CONSTRUCCIÓN Y PRINCIPIO DE VUELO DEL HELICÓPTERO

El helicóptero monorrotor, como cualquier aeronave, tiene fuselaje, en el cual se alojan el piloto, los pasajeros, las cargas, el motor con sus transmisiones, el combustible, los equipos especiales y otros (Fig. 8).

Sobre la parte delantera del fuselaje se distribuye el rotor sustentador con tres palas y una viga de cola especial, así como el rotor antipar de tres palas.

Fig. 8. construcción del helicóptero monorrotor:1- fuselaje; 2-rotor sustentador; 3-rotor antipar; 4- motor;

5- reductor principal; 6-transmisión; 7- cabina del helicóptero

EL HELICÓPTERO

El Helicóptero es un aparato más pesado que el aire que no se eleva utilizando alas fijas como las de los aeroplanos convencionales, sino mediante uno o varios rotores motorizados que giran alrededor de un eje vertical situado sobre el fuselaje. Los helicópteros pueden elevarse y descender verticalmente, permanecer en una posición determinada y moverse hacia adelante, hacia atrás o hacia los lados. El helicóptero fue el primer tipo de aparato más pesado que el aire capaz de realizar un vuelo vertical. Se diferencia del autogiro, otra clase de aeronave con alas giratorias, en que el rotor proporciona sustentación, propulsión y casi todo el control de vuelo.

Rotores de helicóptero y sustentaciónLos rotores de helicóptero tienen forma de aerofoil, como las alas de los aviones, y proporcionan sustentación por el mismo principio. Sin embargo los helicópteros, al contrario que los aviones, pueden volar en cualquier dirección e incluso detenerse en el aire. Esto es debido al modo en que están montados los rotores. El movimiento de las palas a través del aire produce una fuerza de sustentación, suficiente para compensar el peso y la resistencia del aparato. El ángulo con el que la pala corta el aire se llama ángulo de ataque. Al variar el ángulo de ataque el helicóptero sube o baja. El piloto también puede ajustar el plano de revolución del rotor para conseguir empuje en cualquier dirección. Unas bisagras especiales, llamadas bisagras de batimiento, permiten a la pala absorber las diferencias de flujo de modo que el empuje es uniforme y el helicóptero no se balancea. Según gira el rotor, la pala que avanza sube y la pala que retrocede baja (abajo a la derecha).Esto se conoce como asimetría de la sustentación, ya que la pala desarrolla más sustentación con el aumento del flujo del aire, y esta sustentación no es igual a ambos lados del disco rotativo.

En los primeros autogiros, las palas estaban fijadas al mástil (eje principal que sostiene los rotores) por medio de una conexión muy rígida, de manera tal que cuando el disco rotativo se inclinaba, el mástil también acompañaba esa inclinación. Cuando los autogiros ganaban velocidad de avance en el despegue, la asimetría de sustentación desarrollada creaba más sustentación sobre un lado del disco rotativo que sobre el otro y como los rotores estaban adheridos rígidamente al mástil, el resultado era una inclinación lateral de todo el aparato. Esta tendencia fue solucionada con la construcción de una bisagra aleteadora, la cual abisagraba las palas al mástil de tal modo que las mismas podían moverse verticalmente sin afectar a éste, conociéndose este movimiento con el nombre de aleteo. Con estas mejoras los rotores giraban y la pala que retrocedía, al desarrollar menos sustentación que las palas que avanzaban, aumentaba el ángulo de ataque para crear más sustentación, de tal manera que en ambos lados del disco rotativo se producía el mismo grado de sustentación. Posteriormente, los helicópteros fueron construidos con bisagras resistentes además de las bisagras aleteadoras. Estas permitían que las palas se movieran ligeramente hacia atrás y adelante a la altura de la raíz (lugar donde van abisagradas al mástil), evitando fallas por fatiga, ya que las palas, al aletear, tiraban constantemente en dirección longitudinal.

En muchos modelos las palas están abisagradas al mástil por medio de un cubo, generalmente un anillo o sección de anillo circular unido al mástil de manera tal que las palas pueden moverse libremente vertical y horizontalmente (aleteando y resistiendo al avance). Este diseño se conoce como de rotor articulado, siendo mejor definido como un rotor cuyas palas individuales o colectivas pueden aletear, resistir el avance o perfilarse libremente (perfilarse es el término que se aplica a la rotación mecánica del cubo principal del rotor y de la pala alrededor del eje longitudinal). Cuando se acciona el control cíclico en la cabina, una placa conocida con el nombre de placa de unión (disco del rotor), a la cual van fijadas las palas, por medio de articuladores, se mueve o inclina en la forma deseada. Las palas también seguirán la "inclinación" de este disco, aleteando hasta tomar una posición que inclina al disco del rotor de manera tal que produzca el movimiento deseado. La sustentación de las palas tendería a flexionarlas hacia arriba si no fuera por la fuerza centrífuga desarrollada por su rotación, la cual tiende a aplanarlas o tirarlas hacia afuera. El movimiento de las palas hacia arriba, al crearse la sustentación, se conoce con el nombre de flexión y la posición resultante de las puntas de las palas puede determinarse componiendo las fuerzas de sustentación y centrífuga. La bisagra de resistencia es particularmente importante, ya que reduce la fatiga de las palas, debido al desequilibrio geométrico durante el vuelo de avance; eso se denomina sustentación asimétrica.

 

El rotor de un helicóptero tiene normalmente dos o más palas dispuestas simétricamente alrededor de un buje o eje central que las sujeta durante el giro. El rotor está impulsado por un motor, por lo general situado en el fuselaje, a través de unos engranajes que reducen la velocidad de rotación por debajo de la velocidad del motor. Una característica importante del diseño de los helicópteros es el desarrollo de sistemas para contrarrestar el par de fuerzas o fuerza de reacción que se produce cuando la rotación del rotor en un sentido tiende a girar el fuselaje en la sentido contrario (momento de fuerza). La forma más común de sistema antipar es un pequeño propulsor, similar al propulsor de un aeroplano, colocado en la cola del helicóptero sobre un eje lateral, en tal posición que empuja la cola hacia un lado. Otros tipos de helicóptero usan rotores principales acoplados que giran en sentidos opuestos y neutralizan automáticamente el par de fuerzas del otro. En algunos helicópteros, los rotores acoplados están colocados uno encima del otro en un mismo eje, mientras que en otros están situados sobre montantes en un lateral del fuselaje o delante y detrás del fuselaje. Los helicópteros experimentales han utilizado pequeños motores de propulsión a chorro colocados en los extremos de las palas del rotor para proporcionar potencia y eliminar el par de fuerzas.

El motor del helicóptero con la ayuda de las transmisiones gira al rotor sustentador y al rotor antipar ó de cola.Las palas del rotor sustentador, que se desplazan durante la rotación del rotor relativo al aire, crean la fuerza de sustentación dirigido hacia arriba.El momento reactivo se equilibra por el momento de empuje del rotor antipar.Para el despegue del helicóptero, el piloto con la ayuda del mando del helicóptero, aumenta la potencia y las revoluciones del motor, con esto aumenta simultáneamente en igual magnitud el ángulo de paso (ó incidencia) en las tres palas del rotor sustentador (paso colectivo del rotor), el empuje del rotor sustentador aumenta y cuando sobrepasa el peso del helicóptero, suavemente se separa de la tierra y comienza a tomar altura en forma vertical.

Al tomar altura, el piloto, actuando en el rotor sustentador con ayuda del mando, puede deflexionar el plano de su rotación en el lado necesario.El empuje del motor que siempre es perpendicular al plano de su rotación, se deflexiona en el mismo lado y el helicóptero comienza a desplazarse en esta dirección. Variando el empuje del rotor antipar con ayuda de pedales del comando por pedal, el piloto puede hacer virar al helicóptero en el lado necesario.Para el descenso del helicóptero y su aterrizaje, el piloto aumenta la potencia del motor y el paso colectivo del rotor; la disminución de la fuerza de sustentación del rotor sustentador lleva hacia el descenso del helicóptero. El aterrizaje, como regla, se realiza verticalmente sin traslación ó desplazamiento.

Este aterrizaje que tiene como fin, el de aligerar el peso del helicóptero y simplificar la construcción, permite utilizar el tren de aterrizaje sin ruedas. En algunos helicópteros ligeros se encuentran tipos de trenes de patines ó cantilever.El tren de aterrizaje de tipo cantilever, además de aligerar el helicóptero, permite realizar el aterrizaje en tierra firme y en el agua. El tren de patines aumenta la seguridad del aterrizaje en superficies accidentadas. El helicóptero monorrotor tiene generalmente un tren de aterrizaje triciclo con rueda orientable de nariz (delantera). Este tren suministra la posibilidad del rodaje del helicóptero por una superficie suficientemente uniforme.

CABINA DEL HELICÓPTERO

La cabina del helicóptero de entrenamiento se diferencia de la cabina de un helicóptero común solamente por la presencia de un segundo mando. El asiento delantero del helicóptero de entrenamiento esta destinado para el alumno y el posterior para el instructor.En la cabina están distribuidos las palancas de mando, los equipos, conectadores de diferentes consumidores de energía eléctrica (Fig. 9)

Fig.9. Cabina del helicóptero:

1- panel de la radio; 2-panel del radiogoniómetro; 3-mando de las compuertas de refrigeración del motor; 4- mando de los tabs; 5- palanca “mando de paso colectivo”; 6- panel de instrumentos; 7- palanca de mando; 8- pedales; 9- sub panel de conectores; 10- palanca de embrague de encendido; 11- palanca de freno del rotor sustentador

A la izquierda, al lado del asiento, esta ubicado la palanca de mando de paso colectivo del rotor sustentador y del gas del motor, que es la palanca “mando de paso colectivo” (5).Esta palanca se utiliza muy frecuentemente en vuelo, sobre todo durante el despegue y el aterrizaje, también durante la variación del régimen de vuelo. Esta cómodamente distribuida para su utilización con la mano izquierda.Durante el estacionamiento del helicóptero en tierra con la parada del motor, la palanca “mando de paso colectivo” esta inclinado hacia abajo hasta el tope y se encuentra en posición horizontal. Tal posición corresponde a un pequeño paso del rotor sustentador, que es un pequeño ángulo de decalaje de sus palas y la marcha lenta del motor.

El levantamiento de la palanca “mando de paso colectivo” con el motor operando, aumenta el paso del rotor sustentador y la potencia del motor.En los primeros tres movimientos de la palanca “mando de paso colectivo” hacia arriba, las revoluciones del motor y por consiguiente del rotor sustentador aumentan de los mínimos hasta los nominales, con el posterior aumento del paso del rotor sustentador, sus revoluciones se conservan prácticamente invariables. Esto suministra una suficientemente velocidad angular de las palas del rotor sustentador en todos los regímenes de vuelo, del que depende la estabilidad y la maniobrabilidad del helicóptero.Es necesario tener en cuenta, que la palanca mando de paso colectivo” en el helicóptero mostrado en la Fig.9 tiene un bloqueador mecánico, el cual permite confiablemente fijar la palanca en cualquier posición.

La presencia del bloqueador en la palanca “mando de paso colectivo” es cómodo, especialmente durante los vuelos prolongados, ya que con esto el régimen de trabajo establecido del motor se conserva rigurosamente invariable y la misma palanca puede ser utilizado como apoyo para la mano izquierda.Debajo del tablero de instrumentos se distribuyen los pedales (8) del comando del rotor antipar, ó como lo llaman rotor de cola. Por su efecto de acción, estos pedales son parecidos a los pedales del avión: durante el movimiento hacia delante del pedal derecho, el helicóptero vira a la derecha, con el movimiento del pedal izquierdo hacia delante, el helicóptero vira hacia la izquierda.

Con la utilización del comando por pedal, el helicóptero tiene una diferencia significativa con respecto a la utilización del comando por pedales en los aviones.Si en el avión, la efectividad del timón de dirección visiblemente depende de la velocidad del vuelo, en el helicóptero, la efectividad del rotor antipar durante la deflexión de los pedales del comando por pedal no depende de la velocidad del vuelo, sino varia solamente por las revoluciones del motor, lo que visiblemente se nota durante el rodaje. Además, si en el avión durante el vuelo rectilíneo en el intervalo de velocidades del mínimo hasta el máximo los pedales todo el tiempo se encuentra en posición neutral, en el helicóptero la posición de los pedales varia grandemente durante el vuelo rectilíneo en diferentes velocidades y regímenes de vuelo.

Así por ejemplo si durante el vuelo estacionario del helicóptero se desplaza el pedal derecho hacia adelante hasta la mitad de su carrera, entonces durante la guiñada, los pedales están casi neutrales y durante el planeo en el régimen de autorrotacion, el rotor sustentador esta hacia adelante y en la mitad de su carrera el pedal izquierdo.Entre el panel de instrumentos (6) del helicóptero y el asiento del piloto se distribuye la palanca principal de mando del helicóptero (7), que es la palanca de mando del paso cíclico del rotor sustentador.Cerca del panel derecho en el suelo se encuentran dos palancas: la palanca de transmisión de mando del embrague de encendido (10) y la palanca de transmisión de freno (11).

1.ESTABILIZADOR VERTICAL2.ESTABILIZADOR HORIZONTAL3.TANQUE DE ACEITE-TURBINA4.LINK DEL PLATO ACTUADOR5.SERVO ACTUADOR CÍCLICO Y

COLECTIVO6.TUBO PITOT7.PUERTO ESTÁTICO8.CABINA DEL PILOTO9.RECARGA DEL TANQUE DE

COMBUSTIBLE10.BATERIA11.BOMBA DE RESERVORIO

HIDRÁULICO12.ENSAMBLE DE TRANSMISIÓN13.TURBINA14.EJES DE ROTOR DE COLA15.CAJA DE ACCESORIOS DE

ROTOR DE COLA16.PATIN DE COLA17CABINA DE PASAJEROS18.VENTILADOR ENFRIADOR DE

ACEITE-TURBINA19.VENTILADOR ENFRIADOR DE

ACEITE20.ACCESO AL PANEL DE

AMARRE DEL BOTALÓN DE COLA

21.ACCESO AL PANEL DE LA SHUTOFF

22.LUZ BEA CON ANTICOLISIÓN23.UNIDAD DE LA RUEDA LIBRE24.SWICHT DEL DREN DE

COMBUSTIBLE

COMPONENTES DEL HELICÓPTERO BELL 206-B

Fig. Suspensión de las palas: 1-charnela horizontal, 2- apoyo inferior, 3-charnela vertical, 4-demfir de friccion, 5-charnela axial, 6-link

FUERZA DE CORIOLIS

Las palas estáticas del rotor sustentador del helicóptero es muy flexible, sosteniéndose en el apoyo de la cabeza del rotor solamente por la acción de su peso, esta fuertemente encorvado, lo que hace que se incline hacia abajo.Por ello no esta capacitado para mantener ni siquiera el peso de una persona. Sin embargo al girar el rotor sustentador, se extiende con una tremenda fuerza centrifuga, la cual en el helicóptero de la figura 1 alcanza 8500 kg, y en los helicópteros pesados puede superar las 20 toneladas, se transforma en un ala solida, elástica y confiable. Los esquemas de fuerzas, actuantes en una de las palas del rotor sustentador en el plano vertical y en el plano de rotación, se muestra en la Fig. 1; en los vectores de fuerzas se muestran sus valores aproximados.El Angulo β se llama ángulo de conicidad y varia para cada tipo de helicóptero, dependiendo de lar revoluciones del rotor sustentador y del peso de vuelo del helicóptero.Cabe recordar, tal como se demostraron en vuelos experimentales, las palas con mayor elasticidad y al mismo tiempo con suficiente rigidez a la torsión, experimenta menor tensión en el vuelo, obteniendo una mayor calidad aerodinámica, que con pala mas rígida.

Fig. 1. Esquema de fuerzas, actuantes en las palas del rotor sustentador del helicóptero: 1-fuerza de sustentación; 2- fuerza del peso de las palas;

3- fuerza centrifuga; 4- fuerza de coriolis

Además, es conocido, que la calidad aerodinámica de la pala, depende bastante del estado de su superficie, de su forma en el plano (vista en planta en posición horizontal) y de su torsión geométrica. Cuanto mas lisa es la superficie de las palas, mayor es su calidad aerodinámica. Las palas con torsión geométrica negativa en las puntas, tienen calidad de 10-12 % mayor que las palas rectangulares sin torsión (fig. 2).

Fig. 2. Dependencia del rendimiento relatico del rotor sustentador según las formas de las alas y la calidad de su superficie

Los primeros helicópteros que tuvieron los rotores sustentadores rígidamente afianzados en el buje (cubo) de las palas, pudieron suspenderse fijamente sobre la tierra, durante la primera tentativa de comenzar el movimiento progresivo, el helicóptero comenzaba a inclinarse, al aumentar su velocidad, aumentaba bruscamente el balanceo y el helicóptero paraba su movimiento o se volcaba.

Esto sucedió a consecuencia de la diferencia de las fuerzas de sustentación en las mitades derecha e izquierda del rotor sustentador con las palas rígidamente afianzados durante el aumento de velocidad progresiva.

Fig. 3. Campo de velocidades del rotor sustentador durante el vuelo con velocidad progresiva (vista en planta- de arriba)

ωr-V

La fuerza de Coriolis surge en correspondencia con la ley de conservación de la energía, cuando en los cuerpos en rotación varia la diferencia de las masas relativo al eje de rotación; durante el acercamiento de las masas en rotación hacia el eje de rotación las revoluciones del cuerpo aumentan y durante el alejamiento las revoluciones del cuerpo disminuyen.

Fig. 4. Esquema de aparición de las fuerzas de coriolis durante el flapeo de las palas del rotor sustentador hacia arriba

Fig. 5. Ejemplos de utilización de las fuerzas de coriolis

Por ejemplo, al estar colgado el acróbata debajo de la cúpula del circo, comienza a rotar lentamente con apertura de manos y pies, después de su unificación comienza rápidamente a girar, lo que produce la admiración del publico, el paracaidista, al realizar el salto, comienza a rotar, al estirar hacia los lados las manos y los pies, cesa esta peligrosa rotacion (Fig.5). En ambos ejemplos se muestra la hábil utilización de las fuerzas de coriolis

Efecto de Coriolis (Ley de conservación del momento angular)

Efecto de Coriolis, se refiere a veces como conservación del momento angular, se podría comparar a los patinadores cuando giran. Cuando se extienden los brazos, su rotación se disminuye debido a que el centro de masa se mueve lejos del eje de rotación.

Cuando los brazos se retraen, la rotación se acelera porque el centro de masa se mueve más cerca del eje de rotación.

Cuando gira la pala del rotor hacia arriba, el centro de masa de la pala se mueve más cerca del eje de rotación y la aceleración de la pala se lleva a cabo con el fin de conservar el momento angular.

Por el contrario, cuando la pala baja, su centro de masa se mueve más lejos del eje de rotación y la desaceleración se lleva a cabo.

Fig. 6. La tendencia de una pala para aumentar o disminuir su velocidad en su plano de rotación debido al movimiento de masas se conoce como efecto

Coriolis, nombre matemático que hicieron estudios por las fuerzas generadas por los movimientos radiales de la masa en un disco giratorio.