1.2 Introducción a los helicópteros.

Descripción
Problemática
Resumen
Descripción
Problemática
Resumen
El Helicóptero
Denición: aeronave de alas giratorias (rotor) que proporciona
sustentación,
propulsión,
control,
1. Introducción
1.2 Introducción a los helicópteros
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)
Descripción
Introducción
Problemática
Intr. Helicópteros
1 / 29
Resumen
Introducción
1
Introducción
Problemática
Intr. Helicópteros
3 / 29
Resumen
Aplicaciones del helicóptero
La característica más valorada de las actuaciones de un helicóptero es
su capacidad de maniobra:
Descripción de helicóptero.
Sistemas.
Parámetros característicos.
2
AAD (HE)
Descripción
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.
Problemática particular del helicóptero.
Militares:
Aerodinámica.
Conguración del rotor principal.
Control del vuelo.
Autorrotación.
combate aéreo, apoyo táctico, observación.
Civiles:
transporte comercial, búsqueda y salvamento, trabajos aéreos.
AAD (HE)
Introducción
Intr. Helicópteros
2 / 29
AAD (HE)
Introducción
Intr. Helicópteros
4 / 29
Problemática
Resumen
Conguración básica de un helicóptero convencional
Problemática
Resumen
Parámetros característicos II
Rotores.
Controles de vuelo.
Sistemas auxiliares: hidráulico, eléctrico,
instrumentación, aceite, combustible.
3
10
1
10
R [m]
Tren aterrizaje.
Estructura.
Cabina.
Sistema motor.
Transmisión.
Descripción
DL [N/m2]
Descripción
2
3
10
4
10
10
3
4
10
M [kg]
10
M [kg]
0
10
7
6
b [−]
c [m]
5
4
3
2
−1
10
3
UH-60A
Intr. Helicópteros
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Resumen
Parámetros característicos I
Diámetro del rotor principal
Cuerda media del rotor principal
Número de palas rotor principal
Velocidad de punta de pala
Carga discal (peso por unidad de área)
Diámetro de rotor antipar
Velocidad de avance
3
4
10
10
M [kg]
AAD (HE)
Introducción
Problemática
Descripción
Intr. Helicópteros
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Resumen
Parámetros característicos III
D
c
b
Vtip
DL
Dt
V∞
[m]
[m]
[-]
[m/s]
[Pa]
[m]
[km/h]
7 - 24
0.2 - 0.9
2-6
170 - 250
125 - 700
1-6
150 - 330
1
10
250
240
230
Rtr [m]
10
Descripción
UH-1
Introducción
Problemática
10
M [kg]
Vtip [m/s]
AAD (HE)
1
4
10
0
10
220
210
200
190
180
3
4
10
170
10
3
4
10
M [kg]
10
M [kg]
Mil Mi-26 vs Robinson R22
AAD (HE)
Introducción
Intr. Helicópteros
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AAD (HE)
Introducción
Intr. Helicópteros
8 / 29
Descripción
Problemática
Resumen
Retos tecnológicos iniciales
Descripción
Problemática
Resumen
Aerodinámica: asimetría en avance I
V1
Ã=180
Desconocimiento de la aerodinámica del vuelo vertical: ¾potencia
necesaria?
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 y
control cíclico.
Vibraciones: integridad estructural.
Supervivencia frente a fallo: autorrotación.
Ã=180
M1
M1
1
M1
Ã=270
Ã=270
Ã=90
M
­
M1
Ã=90
11
AAD (HE)
Introducción
Problemática
Intr. Helicópteros
M1
M1
Zona de flujo
invertido
Ã=0
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Resumen
Aerodinámica: potencia inducida
Ã=0
Introducción
AAD (HE)
Introducción
Problemática
Descripción
Lado de avance
0 < Ã < ¼
Intr. Helicópteros
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Resumen
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.
AAD (HE)
­
1
Lado de retroceso
¼ < Ã < 2¼
Descripción
M
Intr. Helicópteros
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Vuelo axial:
Axilsimétrico:
d
= 0.
dψ
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 de
inversión de ujo.
AAD (HE)
Introducción
Intr. Helicópteros
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Descripción
Problemática
Resumen
Aerodinámica: entorno complejo I
Descripción
Problemática
Resumen
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.
AAD (HE)
12
Descripción
Introducción
Problemática
Intr. Helicópteros
13 / 29
Resumen
Aerodinámica: entorno complejo II
AAD (HE)
Introducción
Problemática
Descripción
Intr. Helicópteros
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Resumen
Aerodinámica: entorno complejo IV
Vuelo de avance: torbellinos de punta pala permanecen cercanos al
plano del rotor creando ujos 3D uctuantes.
Estela del buje
EstructuraEstela del rotor
Lado de avance (efectos):
de pala (lado retroceso)
T
T antipar
régimen transónico, zonas de compresibilidad y posibles ondas de
choque,
mayor potencia requerida, mayor ruido,
limita la velocidad de vuelo de avance.
punta de pala
Lado de retroceso (efectos):
entrada en pérdida dinámica,
pérdida de sustentación, propulsión, fuente de ruido, cargas uctuantes,
limita la velocidad de vuelo de avance.
Ã= 90
Ã= 180
punta de pala
Rotor principal
V1
en punta de pala
(lado de avance)
AAD (HE)
Introducción
Intr. Helicópteros
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AAD (HE)
Introducción
Intr. Helicópteros
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Descripción
Problemática
Resumen
Conguración rotor principal
Descripción
Rotor articulado
longitud grande para conseguir bajas cargas discales,
relación de aspecto elevada para conseguir elevadas ecacias
aerodinámicas.
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.
Articulación de batimiento:
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.
13
AAD (HE)
Resumen
Conguración rotor principal: solución tradicional
Las palas se caracterizan por:
Introducción
Problemática
Descripción
Problemática
Intr. Helicópteros
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Resumen
Conguración rotor principal: movimiento de las palas
AAD (HE)
Descripción
Introducción
Problemática
Intr. Helicópteros
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Resumen
Conguración rotor principal: tipos de rotor
­
Eje batimiento
Articulado
Arrastre
Eje paso
Batimiento
AAD (HE)
Introducción
Flexible (bearingless)
Articulado: articulaciones en los tres movimientos principales
Paso
Eje arrastre
Rígido (hingeless)
Intr. Helicópteros
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(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. Mantiene articulación en el movimiento de paso.
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
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Descripción
Problemática
Resumen
Control de vuelo
Descripción
Problemática
Resumen
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.
T1
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.
T0
Para ello, el piloto actúa sobre los mandos y éstos modican el ángulo
de paso de las palas.
AAD (HE)
14
Introducción
Problemática
Descripción
Intr. Helicópteros
21 / 29
Resumen
Control de vuelo: mandos
Introducción
Problemática
Intr. Helicópteros
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Resumen
Control de vuelo: control cíclico
Mandos: responsables de controlar la posición, velocidad y orientación
de la aeronave
Control
Control
Control
Control
AAD (HE)
Descripción
vuelo axial
longitudinal
lateral
direccional
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.
Control colectivo: impone un paso independiente de la posición
azimutal θ (ψ) = θ0 .
Control cíclico: impone un paso dependiente de la posición azimutal
θ (ψ) = a1 cos ψ + b1 sin ψ + . . . .
Pedales: imponen un paso independiente de la posición azimutal en el
rotor antipar θa (ψ) = θa,0 .
AAD (HE)
Introducción
Intr. Helicópteros
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AAD (HE)
Introducción
Intr. Helicópteros
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Descripción
Problemática
Resumen
Control de vuelo: pedales
Descripción
Problemática
Resumen
Resumen I
El helicóptero es una aeronave única por su elevada capacidad de
maniobra.
El rotor principal de un helicóptero es el responsable de conseguir:
Proporciona guiñada o control direccional.
Modica el empuje de rotor de cola mediante el cambio de paso
colectivo del rotor antipar.
El pedal se pisa en la dirección requerida.
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.
15
AAD (HE)
Introducción
Problemática
Descripción
Intr. Helicópteros
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Resumen
Autorrotación
AAD (HE)
Descripción
Introducción
Problemática
Intr. Helicópteros
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Resumen
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
AAD (HE)
Avance
Introducción
Intr. Helicópteros
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AAD (HE)
Introducción
Intr. Helicópteros
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Descripción
Problemática
Resumen
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.
AAD (HE)
Introducción
Intr. Helicópteros
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