INTRODUCCIÓN EL ROTOR DE COLA

Transcripción

1 INTRODUCCIÓN El problema de la compensación del par aplicado al eje del rotor principal de los helicópteros se ha resuelto de diversas formas a lo largo de la evolución tecnológica de estas aeronaves. Existen diseños que utilizan dos rotores principales en tándem, girando en sentidos opuestos (tipo BOEING VERTOL Chinook ), o en un mismo eje (rotores coaxiales tipo KAMOV Ka-26 ), y diseños, realmente no muy desarrollados, al no pasar prácticamente de los prototipos, que no necesitan compensar el par, puesto que el rotor principal, denominado rotor de reacción, es accionado por chorros de aire impulsores en punta de pala, bien por medio de reactores situados en las propias puntas de las palas (tipos McDONNELL HX-20 Little Henry y HILLER Hornet ) u obteniendo el aire a presión por medio de compresores no situados en el propio rotor y, a través de conductos, dirigido hasta los extremos de las palas donde se produce la combustión (tipos HUGHES XH-17 Grúa volante y FAIREY Rotodine ), o esta combustión ya se produce previamente en motores al efecto (tipo HUGHES XV-9A). Prácticamente todos los helicópteros con un solo rotor principal o monorrotores equilibran el par motor aplicado al citado rotor principal con una fuerza lateral horizontal. El modo convencional de conseguir esta fuerza es mediante un rotor de cola, aunque también se han desarrollado rotores carenados en la deriva vertical (tipo fenestron) y helicópteros sin rotor de cola (NOTAR: No Tail Rotor) que eyectan gas a presión a través de toberas situadas en el cono de cola. La mecánica racional aplicada a helicópteros monorrotores ya nos indica que si no se compensase el par rotor, el fuselaje del helicóptero giraría en sentido contrario al rotor, por lo que para compensar este par, hay que conseguir una fuerza en sentido contrario a la tendencia de movimiento del fuselaje y a una cierta distancia del eje del rotor principal. En una primera aproximación, despreciando la posible contribución de la deriva vertical, la fuerza a obtener es igual a la potencia del rotor principal dividido por las revoluciones del mismo y por la distancia del punto de aplicación de esta fuerza al eje del rotor principal. Además, esta fuerza ha de ser capaz de controlar el movimiento de guiñada del helicóptero durante el vuelo, a través del mando de pedales. En este artículo se presentan algunas consideraciones técnicas sobre el modo de compensar el par rotor en helicópteros monorrotores, y como se verá, con la entrada en servicio del HE.25 (EC 120 B Colibrí ) en la Escuela de Helicópteros de la Base Aérea de Armilla, en el Ejército del Aire, junto con el Instituto Nacional de Técnica Aerospacial (INTA), habrán prestado servicio helicópteros con los tres modos de conseguir la compensación: rotor de cola, fenestron ( fan-in-fin ) y NOTAR ( fan-in-boom ). EL ROTOR DE COLA La mayoría de los helicópteros monorrotores compensan el par rotor con un rotor antipar o de cola, situado en el extremo del cono de cola del fuselaje. Las principales ventajas del rotor de cola convencional son que requiere poca potencia, entre el 5 y el 10% de la potencia generada por el o los motores, favorece al control del movimiento de guiñada y contribuye eficazmente a la estabilidad direccional del helicóptero en vuelo de avance. Por el contrario, el rotor de cola es peligroso para el personal en tierra, tanto para los mecánicos de la línea de vuelo, como para las tripulaciones y pasajeros, debido a posibles golpes inadvertidos entre éstos y el rotor, y en vuelo a baja cota, es muy vulnerable a roces con árboles, cables u otro tipo de obstáculos 1 fch (2001)

2 sobre el terreno. Hay que tener en cuenta que estadísticas recientes estiman que alrededor del 6.5 % de los accidentes de helicópteros tienen alguna relación con el rotor de cola: el 2.9 % son debidos a fallos del material, el 2.2 % producidos por golpes del rotor de cola con obstáculos del terreno y el 1.4 % relacionados con accidentes de personas al impactar con el citado rotor. Además existe el problema de la entrada en pérdida del rotor de cola, ocasionado por anillos de torbellinos en las inmediaciones del citado rotor, lo que da lugar a que el helicóptero entre en un giro incontrolado. Para salir de esta situación, el piloto debe de empujar el colectivo hacia abajo o iniciar una autorrotación. En este sentido, la NASA ha desarrollado un sistema antipar de baja velocidad ( Low- Speed Anti-Torque system ) para mejorar la estabilidad direccional en vuelo estacionario (punto fijo). El sistema consiste en la incorporación de dos perfiles en forma de L ( strakes ) a lo largo del cono de cola, uno situado cerca de la parte superior y el otro en las proximidades de la parte inferior, en el lado izquierdo de la estructura del cono de cola. Este sistema permite al piloto mantener, más fácilmente, la actitud y estabilidad del helicóptero, fundamentalmente en vuelo estacionario con viento cruzado. Se han realizado los vuelos de prueba para obtener la certificación (Suplemento al Certificado de Tipo STC-) de la FAA para cuatro modelos de helicópteros: Bell UH-1/205, Bell 206B, Bell 206L y Sikorsky S-76A. En las fases de diseño de un rotor de cola, los ingenieros de proyectos deben de atender a una serie de consideraciones que afectarán a la configuración final. La primera es el diámetro: diámetros grandes minimizan la potencia requerida para compensar el par y controlar la guiñada y diámetros pequeños minimizan los problemas asociados al peso, posición del centro de gravedad del helicóptero y distancias libres al suelo, al rotor principal, al estabilizador horizontal y al cono de cola. Normalmente, la relación de diámetros del rotor de cola frente al del rotor principal oscila entre 0.15 y 0.25, y se puede obtener una buena correlación entre el diámetro del rotor de cola y el peso máximo del helicóptero, al considerar los datos de helicópteros semejantes al que se pretende proyectar (Diámetro = K x (Peso)ª, donde K y a son las constantes de la correlación, a determinar). Otro parámetro a considerar es la velocidad de punta de pala. Esta está limitada por la aparición de problemas de compresibilidad de la corriente de aire incidente en las palas y es del mismo orden que la del rotor principal, variando entre 160 m/seg. y 220 m/seg. según el modelo de helicóptero. A continuación se debe decidir entre el número de palas y el área de cada una de ellas. Aquí entra en consideración el parámetro denominado solidez. La solidez es la relación que existe entre el área total de las palas y la superficie discal del rotor. La solidez del rotor de cola suele ser superior al doble de la del rotor principal, variando entre 0.12 y 0.20, y el requisito de diseño debe ser el de tener suficiente solidez para prevenir la entrada en pérdida del rotor en la combinación más crítica de tracción necesaria y densidad de aire o altitud. Otro parámetro de diseño a considerar es la elección del tipo de perfil de pala. Se suelen preferir perfiles gruesos y con alta curvatura, debido a su mayor coeficiente de sustentación, puesto que a diferencia del rotor principal, en el de cola, los problemas asociados a los momentos aerodinámicos que favorecen la torsión elástica de las palas son menores, y por tanto, es más difícil que los perfiles cercanos a las puntas de las 2

3 palas entren en zona de sustentación negativa. Por otra parte, la torsión de diseño de las palas no suele ser superior a 10º. Esta torsión mejora las actuaciones del helicóptero en vuelo a punto fijo. El diseño no está terminado. Falta determinar si el rotor de cola será de tipo tractor o propulsor, es decir, si la fuerza de compensación se consigue en sentido hacia fuera o hacia dentro de la deriva vertical, con sus implicaciones particulares según el caso, así como el sentido de giro. Es evidente que el sentido de la fuerza de compensación está determinado por el sentido de giro del rotor principal: a izquierdas, visto el helicóptero desde arriba (tipo americano ) o a derechas (tipo francés ). Finalmente, elegir el tipo de cabeza de rotor en cuanto a sus articulaciones (de cambio de paso, batimiento y arrastre): oscilante ( teetering ), semi-rígido, flexibles no articulados, etc..., así como los materiales para la fabricación, tanto de la cabeza como de las palas. El primer helicóptero que prestó servicio en el Ejército del Aire, el SIKORSKY S-55 (H- 19B Jolly Elephant ), tenía un rotor de cola convencional, como también lo tenía el AEROTECNICA AC-12, primer helicóptero proyectado y fabricado en España (diseño del ingeniero francés Jean Cantinieau, interviniendo AISA y la Empresa Nacional de Hélices en la fabricación), cuyo primer vuelo se realizó el 20 de Julio de 1954, y del cual se fabricaron, además de dos prototipos, diez de serie, encargados por el Ejército del Aire en 1958, los cuales, con denominación militar Z.2, prestaron servicio en la entonces recién creada Escuela de Helicópteros de Cuatro Vientos (Agrupación Aérea nº 75), volando alrededor de horas entre los años 1961 y Posteriormente pasaron al INTA, que pudo mantener tres aparatos en vuelo hasta EL FENESTRON El fenestron es un rotor carenado en la deriva del helicóptero desarrollado, a finales de los 60, por AEROSPATIALE, inicialmente para el SA 341/342 Gazelle y posteriormente para el SA 360/365 Dauphin, el HH-65A Dolphin (versión del SA 365 Dauphin 2 desarrollada para la U.S. Coast Guard), el Panther y para los actuales modelos de EUROCOPTER EC 120 Colibrí, EC 135 y EC 155 (evolución del AS 365 N3 Dauphin ). En cuanto a otros fabricantes, BELL experimentó con una deriva vertical en forma de anillo ( ring fin ) y BOEING-SIKORSKY están desarrollando el helicóptero de combate RAH-66 Comanche. Este sistema presenta una serie de ventajas frente al rotor de cola convencional. Por una parte, se inducen presiones sobre la deriva vertical cuyo efecto se añade a la tracción producida por el rotor, por lo que se reduce la potencia necesaria para compensar el par aplicado al rotor principal, y en consecuencia, los diámetros del rotor de cola pueden ser menores. Además, se solventa el peligro de golpes inadvertidos con las personas en tierra y se reducen los posibles daños por impacto o roce con los obstáculos del terreno y en las tomas en zonas no preparadas. Las desventajas aparecen a medida que aumenta el peso del helicóptero: a partir de un determinado peso máximo al despegue (alrededor de kg., caso del AS 332 Superpuma ) problemas estructurales (se necesitaría una gran carena como deriva vertical) impiden el uso del fenestron. El HE.25 (EC 120 B Colibrí ) es el primer helicóptero del Ejército del Aire que tiene un fenestron. Este fenestron, de tercera generación, está formado por un rotor de ocho palas asimétricas con el fin de evitar resonancias, dentro de una carena de materiales 3

4 compuestos ( Nomex honeycomb con recubrimiento de fibra de carbono reforzada) y que, además, produce menos ruido que los rotores de cola convencionales. A medida que estos helicópteros vayan entrando en servicio en el Ala 78 de la Base Aérea de Armilla, irán relevando a los HE.20 (HUGHES 269C) utilizados en los cursos de vuelo básico. EL NOTAR El sistema NOTAR ( No Tail Rotor : sin rotor de cola) desarrollado por HUGHES a finales de los años 70, consiste fundamentalmente en eyectar aire a presión por toberas situadas en el extremo del cono de cola, cuyo empuje produce la fuerza necesaria para compensar el par aplicado al rotor principal. El aire a presión se consigue por medio de un pequeño rotor situado en el encastre del cono de cola ( fanin-boom, curiosamente el prototipo utilizó el fan del fenestron del Gazelle ). Además, este sistema se aprovecha de la estela producida por el rotor principal, para que, a través de ranuras localizadas en el propio cono de cola, controlar la circulación del aire en el sentido de contribuir a la compensación del par. De hecho, alrededor del 65% de la fuerza de compensación lateral, en vuelo a punto fijo, es debida a este efecto. En vuelo de avance, la mayor contribución a la fuerza de compensación lateral proviene del empuje del chorro de gases, puesto que la estela del rotor principal apenas interfiere con el cono de cola. El sistema fue introducido en un OH-6A, el cual realizó su primer vuelo en McDONNELL DOUGLAS reactivó el programa al absorber HUGHES, desarrollando diversos modelos: el MD 900 Explorer, el MD 600 N y el MD 520 N. De entre estos últimos destaca el MD 900 Explorer, el cual está concebido para competir en el sector de los helicópteros ambulancia (EMS: Emergency Medical Services). Tiene capacidad para siete (7) pasajeros, peso máximo de kg., dos (2) motores y el rotor principal no tiene articulaciones ni cojinetes. Con el sistema NOTAR se consigue un vuelo más silencioso, se reduce la resistencia en vuelo de avance y los costes de mantenimiento son menores, puesto que se eliminan las inspecciones (muy detalladas, al tratarse de piezas vitales) que son necesarias en los sistemas de transmisión de los helicópteros con rotor de cola o fenestron. Por otra parte, con el sistema NOTAR se pretende reducir la tasa de accidentes motivados por fallos del rotor de cola. Actualmente, BOEING mantiene la propiedad de la tecnología NOTAR aunque ha otorgado una licencia para su uso a MD HELICOPTERS HOLDING. Pero en España ya habían volado helicópteros sin rotor de cola. AEROTECNICA diseñó el AC-13, cuyos dos prototipos (XZ.3-1 y XZ.3-2) volaron en el INTA en Posteriormente, también desarrolló, junto con AISA, el AC-14 (Z.4), del cual se fabricaron un prototipo y cinco más de serie, que volaron con carácter experimental, a partir de 1961, también en el INTA. Los ensayos de evaluación terminaron dos años más tarde. Estos helicópteros obtenían el chorro de gases de los gases de escape de la turbina y no pasaron de ser modelos experimentales. Al desaparecer AEROTECNICA, ya no se proyectaron más helicópteros en nuestra nación. Y no cabe duda de que representaron un claro antecedente de los modernos NOTAR. 4

5 HELICOPTEROS EN EL EJÉRCITO DEL AIRE MODELO MATRICULA CANTIDAD AÑO ENTRADA EN SERVICIO S-55 Z AC-12 Z AC-13 Z (INTA) AC-14 Z (INTA) OH-23C Z OH-13H Z.7 / HE.7A AB 47 G.2 Z.7 / HE AB 47 G.3 Z.7B / HE.7B BELL 47 J.3-B1 Z.11 / HD AB 205 Z.10 / HE.10A UH-1H Z.10B / HE.10B AB 206 A Z.12 / HD SA-319 B ALOUETTE III Z.16 / HD SA-330 PUMA Z.19 / HT.19 / HD AS-332 SUPER PUMA HD.21 / HT.21 / HT.21A HUGHES 269C Z.20 / HE S-76C HE EC-120 B COLIBRI HE

6 CARACTERÍSTICAS ROTORES DE COLA MODELO Nº DE PALAS DIÁMETRO (m) SOLIDEZ HUGHES 269 C BELL 206 B BO A BELL S AS 332 B

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