por qué le gustaría probar un helicóptero si actualmente es un operador de ala fija. Nos encantaría saber de usted.

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