Helicóptero: Rendimiento - Performance

La capacidad de un piloto para predecir el rendimiento de un helicóptero es extremadamente importante. Ayuda a determinar cuánto peso puede transportar el helicóptero antes del despegue, si el helicóptero puede planear con seguridad a una altitud y temperatura específicas, la distancia necesaria para subir por encima de los obstáculos y cuál será la velocidad máxima de ascenso. (Todo sobre Helicópteros)

Factores que afectan al rendimiento - Factors Affecting Performance 

El rendimiento de un helicóptero depende de la potencia del motor y de la elevación producida por los rotores, ya sea el rotor principal o el de cola. Cualquier factor que afecte a la eficiencia del motor y del rotor afecta al rendimiento. Los tres factores principales que afectan al rendimiento son la altitud de densidad, el peso y el viento. (Todo sobre Helicópteros)

Humedad - Moisture (Humidity) 

La humedad por sí sola no suele considerarse un factor importante en el cálculo de la altitud de densidad y el rendimiento del helicóptero; sin embargo, contribuye. No existen reglas generales para calcular los efectos de la humedad en la altitud de densidad, pero algunos fabricantes incluyen gráficos con columnas de humedad relativa del 80% como información adicional. (Todo sobre Helicópteros)

Parece haber una reducción de aproximadamente el 3-4 por ciento en el rendimiento en comparación con el aire seco a la misma altitud y temperatura, por lo que es de esperar una disminución en el rendimiento de vuelo estacionario y despegue en condiciones de alta humedad. Aunque el 3-4 por ciento parece insignificante, puede ser la causa de un percance cuando ya se está operando al límite del helicóptero. (Todo sobre Helicópteros)

Peso - Weight 

El peso es uno de los factores más importantes porque el piloto puede controlarlo. La mayoría de las tablas de rendimiento incluyen el peso como una de las variables. Al reducir el peso del helicóptero, un piloto puede ser capaz de despegar o aterrizar con seguridad en un lugar que de otro modo sería imposible. (Todo sobre Helicópteros)

Sin embargo, si alguna vez tiene dudas sobre si un despegue o aterrizaje puede realizarse con seguridad, retrase su despegue hasta que existan condiciones de altitud de densidad más favorables. Si está en el aire, trate de aterrizar en un lugar que tenga condiciones más favorables, o en uno donde se pueda hacer un aterrizaje que no requiera un planeo. (Todo sobre Helicópteros)

Además, con pesos brutos más elevados, la mayor potencia requerida para planear produce más torque motor, lo que significa que se requiere más empuje antitorque. En algunos helicópteros, durante las operaciones a gran altura, el antitorque máximo producido por el rotor de cola durante el planeo puede no ser suficiente para superar el par, incluso si el peso bruto está dentro de los límites. (Todo sobre Helicópteros)

Vientos - Winds 

La dirección y la velocidad del viento también afectan a las prestaciones de vuelo estacionario, despegue y ascenso. La sustentación por traslación se produce siempre que hay un flujo de aire relativo sobre el disco del rotor. 

Esto ocurre tanto si el flujo de aire relativo es causado por el movimiento del helicóptero como por el viento. Suponiendo un viento en contra, a medida que aumenta la velocidad del viento, aumenta la sustentación traslacional, lo que resulta en una menor potencia requerida para flotar. (Todo sobre Helicópteros)

La dirección del viento también es una consideración importante. Los vientos de frente son los más deseables, ya que contribuyen a un mayor aumento del rendimiento. Los vientos cruzados y de cola fuertes pueden requerir el uso de más empuje del rotor de cola para mantener el control direccional. (Todo sobre Helicópteros)

Este mayor empuje del rotor de cola absorbe potencia del motor, lo que significa que hay menos potencia disponible para el rotor principal para la producción de sustentación. Algunos helicópteros tienen incluso un acimut de viento crítico o una tabla de viento relativo máximo seguro. Operar el helicóptero más allá de estos límites podría causar la pérdida de eficacia del rotor de cola. (Todo sobre Helicópteros)

Las prestaciones de despegue y ascenso se ven muy afectadas por el viento. Cuando se despega con viento en contra, la sustentación traslacional efectiva se consigue antes, lo que resulta en más sustentación y un ángulo de ascenso más pronunciado. Cuando se despega con viento de cola, se requiere más distancia para acelerar a través de la sustentación de traslación. (Todo sobre Helicópteros)

Tablas de rendimiento - Performance Charts 

Al desarrollar las tablas de rendimiento, los fabricantes de aeronaves hacen ciertas suposiciones sobre el estado del helicóptero y la capacidad del piloto. Se supone que el helicóptero está en buenas condiciones de funcionamiento, con viento en calma, y que el motor está desarrollando su potencia nominal. 

Se supone que el piloto sigue los procedimientos operativos normales y que tiene una capacidad de vuelo media. Promedio significa un piloto capaz de realizar cada una de las tareas requeridas correctamente y en los momentos adecuados. (Todo sobre Helicópteros)

Partiendo de estos supuestos, el fabricante desarrolla los datos de rendimiento del helicóptero basándose en pruebas de vuelo reales. Sin embargo, no prueban el helicóptero en todas y cada una de las condiciones que aparecen en un gráfico de rendimiento. En su lugar, evalúan datos específicos y derivan matemáticamente los datos restantes. (Todo sobre Helicópteros)

Diagrama de altura versus velocidad - Height vs Velocity Diagram 

El diagrama de altura/velocidad (H/V) muestra las combinaciones de velocidad aerodinámica y altura sobre el suelo que permitirán a un piloto medio completar con éxito un aterrizaje tras un fallo del motor. 

Estudiando cuidadosamente el diagrama de altura/velocidad, el piloto puede evitar las combinaciones de altitud y velocidad aerodinámica que pueden no permitir el tiempo o la altitud suficientes para entrar en un descenso autorotativo estabilizado. En la Figura durante el resto de la discusión sobre el diagrama de altura/velocidad. (Todo sobre Helicópteros)

En la explicación más sencilla, el diagrama H/V es un diagrama en el que las zonas sombreadas deben evitarse, ya que el piloto puede ser incapaz de completar un aterrizaje en autorrotación sin sufrir daños. 

El diagrama H/V suele contener un perfil de despegue, en el que el diagrama se puede recorrer desde la altura cero y la velocidad cero hasta el crucero, sin entrar en las zonas sombreadas o con una exposición mínima a las zonas sombreadas. (Todo sobre Helicópteros)

La parte gris de la parte izquierda del diagrama marca un perfil de vuelo que probablemente no permite al piloto completar una autorrotación con éxito, principalmente debido a que no tiene suficiente velocidad aerodinámica para entrar en un perfil de autorrotación a tiempo para evitar un choque. (Todo sobre Helicópteros)

La zona sombreada en la parte inferior derecha es peligrosa debido a la velocidad aerodinámica y a la proximidad al suelo, lo que reduce drásticamente el tiempo de reacción del piloto en caso de fallo mecánico u otras emergencias en vuelo. 

Esta zona sombreada en la parte inferior derecha no se representa en los diagramas H/V de los helicópteros multimotor capaces de planear y volar con seguridad con un solo fallo de motor. (Todo sobre Helicópteros)

Los siguientes ejemplos ilustran aún más la relevancia del diagrama H/V para un helicóptero monomotor.

En alturas bajas con poca velocidad del aire, como en un rodaje en el aire, el piloto puede simplemente utilizar la energía cinética del disco del rotor para amortiguar el aterrizaje con el colectivo, convirtiendo la inercia rotacional en sustentación. 

La aeronave se encuentra en una parte segura del diagrama H/V. En el extremo de la escala (p. ej., un rodaje de tres pies a ritmo de paseo), incluso un fallo total en el reconocimiento de la pérdida de potencia, que resultara en un aterrizaje sin amortiguación, sería probablemente soportable. (Todo sobre Helicópteros)

A medida que aumenta la velocidad del aire sin que aumente la altura, llega un punto en el que el tiempo de reacción del piloto sería insuficiente para reaccionar con una bengala a tiempo para evitar un impacto con el suelo a alta velocidad y, por tanto, probablemente mortal. 

Otra cosa que hay que tener en cuenta es la longitud del tailboom y el tiempo de respuesta de los mandos de vuelo del helicóptero a velocidades lentas y altitudes bajas. (Todo sobre Helicópteros)

Incluso pequeños aumentos de altura dan al piloto mucho más tiempo para reaccionar; por lo tanto, la parte inferior derecha del diagrama H/V suele ser un gradiente poco profundo. Si la velocidad del aire está por encima de la velocidad de autorrotación ideal, el instinto del piloto suele ser abocinarse para convertir la velocidad en altura y aumentar las revoluciones del rotor mediante el coning, lo que también le saca inmediatamente de la curva. (Todo sobre Helicópteros)

Por el contrario, un aumento de la altura sin el correspondiente aumento de la velocidad aerodinámica sitúa a la aeronave por encima de una altura de impacto no amortiguada y, finalmente, por encima de una altura en la que la inercia del rotor puede convertirse en una sustentación suficiente para permitir un aterrizaje con posibilidades de supervivencia. Esto ocurre de forma abrupta con velocidades del aire muy por debajo de la velocidad autorotativa ideal (normalmente 40-80 nudos). (Todo sobre Helicópteros)

El piloto debe tener suficiente tiempo para acelerar hasta la velocidad de autorrotación para poder autorrotar con éxito; esto se relaciona directamente con un requisito de altura. Por encima de una determinada altura, el piloto puede alcanzar la velocidad de autorrotación incluso desde un inicio de cero nudos, lo que sitúa a las altas OGE fuera de la curva. (Todo sobre Helicópteros)

El típico perfil de despegue seguro implica el inicio del vuelo de avance desde una altura de 2-3 pies del tren de aterrizaje, ganando altura sólo a medida que el helicóptero acelera por medio de la sustentación traslacional, a medida que la velocidad del aire se aproxima a una velocidad de autorrotación segura. 

En este punto, parte del mayor empuje disponible puede utilizarse para alcanzar una velocidad aerodinámica de ascenso segura, lo que mantendrá al helicóptero fuera de las zonas sombreadas o rayadas del diagrama H/V.  (Todo sobre Helicópteros)

Aunque los helicópteros no están restringidos a realizar maniobras que los sitúen en la zona sombreada del diagrama H/V, es importante que los pilotos comprendan que la operación en esas zonas sombreadas expone al piloto, a la aeronave y a los pasajeros a un cierto peligro en caso de que el motor o la línea motriz funcionen mal. El piloto debe evaluar siempre el riesgo de la maniobra frente al valor operativo. (Todo sobre Helicópteros)

El efecto del peso frente a la altitud de densidad El diagrama de altura/velocidad muestra las situaciones de altitud y velocidad del aire a partir de las cuales se puede realizar una autorrotación con éxito. El tiempo requerido, y por lo tanto, la altitud necesaria para alcanzar un descenso autorotativo en estado estable, depende del peso del helicóptero y de la altitud de densidad. (Todo sobre Helicópteros)

Por esta razón, el diagrama H/V sólo es válido cuando el helicóptero se opera de acuerdo con la tabla de peso bruto frente a la altitud de densidad. Si se publica, esta tabla se encuentra en el RFM para el helicóptero en particular. 

El diagrama de peso bruto frente a la altitud de densidad no pretende proporcionar una restricción al peso bruto, sino ser un aviso de la capacidad autorotativa del helicóptero durante el despegue y el ascenso. Sin embargo, el piloto debe saber que a pesos brutos superiores a los recomendados por la tabla de peso bruto frente a la altitud de densidad, los valores son desconocidos. (Todo sobre Helicópteros)

Suponiendo una altitud de densidad de 8.500 pies, el diagrama de altura/velocidad de la figura sería válido hasta un peso bruto de aproximadamente 2.500 libras. 

Esto se encuentra entrando en el gráfico de la Figura a una altitud de densidad de 8.500 pies (punto A), luego moviéndose horizontalmente a la línea sólida (punto B). Moviéndose verticalmente a la parte inferior del gráfico (punto C), con la altitud de densidad existente, el peso bruto máximo bajo el cual el diagrama de altura/velocidad es aplicable es de 2.500 libras. (Todo sobre Helicópteros)

Rendimiento autorrotacional - Rendimiento autorrotacional 

La mayoría de los gráficos de rendimiento autorotacional indican que el rendimiento de descenso autorotacional es una función de la velocidad aérea indicada (IAS) y no se ve afectado esencialmente por la altitud de densidad y el peso bruto. 

Hay que tener en cuenta que, en algún momento, la energía potencial gastada durante la autorrotación se convierte en energía cinética para la fase de vuelo y aterrizaje de la maniobra. Es en ese momento cuando las altitudes de mayor densidad y los pesos brutos más elevados tienen un gran impacto en la finalización con éxito de la autorrotación. (Todo sobre Helicópteros)

El disco del rotor debe ser capaz de superar el impulso descendente del helicóptero y proporcionar suficiente sustentación para amortiguar el aterrizaje. Con altitudes de densidad y pesos brutos mayores, el potencial de sustentación se reduce y se requiere un mayor ángulo de paso colectivo (ángulo de incidencia). (Todo sobre Helicópteros)

Durante la autorrotación, la gravedad proporciona la fuente de energía que impulsa el rotor al provocar un flujo ascendente a través del rotor durante el descenso. Esto es lo mismo que decir que la energía potencial se intercambia por la energía cinética para hacer girar el rotor mientras la aeronave desciende. (Todo sobre Helicópteros)

En la figura, la curva del S-300 muestra las distintas combinaciones de velocidades horizontales y verticales que suministran la energía necesaria para mantener el rotor girando a 471 rpm constantes. 

Por ejemplo, una velocidad del aire de 54 mph con una velocidad vertical correspondiente de 1.600 pies por minuto (fpm) proporcionará suficiente energía cinética para mantener el rotor a 471 rpm. Al rotor no le importa si el aire viene de la parte delantera o de la parte inferior siempre que el total sea suficiente para mantener las rpm. (Todo sobre Helicópteros)

Cualquier punto de la curva mantendrá la velocidad del rotor. Sin embargo, al piloto sí le importa porque si, por ejemplo, planea a 30 nudos, la velocidad de descenso correspondiente será de más de 2.200 fpm. 

Dado que hay poca velocidad del aire para una desaceleración (o "flare") que reduzca la tasa de descenso antes de la toma de contacto, la aplicación del cabeceo colectivo (aumentando el cabeceo de las palas y dando un último aumento temporal de la sustentación antes de que las palas disminuyan su velocidad) puede ser insuficiente para detener la tasa de descenso. (Todo sobre Helicópteros)

Los estudiantes que comprenden plenamente esta relación entienden por qué las autorrotaciones de entrenamiento suelen limitarse a velocidades aéreas entre la velocidad mínima de descenso y la velocidad máxima de alcance (normalmente un 25% más rápido que la velocidad mínima de descenso). (Todo sobre Helicópteros)

La referencia a una curva similar a la que se muestra en la figura es útil para comprender las consecuencias de no mantener la velocidad aérea objetivo al ejecutar una autorrotación. En pocas palabras, el piloto debe saber por qué la velocidad aerodinámica es el factor más importante que afecta a la velocidad de descenso. (Todo sobre Helicópteros)

Rendimiento en vuelo estacionario - Hovering Performance 

El rendimiento del helicóptero gira en torno a la posibilidad de mantenerlo en vuelo estacionario. Se necesita más potencia durante el vuelo estacionario que en cualquier otro régimen de vuelo. Aparte de los obstáculos, si se puede mantener el vuelo estacionario, se puede despegar, especialmente con el beneficio adicional de la sustentación traslacional. 

Se proporcionan gráficos de vuelo estacionario en efecto suelo (IGE) y vuelo estacionario fuera de efecto suelo (OGE) en diversas condiciones de peso bruto, altitud, temperatura y potencia. El techo de planeo IGE suele ser más alto que el techo de planeo OGE debido al beneficio de la sustentación adicional producida por el efecto suelo. (Todo sobre Helicópteros)

Un piloto siempre debe planear un vuelo estacionario OGE cuando aterrice en un área incierta o no verificada. A medida que aumenta la altitud de la densidad, se requiere más potencia para planear. En algún momento, la potencia requerida es igual a la potencia disponible. 

Esto establece el techo de planeo en las condiciones existentes. Cualquier ajuste del peso bruto mediante la variación del combustible, la carga útil o ambos, afecta al techo de vuelo estacionario. Cuanto mayor sea el peso bruto, menor será el techo de vuelo. A medida que se reduce el peso bruto, aumenta el techo de flotación. (Todo sobre Helicópteros)

Rendimiento en el ascenso - Climb Performance

La mayoría de los factores que afectan al rendimiento en vuelo estacionario y en despegue también afectan al rendimiento en ascenso. Además, el aire turbulento, las técnicas del piloto y el estado general del helicóptero pueden hacer variar la performance de ascenso. (Todo sobre Helicópteros)

Un helicóptero volado a la mejor velocidad de ascenso (VY) obtiene la mayor ganancia de altitud en un periodo de tiempo determinado. Esta velocidad se utiliza normalmente durante el ascenso después de que se hayan eliminado todos los obstáculos y se suele mantener hasta alcanzar la altitud de crucero. 

La velocidad de ascenso no debe confundirse con el ángulo de ascenso. El ángulo de ascenso es una función de la altitud ganada en una distancia determinada. (Todo sobre Helicópteros)

La VY da lugar a la mayor velocidad de ascenso, pero no al ángulo de ascenso más pronunciado, y puede no ser suficiente para despejar los obstáculos. El mejor ángulo de velocidad de ascenso (VX) depende de la potencia disponible. Si hay un exceso de potencia disponible, el helicóptero puede subir verticalmente, por lo que VX es cero. (Todo sobre Helicópteros)

La dirección y la velocidad del viento tienen un efecto en el rendimiento de ascenso, pero a menudo se malinterpreta. La velocidad del aire es la velocidad a la que el helicóptero se mueve a través de la atmósfera y no se ve afectada por el viento. 

El viento atmosférico sólo afecta a la velocidad del suelo, o a la velocidad a la que el helicóptero se mueve sobre la superficie de la Tierra. Por lo tanto, el único rendimiento de ascenso afectado por el viento atmosférico es el ángulo de ascenso y no la velocidad de ascenso. (Todo sobre Helicópteros)

Cuando se planifica el rendimiento de ascenso, primero es importante planificar los ajustes de torque en vuelo nivelado. Las tablas de rendimiento de ascenso muestran el cambio de par, por encima o por debajo del par, necesario para el vuelo nivelado bajo el mismo peso bruto y las mismas condiciones atmosféricas para obtener una tasa de ascenso o descenso determinada. (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..