Aerodinámica en un Helicóptero - Aerodynamics of Flight

La gravedad que actúa sobre la masa (la cantidad de materia) de un objeto crea una fuerza llamada peso. La pala del rotor de abajo pesa 100 libras. Tiene 20 pies de largo (envergadura) y 1 pie de ancho (cuerda). Por lo tanto, su superficie es de 20 pies cuadrados. (Todo sobre Helicópteros)

La pala está perfectamente equilibrada en un soporte de punta de alfiler, como se puede ver en la figura al mirarla desde el extremo (la vista del perfil aerodinámico). El objetivo es que la pala desafíe la gravedad y se quede exactamente donde está cuando quitemos el soporte. 

Si no hacemos nada antes de quitar el soporte, la pala simplemente caerá al suelo. ¿Podemos ejercer una fuerza (un empujón o un tirón) opuesta a la gravedad que iguale el peso de 100 libras de la hoja? Sí, por ejemplo, se podría utilizar la fuerza electromagnética. Sin embargo, en los helicópteros utilizamos la fuerza aerodinámica para oponerla al peso y maniobrar. (Todo sobre Helicópteros)

Todo objeto en la atmósfera está rodeado por un gas que ejerce una fuerza estática de 2.116 libras por pie cuadrado (una fuerza por unidad de superficie, llamada presión) a nivel del mar. Sin embargo, esa presión se ejerce por igual en toda la pala (arriba y abajo) y, por tanto, no crea ninguna fuerza útil en la pala. 

Sólo necesitamos crear una diferencia de una libra de presión estática diferencial por pie cuadrado de superficie de la pala para tener una fuerza igual al peso de la pala (100 libras de presión hacia arriba frente a 100 libras de peso hacia abajo). (Todo sobre Helicópteros)

La presión total se compone de la presión estática y, si el aire está en movimiento, de la presión dinámica (una presión en la dirección del movimiento del aire). Como se muestra en la figura, si la presión dinámica aumenta, la presión estática disminuirá. 

Debido al diseño del perfil aerodinámico, la velocidad del aire que pasa por la superficie superior será mayor que la de la superficie inferior, lo que provoca una mayor presión dinámica en la superficie superior que en la inferior. La mayor presión dinámica en la superficie superior disminuye la presión estática en la superficie superior. 

La presión estática en la parte inferior será ahora mayor que la presión estática en la parte superior. La hoja experimentará una fuerza ascendente. Con la cantidad justa de aire que pasa sobre la pala, la fuerza ascendente será igual a una libra por pie cuadrado. 

Esta fuerza ascendente es igual y actúa de forma opuesta al peso de la pala, que es de 100 libras. Por lo tanto, si ahora quitamos el soporte, la pala desafiará la gravedad y permanecerá en su posición (ignorando por el momento la resistencia hacia atrás). (Todo sobre Helicópteros)

La fuerza creada por el aire que se mueve sobre un objeto (o que mueve un objeto a través del aire) se llama fuerza aerodinámica. Aero significa aire. Dinámico significa movimiento o desplazamiento. 

Por lo tanto, al mover el aire sobre un perfil aéreo podemos cambiar las presiones estáticas en la parte superior e inferior, generando así una fuerza útil (una fuerza aerodinámica). La parte de la fuerza aerodinámica que suele medirse perpendicularmente al aire que fluye alrededor del perfil se denomina sustentación y se utiliza para oponerse al peso. 

La resistencia es la parte de la fuerza aerodinámica que se mide como la resistencia creada por un objeto que pasa por el aire (o que el aire pasa por encima de él). La resistencia actúa en la dirección de la corriente del viento que pasa por encima del perfil y retrasa el movimiento hacia delante. (Todo sobre Helicópteros)

Fuerzas que actúan sobre el Helicóptero - Forces Acting on the Aircraft 

Una vez que un helicóptero abandona el suelo, actúa sobre él cuatro fuerzas aerodinámicas: empuje, resistencia, sustentación y peso. Entender cómo actúan estas fuerzas y saber cómo controlarlas con el uso de la potencia y los controles de vuelo es esencial para el vuelo. Se definen como sigue: (Todo sobre Helicópteros)

- Sustentacion: se opone a la fuerza descendente del peso, se produce por el efecto dinámico del aire que actúa sobre el perfil aéreo y actúa perpendicularmente a la trayectoria de vuelo a través del centro de sustentación. 

- Peso: es la carga combinada del propio avión, la tripulación, el combustible y la carga o el equipaje. El peso tira de la aeronave hacia abajo debido a la fuerza de gravedad. Se opone a la sustentación y actúa verticalmente hacia abajo a través del centro de gravedad (CG) de la aeronave. 

- Empuje: la fuerza producida por la planta motriz/hélice o rotor. Se opone o vence a la fuerza de arrastre. Por regla general, actúa en paralelo al eje longitudinal. Sin embargo, no siempre es así, como se explica más adelante. 

- Resistencia: fuerza de retardo hacia atrás causada por la interrupción del flujo de aire por el ala, el rotor, el fuselaje y otros objetos que sobresalen. La resistencia se opone al empuje y actúa hacia atrás en paralelo al viento relativo.

Sustentación - Lift 

La sustentación se genera cuando un objeto cambia la dirección del flujo de un fluido o cuando el fluido es forzado a moverse por el objeto que lo atraviesa. 

Cuando el objeto y el fluido se mueven uno respecto del otro y el objeto hace girar el flujo del fluido en una dirección perpendicular a dicho flujo, la fuerza necesaria para realizar este trabajo crea una fuerza igual y opuesta que es la sustentación. 

El objeto puede estar moviéndose a través de un fluido estacionario, o el fluido puede estar pasando por delante de un objeto estacionario  estos dos son efectivamente idénticos ya que, en principio, es sólo el marco de referencia del espectador lo que difiere. La sustentación generada por un perfil aerodinámico depende de factores como: (Todo sobre Helicópteros)

- La velocidad del flujo de aire 

- Densidad del aire 

- Área total del segmento o perfil aerodinámico 

- Ángulo de ataque (AOA) entre el aire y el perfil aerodinámico

El AOA es el ángulo en el que el perfil aéreo se encuentra con el flujo de aire que se aproxima (o viceversa). En el caso de un helicóptero, el objeto es la pala del rotor (perfil aerodinámico) y el fluido es el aire. 

La sustentación se produce cuando se desvía una masa de aire, y siempre actúa perpendicularmente al viento relativo resultante. Un perfil aéreo simétrico debe tener un AOA positivo para generar una sustentación positiva. Con un AOA cero, no se genera sustentación. 

Con un AOA negativo, se genera una sustentación negativa. Un perfil aerodinámico abombado o no simétrico puede producir sustentación positiva con un AOA cero, o incluso con un AOA negativo pequeño. (Todo sobre Helicópteros)

El concepto básico de sustentación es sencillo. Sin embargo, los detalles de cómo el movimiento relativo del aire y el perfil aerodinámico interactúan para producir la acción de giro que genera la sustentación son complejos. 

En cualquier caso que cause sustentación, una placa plana en ángulo, un cilindro giratorio, un perfil aerodinámico, etc., el flujo que se encuentra con el borde de ataque del objeto se ve obligado a dividirse por encima y por debajo del objeto. 

El cambio repentino de dirección sobre el objeto hace que se forme una zona de baja presión detrás del borde de ataque en la superficie superior del objeto. 

A su vez, debido a este gradiente de presión y a la viscosidad del fluido, el flujo sobre el objeto se acelera hacia abajo a lo largo de la superficie superior del objeto. Al mismo tiempo, el flujo forzado por debajo del objeto se ralentiza rápidamente o se estanca provocando una zona de alta presión. 

Esto también hace que el flujo se acelere a lo largo de la superficie superior del objeto. Cada una de las dos secciones del fluido abandona el borde de salida del objeto con una componente de impulso hacia abajo, produciendo la sustentación. (Todo sobre Helicópteros)

Principio de Bernoulli - Bernoulli’s Principle 

El principio de Bernoulli describe la relación entre la presión interna del fluido y su velocidad. Es un enunciado de la ley de conservación de la energía y ayuda a explicar por qué un perfil aéreo desarrolla una fuerza aerodinámica. 

El concepto de conservación de la energía establece que la energía no puede crearse ni destruirse y que la cantidad de energía que entra en un sistema también debe salir. 

En concreto, en este caso la "energía" a la que se hace referencia es la presión dinámica (la energía cinética del aire - más velocidad, más energía cinética) y la presión estática del aire (energía potencial). Estas cambiarán entre sí, pero la energía total de la presión permanece constante dentro del tubo.

Un tubo sencillo con una porción constreñida cerca del centro de su longitud ilustra este principio. Un ejemplo es hacer correr el agua por una manguera de jardín. 

La masa de flujo por unidad de superficie (área transversal del tubo) es el caudal másico. En la figura, el flujo que entra en el tubo es constante, ni se acelera ni se desacelera; por tanto, el caudal másico que atraviesa el tubo debe ser el mismo en las estaciones 1, 2 y 3. 

Si el área de la sección transversal en cualquiera de estas estaciones -o en cualquier punto del tubo- se reduce, la velocidad del fluido debe aumentar para mantener un caudal másico constante para mover la misma cantidad de fluido a través de un área más pequeña. 

La continuidad del flujo de masa hace que el aire se mueva más rápido a través del venturi. En otras palabras, el fluido se acelera en proporción directa a la reducción del área. (Todo sobre Helicópteros)

Bernoulli (Ptotal = Pdynamic + Pstatic) establece que el aumento de la velocidad aumentará la presión dinámica en sentido de la corriente. Como la presión total en el tubo debe permanecer constante, la presión estática en los lados del venturi disminuirá. El efecto Venturi es el término utilizado para describir este fenómeno. (Todo sobre Helicópteros)

La figura ilustra las placas de un pie cuadrado en el flujo dinámico y en los lados del tubo indicando la presión estática, con la presión correspondiente. 

En el punto 2, es más fácil visualizar la reducción de la presión estática en la parte superior del perfil aerodinámico en comparación con la parte inferior del perfil aerodinámico, que se representa como fuera del tubo y, por tanto, a la presión estática ambiental. 

Hay que tener en cuenta que en el caso de las palas reales no es tan sencillo como en este ejemplo, ya que la presión estática en la parte inferior está influenciada por el diseño y el ángulo de las palas, entre otras cosas. 

Sin embargo, la idea básica es que es la diferencia de presión estática entre la parte superior y la inferior multiplicada por la superficie de la pala la que genera la fuerza aerodinámica. (Todo sobre Helicópteros)

Flujo Venturi - Venturi Flow 

Mientras que la cantidad de energía total dentro de un sistema cerrado (el tubo) no cambia, la forma de la energía puede alterarse. La presión del aire que fluye puede compararse con la energía en el sentido de que la presión total del aire que fluye siempre permanece constante a menos que se añada o elimine energía. 

La presión del flujo de fluidos tiene dos componentes: la presión estática y la presión dinámica. La presión estática es el componente de la presión que se mide en el flujo pero que no se mueve con el flujo cuando se mide la presión. La presión estática también se conoce como la fuerza por unidad de área que actúa sobre una superficie. 

La presión dinámica del flujo es aquella componente que existe como resultado del movimiento del aire. La suma de estas dos presiones es la presión total. A medida que el aire fluye a través de la constricción, la presión estática disminuye a medida que aumenta la velocidad. Esto aumenta la presión dinámica. 

La figura muestra la mitad inferior de la zona de constricción del tubo, que se asemeja a la mitad superior de un perfil aerodinámico. Incluso con la mitad superior del tubo eliminada, el aire sigue acelerando sobre la zona curva porque las capas de aire superiores restringen el flujo, al igual que la mitad superior del tubo constreñido. 

Esta aceleración provoca una disminución de la presión estática por encima de la parte curva y crea un diferencial de presión causado por la variación de las presiones estática y dinámica. (Todo sobre Helicópteros)

Tercera ley del movimiento de Newton - Newton’s Third Law of Motion 

La superficie inferior de las palas del rotor proporciona una elevación adicional, ya que el aire que incide en la parte inferior se desvía hacia abajo. 

Según la tercera ley del movimiento de Newton, "para toda acción hay una reacción igual y opuesta", el aire que se desvía hacia abajo también produce una reacción hacia arriba (de elevación). (Todo sobre Helicópteros)

Como el aire es muy parecido al agua, la explicación de esta fuente de sustentación puede compararse con el efecto de planeo de los esquís sobre el agua. 

La sustentación de los esquís acuáticos (y del esquiador) es la fuerza causada por la presión del impacto y la desviación del agua de las superficies inferiores de los esquís. (Todo sobre Helicópteros)

En la mayoría de las condiciones de vuelo, la presión de impacto y la desviación del aire de la superficie inferior de la pala proporcionan un porcentaje comparativamente pequeño de la sustentación total. 

La mayor parte de la sustentación es el resultado de la disminución de la presión por encima de la pala, más que del aumento de la presión por debajo de ella. (Todo sobre Helicópteros)

Peso - Weight 

Normalmente, se considera que el peso es un valor fijo y conocido, como el peso del helicóptero, el combustible y los ocupantes. Para elevar el helicóptero del suelo verticalmente, el disco del rotor debe generar suficiente sustentación para superar o compensar el peso total del helicóptero y sus ocupantes. 

La primera ley de Newton dice: "Todo objeto en estado de movimiento uniforme tiende a permanecer en ese estado de movimiento a menos que se le aplique una fuerza externa". 

En este caso, el objeto es el helicóptero, ya sea en vuelo estacionario o en tierra, y la fuerza externa que se le aplica es la sustentación, que se consigue aumentando el ángulo de inclinación de las palas del rotor principal. 

Esta acción obliga al helicóptero a ponerse en movimiento, sin la cual el helicóptero permanecería en el suelo o en el aire. (Todo sobre Helicópteros)

El peso del helicóptero también puede verse influido por las cargas aerodinámicas. Cuando un helicóptero se inclina manteniendo una altitud constante, la carga "G" o el factor de carga aumenta. 

El factor de carga es la carga real sobre las palas del rotor en cualquier momento, dividida por la carga normal o peso bruto (peso del helicóptero y su contenido). 

Cada vez que un helicóptero vuela en una trayectoria de vuelo curva a altitud constante, la carga soportada por las palas del rotor es mayor que el peso total del helicóptero. 

Cuanto más cerrada sea la trayectoria de vuelo curvada, más pronunciada será la inclinación; cuanto más rápido sea el flare o la salida de un picado, mayor será la carga soportada por el rotor. Por lo tanto, el factor de carga debe ser mayor. (Todo sobre Helicópteros)

Para superar este factor de carga adicional, el helicóptero debe ser capaz de producir más sustentación. Si no se dispone de un exceso de potencia en el motor, el helicóptero desciende o tiene que desacelerar para mantener la misma altitud. 

El factor de carga y, por lo tanto, el aumento del peso bruto aparente es relativamente pequeño en las inclinaciones de hasta 30°. Aun así, bajo el conjunto adecuado de circunstancias adversas, como una altitud elevada, aire turbulento, peso bruto elevado y una técnica deficiente del piloto, es posible que no se disponga de potencia suficiente o excesiva para mantener la altitud y la velocidad del aire. 

Los pilotos deben tener en cuenta todos estos factores a lo largo de todo el vuelo, desde el punto de ascenso hasta el aterrizaje. (Todo sobre Helicópteros)

Por encima de los 30° de inclinación, el aumento aparente del peso bruto se dispara. A 30° de inclinación, o cabeceo, el aumento aparente es sólo del 16%, pero a 60°, es el doble de la carga sobre las alas y el disco del rotor. 

Por ejemplo, si el peso del helicóptero es de 1.600 libras, el peso soportado por el disco del rotor en una inclinación de 30° a una altitud constante sería de 1.856 libras (1.600 + 16 por ciento (o 256)). (Todo sobre Helicópteros)

En un viraje de 60°, sería de 3.200 libras; en un viraje de 80°, sería casi seis veces más, es decir, 8.000 libras. Es importante señalar que cada pala del rotor debe soportar un porcentaje del peso bruto. 

En un sistema de dos palas, cada pala del helicóptero de 1.600 libras mencionado anteriormente tendría que levantar el 50% o 800 libras. Si este mismo helicóptero tuviera tres palas del rotor, cada pala tendría que levantar sólo el 33%, es decir, 533 libras. (Todo sobre Helicópteros)

Una causa adicional de los grandes factores de carga es el aire agitado o turbulento. Las fuertes ráfagas verticales producidas por la turbulencia pueden causar un aumento repentino del AOA, lo que resulta en un aumento de las cargas de las palas del rotor que son resistidas por la inercia del helicóptero. (Todo sobre Helicópteros)

Cada tipo de helicóptero tiene sus propias limitaciones que se basan en la estructura, el tamaño y las capacidades de la aeronave. Independientemente de la cantidad de peso que pueda llevar o de la potencia del motor que pueda tener, todos son susceptibles de sufrir una sobrecarga aerodinámica. 

Desgraciadamente, si el piloto intenta sobrepasar los límites de rendimiento, las consecuencias pueden ser fatales. (Todo sobre Helicópteros)

Las fuerzas aerodinámicas afectan a todos los movimientos de un helicóptero, ya sea aumentando el colectivo o un ángulo de inclinación pronunciado. Antitorque los resultados de una determinada maniobra o el ajuste de un control de vuelo no es una buena técnica de pilotaje. 

En su lugar, los pilotos deben comprender realmente las capacidades del helicóptero en todas y cada una de las circunstancias y planificar para no sobrepasar nunca la envolvente de vuelo en ninguna situación.(Todo sobre Helicópteros)

Empuje - Thrust 

El empuje, al igual que la sustentación, es generado por la rotación del disco del rotor principal. En un helicóptero, el empuje puede ser hacia delante, hacia atrás, hacia los lados o vertical. La elevación y el empuje resultantes determinan la dirección del movimiento del helicóptero. (Todo sobre Helicópteros)

La relación de solidez es la relación entre el área total de las palas del rotor, que es el área combinada de todas las palas del rotor principal, y el área total del disco del rotor. Esta relación proporciona un medio para medir el potencial de un disco de rotor para proporcionar empuje y elevación. 

Los cálculos matemáticos necesarios para calcular la relación de solidez de cada helicóptero pueden no ser importantes para la mayoría de los pilotos, pero lo que sí debería serlo es la capacidad del disco del rotor para producir y mantener la sustentación. (Todo sobre Helicópteros)

Muchos accidentes de helicópteros son causados por la sobrecarga del disco del rotor. En pocas palabras, los pilotos intentan realizar maniobras que requieren más sustentación de la que puede producir el disco del rotor o más potencia de la que puede proporcionar la planta motriz del helicóptero. 

Intentar aterrizar con el morro alto junto con cualquier otra condición desfavorable (es decir, peso bruto elevado o ráfagas de viento) es muy probable que acabe en desastre. (Todo sobre Helicópteros)

El rotor de cola también produce empuje. La cantidad de empuje es variable mediante el uso de los pedales antitorque y se utiliza para controlar la guiñada del helicóptero. (Todo sobre Helicópteros)

Resistencia - Drag 

La fuerza que resiste el movimiento de un helicóptero a través del aire y que se produce cuando se desarrolla la sustentación se denomina resistencia. La resistencia debe ser superada por el motor para hacer girar el rotor. La resistencia actúa siempre en paralelo al viento relativo. La resistencia total se compone de tres tipos de resistencia: de perfil, inducida y parásita. (Todo sobre Helicópteros)

Resistencia de perfil - Profile Drag 

La resistencia de perfil se desarrolla a partir de la resistencia a la fricción de las palas al pasar por el aire. No cambia significativamente con el AOA del perfil, pero aumenta moderadamente cuando aumenta la velocidad del aire. La resistencia del perfil se compone de la resistencia de forma y de la fricción de la piel. 

La resistencia de forma es el resultado de la estela turbulenta causada por la separación del flujo de aire de la superficie de una estructura. La cantidad de resistencia está relacionada con el tamaño y la forma de la estructura que sobresale en el viento relativo. (Todo sobre Helicópteros)

La fricción superficial está causada por la rugosidad de la superficie. Aunque la superficie parezca lisa, puede ser bastante rugosa cuando se observa con un microscopio. Una fina capa de aire se adhiere a la superficie rugosa y crea pequeños remolinos que contribuyen a la resistencia. (Todo sobre Helicópteros)

Resistencia inducida - Induced Drag 

La resistencia inducida se genera por la circulación del flujo de aire alrededor de la pala del rotor al crear la sustentación. La zona de alta presión debajo de la pala se une a la zona de baja presión por encima de la pala en el borde de salida y en las puntas del rotor. 

Esto provoca una espiral, o vórtice, que se arrastra detrás de cada pala cuando se produce la sustentación. Estos vórtices desvían la corriente de aire hacia abajo en las proximidades de la pala, creando un aumento de la corriente descendente. (Todo sobre Helicópteros)

Por lo tanto, la pala funciona con un viento relativo medio que se inclina hacia abajo y hacia atrás cerca de la pala. Como la sustentación producida por la pala es perpendicular al viento relativo, la sustentación está inclinada hacia atrás en la misma medida. La componente de la sustentación que actúa hacia atrás es la resistencia inducida. (Todo sobre Helicópteros)

A medida que el diferencial de presión del aire aumenta con un incremento del AOA, se forman vórtices más fuertes y la resistencia inducida aumenta. 

Dado que el AOA de la pala suele ser menor a velocidades del aire más altas y mayor a velocidades bajas, la resistencia inducida disminuye a medida que aumenta la velocidad del aire y aumenta cuando ésta disminuye. La resistencia inducida es la causa principal de la resistencia a bajas velocidades del aire. (Todo sobre Helicópteros)

Resistencia parásita - Parasite Drag 

La resistencia parásita está presente siempre que el helicóptero se mueve en el aire. Este tipo de resistencia aumenta con la velocidad del aire. Los componentes del helicóptero que no se elevan, como la cabina, el mástil del rotor, la cola y el tren de aterrizaje, contribuyen a la resistencia parásita. 

Cualquier pérdida de impulso por parte de la corriente de aire, debido a cosas como las aberturas para la refrigeración del motor, crea una resistencia parásita adicional. (Todo sobre Helicópteros)

Debido a su rápido incremento con el aumento de la velocidad del aire, la resistencia parásita es la causa principal de la resistencia a velocidades del aire más altas. La resistencia parásita varía con el cuadrado de la velocidad; por lo tanto, si se duplica la velocidad del aire, la resistencia parásita se multiplica por cuatro. (Todo sobre Helicópteros)

Resistencia total - Total Drag 

La resistencia total de un helicóptero es la suma de las tres fuerzas de resistencia. A medida que aumenta la velocidad del aire, aumenta la resistencia parásita, mientras que la resistencia inducida disminuye. 

La resistencia del perfil se mantiene relativamente constante en todo el rango de velocidades, con un cierto aumento a velocidades elevadas. La combinación de todas las fuerzas de arrastre da como resultado una curva de arrastre total. (Todo sobre Helicópteros)

El punto más bajo de la curva de resistencia total muestra la velocidad del aire a la que se minimiza la resistencia. Este es el punto en el que la relación entre sustentación y resistencia es mayor y se denomina L/DMAX. 

A esta velocidad, la capacidad de sustentación total del helicóptero, comparada con la resistencia total del mismo, es la más favorable. Este es un factor importante en el rendimiento del helicóptero. (Todo sobre Helicópteros)

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Fuente: La información (texto e imágenes) utilizado para este artículo está basado en el manual de la FAA (Helicopter Flying Handbook - FAA-H-8083-21B) y manuales de instrucción de centros académicos aeronáuticos.