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Las palas de los helicópteros

Este post participa en la VII Edición del Carnaval de Tecnología, alojada por el blog que recomiendo que visitéis, Zemiorka.




No sé si os habéis fijado alguna vez en las palas de los helicópteros. Y no me refiero a que se os haya pasado por alto esta imagen.


No. El caso es que el sistema parece tan fácil... basta con tener dos tablas planas dando vueltas muy deprisa sobre tu cabeza, ¿no? Bueno, hay que empezar diciendo que al igual que los perfiles de ala de los aviones, en el caso de los helicópteros los perfiles tampoco son planos, y además del diámetro de las hélices hay que tener en cuenta el paso, es decir, cómo de curvadas están. La pequeña hélice de la cola sirve para girar el helicóptero o evitar que el helicóptero se ponga a girar sólo por efecto de la hélice principal.

Pero bueno, esto creo que lo dejaremos para otro día. Hoy se verá que, cuando un helicóptero cuenta con más de una hélice principal, hay varios tipos y cada uno tiene unas ventajas concretas. Concretamente están los:

- Coaxilales
- Transversales
- Tándem
- Entrelazados



ROTORES COAXIALES

Se trata de las hélices alineadas en un mismo eje o mástil, que giran en direcciones opuestas.

La primera patente data de 1859 y se le concedió a Henry Bright. Hoy, gracias al uso que están teniendo en los UAVs ha resurgido su interés, a pesar de ser un modelo tan antiguo.

Tradicionalmente, han sido los rusos los que han liderado esta tipo de rotores, sobre todo gracias al Kamov Ka-50, como el que aparece en la imagen inferior (aquí un vídeo homenaje donde se ve que este helicóptero puede ponerse boca abajo). Esto demostró que esta configuración de hélices es aplicable a ámbito militar.




Los americanos no consiguieron el primer modelo funcional de este tipo hasta 1944 (empresa Hiller, modelo XH-44)!

Una de las claves de esta configuración es la gran potencia de subida gracias a los dos pares de palas, y además, en igualdad de condiciones, las hélices soportan las menores cargas, tal y como se puede ver en el siguiente gráfico. En él, se comparan la potencia/kgf vs la velocidad de vuelo:




ROTOR TRANSVERSAL

Estos helicópteros es posible... que TENGAN ALAS! De hecho, es al final de estas alas donde se sitúan las hélices



Como se puede ver, es un diseño a caballo entre un avión y un helicóptero. No es de extrañar que estos helicópteros surgieran al principio del mundo de la aviación, como lo demuestran el FW-61 y el Fa 223 (1941). La finalidad de las aspas ahí tiene un sentido lógico, propio de aquella época incipiente: controlar el ángulo de giro longitudinal del aparato (el roll). Es decir, si la hélice izquierda tiene más fuerza que la derecha, el helicóptero se inclinará hacia la derecha. También se ha aplicado esta configuración al helicóptero más grande jamás construido: el ruso Mi-12.

Dado su "fuselaje", estos helicópteros están pensados pero una buena sustentación a altas velocidades. No nos podemos esperar que esto, técnicamente llamado Bell-Boeing V-22 Osprey, vaya despacio! Recordemos que un ingenio de la NASA para despegue vertical usaba esta misma idea.



ROTORES EN TÁNDEM

Éste el típico helicóptero que veréis en las películas bélicas, y tristemente también en algunos telediarios de actualidad. Uno de las máximas expresiones de esta configuración es el Chinook CH-47 de 1961, ampliamente usado en la Guerra de Vietnam. El primer modelo con esta configuración data de 1941, a cargo de Frank Piasecki.



La misión principal de este helicóptero fue el transporte de tropas. Es decir, es un helicóptero para cargas. Sus hélices giran en sentido contrario y esto es crucial, ya que no tiene hélice de cola para girar. La hélice de adelante, tradicionalmente en todos los rotores en tándem, gira en sentido antihorario, y la trasera, en horario. Este sistema tiene la ventaja de que toda la potencia del motor se emplea en impulsar la aeronave, evitando la pérdida del 5-15% de potencia que supone el rotor antipar. Y una última curiosidad: esos “michelines” que tiene a los lados le sirven para alojar el combustible y unas cámaras de flotabilidad: el Chinook es capaz de posarse en el agua para descargar sus tropas (fuente).

Para girar un rotor se inclina hacia un lado mientras el otro rotor lo hace hacia el lado contrario, de este modo se consigue un giro sobre si mismo. Si se pretende ir hacia delante a acelerar, el rotor trasero aumenta su velocidad, el helicóptero se inclina hacia delante y finalmente el aparato avanza. Para decelerar o incluso moverse hacia atrás, el rotor delantero es el que acelera y ocurre el proceso contrario (fuente).


ROTORES ENTRELAZADOS o ENTRECRUZADOS


Tienen dos rotores girando en sentidos opuestos y en dos mástiles distintos, con un leve ángulo de inclinación entre los dos, de manera que las palas al girar se cruzan entre sí sin colisionar. Esta disposición permite que el helicóptero vuele sin necesidad de tener un rotor en la cola. Fue desarrollada en la II GM por Alemania (Anton Flettner), y fruto de ello surgieron el Flettner Fl 265 y el Flettner Fl 282 Kolibri, ambos destinados a la guerra submarina. Tienen una gran estabilidad y una potente capacidad elevadora. Se usa como grúa y transporte de cargas.

Aunque la gran capacidad elevadora no es nueva respecto a otros helicópteros que hemos descrito. Lo que pasa es que con este modelo sí que conseguimos un aparato de pequeñas dimensiones. Un ejemplo es el Kaman K-MAX, al que se le llama el camión del cielo.






A lo largo del artículo se cita este paper.





13 comentarios :

Eudoxo dijo...

Quizá habría sido interesante incluír alguna referencia al autogiro. De hecho, como procedimiento de emergencia, todos los helicópteros que sufren una pérdida de potencia en vuelo deben forzosamente entrar en modo de autorotación ( que es el modo de vuelo característico de un autogiro ) para conseguir llegar a tierra de una forma controlada y segura.

Y otras dos referencias que valdrían la pena seían a los "quadcopter" ( helicópteros con 4 rotores ) y al Osprey de los marines, un "birrotor transversal" que se reconfigura como avión convencional.

Jbros dijo...

Gracias Eudoxo. El post me ha costado un poco delimitarlo, y para toda la información que me ha quedado sin comentar, como los helos de rotor simple o tus propuestas, haré otros posts. Siempre es muy interesante la aportación que hacéis los lectores, ayuda a enriquecer lo que publico yo.

En cuanto al quadcopter hablé algo de ellos aquí http://www.ideasecundaria.blogspot.com/2011/02/es-un-ave-es-un-avion-es-un-helicoptero.html y en la presente entrada ya he hablado del Osprey (un poco). Quizás no te has dado cuenta.

Gracias por el comment!

Jbros dijo...

Por cierto, como recordatorio para mí y otros lectores que puedan estar interesados, ya he encontrado una referencia al modo de autogiro del que hablas, @Eudoxo: http://en.wikipedia.org/wiki/Autorotation. También considero muy interesante esta entrada http://juandelacuerva.blogspot.com/2007/04/autogiros-y-helicpteros.html

the boss dijo...

hola, buen blog, tengo un blog de cazas de combate,

http://cazasdecombate.blogspot.com/

y era si quieres para intercambiar enlaces,
Para cualquier cosa ponme un comentario en mi blog, indicando tu pagina web.
Gracias y un Saludo.

Benjamin dijo...

Hola, un rotor de 2 palas q ventaja ó desventaja tiene respecto al de 3 ó mas ? le da más estabilidad ? más fuerza ? gracias ! Benjamin

Jbros dijo...

hay pocos helicópteros de dos aspas o palas. A nada que vayas ganando peso, necesitas tres o más. El helicóptero se eleva gracias a la sustentación de las palas. Por lo tanto, a menor número, más fuerza tiene que aguantar cada una.

Jbros dijo...

perdón, Benjamín: otra cosa más. Las palas en los helicópteros tienen el mismo problema también que los molinos eólicos. Poner 3 aspas también tiene efecto en la reducción de vibraciones en el eje. Cada vez que una pala pasa por encima de la cola se produce un "golpe" que es menor en el caso de tres palas. Este es un efecto derivado de que si hay tres palas, cada una aguanta menor peso, y en consecuencia, la vibración es menor.

Benjamin dijo...

Gracias Jbros ! super claro imagine q le daria más fuerza supongo q al vibrar menos tambien le dara mayor estabilidad en maniobras no ?, nunca vole en un Huey H1 pero me parece imponente, te agradezco el comentario, abrazo Benjamin

Henry Gloval dijo...

Hola, amigos:

Excelente post! Tengo una duda, para quien me pueda responder: ¿qué porcentaje de la fuerza de sustentación pierde un helicóptero con cada grado de inclinación del rotor?

Muchos saludos y felicidades.

Jeibros dijo...

Hola, Henry:

depende qué teoría quieras usar. Si te sirve la teoría del helicóptero de juguete, puedes emplear estas sencillas fórmulas. http://scitation.aip.org/content/aapt/journal/tpt/51/5/10.1119/1.4801367.

En cambio, si quieres emplear las fórmulas de un helicóptero real, tienes que tomar la hélice como un ala bidimensional y luego corregir con Pradtl. Es más complicado, para lo cual puedes usar estos apuntes http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/1/12/Dise%C3%B1o_de_helic%C3%B3pteros_y_otras_aeronaves_diversas_-_Ingenier%C3%ADa_aeron%C3%A1utica_-_ETSEIAT_-_UPC.pdf

Henry Gloval dijo...

Hola, Jeibros:

Muy atento por tu respuesta. Te explico con más detalle: estoy realizando un trabajo experimental con fines de aprendizaje, que consiste en la representación 3D de un helicóptero y todo su comportamiento.

Entiendo que inclinando el disco del rotor principal, parte de la fuerza de sustentación se convierte en fuerza de avance (tracción), lo que permite que la aeronave se mueva en la dirección deseada. En tal sentido y asumiendo que el resto de las variables permanecen constantes, ¿cómo es la relación entre cada grado de inclinación del disco-rotor y el porcentaje o cantidad de fuerza de sustentación que se convierte en tracción? Dicho de otra manera, si el helicóptero está en vuelo estacionario e inclino el disco-rotor (o todo el aparato en sí) 4 grados hacia adelante, ¿cuánta sustentación pierdo?, ¿cuánta tracción gano?

Supongo que en el primer link que me diste habría encontrado la respuesta (algo simple, que creo es lo que necesito), pero no pude acceder (parece que hay que suscribirse o algo así); si tienes otra opción similar, sería de gran ayuda. El segundo link es bastante científico; incluye términos y fórmulas que se me dificulta entender, en mi condición de neófito. ¿No habrá algún sitio donde se explique esta proporción estilo “for dummies”, o alguien que me la pueda aclarar de forma básica o general?

Mil gracias por tu apoyo, Jeibros, y muchos saludos.

Te dejo mi correo por cualquier cosa: somnuscm@gmail.com

ignacio bernal dijo...

si alguein me puede informar si los helicopteros aqui descritos(en esta paguina tienen capacidad para planear con motor apagado

Henry Gloval dijo...

Hola, Ignacio:

Me aventuro a responderte sin ser un experto…

Quizás te refieras a la “autorrotación”, un modo de vuelo (de emergencia) presente en todos los helicópteros, que consiste en desconectar el rotor principal del motor (cuando este falla) para que gire libremente por acción del viento que circula a través de él en pleno descenso. Con esto se logra que el empuje que ejerce el aire bajo las palas en movimiento “amortigüe” la caída, y la aeronave aterrice de forma segura. Es como esas semillas de algunos árboles que giran mientras caen suavemente.

Espero haberte ayudado. Un saludo!

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