Helicópteros
Principios de vuelo y funcionamiento
A diferencia de las aeronaves de ala fija, el perfil aerodinámico principal del helicóptero es el conjunto de palas giratorias (rotor) montado sobre su fuselaje en un eje articulado (mástil) conectado con el motor del vehículo y los controles de vuelo. En comparación con los aviones, la cola de un helicóptero es algo más alargada y el timón más pequeño; la cola está equipada con un pequeño rotor antipar (rotor de cola). El tren de aterrizaje consiste a veces en un par de patines en lugar de conjuntos de ruedas.
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El hecho de que el helicóptero obtenga su fuerza de sustentación mediante un perfil aerodinámico giratorio (el rotor) complica enormemente los factores que afectan a su vuelo, ya que no sólo el rotor gira, sino que también se mueve hacia arriba y hacia abajo con un movimiento de aleteo y se ve afectado por el movimiento horizontal o vertical del propio helicóptero. A diferencia de los perfiles aerodinámicos habituales de los aviones, los perfiles aerodinámicos de los rotores de los helicópteros suelen ser simétricos. La línea de cuerda de un rotor, al igual que la línea de cuerda de un ala, es una línea imaginaria trazada desde el borde de ataque hasta el borde de salida del perfil aerodinámico.
El viento relativo es la dirección del viento en relación con el perfil aerodinámico. En un avión, la trayectoria de vuelo del ala es fija en relación con su vuelo hacia delante; en un helicóptero, la trayectoria de vuelo del rotor avanza hacia delante (hacia el morro del helicóptero) y luego hacia atrás (hacia la cola del helicóptero) en el proceso de su movimiento circular. El viento relativo se considera siempre en dirección paralela y opuesta a la trayectoria de vuelo. Al considerar el vuelo del helicóptero, el viento relativo puede verse afectado por la rotación de las palas, el movimiento horizontal del helicóptero, el aleteo de las palas del rotor y la velocidad y dirección del viento. En vuelo, el viento relativo es una combinación de la rotación de la pala del rotor y el movimiento del helicóptero.
Al igual que una hélice, el rotor tiene un ángulo de paso, que es el ángulo entre el plano horizontal de rotación del disco del rotor y la línea de cuerda del perfil aerodinámico. El piloto utiliza el control de paso colectivo y cíclico (véase más adelante) para variar este ángulo de paso. En un avión de ala fija, el ángulo de ataque (el ángulo del ala en relación con el viento relativo) es importante para determinar la sustentación. Lo mismo ocurre en un helicóptero, donde el ángulo de ataque es el ángulo en el que el viento relativo se encuentra con la línea de cuerda de la pala del rotor.
El ángulo de ataque y el ángulo de cabeceo son dos condiciones distintas. La variación del ángulo de paso de una pala del rotor modifica su ángulo de ataque y, por tanto, su sustentación. Un ángulo de paso mayor (hasta el punto de entrada en pérdida) aumentará la sustentación; un ángulo de paso menor la disminuirá. Las palas individuales de un rotor tienen sus ángulos de paso ajustados individualmente.
La velocidad del rotor también controla la sustentación: cuanto más altas sean las revoluciones por minuto (rpm), mayor será la sustentación. Sin embargo, el piloto generalmente intentará mantener constantes las rpm del rotor y cambiará la fuerza de sustentación variando el ángulo de ataque.
Al igual que con las aeronaves de ala fija, la densidad del aire (resultado de la temperatura, humedad y presión del aire) afecta al rendimiento del helicóptero. Cuanto mayor sea la densidad, más sustentación se generará; cuanto menor sea la densidad, menos sustentación se generará. Al igual que en las aeronaves de ala fija, un cambio en la sustentación también da lugar a un cambio en la resistencia. Cuando se incrementa la sustentación aumentando el ángulo de cabeceo y, por lo tanto, el ángulo de ataque, la resistencia aumentará y reducirá las revoluciones del rotor. Se necesitará entonces más potencia para mantener las revoluciones deseadas. Así pues, aunque un helicóptero se ve afectado como una aeronave convencional por las fuerzas de sustentación, empuje, peso y resistencia, su modo de vuelo induce efectos adicionales.
En un helicóptero, las fuerzas totales de sustentación y empuje generadas por el rotor se ejercen perpendicularmente a su plano de rotación. Cuando un helicóptero flota sin viento, el plano de rotación del rotor (el plano de la trayectoria de la punta) es paralelo al suelo, y la suma de las fuerzas de peso y resistencia se equilibra exactamente con la suma de las fuerzas de empuje y sustentación. En vuelo vertical, las componentes del peso y la resistencia se combinan en un único vector que se dirige hacia abajo; las componentes de la sustentación y el empuje se combinan en un único vector que se dirige hacia arriba. Para lograr el vuelo hacia delante en un helicóptero, el plano de rotación del rotor se inclina hacia delante. (Debe entenderse que el mástil del rotor del helicóptero no se inclina, sino que las palas individuales del rotor dentro del plano de rotación tienen su ángulo de inclinación variado). Para el vuelo lateral, el plano de rotación del rotor se inclina en la dirección deseada. Para el vuelo hacia atrás, el plano de rotación del rotor se inclina hacia atrás.
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Debido a que el rotor está propulsado, hay una reacción de par igual y opuesto, que tiende a girar el fuselaje en dirección opuesta al rotor. Este par se compensa con el rotor de cola (rotor antipar) situado en el extremo del fuselaje. El piloto controla el empuje del rotor de cola mediante pedales, neutralizando el par según sea necesario.
Hay otras fuerzas que actúan sobre un helicóptero que no se encuentran en una aeronave convencional. Entre ellas se encuentra el efecto de precesión giroscópica del rotor, es decir, la disimetría de la sustentación creada por el movimiento de avance del helicóptero, que hace que la pala que avanza tenga más sustentación y la que retrocede menos. Esto ocurre porque la pala que avanza tiene una velocidad combinada de la velocidad de la pala y la velocidad del helicóptero en vuelo hacia delante, mientras que la pala que retrocede tiene la diferencia entre la velocidad de la pala y la velocidad del helicóptero. Esta diferencia de velocidad provoca una diferencia de sustentación: la pala que avanza se mueve más rápido y, por tanto, genera más sustentación. Si no se controla, el helicóptero rodaría. Sin embargo, la diferencia de sustentación se compensa con el aleteo de las palas y con el feathering cíclico (cambio del ángulo de cabeceo). Como las palas están unidas al buje del rotor mediante bisagras horizontales que permiten su movimiento en un plano vertical, la pala que avanza aletea hacia arriba, disminuyendo su ángulo de ataque, mientras que la que retrocede aletea hacia abajo, aumentando su ángulo de ataque. Esta combinación de efectos iguala la sustentación. (Las palas también están unidas al buje por una bisagra vertical, que permite que cada pala se mueva hacia adelante y hacia atrás en el plano de rotación. La bisagra vertical amortigua las vibraciones y absorbe el efecto de la aceleración o desaceleración). Además, en vuelo de avance, la posición del control cíclico de cabeceo provoca un efecto similar, contribuyendo a la igualación de la sustentación.
Otras fuerzas que actúan sobre los helicópteros son el coning, el efecto de flexión hacia arriba de las palas causado por la fuerza centrífuga; el efecto Coriolis, la aceleración o desaceleración de las palas causada por el movimiento de aleteo que las acerca (aceleración) o aleja (desaceleración) del eje de rotación; y la deriva, la tendencia del empuje del rotor de cola a mover el helicóptero en vuelo estacionario.