Velocidad máxima del helicóptero: ¿Qué tan rápido pueden volar?

Los helicópteros pueden hacer muchas cosas que los aviones de ala fija no pueden hacer; pueden flotar, girar en el lugar y aterrizar en casi cualquier lugar. De hecho, para los no iniciados, estos asombrosos aviones giratorios parecen ser capaces de hacer prácticamente cualquier cosa. Pero esto no es del todo cierto. Una cosa que simplemente no pueden hacer es volar muy rápido.

Incluso los helicópteros más rápidos se mueven con relativa lentitud en comparación con sus equivalentes de ala fija, y no hay un helicóptero equivalente al avión de pasajeros que cruza continentes a velocidades cercanas a Mach 1, la velocidad del sonido. En una exhibición aérea europea el 6 de agosto de 1986, una versión ligeramente modificada del helicóptero ZB500 G-Lynx, fabricado por GKN Westland Helicopters, estableció un récord mundial de velocidad para un helicóptero al volar a 217,5 nudos y la velocidad máxima teórica para un avión de alas giratorias es de sólo unos 225 nudos.

Entonces, ¿por qué es esto? ¿Por qué no hay un helicóptero que rompa récords en lo que respecta a los récords de velocidad, y lo más probable es que nunca lo haya? En última instancia, todo tiene que ver con el hecho de que un helicóptero tiene alas giratorias. Para comprender realmente las razones, debemos echar un vistazo a la aerodinámica básica de un helicóptero. Así que haremos eso ahora, ¡pero por favor no se asuste! No es tan complicado como parece…

Cómo se produce la sustentación en los helicópteros: el fenómeno del retroceso

Son las palas giratorias del rotor del helicóptero las que producen sustentación y permiten que el helicóptero vuele, y cada una de ellas produce la misma cantidad de sustentación en un vuelo estacionario en aire en calma. Pero una vez que hay algo de viento, o el helicóptero se mueve hacia adelante, la pala que avanza (la que se mueve hacia adelante) tiene más aire que sopla sobre ella, es decir, una velocidad aerodinámica más alta, que la pala que se retira (la que se mueve hacia atrás), y por lo tanto produce más sustentación.

Para contrarrestar esta disimetría de sustentación entre las palas, permitimos que las palas aleteen hacia arriba y hacia abajo, y este aleteo iguala la sustentación a través del disco del rotor a medida que las palas ‘aletean en igualdad’. Pero un efecto secundario de este aleteo es que cuando el cíclico se mueve hacia adelante para aumentar la velocidad, el disco del rotor se inclina hacia adelante inicialmente pero luego retrocede, y se requiere más movimiento cíclico hacia adelante para continuar acelerando. Esto se conoce como ‘Flapback’.

Este fenómeno de ‘Flapback’ se produce en todo el rango de velocidades del helicóptero. Entonces, si queremos aumentar nuestra velocidad, el cíclico debe moverse progresivamente más y más hacia adelante. Estrictamente hablando, llegará un punto en el que el cíclico está en su límite de avance y el helicóptero no puede volar más rápido.

Sin embargo, en la práctica, existen otros factores además del Flapback que probablemente desempeñen un papel en la limitación de la velocidad de avance del helicóptero, antes de que esto ocurra. Echaremos un vistazo a esos ahora.

Otros factores que limitan la velocidad de avance de un helicóptero: inversión del flujo de aire

A medida que el helicóptero vuela cada vez más rápido, existe una diferencia progresivamente creciente en las velocidades relativas de las palas que avanzan y retroceden. Para entender esto, pongamos algunos números. Si el helicóptero avanza a 30 nudos, suponiendo que no haya viento, la diferencia entre la velocidad aerodinámica de la pala que avanza y la de la que retrocede es de 60 nudos. Pero si el helicóptero se mueve a 150 nudos, ¡esta diferencia se convierte en 300 nudos! Ahora, llega un punto en el que la raíz de la pala que retrocede, que es la parte más lenta, tiene velocidad aerodinámica cero, ya que el helicóptero avanza a una velocidad mayor que la que gira esa sección de la pala. Cuando eso ocurre, esta sección particular de la pala del rotor no puede producir ninguna sustentación.

Al principio, esta incapacidad para producir sustentación solo ocurre en una pequeña área de la pala. Pero, a medida que el helicóptero acelera, esta ‘Reversión del flujo de aire’ tiene lugar en un área cada vez más grande de la pala en retirada. La única forma en que el sistema de rotor puede compensar esto es que la parte exterior de la pala en retirada trabaje más, por así decirlo. Por lo tanto, la sección exterior de la pala tiene que producir más empuje (ascensor) del rotor, y lo hace operando a un ángulo de ataque cada vez más alto, lo que se logra a través de más aleteo. Aunque no suena terriblemente eficiente, el helicóptero puede operar bastante felizmente en esta condición, y las pruebas han demostrado que algunos helicópteros a la máxima velocidad de avance tienen el 40% de la pala en retirada afectada por el flujo inverso.

Punto en el que ya no se produce sustentación: parada de la hoja en retroceso

Sin embargo, este proceso de inversión del flujo de aire solo puede continuar hasta cierto punto. Al igual que con cualquier perfil aerodinámico, si el ángulo de ataque aumenta más allá de cierto punto, la pala se detendrá. Este fenómeno se conoce, tal vez como era de esperar, como ‘Bloqueo de hoja en retirada’. Comienza en la punta de la pala, ya que es la zona que tiene mayor ángulo de ataque, y se extiende hacia el interior hasta la raíz. Y, básicamente, la hoja en retirada deja de producir más sustentación, como ocurriría con cualquier ‘ala’ estancada.

Cuando se produce esta entrada en pérdida de las palas en retirada, es de esperar que el helicóptero gire hacia el lado de las palas en retirada. Pero, de hecho, la precesión giroscópica significa que el efecto de la pala detenida se produce 90 grados más tarde, es decir, en la parte trasera del disco del rotor. Por lo tanto, el helicóptero levanta el morro y luego gira hacia un lado o hacia el otro, de manera bastante arbitraria.

Sin embargo, al igual que con cualquier pérdida, hay síntomas que ocurren antes de que ocurra realmente la pérdida de la pala en retirada. El estancamiento de la hoja en retroceso es anunciado por la vibración y la aspereza del rotor. Pero dado que la mayoría de los pilotos no han experimentado el fenómeno antes, o al menos muy raramente, los síntomas pueden pasar desapercibidos. Sin embargo, a medida que la pala en retirada comienza a entrar en pérdida y el helicóptero levanta el morro, esto en sí mismo reducirá la velocidad del helicóptero y puede corregir el problema antes de que el resultado sea catastrófico. Si el piloto realmente reconoce lo que está sucediendo, debe bajar el colectivo para disminuir los ángulos de inclinación de las palas. El cíclico trasero, que elevaría aún más el morro del helicóptero, podría sonar como si fuera a salvar el día al reducir la velocidad del avión, pero de hecho, termina aumentando el ángulo de ataque de las palas… por razones aerodinámicas mucho, mucho demasiado complicado para el alcance de este artículo, ¡y espero no haberte perdido ya de todos modos! Sin embargo, una vez que se ha bajado el colectivo, entonces El cíclico de popa se puede utilizar para reducir la velocidad del helicóptero.

Teóricamente, aumentar las rpm del rotor también debería proporcionar un medio para recuperarse del bloqueo de las palas en retirada, ya que proporciona más flujo de aire sobre las palas y, por lo tanto, limita el tamaño del área de flujo inverso. Pero solo son posibles pequeñas variaciones en las rpm del rotor sin dañar alguna parte del helicóptero, por lo que esto es algo académico. ¡Realmente no se recomienda recuperarse de la parada de las palas en retirada destruyendo su sistema de rotor debido a un exceso de velocidad catastrófico!

Podría pensar que la entrada en pérdida de las palas en retirada nunca ocurriría a menos que el piloto esté haciendo un mal uso de su helicóptero y operando mucho más allá de Vne, nunca exceda la velocidad del helicóptero. Pero también puede ocurrir durante maniobras agresivas, como giros pronunciados y salidas en picado a alta velocidad, movimientos de control excesivos o bruscos, o vuelos en turbulencia. Es más probable que suceda si alguna de estas condiciones se combina con un vuelo a una altitud de alta densidad cuando, en cualquier caso, hay menos flujo de aire sobre las palas del rotor. Por esta razón, es una buena idea que los pilotos sean conscientes de la posibilidad de pérdida de palas en retroceso, y de los síntomas y las medidas correctivas que se deben tomar. Pero no se preocupe demasiado por esto, a menos que vuele regularmente en condiciones turbulentas a gran altura y/o lleve su helicóptero al límite. La entrada en pérdida de palas en retirada no es tan común como la entrada en pérdida en un avión de ala fija, ni mucho menos. De hecho, en circunstancias normales, rara vez sucede. Quizás solo los pilotos militares, que por necesidad deben llevar sus máquinas al límite, son los que lo encuentran. Solo pude encontrar un incidente de pérdida de palas en retirada relacionado en la literatura: de un piloto de pruebas y su tripulación que estaban investigando las reducciones de velocidad aerodinámica con la altitud, que encontraron una pérdida de palas en retirada a 11,000 pies y una velocidad aerodinámica indicada de 46 nudos (pero una velocidad aerodinámica real mucho más alta). , por supuesto). Al parecer, el helicóptero perdió completamente el control y completó dos vueltas de barril tan grandes que al final de la segunda chocó contra el suelo. Milagrosamente, el piloto y un miembro de la tripulación sobrevivieron. ¡Cosas aterradoras, por supuesto! Pero esta no es una situación en la que el piloto de helicóptero privado promedio, o incluso un piloto de helicóptero comercial normal, pueda encontrarse.

Otro factor que limita el vuelo en helicóptero de alta velocidad: la compresibilidad del aire

Los límites del movimiento cíclico hacia adelante, la inversión del flujo de aire y la entrada en pérdida de las palas en retirada no son los únicos factores que limitan el vuelo del helicóptero a alta velocidad. Otro factor es la compresibilidad del aire. A altas velocidades relativas del aire que se acercan a la velocidad del sonido, el carácter del flujo de aire cambia y se debe tener en cuenta la compresibilidad. Es posible que el helicóptero no se mueva a una velocidad cercana a este tipo, pero las palas de su rotor sí lo hacen y, en este caso, es la velocidad de la pala que avanza lo que puede causar problemas. En vuelo hacia adelante a 150 nudos, la punta de la pala que avanza de un helicóptero de turbina típico tiene una velocidad de alrededor de 295 metros por segundo, muy cercana a la velocidad del sonido al nivel del mar, que es de 340 metros por segundo. Esto significa que la compresibilidad es significativa, lo que significa que se requiere más potencia para el mismo empuje del rotor, y se pueden producir ondas de choque con el aumento de la vibración y el ruido. Una vez más, ¡esta no es una situación recomendada para meterse cuando está volando un helicóptero!

Un resumen de los factores que afectan la velocidad máxima de un helicóptero

En caso de que te sientas perdido a estas alturas, permítenos resumir los factores aerodinámicos que limitan la velocidad de un helicóptero, para que si lo deseas puedas estudiarlos con más detalle en una fecha posterior…

• Flapback y el límite del movimiento cíclico hacia adelante
• Inversión del flujo de aire
• Puesto en retirada de la hoja
• Compresibilidad del aire

Todos estos juntos se combinan para producir un límite absoluto a la velocidad a la que puede volar un helicóptero, y significa que incluso los helicópteros más rápidos nunca alcanzarán las altas velocidades de los aviones de ala fija más rápidos.

Conclusión

Los detalles de la explicación anterior aún pueden ser algo confusos. Pero para explicarlo de manera simple, si supera cierta velocidad de avance en un helicóptero, la pala que retrocede sufre los efectos de una velocidad aerodinámica demasiado baja, mientras que la pala que avanza tiene problemas porque su velocidad aerodinámica es demasiado alta. Si se perdió en los detalles explicados anteriormente, en realidad eso es todo lo que estaba tratando de explicar. Por lo tanto, debería quedar bastante claro ahora por qué no hay helicópteros súper rápidos, y probablemente nunca lo habrá. Estas no son máquinas para los adictos a la velocidad de la aviación entre nosotros. Pero después de todo, cuando puede hacer tantas otras cosas maravillosas con su máquina rotativa, ¿quién necesita ir rápido?