🔴🚁 105. Helicóptero: Perfil Aerodinámico - Airfoil ✈️🎞️

Manual: FAA-H-8083-21B, Helicopter Flying Handbook  -  Pagina: 2-7

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Perfil aerodinámico en un Helicóptero - Airfoil

Los helicópteros pueden volar gracias a las fuerzas aerodinámicas que se producen cuando el aire pasa alrededor del perfil aerodinámico. Un perfil aerodinámico es cualquier superficie que produce más sustentación que resistencia al pasar por el aire en un ángulo adecuado. 

Los perfiles aerodinámicos se asocian con mayor frecuencia a la producción de sustentación. Los perfiles aerodinámicos también se utilizan para la estabilidad (aleta), el control (elevador) y el empuje o la propulsión (hélice o rotor). Algunos perfiles aerodinámicos, como las palas del rotor, combinan algunas de estas funciones. 

 

Las palas del rotor principal y del rotor de cola del helicóptero son perfiles aerodinámicos, y el aire es forzado a pasar alrededor de las palas por medio de una rotación impulsada mecánicamente. 

En algunas condiciones, partes del fuselaje, como los estabilizadores vertical y horizontal, pueden convertirse en perfiles aerodinámicos. Los perfiles aerodinámicos están cuidadosamente estructurados para adaptarse a un conjunto específico de características de vuelo. 

Terminología y definiciones de los perfiles aerodinámicos - Airfoil Terminology and Definitions

 - Envergadura de la pala - Blade span: la longitud de la pala del rotor desde el centro de rotación hasta la punta de la pala.

- Línea de cuerda - Chord line: línea recta que cruza los bordes de ataque y de salida del perfil aerodinámico.

- Cuerda - Chord: la longitud de la línea de cuerda desde el borde de ataque hasta el borde de salida; es la dimensión longitudinal característica de la sección del perfil aerodinámico.

- Línea de peralte medio - Mean camber line: línea trazada a mitad de camino entre las superficies superior e inferior del perfil aerodinámico. 

 

La línea de cuerda conecta los extremos de la línea de caída media. La comba se refiere a la curvatura del perfil aerodinámico y puede considerarse como la curvatura de la línea de comba media. La forma de la curvatura media es importante para determinar las características aerodinámicas de una sección aerodinámica. 

La curvatura máxima (desplazamiento de la línea de curvatura media con respecto a la línea de cuerda) y su ubicación ayudan a definir la forma de la línea de curvatura media. La ubicación del camber máximo y su desplazamiento desde la línea de cuerda se expresan como fracciones o porcentajes de la longitud de cuerda básica. 

Al variar el punto de máxima comba, el fabricante puede adaptar un perfil aéreo a un propósito específico. El grosor del perfil y la distribución del grosor son propiedades importantes de una sección aerodinámica. 

- Borde de ataque - Leading edge: el borde delantero de un perfil aerodinámico.

- Velocidad de la trayectoria de vuelo - Flightpath velocity: la velocidad y la dirección del perfil aerodinámico al atravesar el aire. En el caso de los perfiles de un avión, la velocidad de la trayectoria de vuelo es igual a la velocidad real del aire (TAS). 

En el caso de las palas de un helicóptero, la velocidad de la trayectoria de vuelo es igual a la velocidad de rotación, más o menos un componente de velocidad aerodinámica direccional. La velocidad de rotación de la pala del rotor es más baja cerca del centro y aumenta hacia la punta de la pala durante la rotación. 

- Viento relativo - Relative wind: se define como el flujo de aire relativo a un perfil aéreo y se crea por el movimiento de un perfil aéreo a través del aire. Se trata de un viento relativo de rotación para las aeronaves de ala rotatoria y se trata en detalle más adelante. 

Como un flujo de aire inducido puede modificar la velocidad de la trayectoria de vuelo, el viento relativo experimentado por el perfil aéreo puede no ser exactamente opuesto a su dirección de desplazamiento. 

- Borde de fuga - Trailing edge: el borde posterior de un perfil aerodinámico.

- Flujo inducido - Induced flow: el flujo de aire descendente a través del disco del rotor.

- Viento relativo resultante - Resultant relative wind: el viento relativo modificado por el flujo inducido.

- AOA: el ángulo medido entre el viento relativo resultante y la línea de cuerda.

- Ángulo de incidencia (AOI) - Angle of incidence: el ángulo entre la línea de cuerda de una pala y el centro del rotor. Suele denominarse ángulo de paso de las palas. 

Para los perfiles aéreos fijos, como las aletas verticales o los elevadores, el ángulo de incidencia es el ángulo entre la línea de cuerda del perfil aéreo y un plano de referencia seleccionado del helicóptero. 

- Centro de presión - Center of pressure: el punto a lo largo de la línea de cuerda de un perfil aéreo a través del cual se considera que actúan todas las fuerzas aerodinámicas. Dado que las presiones varían en la superficie de un perfil aerodinámico, se necesita un lugar medio de variación de la presión. A medida que cambia el AOA, estas presiones cambian, y el centro de presión se mueve a lo largo de la línea de cuerda. 

Tipos de perfiles aerodinámicos - Airfoil Types

Perfil aerodinámico simétrico - Symmetrical Airfoil 

El perfil aerodinámico simétrico se distingue por tener superficies superiores e inferiores idénticas. La línea de curvatura media y la línea de cuerda son iguales en un perfil aerodinámico simétrico, y no produce sustentación en un AOA cero. La mayoría de los helicópteros ligeros incorporan perfiles aerodinámicos simétricos en las palas del rotor principal. 

Perfil aerodinámico no simétrico (abombado) - Nonsymmetrical Airfoil (Cambered) 

El perfil aerodinámico no simétrico tiene superficies superiores e inferiores diferentes, con una mayor curvatura del perfil aerodinámico por encima de la línea de cuerda que por debajo. La línea media de peralte y la línea de cuerda son diferentes. El diseño no simétrico del perfil aerodinámico puede producir una sustentación útil con un AOA cero. 

Un diseño no simétrico tiene ventajas y desventajas. Las ventajas son una mayor producción de sustentación para un determinado AOA que un diseño simétrico, una mejor relación sustentación-arrastre y mejores características de pérdida. 

Las desventajas son que el centro de presión se desplaza hasta un 20 por ciento de la línea de cuerda (creando un torque indeseable en la estructura del perfil) y un mayor coste de producción. 

Torsión de la pala - Blade Twist 

Debido a la diferencia de sustentación debida a los diferentes valores de viento relativo de rotación a lo largo de la pala, ésta debe diseñarse con una torsión para aliviar la tensión interna de la pala y distribuir la fuerza de sustentación de forma más uniforme a lo largo de la misma. 

La torsión de la pala proporciona mayores ángulos de inclinación en la raíz, donde la velocidad es baja, y menores ángulos de inclinación cerca de la punta, donde la velocidad es mayor. Esto aumenta la velocidad del aire inducido y la carga de la pala cerca de la sección interior de la pala. 

Definiciones de pala y centro del rotor - Rotor Blade and Hub Definitions

 

- Cubo - Hub: en el mástil, el punto de fijación de la raíz de la pala y el eje alrededor del cual giran las palas. 

- Punta - Tip: la sección más externa de la pala del rotor 

- Raíz - Root: el extremo interior de la pala y es el punto que se une al centro 

- Torsión - Twist: el cambio en la incidencia de la pala desde la raíz hasta el exterior. 

La posición angular de las palas del rotor principal (vistas desde arriba, mientras giran alrededor del eje vertical del mástil) se mide desde el eje longitudinal del helicóptero, y normalmente desde su nariz. La posición radial de un segmento de la pala es la distancia desde el centro como fracción de la distancia total. 

Término o Concepto	Definición	Función o Aplicación	Características Físicas	Ventajas y Desventajas
Perfil aerodinámico (Airfoil)	Cualquier superficie diseñada para producir más sustentación que resistencia al pasar por el aire en un ángulo adecuado.	Asociado a la producción de sustentación, estabilidad (aleta), control (elevador) y propulsión (rotor o hélice).	Estructuras diseñadas con bordes de ataque y de fuga, línea de cuerda y línea de curvatura media.	Permite el vuelo mediante fuerzas aerodinámicas. Su eficiencia depende del diseño específico para su propósito.
Perfil aerodinámico simétrico	Perfil que tiene superficies superiores e inferiores idénticas.	Común en palas del rotor principal de helicópteros ligeros.	La línea de curvatura media y la línea de cuerda son iguales.	Desventaja: No produce sustentación con un ángulo de ataque (AOA) de cero.
Perfil aerodinámico no simétrico (abombado)	Perfil con superficies superiores e inferiores diferentes y mayor curvatura arriba de la línea de cuerda.	Generación de sustentación eficiente en diversas condiciones de vuelo.	La línea media de peralte y la línea de cuerda son diferentes.	Ventajas: Mayor sustentación a igual AOA, mejor relación sustentación-arrastre. Desventajas: Desplazamiento del centro de presión y mayor costo.
Ángulo de ataque (AOA)	Ángulo medido entre el viento relativo resultante y la línea de cuerda.	Determina la cantidad de sustentación producida por el perfil durante el movimiento.	Ángulo variable según el movimiento y flujo de aire.	Su cambio provoca el movimiento del centro de presión a lo largo de la línea de cuerda.
Ángulo de incidencia (AOI)	Ángulo entre la línea de cuerda de una pala y el centro del rotor (ángulo de paso).	Define la orientación mecánica de la pala respecto al sistema del rotor.	En perfiles fijos, es el ángulo respecto a un plano de referencia del helicóptero.
Torsión de la pala (Blade Twist)	Cambio en la incidencia de la pala desde la raíz hasta la punta.	Aliviar la tensión interna de la pala y distribuir la fuerza de sustentación de forma más uniforme.	Mayores ángulos de inclinación en la raíz (baja velocidad) y menores en la punta (alta velocidad).	Ventaja: Optimiza la carga de la pala y la velocidad del aire inducido.
Línea de cuerda (Chord line)	Línea recta que cruza los bordes de ataque y de salida del perfil aerodinámico.	Sirve como referencia para medir ángulos aerodinámicos como el AOA y el ángulo de incidencia.	Es una dimensión longitudinal característica de la sección del perfil.
Línea de peralte medio (Mean camber line)	Línea trazada a mitad de camino entre las superficies superior e inferior del perfil aerodinámico.	Determina las características aerodinámicas de una sección; su forma define la curvatura (comba).	Conecta los extremos de la línea de cuerda; su desplazamiento define el camber máximo.	Su variación permite al fabricante adaptar el perfil a un propósito específico.
Centro de presión	Punto a lo largo de la línea de cuerda donde se considera que actúan todas las fuerzas aerodinámicas.	Punto de referencia para el equilibrio de presiones en la superficie del perfil.	Su ubicación cambia a lo largo de la línea de cuerda según varía el AOA.	En perfiles no simétricos, su desplazamiento puede crear torque indeseable en la estructura.

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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.