Helicóptero s

Tpicos Selectos de Ingeniera

Elabor: M en C Armando Oropeza Osornio

Helicpteros Introduccin

Inspirado por el vuelo de las aves, el hombre siempre tuvo el sueo de despegar a grandes velocidades, volar y posarse sobre un objeto al igual que los colibres o las liblulas, sin embargo fueron necesarios tanto el conocimiento como la paciencia de un notable nmero personas para sortear las complejidades existentes y hacer el sueo realidad. Al paso de los siglos; los pioneros de la aviacin fueron haciendo crecer esta tecnologa hasta lo que es en la actualidad. A pesar de que el diseo de los helicpteros modernos no fue perfeccionado sino hasta despus de 1930, ste fue una de las primeras ideas planteadas para poder conseguir el vuelo, precedi al concepto del planeador, quizs hasta por ms de dos mil aos. En el presente trabajo se exploran; primero la historia de los helicpteros, cmo llegaron a ser lo que son y se mencionan a los grandes pensadores y diseadores con sus respectivas innovaciones. Despus se hace una revisin de la mecnica del rotor del helicptero y de las teoras aerodinmicas que matemticamente explican el comportamiento de ste en estado operativo. Historia. Los primeros aos Los primeros conceptos Como se mencion, la idea del helicptero fue una de las primeras que concibi para poder lograr el vuelo, alrededor del ao 400 aC; en China se

construyeron lo que hoy en da se conoce como Chinese Tops, Fig. [1.1] Estos juguetes simples, estn constituidos de una hlice sujeta a un palo pequeo, al cual se le transmite un giro rpido con las manos y genera levantamiento. Estos juguetes an son comunes hoy en da.

Fig.1.1. Chinese Top

Despus, en el siglo quince, Leonardo Da Vinci dise uno de los conceptos ms estticos que existen para los helicpteros, desafortunadamente nunca lo construy. Fig. [1.2]

Fig. 1.2 Boceto de Da Vinci



Fig. 1.3 Idealizacin del helicptero de Da Vinci

Primeros acontecimientos

En Inglaterra en 1796, Sir George Cayley construy el primero de los modelos de propulsin para helicptero. Uno de estos modelos, Fig. [1.4] logr sustentarse una altitud de diecinueve pies.

Fig.1.4 Modelo de George Caley En 1842, casi cincuenta aos despus de Sir George Cayley, el ingls W.H. Philips construy un modelo de helicptero que pesaba 20 libras y era impulsado con vapor. l propuso una mquina impulsada completamente por tres hlices, una para la sustentacin y dos para el control direccional, pero dicha mquina nunca fue construida. En 1878 Enrico Forlanini un ingeniero civil italiano tambin construy un modelo de

helicptero impulsado por vapor, el cual tan slo pesaba 7.7 libras.

En 1880, Thomas Edison fue el primer estadounidense en desarrollar una investigacin notable sobre helicpteros. Edison construy un banco de pruebas y prob algunos tipos de hlices usando un motor elctrico. l dedujo que para desarrollar un helicptero era necesario contar con un motor ligero que produjera gran potencia. Historia Moderna Primer vuelo vertical

El primer helicptero tripulado en lograr ascender verticalmente fue construido por Paul Cornu, un mecnico francs, en 1907. El helicptero de Cornu tena dos hlices, las cuales rotaban a 90rpms y obtenan la potencia de un motor de 24Hp. Fig. [1.5]

Fig. 1.5 Prototipo de Paul Cornu Al igual que los dems precursores, Cornu fue quizs el primero en experimentar con lo concerniente al control. Al final de su aparato, Cornu instal estabilizadores debajo de cada rotor para deflectar la estela logrando con esto maniobrar mejor y un empuje hacia adelante. A pesar de que el helicptero de Cornu es histricamente significativo, su desempeo y control fue



muy escueto, adems; es un aparato qu prcticamente nunca se uso. Nuevos desarrollos El siguiente desarrollo e influencia en el campo de los helicpteros fue planteado por un hombre que nunca construy un helicptero como tal. En 1923, Juan de la Cierva vol satisfactoriamente su autogiro C4, una aeronave que tena dos hlices, una motorizada que proporcionaba el empuje y otra desembragada (libre) del motor, proporcionaba el levantamiento. El autogiro de de la Cierva fue notable debido a que fue el primero en utilizar un rotor articulado el cual permita a sus palas aletear en respuesta a las fuerzas aerodinmicas generadas durante el vuelo hacia delante. El rotor articulado ayuda a eliminar grandes esfuerzos en las palas y en el cubo del rotor. Juan de la cierva muri en 1936 en un accidente a los 42 aos, y jams tuvo la oportunidad de incorporar su idea de rotor articulado a un helicptero. El primer registro reconocido de un helicptero sucedi en 1930 cuando un italiano de nombre Corradino DAscanio vol su helicptero una distancia de milla y media a una altitud de cincuenta y nueve pies durante ocho minutos y cuarenta y cinco segundos. Fig. [1.6] El helicptero de DAscanio tena dos rotores coaxiales contrarotativos, los cuales eran controlados por medio de flaps situados cerca de la punta de las palas.

Fig. 1.6 Helicptero de DAscanio Primeros helicpteros

Justo antes y durante la Segunda Guerra Mundial, Alemania realiz algunos y muy importantes avances en el desarrollo de helicpteros. El FA-61, diseado por Henry Focke, tuvo su primer vuelo en junio de 1936, y fue usado despus en trucos publicitarios de los nazis. El FL-282, diseado por Anton Flettner, fue utilizado por la marina y cerca de mil de estos vehculos fueron construidos. Este helicptero constaba de dos rotores interconectados, alcanzaba una velocidad de traslacin de 90mph y poda operar a una altitud de 13000 pies con una carga de paga de 800 libras. El primer helicptero estadounidense fue el VS-300 diseado por Igor Sikorsky en la compaa Vought-Sicorsky. El VS-300 fue el primero en utilizar un rotor de cola, y fue esta innovacin la que resolvi el principal obstculo que exista en el desarrollo de helicpteros. Dicha configuracin es la ms utilizada en la actualidad. Fig. [1.7]



Fig. 1.7 El VS-300 de Sikorsky El VS-300 desarroll su primer vuelo de prueba en 1939 y entro en operacin en 1940.



CAPTULO 1 Las diferentes configuraciones de giroaviones Se designa con el nombre de giroavin a todo aerodino del cual la sustentacin est asegurada total o parcialmente por uno o varios rotores de eje vertical de gran dimetro, complementado en general, de un comando de paso cclico. Dentro de la familia de los giroaviones, se distinguen los tipos siguientes:

- El autogiro - El combinado o helicptero mixto - El convertible o convertiplano - El helicptero -

El autogiro El autogiro no recibe potencia en su rotor pues ste asegura nicamente la sustentacin girando en autorrotacin, bajo el efecto de la velocidad de traslacin. La propulsin es asegurada por un turbopropulsor o una hlice de eje horizontal. Esta mquina no puede por lo tanto, realizar vuelo estacionario, sino nicamente ascender con una gran pendiente o descender en vertical. Es un avin con un gran rango de velocidades que puede tambin utilizar terrenos muy cortos para el aterrizaje.

Fig. 1.1 Autogiro

El combinado o helicptero mixto En general los helicpteros se encuentran limitados por velocidad, debido a fenmenos que se tratarn ms adelante. Los diseadores han podido superar esta limitante, incorporando al helicptero mixto, motores que le proporcionan empuje auxiliar. Este vehculo cuenta con un ala que combinado con el rotor generan la fuerza suficiente para soportar su peso. Mediante la generacin de levantamiento compartida por el ala y por el rotor, ste ltimo puede destinar ms de la fuerza normal generada, a la traslacin del vehculo, inclinando su plano de rotacin, evitando con ello la condicin de desplome, que constituye la principal limitante aerodinmica de estas mquinas y ganando con ello incremento en la velocidad traslacional.

Fig 1.2 Helicptero mixto.



El convertible o convertiplano El tipo de aerodino debe su nombre a la caracterstica de despegar y aterrizar como un helicptero, pero durante su vuelo se convierte en una aeronave de ala fija. Esto lo logra mediante la rotacin de sus rotores que generalmente se encuentran en las puntas del ala.

Fig.1.3 Convertiplano

El helicptero El helicptero es una clase general de aparatos llamados giroaviones. ste es capaz de realizar vuelo estacionario para despegar y aterrizar verticalmente, puede desplazarse en cualquier direccin, gracias a la posibilidad de inclinar su rotor en referencia a su eje de rotacin. La potencia suministrada al rotor permite crear un levantamiento rotico FN sensiblemente perpendicular al disco rotor. Su componente vertical equilibra el peso mg del aparato mientras que su componente horizontal equilibra las fuerzas de resistencia al avance de la mquina.

Fig. 1.4 Helicptero

Los helicpteros, dependiendo de la configuracin del o los rotores, pueden clasificarse como:

- Rotor principal/rotor de cola (un solo rotor principal)

- Tndem (doble rotor principal)

- Lado a lado (doble rotor principal)

- Coaxial (doble rotor principal)

- Sincrocptero

- Helicptero con puntas propulsivas.

*Aerodino: Vehculo ms pesado que el aire que debe su sustentacin a las fuerzas aerodinmicas originadas sobre sus superficies sustentadoras (alas) al interactuar con un flujo de aire.



CAPTULO 2 El helicptero

Los helicpteros pueden ser de muchas formas y tamaos, pero todos en general, constan de los mismos componentes: una cabina, donde la carga de paga y la tripulacin son llevados, una estructura, la cual soporta los dems componentes, una planta de potencia o motor; y una transmisin, la cual, entre otras cosas, transmite la potencia del motor al rotor principal, el cual provee las fuerzas aerodinmicas que permiten al helicptero volar.

Finalmente est el tren de aterrizaje, el cual puede estar conformado por patines, ruedas o flotadores. El presente captulo es una introduccin a estos componentes. Fig. [2.1]

Fig. 2.1 Componentes del helicptero

El rotor principal El sistema rotor existente en los helicpteros puede consistir de un solo rotor principal o de un sistema dual de rotor principal. En la configuracin dual, los rotores giran en direccin contraria, anulando con esto el torque transmitido al helicptero. En general, un sistema rotor puede clasificarse como: completamente

articulado, semirgido y rgido. Existen variaciones y combinaciones de estos sistemas. Fig. [2.2a, b]

Fig. 2.2a Helicptero con un sistema rotor principal

Sencillo

Fig. 2.2b Helicptero con un sistema de rotor principal

dual

El sistema rotor completamente articulado

Un sistema rotor completamente articulado est constituido comnmente por tres o ms palas, en las cuales pueden originarse movimientos de aleteo (flapping), feathering (torcimiento) o atraso (lagging); dichos movimientos pueden ser independientes en cada una de stas. Cada pala est unida al cubo o ncleo rotor por medio de una articulacin horizontal, conocida como articulacin de batimiento o aleteo, la cual permite que las palas se puedan mover hacia arriba y hacia debajo de manera independiente. Esta articulacin puede estar situada a cierta distancia del cubo y puede ser ms de una. La posicin es elegida por cada constructor



considerando criterios de estabilidad y control.

Las palas tambin estn unidas al ncleo por medio de una articulacin vertical, llamada articulacin de atraso o de resistencia al avance, la cual permite a las palas tener movimientos hacia atrs o hacia delante en el disco rotor y de manera independiente. Normalmente se incorporan amortiguadores en el diseo de este tipo de sistema rotor para prevenir el excesivo movimiento sobre la articulacin de atraso. El propsito de la articulacin de atraso y de los amortiguadores es absorber la aceleracin y desaceleracin de las palas. Las palas de un rotor completamente articulado tambin pueden torcerse y girar alrededor de su eje longitudinal, en trminos sencillos, este movimiento media el cambio de ngulo de paso en las palas del rotor. Sistema rotor semirgido

Un sistema rotor semirgido permite dos movimientos, aleteo y torcimiento. Este sistema generalmente consta de dos palas las cuales estn unidas rgidamente al cubo. El cubo a su vez, est unido al mstil rotor por medio de una articulacin elastomrica (materiales compuestos), la cual permite el libre movimiento de las palas. El torcimiento est dado por una articulacin de torcimiento. Sistema rotor rgido

Este sistema es mecnicamente simple, pero estructuralmente complejo

debido a que las cargas originadas sobre las palas deben ser absorbidas por flexin ms que por las articulaciones. En este sistema las palas no tienen movimiento de aleteo ni de atraso slo torcimiento. Sistemas antitorque Rotor de cola

Todos los helicpteros con un sistema de rotor principal sencillo requieren de un rotor separado para contrarrestar el torque producido por el rotor principal. Fig. [2.3] ste puede ser un rotor antitorque o rotor de cola, ambos con paso variable, ya que es necesario variar el empuje del sistema antitorque para mantener el control direccional cada vez que el torque del rotor principal cambia, o realiza grandes movimientos de guiada en hover.

Fig. 2.3 Sistema antitorque

FENESTRON

Otra configuracin de rotor antitorque es el fenestron o el diseo de ventilador en la cola. Este sistema consta de una serie de palas rotativas



dentro de un empenaje (cola) vertical. Fig. [2.4]

Debido a que las palas estn situadas dentro de un ducto, el riesgo de contacto cualquier objeto es menor.

Fig. 2.4 Fenestron NOTAR

El sistema NOTAR es un sistema antitorque alternativo. Este sistema utiliza una masa de aire de baja presin la cual es inducida dentro del botaln por un ventilador montado en el helicptero. El aire es alimentado a travs de ranuras horizontales, situadas en el lado derecho del botaln y hacia una boquilla giratoria que proporciona el control direccional y la fuerza antitorque. El aire a baja presin proveniente de las de ranuras horizontales, en conjunto con la estela del rotor principal, originan un fenmeno llamado efecto Coanda, por el cual se produce una fuerza de levantamiento en el lado derecho del botaln. Fig. [2.5].

Fig. 2.5 Sistema NOTAR

Tren de aterrizaje El tren de aterrizaje ms comn es el de patn, por ser el ideal para las deferentes superficies de aterrizaje. Algunos trenes de aterrizaje de este tipo estn equipados con amortiguadores, gracias a los cuales golpes o choques no son transmitidos al sistema rotor principal. Los helicpteros tambin pueden constar de flotadores para operaciones sobre agua, o skies para aterrizar sobre nieve o superficies blandas. Los trenes de aterrizaje de ruedas son otra configuracin existente, en arreglos de triciclo o de cuatro puntos. Normalmente, la rueda de nariz o de cola, tiene un movimiento de giro, lo cual permite el taxeo del helicptero en tierra. Planta de potencia Los helicpteros pequeos constan de motores recprocos, montados en la estructura de aparato. El motor puede fijarse de manera vertical u horizontal y en conjunto con la



transmisin proporcionan la potencia a la flecha o mstil del rotor principal. Otro tipo de motor es la turbina de gas. Este tipo de motor es usado en helicpteros medianos y grandes debido a la gran potencia que proporciona. El motor acciona la transmisin, la cual transmite directamente la potencia tanto al rotor principal como al rotor de cola.

Fig. 2.6 La planta motriz y la transmisin

Controles de vuelo Existen cuatro controles bsicos de vuelo para un helicptero. Estos son: el control cclico de paso, el control colectivo de paso, el throttle; el cual es un control de torcimiento situado en la punta del bastn colectivo; y los pedales antitorque. El funcionamiento de estos controles se describir en captulos posteriores. Fig. [2.7]

Fig. 2.7 Controles de vuelo



CAPTULO 3 Aerodinmica general Existen cuatro fuerzas que actan sobre un helicptero en vuelo. El levantamiento, el peso, el empuje y la resistencia al avance. Fig. [3.1] El levantamiento es la fuerza ascencional creada por el efecto del paso de flujo de aire alrededor del perfil. El peso es la fuerza opuesta al levantamiento y es causada por la aceleracin gravitatoria. El empuje es la fuerza que impulsa al helicptero a travs del aire. Opuesta al levantamiento y al empuje acta la resistencia, la cual es una fuerza retardadora creada por la generacin de levantamiento y por el movimiento de un objeto a travs del aire.

Fig. 3.1 Las cuatro fuerzas que actan en sobre un

helicptero en vuelo

Perfil Antes de empezar con la explicacin respecto al levantamiento, es necesario tener en cuenta algunos trminos aerodinmicos que describen al perfil y su interaccin con el flujo de aire que lo rodea.

Un perfil es cualquier superficie, de un ala o de una pala, la cual provee una fuerza aerodinmica cuando interacta con una estela de aire en movimiento. Si bien existen una gran cantidad de perfiles para palas de helicpteros, stos desempean las mismas funciones en condiciones de vuelo del helicptero, en mayor o menor grado, dependiendo del las caractersticas propias del perfil.

Fig. 3.2 Perfiles simtricos y asimtricos

En los primeros diseos de helicpteros los ingenieros utilizaban perfiles robustos debido a las necesidades estructurales que requeran las palas, ya que stas eran muy largas y esbeltas, las cuales necesitaban lgicamente mayor rigidez. Esto prevena la flexin que pudieran tener las palas al no estar operando el helicptero, y minimizaba tambin el torcimiento de stas al estar en condiciones de vuelo. Los perfiles eran simtricos, ya que las palas con esta configuracin de perfil son muy estables, adems de que el torcimiento y las cargas que afectan al control de vuelo se reducen al mnimo. Fig. [3.2] La estabilidad se logra debido a que el centro de presin se mantiene prcticamente inmvil a pesar de los cambios en el ngulo de ataque. El centro de presin es el centro imaginario sobre la cuerda del perfil donde se considera que est localizada la resultante de todas las fuerzas aerodinmicas generadas sobre ste.



Hoy en da los perfiles que se utilizan son ms delgados y la rigidez se obtiene utilizando materiales compuestos. Son adems asimtricos, normalmente estos perfiles generan mucha inestabilidad, sin embargo esto se corrige cuando en estado operativo la pala se tuerce y cambia el ngulo de ataque, produciendo los mismos efectos que un perfil simtrico, este efecto se conoce como reflexin. La ventaja que presenta utilizar este tipo de perfiles en el sistema rotor es que permite que el sistema opere a grandes velocidades de traslacin. Una de las razones por las cuales un perfil asimtrico genera inestabilidad es porque el centro de presin cambia cuando cambia el ngulo de ataque. Cuando en el centro de presin la fuerza del levantamiento est detrs del punto pivote sobre una pala del rotor tiende a causar que el ngulo de paso en el disco rotor aumente. Cuando el ngulo de ataque aumenta, el centro de presin se mueve hacia el frente, y si ste queda delante del punto pivote el ngulo de paso del disco rotor disminuye. Debido a este continuo cambio en el ngulo de ataque en las palas durante cada ciclo de rotacin, en las palas se genera batimiento, torcimiento y retraso de manera considerable. La envergadura para una pala es la distancia que existe desde su centro de rotacin (eje) hasta la punta de sta, el torcimiento de la pala se refiere al cambio que existe entre la lnea cordal en la raz y la punta de la pala. El torcimiento en una pala tiene como objetivo el generar mayor fuerza de levantamiento, adems es necesario porque la velocidad rotacional aumenta hacia la punta de la pala. El borde de

ataque es la primera parte del perfil que tiene contacto con el aire, Fig. [3.3] El borde de salida es la ltima porcin del perfil donde el flujo de aire que se desliza sobre la superficie superior del perfil se junta con la que proviene de la parte inferior. La lnea de cuerda es la lnea recta imaginaria que une al borde de ataque con el borde de salida. La combadura es la curvatura que tiene un perfil en el extrads o en el intrads. El viento relativo es la masa de aire movindose alrededor del perfil. La direccin de dicho viento es relativo a la altitud o posicin del perfil y siempre paralelo, igual u opuesto al movimiento del patrn de vuelo del perfil. El ngulo de ataque es el ngulo entre la lnea de cuerda y la direccin del viento relativo.

Fig. 3.3 Trminos aerodinmicos

Viento relativo

El viento relativo es creado por el movimiento de un perfil a travs del aire, por el movimiento del aire pasando alrededor de un perfil o por la combinacin de ambos. El viento relativo puede ser afectado por algunos factores como la rotacin de las palas, el movimiento horizontal del helicptero, el aleteo en las palas y la velocidad y direccin de stas.

Para un helicptero, el viento relativo es el flujo de aire respecto a las palas del



rotor. Si el rotor est detenido, el flujo de aire que pasa alrededor de las palas genera el viento relativo. Cuando un helicptero desarrolla vuelo estacionario (hover) en una condicin de no-viento, es decir que no hay corrientes de viento, el viento relativo es creado por las palas movindose a travs del aire. Si el helicptero est operando en vuelo estacionario en una condicin de viento, el viento relativo originado es la combinacin de la corriente viento y del debido al movimiento de las palas a travs de la masa de aire. Cuando el helicptero se encuentra en vuelo en traslacin hacia delante, el viento relativo se debe a la combinacin de viento por la rotacin de las palas y la velocidad de desplazamiento del helicptero. ngulo de paso en la pala El ngulo de paso en una pala es al ngulo formado entre la lnea de cuerda y el plano de referencia que contiene al ncleo del rotor. Fig. [3.4] El cambio en el ngulo de paso de las palas se logra por medio de los controles de vuelo. Por medio del control colectivo posible cambiar el ngulo de paso en las palas, dicho cambio es igual para las palas, sin importar la posicin en la que se encuentre el plano rotor y se utiliza para variar la magnitud del empuje. El control de paso cclico cambia el paso de cada pala en funcin de la posicin de sta en el plano de rotacin. La combinacin de ambos controles permite el desarrollo de todas las condiciones de vuelo posibles en un helicptero.

Fig. 3.4 Eje de rotacin (no confundirlo con el mstil

rotor)

ngulo de ataque Cuando el ngulo de ataque aumenta, el aire que fluye sobre el intrads del perfil recorre una mayor distancia, resultando en un incremento en la velocidad del aire y una mayor fuerza de levantamiento. Debido al aumento en el ngulo de ataque se genera una estela turbulenta, ya que el aire que fluye sobre el intrads tiene dificultad para mantenerse adherido a la superficie y se desprende del perfil. Como resultado de esto, la fuerza de resistencia al avance aumenta y una disminucin en la fuerza de levantamiento tiene lugar. Con el aumento en el ngulo de ataque es posible generar una mayor fuerza de sustentacin pero slo hasta un determinado ngulo, el cual se conoce como ngulo de ataque crtico; cualquier aumento en el ngulo de ataque despus de haber alcanzado el ngulo crtico ocasionar estancamiento y prdida de la fuerza de levantamiento, adems de una fuerza de resistencia al avance excesiva. Fig. [3.5] El ngulo de ataque no debe ser confundido con el ngulo de paso. El ngulo de paso est determinado por la direccin del viento relativo. Sin embargo, es posible; cambiar el ngulo de ataque cambiando el ngulo de paso



por medio de los controles de vuelo. Si el ngulo de paso aumenta, el ngulo de ataque incrementa y viceversa. Fig. [3.6]

Fig. 3.5 ngulo de ataque, generacin de turbulencia,

prdida de sustentacin y estancamiento.

Fig. 3.6 El ngulo de ataque puede ser mayor, igual o

menor que el ngulo de paso

Levantamiento Efecto magnus El concepto de levantamiento puede entenderse mejor observando el comportamiento que tiene un cilindro girando dentro de una corriente de aire. La velocidad local cerca del cilindro est compuesta por la velocidad de la corriente de aire y la velocidad rotacional del cilindro, la cual disminuye con la distancia desde el cilindro. Sobre

un cilindro, el cual est rotando de manera tal que su superficie superior rota en la misma direccin que el flujo de aire, la velocidad local es mayor en su superficie superior y menor en la inferior. En la Fig. [3.7] es posible observar el punto A, un punto de estancamiento que se origina donde la corriente de aire que moja la superficie se divide, una parte de la corriente va hacia la superficie superior y otra hacia la inferior. Otro punto de estancamiento, B, se origina donde las dos corrientes de aire se vuelven a unir y adquieren una velocidad idntica.

Fig. 3.7 El efecto Magnus es una fuerza de

levantamiento producida cuando en un cilindro giratorio se genera una diferencia de presin

La diferencia de velocidad superficial cuenta con una diferencia de presin, siendo menor la presin en la superficie superior que en la inferior. Esta rea de presin baja permite el origen de una fuerza ascencional conocida como Efecto Magnus. Esta circulacin mecnicamente inducida ilustra la relacin entre circulacin y levantamiento.



Fig. 3.8 Circulacin alrededor de un perfil

Principio de Bernoulli El aire que fluye sobre el extrads est siendo acelerado. El perfil est sujeto entonces al Principio de Bernoulli o efecto venturi. Como la velocidad del aire incrementa sucede lo mismo que en la porcin de la garganta en un tubo venturi, es decir; la presin reduce.

Fig. 3.9 La superficie del extrads de un perfil es

similar a la constriccin en un tubo venturi Compare la superficie superior del perfil con la constriccin en un tubo venturi. Fig. [3.9] La mitad superior del tubo venturi puede ser representada por capas laminares de aire, el aire que fluye sobre la combadura del perfil sufre un incremento de velocidad. Dicho incremento de velocidad resulta en una reduccin de presin en el extrads, al mismo tiempo, el aire que fluye en el intrads genera presin. Gracias a esta

combinacin se obtiene una fuerza ascensional (levantamiento). Fig. [3.10]

Fig. 3.10 El Levantamiento se produce cuando en el

extrads disminuye la presin y en el intrads aumenta Tercera Ley de Newton Una fuerza de levantamiento adicional es proporcionada por la superficie inferior de la pala del rotor debido a que la masa de aire es acelerada haca abajo del rotor. De acuerdo con la tercera Ley de Movimiento de Newton, a cada accin corresponde una reaccin de igual magnitud pero en sentido contrario, el aire que es impulsado haca abajo produce una reaccin hacia arriba (levantamiento). Sin embargo, en condiciones de vuelo, la presin de impacto y el movimiento de la masa de aire hacia la parte inferior del rotor proporcionan slo un pequeo porcentaje de la fuerza de sustentacin total, ya que la mayora de esta fuerza resultante depende sobre todo de la disminucin de presin por encima de la pala ms que de el aumento de presin en la parte inferior de sta. Peso Normalmente se tiene una idea del peso que tendr el helicptero al iniciar su diseo, es un valor fijo, dentro del cual se considera tanto el peso del



aparato como el del combustible y el de los ocupantes. Para levantar verticalmente el helicptero desde tierra, el sistema rotor debe generar la fuerza de levantamiento necesaria para vencer o compensar el peso total del helicptero y sus ocupantes. Esto se logra aumentando el ngulo de paso de la palas del rotor principal. El peso del helicptero tambin puede estar influenciado por cargas aerodinmicas. Cuando un helicptero se encuentra operando a una altitud constante durante un rato largo, la carga G o factor de carga incrementa. El factor de carga es la relacin que existe entre la carga soportada por el rotor principal y el peso real del helicptero y su contenido. En estado de vuelo estacionario, el helicptero tiene un factor de carga igual a uno, en el cual el sistema del rotor principal est soportando el peso real total del vehculo. Si el ngulo de inclinacin (alabeo) es aumentado a 60 y se mantiene una altitud de vuelo constante, el factor de carga incrementa a dos. En tal caso, el rotor principal tiene que soportar el doble del peso del helicptero y su contenido. Fig. [3.11] La carga alar en un helicptero es la relacin de su peso entre el rea total del disco rotor, la cual es el rea descrita por las palas del rotor. Debido a las diferentes maniobras realizadas por el helicptero existen cambios en la carga alar. A mayor carga, mayor potencia requerida para mantener la velocidad del rotor.

Fig. 3.11 La grfica del factor de carga sirve para calcular la magnitud de carga G que se origina a

diferentes ngulos de alabeo

Empuje El empuje, al igual que la fuerza de levantamiento, es generado por la rotacin del rotor principal. En un helicptero, el empuje puede generarse hacia delante, hacia atrs, hacia un lado o hacia arriba. La resultante de la fuerza de levantamiento y del empuje determina la direccin de movimiento del helicptero. La solidez es la relacin existente entre la superficie efectiva de las palas y la superficie del disco rotor. Esta relacin sirve para cuantificar el potencial que tiene un rotor para producir empuje. El rotor de cola tambin produce empuje. La cantidad de empuje es variable, dependiendo del uso de los pedales antitorque. Dicho sistema es utilizado como un medio de control para la guiada en el helicptero. Resistencia al avance La fuerza que opuesta al movimiento del helicptero a travs del aire generada cuando se desarrolla la fuerza de levantamiento se conoce como resistencia al avance. Dicha fuerza de



resistencia siempre es paralela al viento relativo y perpendicular a la fuerza de levantamiento. La fuerza de resistencia al avance est compuesta de tres tipos de resistencia: resistencia de perfil, resistencia inducida y resistencia parsita. Resistencia de perfil La resistencia de perfil se desarrolla debido a la resistencia friccional de las palas movindose a travs del aire. sta no cambia significativamente con el cambio de ngulo de ataque del perfil, pero si lo hace cuando la velocidad del aire aumenta. La resistencia de perfil se compone de resistencia por forma y resistencia por friccin superficial. La resistencia por forma resulta de la estela turbulenta causada por la separacin del flujo de aire de la superficie de algn cuerpo. La cantidad de resistencia est relacionada con la forma y el tamao del objeto que interacta con el viento relativo. Fig. [3.12]

Fig. [3.12] Visualizacin de la generacin de

resistencia por forma

La resistencia superficial es causada por la rugosidad de la superficie. Aunque alguna superficie pueda parecer lisa, siempre presenta rugosidad, esto se comprueba al observarla al microscopio. Una capa delgada de aire se adhiere a la rugosidad superficial y genera pequeos torbellinos que contribuyen a la resistencia.

Resistencia inducida La resistencia inducida se genera por la circulacin del flujo de aire alrededor de las palas, lo cual genera la fuerza de levantamiento. La interseccin del flujo de alta presin del intrads de la pala con el de baja presin proveniente del extrads en el borde de salida y en la punta de la pala genera un flujo en espiral, un vrtice, el cual se mueve hacia atrs de la pala. Los vrtices generados deflectan la corriente de aire hacia abajo en la vecindad de la pala, creando un incremento en la masa de aire que est por debajo de la pala. Debido a esto, la pala opera en un viento relativo promedio, el cual tiene una inclinacin hacia abajo y hacia atrs de la pala. Como el levantamiento producido en la pala es perpendicular al viento relativo, el vector de levantamiento es inclinado hacia atrs en la misma proporcin que el viento relativo. La componente del levantamiento que acta hacia atrs es la resistencia inducida. Fig. [3.13]

Fig. 3.13 La formacin de resistencia inducida est

asociada con la deflexin hacia debajo de la corriente de aire cerca de la pala

La diferencia de presin en el aire aumenta con el aumento ngulo de ataque, lo cual ocasiona la formacin de



vrtices ms grandes y de mayor intensidad, aumentando con esto la resistencia inducida. El ngulo de ataque en la pala es pequeo a altas velocidades y grande a bajas velocidades, por lo que, la resistencia inducida es menor a altas velocidades y viceversa. La resistencia inducida es la causa principal de resistencia a bajas velocidades. Resistencia parsita La resistencia parsita est presente en todo momento cuando el helicptero est movindose a travs del aire. Este tipo de resistencia es directamente proporcional a la velocidad. Los elementos que contribuyen con la generacin de este tipo de resistencia son aquellos que no producen sustentacin como la cabina, el mstil rotor, el tren de aterrizaje, el empenaje vertical, etc. Debido a que est resistencia aumenta rpidamente con el aumento de la velocidad, sta es la principal causa de resistencia a altas velocidades. La resistencia parsita vara al cuadrado de la velocidad. Si la velocidad se duplica, la resistencia parsita se cuadriplica. Resistencia total La resistencia total para un helicptero es la suma de las tres fuerzas de resistencia. Fig. [3.14] Si la velocidad de la corriente de aire aumenta, la resistencia parsita aumenta, mientras que la resistencia inducida reduce y la potencia de perfil se mantiene relativamente constante. Combinando todas las fuerzas de resistencia se obtiene la curva de resistencia total. El punto ms bajo de dicha curva

representa la velocidad a la cual la resistencia es mnima. Este es el punto donde la relacin levantamiento resistencia es mayor y se representa con L/Dmax. Es a esta velocidad donde la capacidad de levantamiento del helicptero es la ms favorable, lo cual es de suma importancia en el desempeo de la aeronave.

Fig. 3.14 La curva de resistencia total representa la combinacin de resistencia parsita, inducida y de perfil y se grafica contra la velocidad del viento

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