馃敶馃殎 114. Helic贸ptero: Sistema del Rotor Principal - Main Rotor System ✈️
Sistema del Rotor Principal - Main Rotor System
Chasis del Helicoptero - Airframe
El fuselaje, o estructura fundamental, de un helic贸ptero puede ser de metal, madera o materiales compuestos, o alguna combinaci贸n de ambos. Normalmente, un componente de material compuesto est谩 formado por muchas capas de resinas impregnadas de fibra, unidas para formar un panel liso. (Todo sobre Helic贸pteros)
Las subestructuras tubulares y de chapa met谩lica suelen ser de aluminio, aunque a veces se utilizan acero inoxidable o titanio en zonas sometidas a mayores esfuerzos o calor. El dise帽o del fuselaje abarca la ingenier铆a, la aerodin谩mica, la tecnolog铆a de los materiales y los m茅todos de fabricaci贸n para lograr un balance favorable de rendimiento, fiabilidad y coste. (Todo sobre Helic贸pteros)
Fuselaje del helic贸ptero - Fuselage
El fuselaje, el n煤cleo exterior del fuselaje, es la secci贸n principal del cuerpo de una aeronave que alberga la cabina que contiene a la tripulaci贸n, los pasajeros y la carga. Las cabinas de los helic贸pteros tienen una gran variedad de asientos.
La mayor铆a tiene al piloto sentado en el lado derecho, aunque hay algunas con el piloto sentado en el lado izquierdo o en el centro. El fuselaje tambi茅n alberga el motor, la transmisi贸n, la avi贸nica, los controles de vuelo y la planta motriz. (Todo sobre Helic贸pteros)
Sistema del rotor principal - Main Rotor System
El sistema del rotor es la parte giratoria de un helic贸ptero que genera la sustentaci贸n. El rotor est谩 formado por un m谩stil, un centro y las palas del rotor.
El m谩stil es un eje met谩lico cil铆ndrico hueco que se extiende hacia arriba desde la transmisi贸n y es impulsado y a veces apoyado por 茅sta. En la parte superior del m谩stil se encuentra el punto de fijaci贸n de las palas del rotor, denominado centro. (Todo sobre Helic贸pteros)
Las palas del rotor se fijan al centro por diferentes m茅todos. Los sistemas de rotor principal se clasifican seg煤n la forma en que las palas del rotor principal se fijan y se mueven en relaci贸n con el centro del rotor principal.
Hay tres clasificaciones b谩sicas: semirr铆gido, r铆gido o totalmente articulado. Algunos sistemas de rotor modernos, como el sistema de rotor sin cojinetes, utilizan una combinaci贸n de ingenier铆a de estos tipos. (Todo sobre Helic贸pteros)
Sistema de rotor semirr铆gido - Semirigid Rotor System
Un sistema de rotor semirr铆gido suele estar compuesto por dos palas montadas r铆gidamente en el centro del rotor principal. El centro del rotor principal es libre de inclinarse con respecto al eje del rotor principal en lo que se conoce como bisagra de balanceo o flapping. Esto permite que las palas aleteen juntas como una unidad. Cuando una pala aletea hacia arriba, la otra aletea hacia abajo. (Todo sobre Helic贸pteros)
Como no hay bisagra de arrastre vertical, las fuerzas de avance y retroceso se absorben y mitigan mediante la flexi贸n de las palas. El rotor semirr铆gido tambi茅n es capaz de hacer "feathering", lo que significa que el 谩ngulo de inclinaci贸n de la pala cambia. Esto es posible gracias a la bisagra de emplumado. (Todo sobre Helic贸pteros)
Si el sistema de rotor semirr铆gido es un rotor suspendido, el centro de gravedad (CG) est谩 por debajo del lugar donde est谩 fijado al m谩stil. Este montaje suspendido est谩 dise帽ado para alinear el centro de masa de las palas con una bisagra de aleteo com煤n, de modo que los centros de masa de ambas palas var铆en igualmente en distancia desde el centro de rotaci贸n durante el aleteo. (Todo sobre Helic贸pteros)
La velocidad de rotaci贸n del sistema tiende a cambiar, pero esto se ve restringido por la inercia del motor y la flexibilidad del sistema de accionamiento. S贸lo es necesaria una cantidad moderada de rigidez en la ra铆z de la pala para manejar esta restricci贸n. En pocas palabras, el undersling elimina eficazmente el desequilibrio geom茅trico. (Todo sobre Helic贸pteros)
El sistema de rotor suspendido mitiga las fuerzas de avance/retraso montando las palas ligeramente por debajo del plano de rotaci贸n habitual, por lo que las fuerzas de avance/retraso se minimizan. A medida que las palas se conifican hacia arriba, el centro de presiones de las palas est谩 casi en el mismo plano que el centro. Las tensiones restantes doblan las palas para su cumplimiento. (Todo sobre Helic贸pteros)
Los helic贸pteros con rotores semirr铆gidos son vulnerables a una condici贸n conocida como "mast bumping", que puede hacer que los topes de los flaps del rotor corten el m谩stil. El dise帽o mec谩nico del sistema de rotor semirr铆gido dicta que el aleteo hacia abajo de las palas debe tener alg煤n l铆mite f铆sico.
El golpeo del m谩stil es el resultado de un aleteo excesivo del rotor. Cada dise帽o de sistema de rotor tiene un 谩ngulo de aleteo m谩ximo. (Todo sobre Helic贸pteros)
Si el aleteo supera el valor de dise帽o, el tope est谩tico entrar谩 en contacto con el m谩stil. El tope est谩tico es un componente del rotor principal que proporciona un movimiento limitado de los accesorios de la correa y una superficie contorneada entre el m谩stil y el centro.
Es el contacto violento entre el tope est谩tico y el m谩stil durante el vuelo lo que causa da帽os o separaci贸n del m谩stil. Este contacto debe evitarse a toda costa. (Todo sobre Helic贸pteros)
El choque del m谩stil est谩 directamente relacionado con el grado de flaps del sistema de palas. En vuelo recto y nivelado, el flap de las palas es m铆nimo, quiz谩s 2° en condiciones de vuelo habituales.
Los 谩ngulos de flapping aumentan ligeramente con velocidades de avance elevadas, a bajas revoluciones del rotor, a altitudes de alta densidad, a pesos brutos elevados y al encontrar turbulencias.
La maniobra de la aeronave en un deslizamiento lateral o durante el vuelo a baja velocidad en posiciones extremas del CG puede inducir 谩ngulos de flap m谩s grandes. (Todo sobre Helic贸pteros)
Sistema de rotor r铆gido - Rigid Rotor System
El sistema de rotor r铆gido que se muestra en la figura es mec谩nicamente sencillo, pero estructuralmente complejo porque las cargas de funcionamiento deben ser absorbidas en la flexi贸n y no a trav茅s de las bisagras. En este sistema, las ra铆ces de las palas est谩n unidas r铆gidamente al centro del rotor.
Los sistemas de rotores r铆gidos tienden a comportarse como sistemas totalmente articulados a trav茅s de la aerodin谩mica, pero carecen de flaps o bisagras de avance/retroceso. En su lugar, las palas se adaptan a estos movimientos dobl谩ndose. (Todo sobre Helic贸pteros)
No pueden flaps ni lead/lag, pero pueden ser emplumados. A medida que los avances en la aerodin谩mica y los materiales de los helic贸pteros sigan mejorando, los sistemas de rotores r铆gidos pueden ser m谩s comunes porque el sistema es fundamentalmente m谩s f谩cil de dise帽ar y ofrece las mejores propiedades de los sistemas semirr铆gidos y totalmente articulados. (Todo sobre Helic贸pteros)
El sistema de rotor r铆gido tiene una gran capacidad de respuesta y no suele ser susceptible de sufrir golpes en el m谩stil, como los sistemas semirr铆gidos, ya que los centros del rotor est谩n montados s贸lidamente en el m谩stil del rotor principal.
Esto permite que el rotor y el fuselaje se muevan juntos como una sola entidad y elimina gran parte de las oscilaciones que suelen presentar los otros sistemas de rotor. Otras ventajas del rotor r铆gido son la reducci贸n del peso y la resistencia del centro del rotor y un mayor brazo de flaps, que reduce significativamente las entradas de control. (Todo sobre Helic贸pteros)
Sin las complejas bisagras, el sistema del rotor es mucho m谩s fiable y f谩cil de mantener que las otras configuraciones del rotor. Una desventaja de este sistema es la calidad de la conducci贸n en aire turbulento o racheado. Al no haber bisagras que ayuden a absorber las cargas mayores, las vibraciones se sienten en la cabina mucho m谩s que con otros dise帽os de cabezas de rotor. (Todo sobre Helic贸pteros)
Hay varias variaciones de los dise帽os b谩sicos de tres cabezas de rotor. El sistema de rotor sin cojinetes est谩 estrechamente relacionado con el sistema de rotor articulado, pero no tiene cojinetes ni bisagras. Este dise帽o se basa en la estructura de las palas y el centro para absorber las tensiones. (Todo sobre Helic贸pteros)
La principal diferencia entre el sistema de rotor r铆gido y el sistema sin cojinetes es que el sistema sin cojinetes no tiene cojinetes de pluma: el material del interior del manguito se retuerce por la acci贸n del brazo de cambio de paso.
Casi todos los centros de los rotores sin cojinetes est谩n hechos de materiales compuestos de fibra. Las diferencias de manejo entre los tipos de sistema de rotor se resumen en la figura. (Todo sobre Helic贸pteros)
Diferencias de manejo entre los tipos de sistemas de rotores
| Tipo de sistema | Ventajas | Desventajas |
| Articulado | Buen control | Alta resistencia aerodin谩mica. Mayor complejidad, mayor coste. |
Semirr铆gido (Balanceo, con suspensi贸n inferior, o balanc铆n) | Simple, f谩cil de colgar debido a las dos palas | Reacci贸n al control no es tan r谩pida como la cabeza articulada. La vibraci贸n puede ser m谩s elevadas que las de los sistemas articulados. |
| R铆gido | Dise帽o sencillo, respuesta n铆tida | Mayor vibraci贸n que rotor articulado |
Sistema de rotor totalmente articulado - Fully Articulated Rotor System
Los sistemas de rotor totalmente articulados permiten que cada pala se dirija/agarre (se mueva hacia delante y hacia atr谩s en el plano), flaps (se mueva hacia arriba y hacia abajo alrededor de una bisagra montada en el interior) independientemente de las otras palas, y feather (gire alrededor del eje de cabeceo para cambiar la elevaci贸n).
Cada uno de estos movimientos de las palas est谩 relacionado con los dem谩s. Los sistemas de rotor totalmente articulados se encuentran en helic贸pteros con m谩s de dos palas de rotor principal. (Todo sobre Helic贸pteros)
A medida que el rotor gira, cada pala responde a las entradas del sistema de control para permitir el control de la aeronave. El centro de sustentaci贸n de todo el sistema del rotor se mueve en respuesta a estas entradas para efectuar el cabeceo, el balanceo y el movimiento hacia arriba. La magnitud de esta fuerza de sustentaci贸n se basa en la entrada colectiva, que cambia el cabeceo de todas las palas en la misma direcci贸n al mismo tiempo. (Todo sobre Helic贸pteros)
La ubicaci贸n de esta fuerza de sustentaci贸n se basa en las entradas de cabeceo y balanceo del piloto. Por lo tanto, el 谩ngulo de emplumado de cada pala (proporcional a su propia fuerza de sustentaci贸n) cambia a medida que gira con el rotor, de ah铆 el nombre de "control c铆clico". (Todo sobre Helic贸pteros)
A medida que aumenta la sustentaci贸n de una determinada pala, 茅sta tiende a flapsar hacia arriba. La bisagra de aleteo de la pala permite este movimiento y se equilibra con la fuerza centr铆fuga del peso de la pala, que intenta mantenerla en el plano horizontal. (Todo sobre Helic贸pteros)
En cualquier caso, hay que acomodar alg煤n movimiento. La fuerza centr铆fuga es nominalmente constante; sin embargo, la fuerza de los flaps se ve afectada por la gravedad de la maniobra (tasa de ascenso, velocidad de avance, peso bruto del avi贸n). A medida que la pala aletea, su CG cambia.
Esto cambia el momento de inercia local de la pala con respecto al sistema del rotor y acelera o ralentiza con respecto al resto de las palas y a todo el sistema del rotor. La bisagra de avance/retroceso, mostrada en la figura, se encarga de ello y es m谩s f谩cil de visualizar con la cl谩sica imagen de una patinadora sobre hielo haciendo un giro. (Todo sobre Helic贸pteros)
Cuando la patinadora mueve los brazos hacia dentro, gira m谩s r谩pido porque su inercia cambia, pero su energ铆a total permanece constante (sin tener en cuenta el rozamiento a efectos de esta explicaci贸n).
A la inversa, al extender los brazos, su giro se ralentiza. Esto tambi茅n se conoce como la conservaci贸n del momento angular. Un amortiguador en el plano suele moderar el movimiento de avance y retroceso. (Todo sobre Helic贸pteros)
Siguiendo una sola pala a trav茅s de una sola rotaci贸n comenzando en alguna posici贸n neutral, a medida que la carga aumenta por el aumento de la pluma, 茅sta aletea hacia arriba y se adelanta.
A medida que contin煤a, baja los flaps y se retrasa. En el punto m谩s bajo de carga, est谩 en su 谩ngulo de flaps m谩s bajo y tambi茅n en su posici贸n de retardo m谩s "trasera". Como el rotor es una gran masa giratoria, se comporta como un giroscopio. (Todo sobre Helic贸pteros)
El efecto de esto es que una entrada de control se suele realizar en el cuerpo acoplado en una posici贸n 90° anterior al desplazamiento de la entrada de control en el eje de rotaci贸n.
Los dise帽adores tienen en cuenta esta circunstancia mediante la colocaci贸n de la entrada de control en el sistema del rotor, de modo que una entrada hacia delante de la palanca de control c铆clico da como resultado un movimiento nominal hacia delante de la aeronave. El efecto se hace transparente para el piloto. (Todo sobre Helic贸pteros)
Los antiguos dise帽os de bisagra se basaban en cojinetes met谩licos convencionales. Por su geometr铆a b谩sica, esto impide que el flap y la bisagra de avance/retroceso coincidan y es causa de mantenimiento recurrente.
Los nuevos sistemas de rotores utilizan cojinetes elastom茅ricos, arreglos de caucho y acero que pueden permitir el movimiento en dos ejes. Adem谩s de resolver algunos de los problemas cinem谩ticos mencionados, estos cojinetes suelen estar comprimidos, pueden inspeccionarse f谩cilmente y eliminan el mantenimiento asociado a los cojinetes met谩licos. (Todo sobre Helic贸pteros)
Los rodamientos elastom茅ricos son naturalmente a prueba de fallos, y su desgaste es gradual y visible. El contacto metal-metal de los rodamientos antiguos y la necesidad de lubricaci贸n se eliminan en este dise帽o. (Todo sobre Helic贸pteros)
Rotor t谩ndem
Los helic贸pteros de rotor t谩ndem (a veces denominados de doble rotor) tienen dos grandes conjuntos de rotores horizontales; un sistema de doble rotor, en lugar de un conjunto principal, y un rotor de cola m谩s peque帽o.
Los helic贸pteros de un solo rotor necesitan un sistema antitorque para neutralizar el momento de torsi贸n producido por el 煤nico rotor grande. Los helic贸pteros de rotor t谩ndem, sin embargo, utilizan rotores contrarrotantes, y cada uno de ellos anula el par del otro. (Todo sobre Helic贸pteros)
Las palas de los rotores contrarrotantes no chocar谩n ni se destruir谩n entre s铆 si se flexionan en la trayectoria del otro rotor. Esta configuraci贸n tambi茅n tiene la ventaja de poder sostener m谩s peso con palas m谩s cortas, ya que hay dos conjuntos.
Adem谩s, toda la potencia de los motores puede utilizarse para la elevaci贸n, mientras que un helic贸ptero de un solo rotor utiliza la potencia para contrarrestar el par motor. (Todo sobre Helic贸pteros)
Rotores coaxiales
Un sistema de rotor coaxial es un par de rotores montados en el mismo eje pero que giran en direcciones opuestas. Este dise帽o elimina la necesidad de un rotor de cola u otros mecanismos antitorque, y como las palas giran en direcciones opuestas, se evitan los efectos de la disimetr铆a de la sustentaci贸n.
La principal desventaja de los rotores coaxiales es la mayor complejidad mec谩nica del sistema del rotor. Numerosos helic贸pteros rusos, como el Kaman Ka-31 y el Ka-50, junto con el Sikorsky experimental X2, utilizan un dise帽o de rotor coaxial. (Todo sobre Helic贸pteros)
Rotores intermedios - Intermeshing Rotors
Un sistema de rotores entrelazados es un conjunto de dos rotores que giran en direcciones opuestas con cada m谩stil del rotor montado en el helic贸ptero con un ligero 谩ngulo, de modo que las palas se entrelazan sin chocar. Este dise帽o tambi茅n elimina la necesidad de un sistema antitorque, lo que proporciona m谩s potencia del motor para la elevaci贸n.
Sin embargo, ninguno de los dos rotores se eleva directamente en vertical, lo que reduce la eficacia de cada uno de ellos. El Kaman HH-43, utilizado por la USAF en la lucha contra el fuego, y el Kaman K-MAX son ejemplos de sistemas de rotor entrelazados. (Todo sobre Helic贸pteros)
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