12introHelicopteros Alum

Descripción Problemática Resumen

1. Introducción

1.2 Introducción a los helicópteros

AAD (HE) Introducción Intr. Helicópteros 1 / 29


Introducción

1 Descripción de helicóptero.

Sistemas.Parámetros característicos.

2 Problemática particular del helicóptero.

Aerodinámica.Con�guración del rotor principal.Control del vuelo.Autorrotación.



El Helicóptero

De�nición: aeronave de alas giratorias (rotor) que proporciona

sustentación,propulsión,control,

y que permiten a la aeronave mantenerse en vuelo a punto �jo sinnecesidad de una velocidad de vuelo que genere estas fuerzas.

Ventajas:

elevada capacidad de maniobra,alta e�cacia en la realización del vuelo vertical, vuelo a punto �jo,vuelovertical ascendente y descendente (despegue y aterrizaje).

Limitaciones

baja velocidad de crucero.



Aplicaciones del helicóptero

La característica más valorada de las actuaciones de un helicóptero essu capacidad de maniobra:

agilidad, operación cerca del suelo, vuelo a punto �jo, vuelo avelocidades lentas, posibilidad de aterrizar y despegar verticalmente oen espacios muy reducidos y de difícil acceso.

Militares:

combate aéreo, apoyo táctico, observación.

Civiles:

transporte comercial, búsqueda y salvamento, trabajos aéreos.


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Con�guración básica de un helicóptero convencional

Tren aterrizaje.

Estructura.

Cabina.

Sistema motor.

Transmisión.

Rotores.

Controles de vuelo.

Sistemas auxiliares: hidráulico, eléctrico,instrumentación, aceite, combustible.

UH-60A UH-1



Parámetros característicos I

Diámetro del rotor principal D [m] 7 - 24Cuerda media del rotor principal c [m] 0.2 - 0.9Número de palas rotor principal b [-] 2 - 6Velocidad de punta de pala Vtip [m/s] 170 - 250Carga discal (peso por unidad de área) DL [Pa] 125 - 700Diámetro de rotor antipar Dt [m] 1 - 6Velocidad de avance V∞ [km/h] 150 - 330

Mil Mi-26 vs Robinson R22



Parámetros característicos II

103

104

101

M [kg]

R [m

]

103

104

102

103

M [kg]

DL

[N/m

2 ]

103

104

10−1

100

M [kg]

c [m

]

103

104

1

2

3

4

5

6

7

M [kg]

b [−

]



Parámetros característicos III

103

104

100

101

M [kg]

Rtr [m

]

103

104

170

180

190

200

210

220

230

240

250

M [kg]

Vtip

[m/s

]


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Retos tecnológicos iniciales

Desconocimiento de la aerodinámica del vuelo vertical: ¾potencianecesaria?

Relación potencia/peso del motor: motores de combustión interna.

Peso de la estructura: materiales ligeros.

Compensación del par rotor: sistemas sencillos.

Estabilidad y control de la aeronave: articulación de batimiento ycontrol cíclico.

Vibraciones: integridad estructural.

Supervivencia frente a fallo: autorrotación.



Aerodinámica: potencia inducida

La conservación de cantidad de movimiento implica que el rotor debeacelerar y mover hacia abajo una corriente �uida. Esto se consiguemediante el movimiento de las palas.

Potencia inducida: aumento de energía cinética por unidad detiempo.

Precio a pagar para mantener una aeronave en vuelo.

Se demostrará que la potencia inducida en un helicóptero esinversamente proporcional al radio del rotor.

Cargas discales pequeñas implican potencias inducidas pequeñas y, portanto, alta e�ciencia.



Aerodinámica: asimetría en avance I

=0Ã =0Ã

=90Ã

=180Ã

=270Ã

1M

1M

1M

1M

1

M1M

1M

Lado de retroceso Lado de avance¼ 2 <Ã <¼ ¼ <Ã <0

Zona de flujoinvertido

1

M

=270Ã=90Ã

=180Ã

1V



Aerodinámica: asimetría en avance II

Vuelo axial:

Axilsimétrico:d

dψ= 0.

Vuelo de avance:

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 deinversión de �ujo.


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Aerodinámica: entorno complejo I

Creación de torbellinos de punta de pala.



Aerodinámica: entorno complejo II

Vuelo de avance: torbellinos de punta pala permanecen cercanos alplano 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.

Lado de retroceso (efectos):

entrada en pérdida dinámica,

pérdida de sustentación, propulsión, fuente de ruido, cargas �uctuantes,

limita la velocidad de vuelo de avance.



Aerodinámica: entorno complejo III

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 estabilizadorhorizontal,

interacción de la estela del buje con la estela del rotor.



Aerodinámica: entorno complejo IV

= 180Ã

Estela del buje

punta de pala

Estructura-Estela del rotor

punta de pala

T

Rotor principal

= 90Ã

antiparT

1V

(lado de avance)en punta de pala

de pala (lado retroceso)


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Con�guración rotor principal

Las palas se caracterizan por:

longitud grande para conseguir bajas cargas discales,relación de aspecto elevada para conseguir elevadas e�caciasaerodinámicas.

Esto implica que las palas presentan elevada �exibilidad.

Las palas soportan el peso del helicóptero, por lo que se ven sometidasa fuerzas aerodinámicas considerables. Estas fuerzas pueden producir

grandes cargas estructurales sobre el encastre de las palas,grandes desplazamientos de las palas.



Con�guración rotor principal: movimiento de las palas

Eje paso

Paso

Arrastre

Eje batimiento

Batimiento

Eje arrastre



Con�guración rotor principal: solución tradicional

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 batimientohace que aparezcan fuerzas de coriolis en el plano del rotor. Laarticulación de arrastre permite aliviar esfuerzos en el encastre de laspalas.Cojinete de paso: se emplea para controlar el paso que se proporcionaa las palas.



Con�guración rotor principal: tipos de rotor

Articulado Rígido (hingeless) Flexible (bearingless)

Articulado: articulaciones en los tres movimientos principales(batimiento, arrastre y paso). Ventaja: menos esfuerzos transmitidos.

Rígido: los movimientos de arrastre y batimiento se consiguenmediante la �exibilidad de los materiales empleados en la unión albuje. Mantiene articulación en el movimiento de paso.

Flexible: no presenta articulación alguna, todos los movimientos seconsiguen mediante la �exibilidad de los materiales empleados en launión al buje. Ventaja: buje aerodinámicamente más limpio y menormantenimiento.


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Control de vuelo

El rotor es el responsable �nal del control de vuelo.

EL piloto debe ser capaz de controlar el vector tracción en módulo ydirección.

0T1T

Para ello, el piloto actúa sobre los mandos y éstos modi�can el ángulode paso de las palas.



Control de vuelo: mandos

Mandos: responsables de controlar la posición, velocidad y orientaciónde la aeronave

Control vuelo axialControl longitudinalControl lateralControl direccional

Control colectivo: impone un paso independiente de la posiciónazimutal θ(ψ) = θ0.Control cíclico: impone un paso dependiente de la posición azimutalθ(ψ) = a1 cosψ +b1 sinψ + . . . .

Pedales: imponen un paso independiente de la posición azimutal en elrotor antipar θa(ψ) = θa,0.



Control de vuelo: control colectivo

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.



Control de vuelo: control cíclico

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 independientemediante la inclinación del rotor en determinadas posiciones de azimut.


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Control de vuelo: pedales

Proporciona guiñada o control direccional.

Modi�ca el empuje de rotor de cola mediante el cambio de pasocolectivo del rotor antipar.

El pedal se pisa en la dirección requerida.



Autorrotación

Régimen de funcionamiento en el que la rotación del rotor esmantenida sin la aplicación de un par motor.

La corriente incidente es la responsable de proporcionar la energíanecesaria para mantener la rotación del rotor.

Balance energético: pérdida de energía potencial se convierte en lapotencia necesaria para mantener la velocidad de rotación.

Fundamental para recuperar la condición de vuelo seguro ensituaciones de emergencia debidas a la pérdida de motor, transmisión.

El rotor en autorrotación puede ser tan efectivo como un paracaídasdel mismo diámetro que el del rotor.

AvanceAutorotacion



Resumen I

El helicóptero es una aeronave única por su elevada capacidad demaniobra.

El rotor principal de un helicóptero es el responsable de conseguir:

sustentación,empuje, ycontrol.

Para una tracción dada, cargas discales pequeñas implican potenciasinducidas pequeñas.

El vuelo axial consiste en el movimiento vertical de la aeronave y secaracteriza por presentar simetría azimutal. El vuelo a punto �jo es uncaso particular.



Resumen II

El vuelo de avance se caracteriza por la falta de simetría azimutal delcampo de velocidades relativas. Las di�cultades a las que se debeenfrentar el helicóptero son:

posibilidad de entrada en pérdida en el lado de retroceso a velocidadesde vuelo elevadas,regímenes transónicos en el lado de avance a velocidades de vueloelevadas.

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.


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Resumen III

Las distintas estrategias en la forma de acomodar estos movimientosdetermina distintas con�guraciones de cabezas de rotores.

Control de las fuerzas que aparecen en el rotor determinan el controldel vuelo de la aeronave:

paso colectivo: proporciona control del vuelo axial,

paso cíclico: proporciona control del movimiento longitudinal y delalabeo,

paso colectivo del rotor antipar: proporciona control direccional de laaeronave.

Autorrotación posibilidad del helicóptero para permitir la recuperaciónde la aeronave ante fallo del motor.


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