AERODINAMICA PARA HELICOPTEROS

LEYES DE NEWTONPRIMERA LEY: Un cuerpo en reposo se mantendrá en reposo y un cuerpo en movimiento se mantendrá en movimiento en la misma dirección y velocidad hasta que una fuerza externa actué sobre él. La resistencia a cambiar de estado se llama inercia.SEGUNDA LEY: La fuerza requerida para producir un cambio linear en un cuerpo es directamente proporcional al producto de la masa y aceleración. Aceleración es el cambio en la magnitud o dirección del vector velocidad respecto al tiempo.TERCERA LEY: Para cada acción hay una reacción igual en sentido contrario.PERFILESUn objeto que produce reacciones aerodinámicas usables cuando se mueve a través del aire. Un perfil es el corte de una sección de un plano o superficie de control o de una pala de rotor; puede ser simétrica si tiene las dos mitades iguales o asimétrica si tiene alguna de las mitades diferente.

TERMINOLOGIA DE PERFILES Centro Aerodinámico: El punto sobre la cuerda sobre el cual el coeficiente de momento es constante cuando hay cambios de ángulo de ataque, también donde los cambios de sustentación realmente suceden. Angulo de Ataque: El ángulo entre la línea de cuerda y el viento relativo resultante. Angulo de Incidencia: El ángulo entre la cuerda y el disco rotor. Ley de Bernoulli: Dice que en un flujo de flujo incompresible, la suma de las presiones estáticas y dinámicas se mantienen constantes si la gravedad y fricción no son tenidas en cuenta. Flujo Laminar: Es la porción de flujo de aire que se mueve más despacio en la parte más cercana al perfil. Es tan delgada como una carta pero se puede ampliar hasta un cuarto de pulgada en el borde de fuga. Centro de presión: El punto a lo largo de la cuerda a través del cual todas las fuerzas aerodinámicas actúan. Cuerda: Una línea recta que conecta los bordes de ataque y fuga. Resistencia: La fuerza opuesta al movimiento de un perfil, es paralela al viento relativo. Velocidad de perfil: La velocidad y dirección del perfil a medida que pasa a través del aire. Flujo Inducido: El vector de aire perpendicular a la trayectoria de rotación producida cuando el rotor se sustenta. Sustentación: La fuerza perpendicular al viento relativo. Viento Relativo: Aire en movimiento respecto del perfil que es susceptible de cambio por el flujo inducido. Viento Relativo Resultante: Es el flujo de aire resultante de la rotación que es modificado por el

flujo inducido. Viento Relativo de Rotación: Es el producido por el movimiento de las palas del rotor.FUERZA AERODINAMICA TOTALA medida que el aire fluye alrededor de un perfil, las moléculas que van por arriba deben viajar más rápido que las de abajo para encontrarse al tiempo al final del perfil. La combinación de esta fuerza de presión diferencial y la resistencia de perfil es conocida

como fuerza aerodinámica total FAT. Esta actúa en el centro de presión y se divide en dos: Sustentación y Resistencia. FUERZAS QUE ACTUAN EN UNA AERONAVE

TIPOS DE RESISTENCIALa carta a continuación puede ser usada para mostrar los tipos y distribución de resistencia así como de potencia. Definiciones como inducida, parásita y de perfil pueden ser aplicadas a resistencia y a potencia. La carta de abajo muestra que a 0 velocidad 0 resistencia parásita, a medida que la velocidad aumenta, la resistencia parásita aumenta lo que a la postre también aumenta la potencia requerida.RESISTENCIA INDUCIDA Resulta de la inclinación hacia atrás del vector de sustentación, debido a las velocidades hacia abajo que crea el flujo de rotor. Es grande en estacionario y disminuye con la velocidad.RESISTENCIA PARASITA Debida a la resistencia creada por el fuselaje, tren de aterrizaje, núcleo de rotor y las partes que no crean sustentación. Es cero en estacionario pero aumenta rápidamente con la velocidad.RESISTENCIA DE PERFIL Debida a la fricción del aire con la piel de las palas de rotor. Se mantiene relativamente constante con la velocidad hasta que ocurre la pérdida por alta velocidad o la compresibilidad de la pala.

TIPOS DE SISTEMA ROTORARTICULADO El núcleo está montado rígidamente al mástil, las palas van unidas con pines tipo bisagra, que permiten el aleteo y el adelanto y retraso. Cada pala individualmente puede aletear, adelantarse, retrasarse o cambiar de ángulo de incidencia.SEMIRIGIDO Unicamente para dos palas, el núcleo está unido al mástil con una balinera que permite el movimiento de las palas como una unidad. No tiene adelanto, ni retraso. Otra balinera se usa para los cambios de ángulo de incidencia.RIGIDO SIN PIN BISAGRA Todos los movimientos se hacen gracias a la flexibilidad de los componentes. Solo se usa una balinera para los cambios de ángulo de incidencia.RIGIDO SIN BALINERAS Es el más avanzado de todos, pues todos los movimientos se hacen sin balineras.CARACTERISTICAS DEL SISTEMA ROTORTORSION DE PALA Esto se debe a la necesidad que existe de igualar la sustentación en la punta y la raíz de la pala por diferencia de velocidades. Esto retarda la entrada en pérdida de la pala y mejora el rendimiento en estacionario.RETARDO DE FASE Un rotor reacciona como un giróscopo, si una fuerza es aplicada esta se manifestará 90 grados después en la dirección de rotación.MOVIMIENTOS DE LAS PALASADELANTO Y RETRASO Cuando a las palas con bisagra se les permite moverse adelante y atrás en el plano de rotación sin importarle las otras.

Normalmente una pala es afectada por fuerzas que cambian constantemente (resistencia), haciendo que la pala cambie de velocidad atrasándose o adelantándose. Otro efecto se traduce en el aleteo que mueve el centro de gravedad hacia el centro de rotación y hacia fuera del mismo, este movimiento causa que la pala acelere y retrase su velocidad, debido a la fuerza de coriolis. Una balinera permite el movimiento arriba y abajo sin impartir estrés en la pala, se necesita un amortiguador si se quiere cancelar la resonancia en tierra.ENBANDERAMIENTO CICLICO Es un movimiento mecánico que cambia el ángulo de la pala, se define también entre la pala y su plano de rotación; tanto el cíclico como el colectivo tienen influencia sobre él.

ALETEO El movimiento arriba y debajo de una pala

sobre la balinera para tal fin que se produce en la rotación. Está referida al plano vertical del mástil del

rotor; esto permite al piloto inclinar el plano de rotación para controlar la aeronave.CONEO Es un doblamiento hacia arriba de las palas cuando se produce sustentación. Cuando las palas no giran estas se doblan al no ser rígidas, pero cuando comienza a girar estas se tornan rígidas por la fuerza centrífuga. Si las R.P.M. se mantienen constantes, el conéo aumenta con el aumento de peso o fuerzas G.; si el peso y las fuerzas G. se mantienen constantes al disminuir R.P.M. el conéo aumentará. El conéo también está presente en el vuelo hacia delante debido al balance de fuerzas en el rotor principal.TORQUE De acuerdo a la tercera ley de Newton, el fuselaje del helicóptero tenderá a virar en dirección opuesta al rotor principal, esto es llamado el efecto de torque, este efecto debe ser eliminado antes de volar. En helicópteros de dos rotores o en tandém esto se hace gracias a que giran en sentidos opuestos; en los que solo poseen uno se debe hacer con el uso de un rotor de cola ya sea de empuje o tracción o con un fan, a fin de balancear las fuerzas.TENDENCIA TRANSLACIONALEl empuje producido por los dispositivos anti-torque tienden a desplazar el helicóptero a los lados. Para mantener una posición estable el aviador tiene que usar el cíclico en la dirección opuesta. Aquellas aeronaves

que tienen rotores que giren hacia la derecha, tenderán a

moverse hacia la derecha en estacionario.AERODINAMICA EN ESTACIONARIO

De

acuerdo a la segunda ley de Newton, el rotor produce empuje, tomando aire de encima y

enviándolo a gran velocidad hacia abajo, donde se crean ondas que alcanzan su máxima velocidad a in cuarto del

diámetro del rotor. La velocidad inducida

por el proceso resulta en una velocidad resultante hacia abajo y por ende una inclinación atrás del vector de sustentación respecto al eje de rotación; más de la mitad de la potencia se consume en

cancelar este efecto. La potencia requerida depende entonces de cuanto aire se maneja, para una cantidad determinada de empuje entre más

grande el rotor, menor la potencia requerida, también en estacionario la punta de pala reduce la efectividad de las porciones externas del rotor. El vórtice de la pala precedente, afecta severamente las siguientes, esta continúa ingestión de vórtices agrava los requerimientos de potencia.EFECTO DE TIERRA Es una condición de sustentación mejorada, que se encuentra cuando se opera cerca al suelo. Se debe a la interferencia que produce la superficie con el patrón de flujo y se incrementa entre más cerca se este a él suelo. Esta interferencia causa una reducción del flujo inducido, que reduce la resistencia inducida y hace el vector de sustentación más vertical, haciendo que mejore la eficiencia hasta en un 30%. Esta cercanía al suelo también reduce la interferencia de los vórtices.AERODINAMICA EN VUELO CRUCERODISIMETRIA DE SUSTENTACION La diferencia en sustentación que existe entre la mitad del rotor que avanza y la que retrocede. En vuelo crucero el viento relativo en la mitad que avanza es la suma del viento relativo de rotación y la velocidad adelante; en la mitad que retrocede, es la resta entre el viento relativo de rotación y la velocidad adelante; en otras palabras a la pala que avanza se le suma la velocidad y a la que retrocede se le resta. Para poder controlar el helicóptero las dos sustentaciones deben ser iguales, para compensar esta diferencia se usan cambios en el ángulo de ataque, ya sea por aleteo de la pala, por el enbanderamiento cíclico o por el adelanto y retraso de la pala. El cambio en el cíclico es inducido por el piloto o puede ser automático en aeronaves complejas. Cada efecto disminuye el ángulo de ataque en la mitad que avanza y aumenta el ángulo en la que retrasa. Sin embargo cerca al mástil las velocidades del flujo de aire se vuelven negativas para la pala que retrocede, a esto se le llama región de flujo reverso. La sustentación en esta área es más hacia abajo que hacia arriba, pero es demasiado pequeña a altas velocidades como para tenerse en cuenta.SUSTENTACION TRASLACIONAL Desde vuelo estacionario hacia vuelo crucero, la velocidad inducida es reducida y por ende con el

mismo ángulo colectivo, el ángulo de ataque en las palas se incrementa, esto resulta en una mejora del sistema rotor, que a su vez es más eficiente con cada nudo de velocidad adicional o de aire hacia el rotor por el movimiento, hasta que finalmente los vórtices se quedan atrás y el helicóptero encuentra lo que se llama sustentación traslacional efectiva. De 16 a 24 nudos el sistema rotor se limpia totalmente aumentando la sustentación notablemente. También empieza a surtir efecto la disimetría de sustentación causando una actitud de nariz arriba por lo que se requiere el uso de cíclico para mantener la actitud de despegue.

FLUJO TRANSVERSO La diferencia de sustentación que existe entre la parte delantera y trasera del disco rotor, causada por la diferencia de ángulo de ataque causada por el coneo y debido a que la mitad trasera está sujeta a un flujo de aire inducido mayor que el de la mitad delantera; por este aumento del flujo inducido hay un aumento de la resistencia y una disminución en la sustentación en la mitad trasera. Para balancear esto se utiliza el cíclico a la izquierda, para aumentar el ángulo de ataque en la mitad trasera y disminuirlo en la mitad delantera. A bajas velocidades se sentirán vibraciones a medida que los vórtices se acumulan en el frente del rotor, estos van inicialmente arriba y luego caen a través del disco rotor creando grandes cambios de ángulo de ataque. Este efecto es más notable en las aproximaciones.SITUACIONES DE EMERGENCIARESONANCIA EN TIERRA Los helicópteros que permiten adelanto y retraso en sus palas, pueden experimentar un proceso destructivo que ocurre solo en el suelo y que comienza como una acumulación de las palas en un lado del disco rotor, donde generan una fuerza centrífuga desbalanceada que se alimenta de la frecuencia con que vibra normalmente la estructura al aterrizar. Los diseñadores han evitado esto a través del uso de amortiguadores pero si se detecta este tipo de situación el piloto debe despegar de inmediato y estabilizar la aeronave.PERDIDA DE LA PALA QUE RETROCEDE Se trata de una pérdida que empieza en la punta de la pala, causada por el alto ángulo de ataque que se requiere para compensar la disimetría de sustentación. A medida que la velocidad de la pala que retrocede disminuye con el aumento de la velocidad del helicóptero, la pala aumenta su ángulo para mantener igual la sustentación en ambos lados del disco rotor; si el ángulo continua aumentando, la pala que retrocede alcanzará su ángulo de pérdida, causando un momento bastante grande en las palas, torciéndolas hacia abajo. No todas las palas reaccionan igual, por lo que en un principio la indicación de la proximidad de la pérdida será la vibración en aumento, acompañada de un cabeceo arriba y un alabeo en dirección de la porción de disco que este en pérdida. Se ha reportado incluso la pérdida de control en casos donde se ha permitido que se agrave la condición. Sin embargo en túneles de viento se ha demostrado que se puede mantener un helicóptero hasta condiciones bastante graves de pérdida; la mayoría de aeronaves se quedan sin

potencia antes de llegar a la pérdida

en vuelo recto y a nivel, pero es vital recordar que las maniobras

aceleran el proceso de la pérdida. Si se

sospecha la pérdida lo mejor es reducir la

velocidad y la severidad de la maniobra. Las

condiciones que inducen más fácilmente la pérdida son: alto peso bruto, bajas R.P.M., alta altura por densidad, virajes abruptos o bruscos, turbulencia y altas velocidades. Si se sospecha de la pérdida reduzca la potencia, velocidad, y severidad de la maniobra,

chequee el centraje y aumente las R.P.M., si se requiere cíclico lateral aplíquelo hacia el lado de la pérdida.HUNDIMIENTO CON POTENCIA Se trata de una condición en la que durante un vuelo con potencia el helicóptero se hunde en su propio flujo. Cuando una aeronave desciende casi vertical, a una velocidad igual a la del flujo inducido en el rotor (300 a 1000 pies por minuto), entra en una condición de flujos anormal. El flujo subirá en la parte exterior del rotor, pero bajará en la mayoría de este, el flujo toma una forma de dona pero es muy inestable y se le conoce como estado de anillos de vórtice.La potencia requerida para mantener esta condición puede ser mayor que la disponible por parte de la planta de potencia, para salir de esta situación el helicóptero debe ser llevado a vuelo traslacional entre 10 y 20 nudos; esta situación puede ser más recurrente en aterrizajes con viento de cola, aproximaciones de profundidad, enmascaramiento y desenmascaramiento, o en el flujo turbulento de otra aeronave. Las condiciones que se requieren o influyen son: alto peso bruto, un descenso vertical o casi vertical de por lo menos 300 pies por minuto, potencia aplicada de 20 a 100% y una velocidad de 10 nudos o menos.VOLTEO DINAMICO Un helicóptero despegando o aterrizando con solo un tren en tierra es susceptible a sufrir de esta emergencia. Esta situación puede ocurrir en terrenos nivelados pero es más crítica en áreas donde se opere en declives con viento cruzado. En una aeronave que tenga aplicada potencia parcialmente y se le descuide el pivote sobre el tren de aterrizaje, puede hacer que este ruede un poco más allá del punto donde el centro de gravedad aún permite un recobro. Se requieren de tres cosas para que esta emergencia suceda: un punto de pivote, un momento de alabeo y exceder el ángulo crítico. No incremente la potencia si experimenta esta condición ya que agravará la emergencia. La mejor forma de solucionar esta situación es evitarla a toda costa usando precaución cuando se opere en declives y siendo muy suave con los controles.