El Helicóptero. 1. Introducción. Introducción. Aplicaciones del helicóptero. Denición: aeronave de alas giratorias (rotor) que proporciona

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1 El Helicóptero Denición: aeronave de alas giratorias (rotor) que proporciona. Introducción.2 Introducción a los helicópteros sustentación, propulsión, control, y que permiten a la aeronave mantenerse en vuelo a punto jo sin necesidad de una velocidad de vuelo que genere estas fuerzas. Ventajas: elevada capacidad de maniobra, alta ecacia en la realización del vuelo vertical, vuelo a punto jo,vuelo vertical ascendente y descendente (despegue y aterrizaje). Limitaciones baja velocidad de crucero. 9 AAD (HE) Introducción Intr. Helicópteros / 29 Introducción AAD (HE) Introducción Intr. Helicópteros 3 / 29 Aplicaciones del helicóptero Descripción de helicóptero. Sistemas. Parámetros característicos. 2 Problemática particular del helicóptero. Aerodinámica. Conguración del rotor principal. Control del vuelo. Autorrotación. La característica más valorada de las actuaciones de un helicóptero es su capacidad de maniobra: ilitares: Civiles: agilidad, operación cerca del suelo, vuelo a punto jo, vuelo a velocidades lentas, posibilidad de aterrizar y despegar verticalmente o en espacios muy reducidos y de difícil acceso. combate aéreo, apoyo táctico, observación. transporte comercial, búsqueda y salvamento, trabajos aéreos. AAD (HE) Introducción Intr. Helicópteros 2 / 29 AAD (HE) Introducción Intr. Helicópteros 4 / 29

2 Conguración básica de un helicóptero convencional Parámetros característicos II Tren aterrizaje. Rotores. 0 3 Estructura. Cabina. Sistema motor. Controles de vuelo. Sistemas auxiliares: hidráulico, eléctrico, instrumentación, aceite, combustible. R [m] 0 DL [N/m 2 ] Transmisión [kg] [kg] c [m] b [ ] UH-60A UH [kg] [kg] 0 AAD (HE) Introducción Intr. Helicópteros 5 / 29 Parámetros característicos I AAD (HE) Introducción Intr. Helicópteros 7 / 29 Parámetros característicos III Diámetro del rotor principal D [m] 7-24 Cuerda media del rotor principal c [m] Número de palas rotor principal b [-] 2-6 Velocidad de punta de pala V tip [m/s] Carga discal (peso por unidad de área) DL [Pa] Diámetro de rotor antipar D t [m] - 6 Velocidad de avance V [km/h] R tr [m] V tip [m/s] [kg] [kg] il i-26 vs Robinson R22 AAD (HE) Introducción Intr. Helicópteros 6 / 29 AAD (HE) Introducción Intr. Helicópteros 8 / 29

3 Retos tecnológicos iniciales Aerodinámica: asimetría en avance I Desconocimiento de la aerodinámica del vuelo vertical: ¾potencia necesaria? Relación potencia/peso del motor: motores de combustión interna. Ã=80 V Ã=80 Peso de la estructura: materiales ligeros. Compensación del par rotor: sistemas sencillos. Estabilidad y control de la aeronave: articulación de batimiento y control cíclico. Vibraciones: integridad estructural. Supervivencia frente a fallo: autorrotación. Ã=270 Ã=90 Zona de flujo invertido Ã=270 Ã =0 Ã=0 Ã=90 Lado de retroceso ¼ < Ã < 2 ¼ Lado de avance 0 < Ã < ¼ AAD (HE) Introducción Intr. Helicópteros 9 / 29 Aerodinámica: potencia inducida AAD (HE) Introducción Intr. Helicópteros / 29 Aerodinámica: asimetría en avance II La conservación de cantidad de movimiento implica que el rotor debe acelerar y mover hacia abajo una corriente uida. Esto se consigue mediante el movimiento de las palas. Potencia inducida: aumento de energía cinética por unidad de tiempo. Precio a pagar para mantener una aeronave en vuelo. Se demostrará que la potencia inducida en un helicóptero es inversamente proporcional al radio del rotor. Cargas discales pequeñas implican potencias inducidas pequeñas y, por tanto, alta eciencia. Vuelo axial: Axilsimétrico: Vuelo de avance: d dψ = 0. Dependencia con el ángulo de azimut de las magnitudes f (ψ). Desequilibrio de fuerzas: tendencia a producir momento de alabeo. Velocidades elevadas en la zona de avance: ψ π/2. Velocidades pequeñas en la zona de retroceso: ψ 2π/3 y zona de inversión de ujo. AAD (HE) Introducción Intr. Helicópteros 0 / 29 AAD (HE) Introducción Intr. Helicópteros 2 / 29

4 Aerodinámica: entorno complejo I Aerodinámica: entorno complejo III Creación de torbellinos de punta de pala. Interacciones aerodinámicas: interacción pala con vórtices de punta de pala, interacción de la estela del rotor con la estructura, interacción de la vórtices de punta de pala del rotor con el rotor antipar, interacción de la vórtices de punta de pala con el estabilizador horizontal, interacción de la estela del buje con la estela del rotor. 2 AAD (HE) Introducción Intr. Helicópteros 3 / 29 Aerodinámica: entorno complejo II AAD (HE) Introducción Intr. Helicópteros 5 / 29 Aerodinámica: entorno complejo IV Vuelo de avance: torbellinos de punta pala permanecen cercanos al plano del rotor creando ujos 3D uctuantes. Lado de avance (efectos): régimen transónico, zonas de compresibilidad y posibles ondas de choque, mayor potencia requerida, mayor ruido, limita la velocidad de vuelo de avance. Estructura- Estela del rotor T antipar Estela del buje de pala (lado retroceso) T punta de pala Lado de retroceso (efectos): entrada en pérdida dinámica, Ã= 90 pérdida de sustentación, propulsión, fuente de ruido, cargas uctuantes, limita la velocidad de vuelo de avance. Rotor principal Ã= 80 V punta de pala en punta de pala (lado de avance) AAD (HE) Introducción Intr. Helicópteros 4 / 29 AAD (HE) Introducción Intr. Helicópteros 6 / 29

5 Conguración rotor principal Conguración rotor principal: solución tradicional Las palas se caracterizan por: longitud grande para conseguir bajas cargas discales, relación de aspecto elevada para conseguir elevadas ecacias aerodinámicas. Esto implica que las palas presentan elevada exibilidad. Las palas soportan el peso del helicóptero, por lo que se ven sometidas a fuerzas aerodinámicas considerables. Estas fuerzas pueden producir grandes cargas estructurales sobre el encastre de las palas, grandes desplazamientos de las palas. Rotor articulado Articulación de batimiento: permite batir las palas libremente. Asegura una transferencia de sustentación al eje pero no de momentos. Articulación arrastre: la rotación de la pala junto con el batimiento hace que aparezcan fuerzas de coriolis en el plano del rotor. La articulación de arrastre permite aliviar esfuerzos en el encastre de las palas. Cojinete de paso: se emplea para controlar el paso que se proporciona a las palas. 3 AAD (HE) Introducción Intr. Helicópteros 7 / 29 Conguración rotor principal: movimiento de las palas AAD (HE) Introducción Intr. Helicópteros 9 / 29 Conguración rotor principal: tipos de rotor Eje batimiento Articulado Rígido (hingeless) Flexible (bearingless) Eje arrastre Eje paso Paso Arrastre Articulado: articulaciones en los tres movimientos principales (batimiento, arrastre y paso). Ventaja: menos esfuerzos transmitidos. Rígido: los movimientos de arrastre y batimiento se consiguen mediante la exibilidad de los materiales empleados en la unión al buje. antiene articulación en el movimiento de paso. Batimiento Flexible: no presenta articulación alguna, todos los movimientos se consiguen mediante la exibilidad de los materiales empleados en la unión al buje. Ventaja: buje aerodinámicamente más limpio y menor mantenimiento. AAD (HE) Introducción Intr. Helicópteros 8 / 29 AAD (HE) Introducción Intr. Helicópteros 20 / 29

6 Control de vuelo Control de vuelo: control colectivo El rotor es el responsable nal del control de vuelo. EL piloto debe ser capaz de controlar el vector tracción en módulo y dirección. T Proporciona control en el vuelo axial del helicóptero. Control de la sustentación (módulo) del rotor principal. Cambia el ángulo de ataque de todas las palas simultáneamente. T 0 Para ello, el piloto actúa sobre los mandos y éstos modican el ángulo de paso de las palas. 4 AAD (HE) Introducción Intr. Helicópteros 2 / 29 Control de vuelo: mandos AAD (HE) Introducción Intr. Helicópteros 23 / 29 Control de vuelo: control cíclico andos: responsables de controlar la posición, velocidad y orientación de la aeronave Control vuelo axial Control longitudinal Control lateral Control direccional Control colectivo: impone un paso independiente de la posición azimutal θ(ψ) = θ 0. Control cíclico: impone un paso dependiente de la posición azimutal θ(ψ) = a cosψ + b sinψ Pedales: imponen un paso independiente de la posición azimutal en el rotor antipar θ a (ψ) = θ a,0. Proporciona control longitudinal y lateral. Palanca se empuja en dirección en la que se desea el vuelo. Cambia el ángulo de ataque de las palas de forma independiente mediante la inclinación del rotor en determinadas posiciones de azimut. AAD (HE) Introducción Intr. Helicópteros 22 / 29 AAD (HE) Introducción Intr. Helicópteros 24 / 29

7 Control de vuelo: pedales Resumen I Proporciona guiñada o control direccional. odica el empuje de rotor de cola mediante el cambio de paso colectivo del rotor antipar. El pedal se pisa en la dirección requerida. El helicóptero es una aeronave única por su elevada capacidad de maniobra. El rotor principal de un helicóptero es el responsable de conseguir: sustentación, empuje, y control. Para una tracción dada, cargas discales pequeñas implican potencias inducidas pequeñas. El vuelo axial consiste en el movimiento vertical de la aeronave y se caracteriza por presentar simetría azimutal. El vuelo a punto jo es un caso particular. 5 AAD (HE) Introducción Intr. Helicópteros 25 / 29 Autorrotación AAD (HE) Introducción Intr. Helicópteros 27 / 29 Resumen II Régimen de funcionamiento en el que la rotación del rotor es mantenida sin la aplicación de un par motor. La corriente incidente es la responsable de proporcionar la energía necesaria para mantener la rotación del rotor. Balance energético: pérdida de energía potencial se convierte en la potencia necesaria para mantener la velocidad de rotación. Fundamental para recuperar la condición de vuelo seguro en situaciones de emergencia debidas a la pérdida de motor, transmisión. El rotor en autorrotación puede ser tan efectivo como un paracaídas del mismo diámetro que el del rotor. El vuelo de avance se caracteriza por la falta de simetría azimutal del campo de velocidades relativas. Las dicultades a las que se debe enfrentar el helicóptero son: posibilidad de entrada en pérdida en el lado de retroceso a velocidades de vuelo elevadas, regímenes transónicos en el lado de avance a velocidades de vuelo elevadas. Se tiene un entorno aerodinámico muy complejo. El rotor principal está sometido a grandes esfuerzos y deformaciones. El movimiento básico de la pala consta de: movimiento de batimiento, movimiento de arrastre, movimiento de paso. Autorotacion Avance AAD (HE) Introducción Intr. Helicópteros 26 / 29 AAD (HE) Introducción Intr. Helicópteros 28 / 29

8 Resumen III Las distintas estrategias en la forma de acomodar estos movimientos determina distintas conguraciones de cabezas de rotores. Control de las fuerzas que aparecen en el rotor determinan el control del vuelo de la aeronave: paso colectivo: proporciona control del vuelo axial, paso cíclico: proporciona control del movimiento longitudinal y del alabeo, paso colectivo del rotor antipar: proporciona control direccional de la aeronave. Autorrotación posibilidad del helicóptero para permitir la recuperación de la aeronave ante fallo del motor. 6 AAD (HE) Introducción Intr. Helicópteros 29 / 29