¿Cómo vuelan los helicópteros? – Pilot Institute

Mucha gente piensa que es un completo misterio que los helicópteros logren volar. ¿Cómo se las arregla este grupo de partes ruidosas, giratorias y vibrantes para lanzarse al aire, y mucho menos volar bajo cualquier apariencia de control? Creen que un helicóptero es como un abejorro: no debería poder volar, pero nadie le dijo al abejorro. Otros, muchos pilotos entre ellos, consideran que la aerodinámica de los helicópteros no solo es un completo misterio, sino que preferirían dejarlo en paz. En su opinión, el tratamiento dental sin anestesia podría ser preferible a tratar de aprender sobre este tema. Después de todo, es increíblemente complicado, ¿no?

En realidad, los principios del vuelo en helicóptero no son tan difíciles de entender. Si bien un helicóptero es una máquina mucho más compleja que un avión, los principios fundamentales del vuelo son los mismos, y comprender los conceptos básicos realmente no es tan difícil. Así que echemos un vistazo a cómo funciona todo…

Los principios básicos de cómo vuelan los helicópteros

Las palas del rotor de un helicóptero son idénticas a las alas de un avión. Esto significa que cada pala es un perfil aerodinámico que, cuando se coloca en un flujo de aire, desvía el aire para producir sustentación.

La diferencia crucial en los helicópteros es que el flujo de aire se produce girando las «alas» en lugar de mover todo el avión. Cuando las palas del rotor comienzan a girar, el aire que fluye sobre ellas produce sustentación, al igual que cuando las alas de un avión comienzan a moverse. En el caso de un helicóptero, esto suele conocerse como empuje total del rotor (TRT). La dirección y magnitud de esto se puede alterar para controlar el helicóptero.

Controlando el helicóptero en el vuelo estacionario

La magnitud de TRT se cambia aumentando o disminuyendo el ángulo de paso de las palas del rotor y, por lo tanto, su ángulo de ataque. El piloto hace esto usando el colectivo o palanca en su lado izquierdo, que ‘colectivamente’ altera el paso de las palas. Y como con cualquier avión, cuando la sustentación es mayor que el peso, el helicóptero despegará o, en este caso, se elevará y se mantendrá en vuelo estacionario.

Sin embargo, aumentar la sustentación también significa que hay más resistencia. Entonces, cuando se levanta el colectivo, el piloto necesita abrir el acelerador para producir más potencia del motor para evitar que las palas del rotor disminuyan la velocidad. En la mayoría de los helicópteros modernos hay un regulador electrónico que controla las RPM del rotor y ajusta la potencia del motor según sea necesario.

Así que elevamos el colectivo y aumentamos la sustentación en las palas, y elevamos el helicóptero al vuelo estacionario. Sin embargo, esto causa nuestro primer problema. Si las palas giran en el sentido contrario a las agujas del reloj, como hacen la mayoría de las palas de los helicópteros, el fuselaje comenzará a girar en el sentido de las agujas del reloj debido a la reacción del par. Hay varias formas de resolver este dilema. Puede tener dos rotores que giren en direcciones opuestas, como en el Chinook, y más recientemente, los diseñadores han experimentado con el soplado de aire de los conductos hacia el brazo de cola. Pero el método más común para evitar que el fuselaje gire sin control es tener un rotor de cola. Una versión pequeña del rotor principal está montada verticalmente al final del cono de cola y funciona efectivamente empujando la parte trasera cuando el fuselaje intenta girar. Es como un sistema de rotor lateral que se utiliza para empujar el fuselaje en línea recta. Utiliza los pedales para controlar el paso del rotor de cola y, por lo tanto, evita que el helicóptero gire.

Controlar el helicóptero en vuelo

Así que ahora tenemos una forma de levantar el helicóptero en el aire y mantenerlo suspendido. Pero también necesitamos poder moverlo hacia adelante… y hacia los lados y hacia atrás, ya que una de las ventajas de las máquinas rotativas es que pueden moverse en cualquier dirección.

El control del helicóptero en vuelo se realiza alterando la dirección del TRT. El control cíclico en la cabina hace esto alterando la inclinación de todo el sistema del rotor, o lo que llamamos el disco del rotor, es decir, el disco circular que forman los rotores cuando giran. Esto significa que si, por ejemplo, el piloto mueve el cíclico hacia adelante, el disco del rotor se inclina en la misma dirección. TRT, en lugar de ser vertical, ahora tiene un componente horizontal, por lo que el helicóptero avanza. Pero, por supuesto, rara vez obtienes algo a cambio de nada. Como parte del TRT ahora se usa para mover el helicóptero horizontalmente, el componente vertical se ha reducido. Entonces, si no se hace nada, el avión comenzará a descender. Por lo tanto, para mantenerse nivelado, el piloto necesita elevar el colectivo. Pero cuando él o ella hace esto, el ángulo de ataque de las palas del rotor de cola debe aumentarse de manera similar, usando los pedales, para evitar que el helicóptero gire. Por lo tanto, todos los controles se afectan entre sí y su uso debe coordinarse, por lo que, para un principiante, volar en helicóptero puede parecer tan difícil.

Otros efectos aerodinámicos

Lo anterior describe los conceptos básicos de cómo vuelan los helicópteros. Sin embargo, existen otros efectos aerodinámicos que tienen lugar en el vuelo del helicóptero. Ahora echemos un vistazo a cada uno de los más importantes a su vez…

• Aleteo a la igualdad
• Tapa trasera
• Ascensor traslacional
• efecto suelo
• resonancia de tierra
• Deriva del rotor de cola y balanceo del rotor de cola

Aleteo a la igualdad

Hay otras complicaciones una vez que comenzamos a volar el helicóptero. En un vuelo estacionario constante en aire quieto, debería ser intuitivamente obvio que todas las aspas giratorias producirán la misma cantidad de sustentación. Sin embargo, con viento en contra, o una vez que el helicóptero comienza a avanzar, este no es el caso. Si asumimos un vuelo estacionario con un viento en contra de diez nudos, la pala que avanza, es decir, la pala que se mueve contra el viento, ahora tiene una velocidad aerodinámica de veinte nudos más que la pala que retrocede, que se mueve en la dirección opuesta. Dicho de otro modo, si las RPM del rotor son X nudos, la pala que avanza tiene una velocidad aerodinámica de X + 10 nudos, y la de la pala que retrocede es de X – 10 nudos. Esto significa que la pala que avanza tiene más sustentación y, si no se hiciera nada, el helicóptero rodaría hacia un lado y se estrellaría.

De hecho, los primeros helicópteros hicieron exactamente esto; tan pronto como comenzaron a avanzar, rodaron hacia el lado de la hoja que se retiraba y se dieron la vuelta. El problema finalmente se resolvió mirando el autogiro, que había sido inventado en la década de 1920 por un español, Juan de la Cierva. Ante el dilema de tratar de evitar que sus primeras máquinas rodaran y se hicieran pedazos, Cierva descubrió que si hacía que sus cuchillas fueran flexibles en lugar de rígidas para que pudieran aletear hacia arriba y hacia abajo, todo funcionaba bien. Entonces, al darse cuenta de esto, los diseñadores de helicópteros ahora hicieron lo mismo: diseñaron sus rotores con una bisagra de aleteo, y el aleteo aclaró la disimetría del problema de sustentación.

¿Cómo funciona este aleteo para controlar la asimetría del ascensor? Bueno, con las palas flexibles, la pala que avanza se levanta más y, por lo tanto, se levanta. Pero a medida que asciende, recibe más de lo que se conoce como «flujo inducido». Esta es una parte del flujo de aire que se dirige verticalmente hacia abajo a través de los rotores a medida que giran. Este flujo inducido reduce la sustentación que la pala está produciendo en realidad, por lo que comienza a caer o aletear. A medida que desciende, recibe menos flujo inducido y, por lo tanto, más sustentación. Mientras tanto, ocurre lo contrario con la hoja en retirada. Esto sucede continuamente, con las palas aleteando de modo que se alcanza un estado de equilibrio, siendo igual la sustentación sobre todo el disco del rotor. Se llama, como era de esperar, ‘aletear a la igualdad’.

Tapa trasera

Suponga que el piloto se encuentra en un vuelo estacionario constante con un viento de diez nudos y quiere abandonar el aeródromo. Todo lo que tiene que hacer es mover el cíclico hacia adelante para inclinar el disco del rotor hacia donde quiere ir, subir el colectivo para que no descienda y corregir la guiñada resultante con los pedales, ¿no? Bueno, no del todo. La aceleración provoca un ‘aleteo hacia atrás’, que es un caso especial de aleteo hacia la igualdad. A medida que el piloto mueve el cíclico hacia adelante, el disco del rotor se inclina hacia adelante y hacia abajo y el helicóptero acelera. Mientras hace esto, la pala que avanza se agita hacia arriba y la pala que retrocede se agita hacia abajo, como se ha explicado. Sin embargo, la pala que avanza alcanza su punto más alto cuando llega a la parte delantera del helicóptero, y la pala que retrocede alcanza su punto más bajo en la parte trasera. Así que el disco del rotor ahora vuelve a estar horizontal. Por lo tanto, la aceleración se detiene, ya que el disco ha regresado a su posición original. Entonces, si el piloto quiere aumentar la velocidad, debe seguir moviendo el cíclico hacia adelante continuamente para evitar esto, o como cualquier instructor le dirá constantemente, «empujar a través del flap hacia atrás».

Ascensor traslacional

Lo siguiente que sucede es que a unos 10-12 nudos de velocidad, el helicóptero de repente intentará ascender por sí solo. Esto se debe a lo que se conoce como elevación traslacional, que en realidad es una «elevación libre». Lo que sucede es que el aumento de la velocidad significa que se dirige menos aire hacia abajo a través del disco, es decir, hay menos flujo inducido. Ahora, recuerde, el flujo inducido reduce la sustentación, por lo que ahora el helicóptero tiene más sustentación y comenzará a ascender, a veces de forma bastante drástica. Entonces, el piloto necesita bajar el colectivo o mover el cíclico más hacia adelante para convertir la energía de sustentación en velocidad.

efecto suelo

En un vuelo estacionario al aire libre, o cuando se vuela, el aire que fluye hacia abajo a través del disco del rotor (flujo descendente) se escapa con bastante facilidad… por lo que no es una buena idea pararse demasiado cerca de un helicóptero en vuelo estacionario. Pero si el helicóptero está flotando cerca del suelo, la corriente descendente no puede escapar fácilmente. En su lugar, forma un colchón de aire sobre el que se puede asentar el helicóptero. Esto significa que efectivamente sostiene el helicóptero y se requiere menos potencia para flotar en el ‘efecto suelo’, como se conoce este fenómeno.

Este efecto suelo tiene otras consecuencias. Puede hacer que los aterrizajes sean bastante difíciles, particularmente para el estudiante piloto. El aterrizaje se logra simplemente flotando más y más bajo hasta llegar al suelo. Al menos esa es la teoría. Pero a medida que bajas el colectivo y te acercas más y más a la tierra, el colchón de tierra no puede escapar fácilmente y se comprime, y de hecho puede impedir que el helicóptero descienda. Desafortunadamente, este colchón de aire no es una plataforma estable y el helicóptero puede comenzar a deslizarse sobre él. El piloto puede tener la sensación de que el helicóptero está bailando de forma errática sobre una superficie sólida y, de hecho, la aeronave puede literalmente caerse del suelo, lo que posiblemente provoque un aterrizaje forzoso con movimiento lateral. Los patines del helicóptero no están diseñados para esto, usted debe aterrizar verticalmente, por lo que esto puede ser un problema, especialmente para pilotos sin experiencia.

La naturaleza del suelo afecta la fuerza de este colchón de aire. Las superficies rugosas tienden a disiparlo, disminuyendo así el efecto suelo. Entonces, los estudiantes aprenden a aterrizar primero en el césped, ya que esto es mucho más fácil que aterrizar en el asfalto o la pista. Al aterrizar en una superficie dura, debe flotar más y más bajo, y de alguna manera empujar a través del cojín del suelo, sin forzar el helicóptero hacia el suelo. No es tan difícil como parece, o como piensan algunos estudiantes, pero requiere bastante habilidad y delicadeza.

resonancia de tierra

Ground Resonance es otro efecto aerodinámico que puede ocurrir durante el despegue y el aterrizaje. Esta es una vibración severa que resulta de la oscilación del helicóptero cuando está en contacto con el suelo. El comienzo es un balanceo lento del fuselaje y, si no se toman medidas correctivas pronto, las vibraciones pueden aumentar hasta que el helicóptero sufra daños importantes. La resonancia de tierra puede ser causada por una combinación de vibraciones en la cabeza del rotor y el centro de gravedad del disco del rotor que no está sobre el centro de rotación. Si esto ocurre, se desarrollará un ‘bamboleo’, el efecto será similar a un volante desequilibrado que gira a alta velocidad. Las palas del rotor desequilibradas, los amortiguadores de arrastre defectuosos o inservibles, o el seguimiento incorrecto de las palas del rotor pueden ser responsables.

La resonancia del suelo también puede ser inducida por aterrizajes mal administrados o presión de aceite desigual (o presión de neumáticos en helicópteros con ruedas). Lo único que puedes hacer si sucede es alejarte del suelo lo más rápido posible. La susceptibilidad a la resonancia del suelo varía mucho entre los diferentes tipos de helicópteros y, afortunadamente, no es algo que haya experimentado nunca… ¡tal vez vuele el tipo de helicóptero adecuado!

Deriva del rotor de cola y balanceo del rotor de cola

Supongamos que se elevó en el vuelo estacionario, viajó en taxi estacionario o voló a donde desea ir, y aterrizó su helicóptero de manera segura. Si hace esto suavemente y con cuidado, puede notar que el helicóptero no aterriza en ambos patines a la vez, sino que el patín izquierdo toca el suelo primero (en helicópteros con rotores que giran en sentido contrario a las agujas del reloj). Esto se debe a que la mayoría de los helicópteros flotan con el patín izquierdo bajo. ¿Por qué es esto? Bueno, como se explicó, el rotor de cola está ahí para evitar que el fuselaje gire cuando las palas del rotor comienzan a girar. Ahora, dado que la fuerza que hace que el fuselaje quiera girar está actuando a lo largo de todo el helicóptero, lo que realmente necesitamos son dos pequeños rotores para proporcionar una fuerza de corrección en cada extremo del fuselaje. Pero en la práctica, esto sería extremadamente complicado de diseñar, por lo que nos conformamos con una sola fuerza del doble de la magnitud requerida en la parte trasera del helicóptero. Esto efectivamente detiene la rotación, pero ahora hay una fuerza lateral resultante que mueve el helicóptero hacia la derecha. Lo llamamos ‘deriva del rotor de cola’.

Por supuesto, este movimiento lateral descrito anteriormente ahora debe detenerse, y esto se puede hacer de una de tres maneras: entrada del piloto en el cíclico, ajuste del aparejo de control para que cuando el cíclico esté centralizado, el disco del rotor esté realmente inclinado, o montar la caja de cambios en ángulo de manera que el eje de transmisión al rotor esté desplazado. Sin embargo, al resolver el problema de la deriva del rotor de cola creamos otro problema. Si el rotor de cola está montado por debajo del nivel del rotor principal, y la mayoría lo está, se produce un «par» entre el componente horizontal del empuje total del rotor que se utiliza para compensar la deriva del rotor de cola y el propio empuje del rotor de cola. Esta pareja tiende a hacer rodar el helicóptero hacia la izquierda, y el efecto se conoce como ‘balanceo del rotor de cola’. Significa que el helicóptero sobrevuela a la izquierda patinando bajo. No es realmente un problema, pero es algo que los pilotos deben conocer.

Conclusión

Entonces, la teoría de cómo vuelan los helicópteros es bastante complicada, pero ciertamente no imposible de entender. Sin embargo, lo anterior realmente solo explica los conceptos básicos. Hay otros factores aerodinámicos que se deben tener en cuenta si quiere comprender por completo cómo vuelan los helicópteros en todas las fases del vuelo y en todas las situaciones: anillo de vórtice, pérdida de aspas en retroceso, golpes de mástil… por mencionar solo algunos. Pero tal vez sea mejor dejar esto para más tarde…