Forward Flight - Helicóptero: Vuelo hacia adelante

En el vuelo de avance constante, sin cambios en la velocidad del aire ni en la velocidad vertical, las cuatro fuerzas de sustentación, empuje, resistencia y peso deben estar en equilibrio. Una vez que el plano de la trayectoria de la punta se inclina hacia delante, la fuerza total de sustentación-empuje también se inclina hacia delante. (Todo sobre Helicópteros)

Esta fuerza de sustentación y empuje resultante puede dividirse en dos componentes: la sustentación que actúa verticalmente hacia arriba y el empuje que actúa horizontalmente en la dirección del vuelo. Además de la sustentación y el empuje, existen el peso (la fuerza que actúa hacia abajo) y la resistencia (la fuerza que se opone al movimiento de un avión en el aire). (Todo sobre Helicópteros)

En vuelo recto y nivelado, sin aceleración hacia delante (el vuelo recto y nivelado es el vuelo con un rumbo constante y a una altitud constante), la sustentación es igual al peso y el empuje es igual a la resistencia. 

Si la sustentación es mayor que el peso, el helicóptero acelera verticalmente hasta que las fuerzas se equilibran; si el empuje es menor que la resistencia, el helicóptero reduce la velocidad hasta que las fuerzas se equilibran. (Todo sobre Helicópteros)

Cuando un helicóptero inicia un movimiento hacia adelante, comienza a perder altitud porque la sustentación se pierde a medida que el empuje se desvía hacia adelante. 

Sin embargo, a medida que el helicóptero comienza a acelerar desde su posición de vuelo estacionario, el disco del rotor se vuelve más eficiente debido a la sustentación por traslación. El resultado es un exceso de potencia con respecto a la que se necesita para flotar. (Todo sobre Helicópteros)

La aceleración continuada provoca un aumento aún mayor del flujo de aire a través del disco del rotor (hasta un máximo determinado por la resistencia y el límite de potencia del motor), y un vuelo más eficiente. 

Para mantener el vuelo sin aceleración, el piloto debe entender que con cualquier cambio de potencia o de movimiento cíclico, el helicóptero comienza a subir o a bajar. 

Una vez obtenido el vuelo recto y nivelado, el piloto debe tomar nota de la potencia (ajuste de torque) requerida y no hacer grandes ajustes en los controles de vuelo. (Todo sobre Helicópteros)

Flujo de aire en vuelo de avance - Airflow in Forward Flight 

El flujo de aire a través del disco del rotor en vuelo de avance varía del flujo de aire en vuelo estacionario. En el vuelo de avance, el aire fluye en dirección contraria a la trayectoria de vuelo de la aeronave. 

La velocidad de este flujo de aire es igual a la velocidad de avance del helicóptero. Dado que las palas del rotor giran en un patrón circular, la velocidad del flujo de aire a través de una pala depende de la posición de la pala en el plano de rotación en un instante dado, su velocidad de rotación y la velocidad del helicóptero. (Todo sobre Helicópteros)

Por lo tanto, el flujo de aire que se encuentra con cada pala varía continuamente a medida que la pala gira. La mayor velocidad del flujo de aire se produce sobre el lado derecho (posición de las 3 en punto) del helicóptero (pala que avanza en un disco de rotor que gira en sentido contrario a las agujas del reloj) y disminuye la velocidad de rotación sobre la nariz. (Todo sobre Helicópteros)

Continúa disminuyendo hasta que la velocidad más baja del flujo de aire se produce sobre el lado izquierdo (posición de las 9 en punto) del helicóptero (pala en retroceso). A medida que la pala sigue girando, la velocidad del flujo de aire aumenta hasta alcanzar la velocidad de rotación sobre la cola. Continúa aumentando hasta que la pala vuelve a estar en la posición de las 3 en punto. (Todo sobre Helicópteros)

La pala que avanza, posición A, se mueve en la misma dirección que el helicóptero. La velocidad del aire que se encuentra con esta pala es igual a la velocidad de rotación de la pala más la velocidad del viento resultante de la velocidad del aire de avance. La pala en retirada (posición C) se mueve en un flujo de aire que se mueve en la dirección opuesta al helicóptero. (Todo sobre Helicópteros)

La velocidad del flujo de aire que se encuentra con esta pala es igual a la velocidad de rotación de la pala menos la velocidad del viento resultante de la velocidad del aire hacia delante. 

Las palas (posiciones B y D) sobre el morro y la cola se mueven esencialmente en ángulo recto con el flujo de aire creado por la velocidad del aire hacia delante; la velocidad del flujo de aire que se encuentra con estas palas es igual a la velocidad de rotación. 

El resultado es un cambio en la velocidad del flujo de aire a lo largo del disco del rotor y un cambio en el patrón de elevación del disco del rotor. (Todo sobre Helicópteros)

Pala de avance - Advancing Blade 

A medida que la velocidad relativa del viento de la pala que avanza aumenta, la pala gana sustentación y empieza a flapsar. Alcanza su máxima velocidad de aleteo hacia arriba en la posición de las 3 en punto, donde la velocidad del viento es mayor. 

Esta aleta ascendente crea un flujo de aire descendente y tiene el mismo efecto que el aumento de la velocidad del flujo inducido al imponer un vector de velocidad vertical descendente al viento relativo que disminuye el AOA. (Todo sobre Helicópteros)

Pala en retroceso - Retreating Blade 

A medida que la velocidad del viento relativo de la pala en retirada disminuye, la pala pierde sustentación y empieza a flapsar hacia abajo. Alcanza su máxima velocidad de aleteo hacia abajo en la posición de las 9 horas, donde la velocidad del viento es menor. 

Este aleteo hacia abajo crea un flujo de aire ascendente y tiene el mismo efecto que la disminución de la velocidad del flujo inducido al imponer un vector vertical de velocidad ascendente al viento relativo que aumenta el AOA.  (Todo sobre Helicópteros)

Disimetría de la sustentación - Dissymmetry of Lift 

La disimetría de la sustentación es la sustentación diferencial (desigual) entre las mitades que avanzan y retroceden del disco del rotor, causada por la diferente velocidad del flujo de viento en cada mitad. 

Esta diferencia de sustentación provocaría que el helicóptero fuera incontrolable en cualquier situación que no fuera el vuelo estacionario con viento en calma. Debe haber un medio de compensar, corregir o eliminar esta sustentación desigual para lograr la simetría de la sustentación. (Todo sobre Helicópteros)

Cuando el helicóptero se mueve en el aire, el flujo de aire relativo a través del disco del rotor principal es diferente en el lado que avanza y en el que retrocede. 

El viento relativo que encuentra la pala que avanza se ve incrementado por la velocidad de avance del helicóptero, mientras que la velocidad relativa del viento que actúa sobre la pala que retrocede se ve reducida por la velocidad de avance del helicóptero. 

Por lo tanto, como resultado de la velocidad relativa del viento, el lado de la pala que avanza del disco del rotor puede producir más sustentación que el lado de la pala que retrocede. (Todo sobre Helicópteros)

Si se permitiera esta condición, un helicóptero con un giro de las palas del rotor principal en sentido contrario a las agujas del reloj rodaría hacia la izquierda debido a la diferencia de sustentación. En realidad, las palas del rotor principal flaps y plumas automáticamente para igualar la sustentación en todo el disco del rotor. (Todo sobre Helicópteros)

Los discos de rotor articulados, normalmente con tres o más palas, incorporan una bisagra horizontal (bisagra de aleteo) para permitir que las palas individuales del rotor se muevan, o aleteen hacia arriba y hacia abajo mientras giran. 

Un disco de rotor semirrígido (dos palas) utiliza una bisagra oscilante, que permite que las palas aleteen como una unidad. Cuando una de las palas aletea hacia arriba, la otra aletea hacia abajo. (Todo sobre Helicópteros)

Cuando la pala del rotor llega al lado de avance del disco del rotor (A), alcanza su máxima velocidad de flaps hacia arriba. Cuando la pala aletea hacia arriba, el ángulo entre la línea de cuerda y el viento relativo resultante disminuye. 

Esto disminuye el AOA, lo que reduce la cantidad de sustentación producida por la pala. En la posición (C), la pala del rotor está ahora en su máxima velocidad de flaps hacia abajo. Debido al aleteo hacia abajo, el ángulo entre la línea de cuerda y el viento relativo resultante aumenta. Esto aumenta el AOA y, por tanto, la cantidad de sustentación producida por la pala. (Todo sobre Helicópteros)

La combinación del aleteo de la pala y el viento relativo lento que actúa sobre la pala en retroceso normalmente limita la velocidad máxima de avance de un helicóptero. A una velocidad de avance elevada, la pala en retroceso entra en pérdida debido al elevado AOA y a la lenta velocidad del viento relativo. 

Esta situación se denomina pérdida de la pala en retirada y se manifiesta por un cabeceo del morro hacia arriba, vibraciones y una tendencia a rodar, normalmente hacia la izquierda en los helicópteros con rotación de la pala en sentido contrario a las agujas del reloj. (Todo sobre Helicópteros)

Los pilotos pueden evitar la pérdida de las palas en retroceso si no superan la velocidad de no superación. Esta velocidad se denomina VNE y se indica en un cartel y se marca en el indicador de velocidad del aire con una línea roja. (Todo sobre Helicópteros)

El aleteo de las palas compensa la disimetría de la sustentación de la siguiente manera. En el vuelo estacionario, se produce una sustentación igual alrededor del disco del rotor con igual paso (AOI) en todas las palas y en todos los puntos del disco del rotor (sin tener en cuenta la compensación de la tendencia a la traslación). El disco del rotor es paralelo al horizonte. (Todo sobre Helicópteros)

Para desarrollar una fuerza de empuje, el disco del rotor debe estar inclinado en la dirección de movimiento deseada. La pluma cíclica modifica el ángulo de incidencia de forma diferencial alrededor del disco del rotor. Para una rotación en sentido contrario a las agujas del reloj, el movimiento cíclico hacia adelante disminuye el ángulo de incidencia a la derecha del disco del rotor y lo aumenta a la izquierda. (Todo sobre Helicópteros)

Al pasar al vuelo hacia delante, ya sea desde un vuelo estacionario o al despegar del suelo, los pilotos deben ser conscientes de que a medida que aumenta la velocidad del helicóptero, la sustentación traslacional se hace más efectiva y hace que el morro se eleve o cabecee hacia arriba (lo que a veces se denomina retroceso). 

Esta tendencia está causada por los efectos combinados de la disimetría de la sustentación y el flujo transversal. Los pilotos deben corregir esta tendencia manteniendo una actitud constante del disco del rotor que mueva el helicóptero a través del rango de velocidad en el que se produce el retroceso. (Todo sobre Helicópteros)

Si se permite que la nariz se incline hacia arriba al pasar por este rango de velocidad, la aeronave también puede tender a rodar hacia la derecha. 

Para corregir esta tendencia, el piloto debe mover continuamente el cíclico hacia adelante a medida que la velocidad del helicóptero aumenta hasta que el despegue se haya completado y el helicóptero haya hecho la transición al vuelo hacia adelante. (Todo sobre Helicópteros)

La figura ilustra la inclinación hacia delante del disco del rotor, que es el resultado de un cambio en el ángulo de inclinación con la cíclica hacia delante. 

En vuelo estacionario, el cíclico está centrado y el ángulo de inclinación de las palas que avanzan y retroceden es el mismo. A bajas velocidades de avance, al mover el cíclico hacia delante se reduce el ángulo de paso en la pala que avanza y se aumenta el ángulo de paso en la pala que retrocede. (Todo sobre Helicópteros)

Esto provoca una ligera inclinación del disco del rotor. A velocidades de avance más altas, el piloto debe seguir moviendo el cíclico hacia adelante. 

Esto reduce aún más el ángulo de inclinación de la pala que avanza y aumenta aún más el ángulo de inclinación de la pala que retrocede. Como resultado, la inclinación del disco del rotor es aún mayor que a velocidades más bajas. (Todo sobre Helicópteros)

Una componente de sustentación horizontal (empuje) genera una mayor velocidad aerodinámica del helicóptero. La mayor velocidad del aire induce el aleteo de las palas para mantener la simetría de la sustentación. La combinación de flaps y el aleteo cíclico mantiene la simetría de la sustentación y la actitud deseada en el disco del rotor y en el helicóptero. (Todo sobre Helicópteros)

Elevación traslacional - Translational Lift 

La mejora de la eficiencia del rotor resultante del vuelo direccional se denomina sustentación traslacional. La eficiencia del disco del rotor en vuelo estacionario mejora considerablemente con cada nudo de viento entrante obtenido por el movimiento horizontal de la aeronave o el viento de superficie. 

A medida que el viento entrante producido por el movimiento de la aeronave o el viento de superficie entra en el disco del rotor, las turbulencias y los vórtices quedan atrás y el flujo de aire se vuelve más horizontal. Además, el rotor de cola se vuelve más eficiente desde el punto de vista aerodinámico durante la transición del vuelo estacionario al vuelo de avance. (Todo sobre Helicópteros)

Elevación traslacional efectiva (ETL) - Effective Translational Lift (ETL) 

Durante la transición al vuelo de avance a unos 16 a 24 nudos, el helicóptero pasa por la sustentación traslacional efectiva (ETL). Como se mencionó anteriormente en la discusión sobre la sustentación traslacional, las palas del rotor se vuelven más eficientes a medida que aumenta la velocidad del aire hacia adelante. 

Entre los 16 y los 24 nudos, el disco del rotor supera por completo la recirculación de los antiguos vórtices y comienza a trabajar en un aire relativamente inalterado. (Todo sobre Helicópteros)

El flujo de aire que atraviesa el disco del rotor es más horizontal, lo que reduce el flujo inducido y la resistencia, con el correspondiente aumento del ángulo de enganche y de la sustentación. 

La elevación adicional disponible a esta velocidad se denomina ETL, lo que hace que el disco del rotor funcione con mayor eficiencia. Esta mayor eficiencia continúa con el aumento de la velocidad del aire hasta que se alcanza la mejor velocidad de ascenso y la resistencia total está en su punto más bajo. (Todo sobre Helicópteros)

A medida que aumenta la velocidad, la sustentación traslacional se vuelve más eficaz, el morro se eleva o cabecea y la aeronave rueda hacia la derecha. Los efectos combinados de la disimetría de la sustentación, la precesión giroscópica y el efecto del flujo transversal causan esta tendencia. 

Es importante entender estos efectos y anticiparse a corregirlos. Una vez que el helicóptero pasa por el ETL, el piloto necesita aplicar una entrada cíclica lateral hacia delante y hacia la izquierda para mantener una actitud constante del disco del rotor. (Todo sobre Helicópteros)

Empuje de traslación - Translational Thrust 

El empuje de traslación se produce cuando el rotor de cola se vuelve más eficiente aerodinámicamente durante la transición de vuelo estacionario a vuelo de avance. 

A medida que el rotor de cola trabaja en un aire progresivamente menos turbulento, esta eficiencia mejorada produce más empuje antitorque, lo que hace que la nariz de la aeronave gire hacia la izquierda (con un rotor principal que gira en sentido contrario a las agujas del reloj) y obliga al piloto a aplicar el pedal derecho (disminuyendo el AOA en las palas del rotor de cola) como respuesta. 

Además, durante este periodo, el flujo de aire afecta a los componentes horizontales del estabilizador que se encuentra en la mayoría de los helicópteros, lo que tiende a llevar el morro del helicóptero a una actitud más nivelada. (Todo sobre Helicópteros)

Flujo inducido - Induced Flow 

Cuando las palas del rotor giran, generan lo que se denomina viento relativo de rotación. Este flujo de aire se caracteriza por fluir paralelo y opuesto al plano de rotación del rotor y por golpear perpendicularmente al borde de ataque de las palas del rotor. 

Este viento relativo de rotación se utiliza para generar sustentación. Cuando las palas del rotor producen sustentación, el aire se acelera sobre la lámina y se proyecta hacia abajo. Siempre que un helicóptero está produciendo sustentación, mueve grandes masas de aire verticalmente y hacia abajo a través del disco del rotor. Este flujo descendente o inducido puede cambiar significativamente la eficiencia del disco del rotor. (Todo sobre Helicópteros)

El viento relativo rotacional se combina con el flujo inducido para formar el viento relativo resultante. A medida que el flujo inducido aumenta, el viento relativo resultante se vuelve menos horizontal. 

Dado que el AOA se determina midiendo la diferencia entre la línea de cuerda y el viento relativo resultante, a medida que el viento relativo resultante se vuelve menos horizontal, el AOA disminuye. (Todo sobre Helicópteros)

Flujo transversal - Transverse Flow 

Efecto A medida que el helicóptero acelera en vuelo hacia delante, el flujo inducido cae casi a cero en el área del disco delantero y aumenta en el área del disco de popa. 

Estas diferencias de sustentación entre las partes delantera y trasera del disco del rotor se denominan efecto de flujo transversal. Esto aumenta el AOA en la zona del disco delantero, haciendo que la pala del rotor flamee hacia arriba, y reduce el AOA en la zona del disco de popa, haciendo que la pala del rotor flamee hacia abajo. (Todo sobre Helicópteros)

Como el rotor actúa como un giroscopio, el desplazamiento máximo se produce a 90° en la dirección de rotación. El resultado es una tendencia del helicóptero a rodar ligeramente hacia la derecha cuando acelera a unos 20 nudos o si el viento en contra es de unos 20 nudos. (Todo sobre Helicópteros)

El efecto de flujo transversal se reconoce por el aumento de las vibraciones del helicóptero a velocidades del aire de entre 12 y 15 nudos y puede ser producido por el vuelo hacia adelante o por el viento mientras está en suspensión. 

Esta vibración se produce a una velocidad del aire justo por debajo de la ETL en el despegue y después de pasar por la ETL durante el aterrizaje. (Todo sobre Helicópteros)

La vibración se produce cerca de la misma velocidad del aire que la ETL porque es cuando existe la mayor diferencia de sustentación entre las partes delantera y trasera del sistema del rotor. 

Por ello, algunos pilotos confunden la vibración sentida por el efecto de flujo transversal con el paso por el ETL. Para contrarrestar el efecto de flujo transversal, puede ser necesaria una entrada cíclica a la izquierda. (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.