Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros. 1 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Aerodinos de alas giratorias Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 • • • • Convertibles: – Alas inclinadas (tilt‐wing) – Rotores inclinados (tilt‐rotor) Autogiro. Girodino. Helicóptero 2 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 Convertibles • • • • • Un único sistema de alas giratorias proporciona sustentación y empuje. El cambio de funcionalidad lo consigue mediante el cambio de orientación de este sistema. Durante el despegue las alas giratorias proporcionan la tracción en dirección vertical. En el vuelo en crucero las alas giratorias se reorientan ocupando un plano ligeramente vertical, generando un empuje horizontal y una sustentación. La sustentación en vuelo de crucero proviene del sistema de alas giratorias y de alas fijas. 3 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Convertible. Rotor inclinable. Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 • Convertible con rotores inclinables (tilt‐ rotor) montados en alas. – Despegue y aterrizaje: rotores producen tracción vertical. – Crucero: los rotores se inclinan para producir el empuje necesario. – Considerables velocidades de avance: 550 kmh . – Dificultades aeroelásticas en el proceso de conversión. – Incremento de peso y de complejidad mecánica. Bell-XV-3 4 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Convertible. Ala inclinable Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 • Convertible con alas inclinables (tilt‐wing) en las que se han montado hélices propulsoras. – Vuelo en avance: hélices proporcionan el empuje. – Vuelo vertical: se inclina el ala para que las hélices proporcionen sustentación. – Pilotaje dificultoso debido a entrada en pérdida durante el proceso de conversión. – Eje de rotación sobre el cuerpo de la aeronave: permite ahorrar peso y ganar sencillez con respecto a los rotores inclinables. Canadair CL-84 Hiller X-18 Bertol VZ Boeing 5 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 Autogiro • La fuerza de sustentación se obtiene mediante el proceso de autorrotación. • Un rotor que es capaz de girar libremente (no consume potencia) es atravesado por un flujo de aire que provoca la rotación de las palas, obteniendo así la sustentación. • La propulsión se consigue mediante una hélice conectada a un motor. Esta aeronave no tiene capacidad de realizar vuelo a punto fijo. MT-03 6 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Helicóptero Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 • • • Dispone también de dos sistemas de alas giratorias y accionados por un motor. La diferencia es que el sistema de alas giratorias responsable de crear la sustentación también es el responsable de crear el empuje necesario para el vuelo. El otro sistema de alas giratorias se encarga de proporcionar el par necesario para contrarrestar el par que crea el rotor principal. H145 EC-145 T2 7 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 Helicóptero • De entre todas las aeronaves VTOL (de despegue y aterrizaje vertical), el helicóptero destaca por su elevada eficiencia para el vuelo a punto fijo y vertical (vuelo axial). • El vuelo axial de los helicópteros será controlado mediante la articulación de paso colectivo de su rotor principal. 8 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 Requerimientos relativos de empuje y potencia • Frente a las aeronaves de ala fija, los helicópteros requieren de mayores empujes para mantener el vuelo. • En los helicópteros, el empuje necesario será igual al peso durante el vuelo a punto fijo, frente al pequeño empuje necesario en las aeronaves de ala fija. En vuelo con aceleración ascensional o vuelo en avance, por supuesto, los requerimientos de empuje son incluso mayores. • Frente a otras aeronaves VTOL, los requerimientos de empuje son similares durante el vuelo a punto fijo o vertical: el empuje volverá a ser igual al peso, o algo superior, cuando haya aceleraciones ascensionales. 9 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 Requerimientos relativos de empuje y potencia • Sin embargo, los requerimientos de potencia suelen ser menores para una misma carga de pago: otras aeronaves con capacidad para volar a punto fijo durante elevados periodos de tiempo, como las de ala o rotor basculante, requieren de estructuras y mecanismos más pesados que penalizan la operación. • Otras aeronaves, como las de chorro deflactado, sólo pueden hacer uso de los elevados empujes necesarios para el vuelo a punto fijo durante pequeños periodos de tiempo, y requieren de grandes consumos energéticos. 10 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 Ventajas y limitaciones de los helicópteros • Definición: aeronave de alas giratorias (rotor) que proporcionan: – Sustentación. – Propulsión. – Control. y que permiten a la aeronave mantenerse en vuelo a punto fijo sin necesidad de una velocidad de vuelo que genere estas fuerzas. • Ventajas: – Elevada capacidad de maniobra. – Alta eficacia en la realización del vuelo vertical, vuelo a punto fijo, vuelo vertical ascendente y descendente (despegue y aterrizaje). • Limitaciones – Baja velocidad de crucero. 11 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Ventajas y limitaciones de los helicópteros Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 • La característica más valorada de las actuaciones de un helicóptero es su capacidad de maniobra: – Agilidad. – Operación cerca del suelo. – Vuelo a punto fijo. – Vuelo a velocidades lentas. – Posibilidad de aterrizar y despegar verticalmente o en espacios muy reducidos y de difícil acceso. 12 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 Clasificación según su misión • Militares: – Combate aéreo. – Apoyo táctico. – Observación. • Civiles: 13 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 Clasificación según sus características de diseño 14 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Helicóptero. Configuración helicópteros. Convencional Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 • Un rotor situado en la parte trasera equilibra el momento de reacción producido por el rotor principal. 15 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Helicóptero. Configuración helicópteros. Tándem Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 • • • Dos rotores situados en la parte delantera y trasera de un fuselaje alargado. Limitada agilidad de maniobra. Pérdidas por interferencia entre rotores del orden de la potencia consumida por el rotor antipar. Bristol Belvedere 16 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Helicóptero. Configuración helicópteros. Coaxial Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 • • • • Un rotor sobre otro rotor compartiendo un mismo eje y girando en sentidos contrarios. Automáticamente se equilibran los pares. Elevada complejidad mecánica. Elevada dificultad control. Ka-27 17 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 Helicóptero. Configuración helicópteros. Lateral • • Dos rotores montados en las extremidades de las alas. Problemas de integridad estructural debido a resonancia de las turbinas montadas en las extremidades de las alas. Mil-V-12 18 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 Helicóptero. Configuración helicópteros. Entrecruzada • • • Dos rotores montados en ejes separados y oblicuos. Elevada complejidad mecánica. Complejo mecanismo de control. Kman K-MAX 19 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 Helicóptero. Configuración helicópteros. NOTAR • • Aire eyectado a través de la parte trasera. Empleado únicamente por McDonnell‐Douglas Hughes 500 MD NOTAR 20 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 Parámetros característicos I Diámetro del rotor principal D m 7 - 24 Cuerda media del rotor principal c m 0,2 – 0,9 Número de palas rotor principal b Velocidad de punta de pala V Carga discal (peso por unidad de área) 2-6 m/s 170 - 250 DL Pa 125 - 700 Diámetro de rotor antipar D m 1-6 Velocidad de avance V km/h 150 - 330 21 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 Retos tecnológicos iniciales • Desconocimiento de la aerodinámica del vuelo vertical: ¿potencia 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. 22 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 Aerodinámica: potencia inducida • La conservación de cantidad de movimiento implica que el rotor debe acelerar y mover hacia abajo una corriente inducida. Esto se consigue mediante el movimiento de las palas. • Potencia inducida: aumento de energía cinética por unidad de tiempo. La potencia inducida representa el 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 eficiencia. 23 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 Aerodinámica: asimetría en avance I 24 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Aerodinámica: asimetría en avance II Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 • Vuelo axial: – Axil simétrico: • 0 Vuelo de avance: – Dependencia con el ángulo de azimut de las magnitudes. – Desequilibrio de fuerzas: tendencia a producir momento de alabeo. – Velocidades elevadas en la zona de avance: Ψ ⁄ . ⁄ y zona de – Velocidades pequeñas en la zona de retroceso: Ψ inversión de flujo. 25 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 Aerodinámica: entorno complejo I 26 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 Aerodinámica: entorno complejo II • Vuelo de avance: torbellinos de punta pala permanecen cercanos al plano del rotor creando flujos 3D fluctuantes. • 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 fluctuantes. – Limita la velocidad de vuelo de avance. 27 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Aerodinámica: entorno complejo III Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 • 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. 28 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 Configuración rotor principal • Las palas se caracterizan por: – Longitud grande para conseguir bajas cargas discales. – Relación de aspecto elevada para conseguir elevadas eficacias aerodinámicas. • Esto implica que las palas deben presentar elevada flexibilidad. • 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. 29 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 Control de vuelo • El rotor es el responsable final del control de vuelo. • El piloto debe ser capaz de controlar el vector tracción en módulo y dirección. 30 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 Control de vuelo. Mandos • 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 . • Control cíclico: impone un paso dependiente de la posición azimutal. • Pedales: imponen un paso independiente de la posición azimutal en el rotor antipar. 31 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 Control de vuelo. Control colectivo • Para controlar la aceleración ascensional, el helicóptero ha de modificar el paso colectivo de su rotor principal. • Si se quiere aumentar la aceleración ascensional (por ejemplo, para pasar de vuelo a punto fijo a velocidad vertical positiva), es necesario aumentar el paso colectivo. De este modo, para una altitud dada, al aumentar el paso colectivo subirá el valor de C en todas las secciones y, por tanto, el empuje será superior al peso. • En cuanto el helicóptero vaya ganando velocidad vertical, la velocidad de la corriente de aire que pasa por el disco respecto a las palas irá aumentando en módulo, lo que irá reduciendo el ángulo de ataque: un aumento del paso colectivo primero genera una aceleración vertical, pero pronto la aceleración se reduce hasta llegar a una velocidad de ascenso constante. • Si se quiere seguir acelerando, será necesario ir aumentando poco a poco el ángulo de paso colectivo. 32 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 Control de vuelo. Control colectivo • Al aumentar el empuje del rotor aumentando su paso colectivo, también se generará más resistencia inducida. Para compensar esto, la potencia generada por los motores tendrá que subir mientras se aumenta el paso colectivo, o el régimen de giro del rotor caerá. • Así, el control de paso colectivo controla la altitud de vuelo a punto fijo: pasos colectivos pequeños suponen un vuelo a punto fijo a baja altitud, mientras que pasos colectivos grandes suponen un vuelo a punto fijo a alta altitud. • La máxima altitud estará limitada, si no lo hace antes el propio motor, por el coeficiente de sustentación máximo proporcionado por las palas del rotor y su entrada en pérdida. • El efecto suelo aumenta la sustentación generada por las palas: en efecto suelo es posible aumentar el techo de vuelo y la altitud de vuelo para un determinado paso colectivo. Se puede volar a más altitud que la del techo de vuelo normal si se mantiene una altura pequeña. 33 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Control de la altitud de vuelo Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 • En realidad, tras aumentar el paso colectivo ocurren los siguientes procesos: – Primero, aumenta la aceleración vertical. – La aceleración decrece hasta llegar a ser nula cuando la velocidad de la corriente reduce el ángulo de ataque hasta que el empuje vuelve a ser igual al peso. – La densidad atmosférica decrece al ir aumentando la altitud. Ya que el empuje es proporcional a dicha densidad, el helicóptero pierde velocidad vertical. Pero si la velocidad vertical decrece, el ángulo de ataque crece: el helicóptero se va frenando suavemente desde su velocidad ascensional máxima tras unos pocos segundos después del aumento del paso colectivo. – Llegará un momento en el que la velocidad vertical se vuelva cero y el helicóptero vuelva a volar a punto fijo. 34 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 Control de vuelo. Control cíclico • Proporciona control longitudinal y lateral. • La palanca se empuja en la 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. 35 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 Control de vuelo. Pedales • Proporciona guiñada o control direccional. • Modifica el empuje de rotor de cola mediante el cambio de paso colectivo del rotor antipar. Como se indica en la figura, si se produce un aumento en el empuje del rotor en el sentido de la flecha, la aeronave efectuará un movimiento de guiñada como el indicado. • El pedal se pisa en la dirección requerida. 36 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 Autorrotación • 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. • Fundamental para recuperar la condición de vuelo seguro en situaciones de emergencia debidas a la pérdida de motor y/o transmisión. • El rotor en autorrotación puede ser tan efectivo como un paracaídas del mismo diámetro que el del rotor. 37 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 Requerimientos relativos de empuje y potencia • La elevada envergadura de las palas de los helicópteros asegura que, para un empuje dado, éste se consiga moviendo grandes masas de aire a velocidades relativamente pequeñas, perdiéndose así poca energía en aumentar la energía cinética del aire y obteniéndose unos buenos rendimientos. • El cociente entre el empuje producido por el sistema propulsivo de una aeronave y la superficie de la sección por la que pasa el aire usado como masa de reacción se conoce como carga discal, y es un parámetro con el que la eficiencia propulsiva está muy relacionada: cargas discales bajas suelen estar asociadas a eficiencias altas, mientras que cargas discales grandes suelen estar asociadas con eficiencias bajas. 38 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Estructura. Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 • Estructura o célula (airframe) en un helicóptero monorrotor convencional compuesta de: – Fuselaje. – Tren de aterrizaje. – Puro de cola. – Cubiertas del motor y transmisión principal. 39 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 Estructura. Ejemplo 40 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 Estructura. Ejemplo 41 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 Estructura. Partes principales 42 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 Configuración básica de un helicóptero convencional • • • • • • • • Tren aterrizaje. Estructura. Cabina. Sistema motor. Transmisión. Rotores. Controles de vuelo. Sistemas auxiliares: hidráulico, eléctrico, instrumentación, aceite, combustible. 43 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 Fuselaje delantero 44 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Fuselaje delantero Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 • • • • • • Largueros longitudinales principales: son el soporte principal de la estructura en la sección de la cabina. Tren de aterrizaje. Tanques de combustible. Transmisión. Planta de potencia. Cono de cola. 45 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 Mamparo delantero • Es el soporte delantero principal para el techo de la cabina. • Es un soporte estructural fuerte en caso de que suceda un accidente. • El tubo transversal delantero del tren de aterrizaje, está unido a los largueros principales que están en la parte inferior de este mamparo. 46 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 Mamparo trasero • Forma la pared delantera de los tanques externos de combustible. • El tubo transversal trasero del tren de aterrizaje está unido a los largueros principales en la parte inferior de este mamparo. 47 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 Techo cabina • El mamparo delantero, el compartimiento de la transmisión y el mamparo trasero soportan al techo de la cabina. Los paneles de los controles eléctricos, de los rompe circuitos y los sistemas de ventilación de aire exterior están montados en el techo de la cabina. • Las ventanas superiores están instaladas arriba de los asientos de la tripulación y los depósitos hidráulicos están montados en el techo, justo delante de la transmisión. 48 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Fuselaje intermedio Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 • Habitualmente es una estructura semi monocasco: – Plataforma para el motor. – Alojamientos para equipamiento y equipaje. 49 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 Sección de cola 50 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 Sección de cola 51 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 Tipos de planos • Ejes de referencia (3) – Se corresponden a los ejes cartesianos X, Y y Z. • Objetivo: – Situación precisa cualquier punto del helicóptero. – Medidas: • FS o STA, estaciones del fuselaje, planos perpendiculares al eje X. • WL (water lines), planos paralelos al plano XY. • BL (butt lines), planos paralelos al “plano de simetría” del vehículo. 52 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 Estabilizador vertical • • • • • Diseñado con flecha positiva. Disposición del rotor cola. Curvatura del perfil. Patín de cola. Otras disposiciones. 53 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 Estabilizador vertical • Da estabilidad alrededor del eje vertical en vuelos horizontales y aumenta el espacio entre el rotor de cola y el terreno a aproximadamente 6 pies. • Los largueros del frente y de atrás del estabilizador vertical mueven las cargas torsionales de vuelo a la piel del cono de cola. 54 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Estabilizador horizontal Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 • Está conectado al cuerno trasero del plato universal y los movimientos del cíclico hacia atrás o hacia delante cambian su ángulo de ataque 55 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 Tren de aterrizaje • Los tubos transversales de los patines están montados a los largueros principales. • Los montajes aíslan a los tubos transversales y a los patines de las vibraciones del rotor en vuelo 56 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 Tren de aterrizaje 57 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 Tren de aterrizaje 58 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 Transmisión • Cajas reductoras, ejes de transmisión y sistemas de control. • Existirán una o varias cajas reductoras que conecten el o los motores cuya salida del eje está girando a una velocidad entre 6000 y 50000 rpm • Rotor principal girando del orden de las 300 rpm • El diseño es fundamental, no sólo por su misión transmisora y reductora sino porque puede penalizar gravemente el peso total del vehículo. 59 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 Transmisión principal • Suele estar situada delante del motor y suspendida por montantes sobre los soportes estructurales sobre el techo de cabina. • Acoplada al motor o a los motores por un eje conductor o ejes. • Misión de la transmisión principal es doble: – Reducir el movimiento del motor. – Cambiar la dirección del eje de giro 90°. 60 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Transmisión principal Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 • Se compone generalmente de 3 secciones: – Superior compuesta por una carcasa que va montada sobre la sección intermedia y atornillada a ésta. Interiormente llevará la o las coronas dentadas que forman el sistema de planetarios que producen una de las reducciones de rpm. – Intermedia: carcasa sobre la cual va por su parte trasera el piñón de ataque del motor, por su parte delantera la caja de engranajes del generador principal y, por la parte izquierda lleva una salida de potencia opcional. – Inferior que consiste en una carcasa que servirá como cárter de aceite de la transmisión principal. Sobre ella van montados una serie de ejes de salida de movimiento para accesorios. La sección inferior toma movimiento de la intermedia a través de un eje. 61 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 Transmisión al rotor de cola • Conjunto de elementos que transmiten el movimiento de la transmisión principal al rotor de cola. • Movimiento por medio de un eje dividido en una serie de tramos, una o dos cajas de engranajes y acoplamientos diseñados para absorber las vibraciones del sistema (hangers) y desajustes en el alineamiento de los ejes. 62 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 Transmisión al rotor de cola 63 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 Transmisión. Ejemplo 64 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 Transmisión. Ejemplo. Agusta AB412 • Potencia de turbinas es transmitida a través del eje corto, a la transmisión principal y de ahí al rotor principal y al rotor de cola por medio de los ejes, caja de 42° y caja de 90°. • Conjunto de accesorios que van montados sobre ella. 65 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 Transmisión. Ejemplo. CH‐47 66 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Motores Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 • Ventajas de la utilización de turbinas: – Funcionamiento más suave con una disminución apreciable de vibraciones. – Helicóptero más silencioso. – Más ligero para la misma producción de potencia. – Las velocidades de rotación típicas están entre 6000‐50000 rpm en la mayoría de motores 67 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 Cajas reductoras • Dentro del bloque motor generalmente se instalan cajas reductoras a la salida. – Proporcionan una primera reducción de las rpm (del orden de 5:1). – Alimentan los sistemas auxiliares y accesorios: torquímetro, bomba de aceite, sistema de arranque (entrada/salida), sistema de control de combustible. • También pueden tener la misión de combinar la salida de potencia cuando el helicóptero dispone de dos motores. • Existen cajas de materiales ligeros con 3 escalones de reducción con relación de velocidades de 12:1 e incluso mayores que: – Reducen los esfuerzos en los dientes de las cajas. – Reducen el número de partes. – Reducen los ruidos. 68 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 Reductor principal. Main Gear Box (MGB) 69 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 Rueda libre • Tanto para los helicópteros de pistón como turbina. • Necesario un dispositivo para desacoplar el motor del rotor en caso de fallo de motor o en el caso de funcionamiento en ralentí. • Este mecanismo se denomina rueda libre. • La rueda libre se compone de dos pistas, una interior y otra exterior más una jaula en la que van montados una serie de eslabones. 70 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 Rueda libre • Cada eslabón presenta dos diámetros y siendo uno de ellos de mayor longitud que el otro. • Si movimiento viene por la pista exterior (engine side), hace bascular a los eslabones presentando su diámetro mayor lo que hace que dichos eslabones se acuñen a las pistas, girando todo el conjunto. • Si el movimiento viene por la pista interior (rotor side), hace bascular los eslabones presentando su diámetro menor, con lo cual se desacoplan ambas pistas, girando la pista interior y quedando libre la exterior (parada, o girando a menos revoluciones de la interior). 71 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 Rueda libre 72 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 Mástil • Generalmente un eje tubular construido de acero alineado con la transmisión por medio de una serie de cojinetes. • Presenta una serie de zonas estriadas y roscadas. • En las estriadas van acoplados: – El rotor principal. – El conjunto de mandos y plato oscilante. – El sistema planetario de la transmisión principal del cual toma movimiento. • Sobre las zonas roscadas van: – La tuerca de retención del rotor principal. – La tuerca de retención del cojinete superior del mástil. – La tuerca de retención del cojinete inferior del mástil. 73 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 Mástil 74 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 Estabilizadores • Los estabilizadores de un helicóptero – Horizontal. – Vertical. – Estructuras adicionales al fuselaje. • Un estabilizador es una superficie aerodinámica que produce una fuerza aerodinámica cuyo propósito principal es el de proporcionar mejoras en la estabilidad con respecto a un determinado eje. • Sin embargo estas superficies pueden proporcionar efectos secundarios que es necesario considerar en el diseño conceptual de helicópteros. 75 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 Estabilizador horizontal • El propósito principal es proporcionar estabilidad longitudinal al helicóptero. • Debido a la elevada superficie que presenta el fuselaje por delante del centro de gravedad, el propio fuselaje representa una contribución adversa a la estabilidad longitudinal del helicóptero. Aunque el resto de componentes, principalmente el rotor principal, tienen una contribución positiva puede ser deseable añadir un estabilizador horizontal que ayude a dotar de estabilidad al helicóptero en su dinámica longitudinal. • La selección de la posición y el tamaño del estabilizador horizontal es uno de los problemas más difíciles en el diseño conceptual de un helicóptero. Esto es debido a los importantes cambios que aparecen en las fuerzas sobre el estabilizador y, por tanto, en los momentos longitudinales. 76 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 Estabilizador horizontal • Estos cambios son debidos a: – la posición relativa entre el estabilizador y la estela del rotor principal, cambia de forma acusada entre el vuelo axial y el vuelo de avance, los ángulos de ataque que ve el estabilizador pueden ser muy diferentes y no uniformes. – elevada presión dinámica obtenida en el interior de la estela del rotor principal. – condiciones repentinas o poco previstas de flujo sobre el estabilizador. • Existen tres tipos básicos de estabilizadores horizontales: – estabilizador delantero. – estabilizador en la zona trasera. – estabilizador en T. 77 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 Estabilizador horizontal delantero • Posición: suficientemente adelantado para que se encuentre inmerso en la estela del rotor principal hasta elevadas velocidades de vuelo de avance. Así se evitan cambios repentinos en la dinámica longitudinal causados por la variación en la velocidad y fuerza vertical debidos a la reorientación de la estela del rotor principal. • Debido a la pequeña distancia al centro de gravedad suelen ser superficies más grandes y pesadas cuando son comparadas con estabilizadores colocados en la parte trasera. • Este estabilizador puede tener la capacidad de ser usado para ayudar al equilibrio global del vuelo del helicóptero en vuelo de avance mediante la conexión del ángulo de cabeceo con el de paso cíclico longitudinal. • Las fuerzas aerodinámicas en vuelo a punto fijo sobre este tipo de estabilizador representan normalmente una disminución importante de las actuaciones. 78 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 Estabilizador horizontal delantero 79 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 Estabilizador horizontal trasero • Posición: parte trasera del mástil de cola, de forma que se dispone de una mayor distancia para producir el momento longitudinal. • Sin embargo esta configuración puede presentar problemas con la transición de bajas velocidades de avance a vuelo a punto fijo ya que la estela del rotor principal puede moverse sobre el estabilizador y producir un momento de cabeceo. • El flujo desprendido desde la cabeza del rotor y la parte del superior del fuselaje (flujo no estacionario) reduce la eficiencia de este tipo de estabilizador de forma que su tamaño suele ser mayor del que correspondería a uno funcionando fuera de la estela del rotor principal. • Dada la cantidad de diseños que emplean esta solución parece ser el mejor compromiso entre peso, efectividad y tamaño, al menos para helicópteros de baja carga discal. 80 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 Estabilizador horizontal trasero 81 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 Estabilizador horizontal trasero 82 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 Estabilizador horizontal en T • Posición: parte superior de aleta vertical trasera, de forma que el estabilizador queda fuera de la estela del rotor principal para la mayor parte de condiciones de vuelo. • Por tanto, presenta un menor área para proporcionar el mismo control longitudinal. • Este tipo de configuración presenta problemas estructurales asociados a modos de baja frecuencia excitados por el rotor de cola. • La aleta vertical debe presentar mayores dimensiones y mejor comportamiento estructural comparativamente a una sin estabilizador horizontal para ser capaz de soportar las cargas del estabilizador horizontal. 83 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 Estabilizador horizontal en T 84 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 Estabilizador vertical • El propósito principal es proporcionar estabilidad en guiñada. • La principal fuente de estabilidad en guiñada es el rotor antipar. • El estabilizador vertical puede ser necesario para: – ayudar al rotor antipar en vuelo de avance. De esta manera se puede aumentar la vida a fatiga de los componentes del rotor antipar. – proporcionar el par de compensación en caso de fallo del rotor antipar. Este tipo de solución incorpora perfiles con elevada curvatura que producen la fuerza lateral suficiente para compensar el par. • El estabilizador vertical además es la estructura en la que se suele instalar el rotor antipar. Por tanto, es necesario considerar el rotor antipar como una parte integral del estabilizador vertical. • El tamaño del estabilizador vertical afecta a las actuaciones del rotor antipar. 85 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 Estabilizador vertical 86 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 Rotor antipar. Introducción • Los propósitos principales del rotor antipar son: – proporcionar el par de compensación: el rotor de cola es el encargado de contrarrestar el momento provocado por el giro del rotor principal. Los helicópteros con rotores coaxiales o en configuración tándem no requieren de ningún dispositivo que contrarreste este momento porque cada rotor gira en una dirección diferente. – proporcionar estabilidad y control alrededor del eje de guiñada. • De forma aproximada el rotor antipar puede consumir entre el 6% y el 10% de la potencia del helicóptero. Esta potencia no se emplea en generar fuerza sustentadora. • Existen diseños como el UH‐60 Blackhawk que presentan un plano de rotor antipar inclinado de forma que también ayude a generar sustentación. La inclinación del plano del rotor permite ensanchar la posición permisible del centro de gravedad de la aeronave. 87 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 Rotor antipar. Entorno aerodinámico • El rotor antipar opera en un entorno aerodinámico complejo, debiendo ser capaz de proporcionar la tracción necesaria a partir del flujo relativo de aire que provenga de cualquier dirección: – vientos laterales. – maniobras laterales: dependiendo de si el helicóptero se orienta hacia la izquierda o la derecha, el rotor antipar se encontrará una corriente efectiva de vuelo de ascenso o de descenso. Esta última operación puede ser crítica ya que el rotor antipar se puede encontrar fácilmente en régimen de anillos de vórtices o estela turbulenta. Se puede llegar a la pérdida de control lateral en el caso de combinación de las peores condiciones. • Al ser montado en la aleta vertical, las interacciones aerodinámicas deben ser analizadas cuidadosamente, ya que afectarán el comportamiento del rotor antipar. • Además, la interacción con las estelas arrojadas por la cabeza de rotor principal y fuselaje así como la propia estela del rotor principal influirán en el comportamiento del rotor antipar. 88 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 Rotor antipar. Introducción 89 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Rotor antipar. Parámetros de diseño Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 • Este entorno aerodinámico adverso implica que los requisitos de diseño para el rotor antipar son bastante diferentes de los del rotor principal: – Perfiles: la mayor parte emplean perfiles simétricos por su sencillez y bajo momento de cabeceo. Algunos diseños emplean perfiles con curvatura de manera que presentan mayores coeficientes de sustentación que permiten disminuir la solidez, minimizando el tamaño y peso del rotor antipar. – Número de palas: suele ser 2 o 4. Sin aparecer evidencias claras de cual opción presenta mayores ventajas. – Torsión geométrica: las palas suelen presentar algo de torsión para disminuir la potencia inducida. – Velocidad de punta de pala: generalmente se diseñan para presentar una velocidad de punta similar al rotor principal. Una baja velocidad de punta minimiza el ruido. Sin embargo, se requieren mayores solideces para evitar la entrada en pérdida y aumenta el par del rotor lo cual se traduce en aumentos considerables del peso del sistema mecánico de transmisión. 90 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 Rotor antipar. Parámetros de diseño – Diámetro: desde el punto de vista de la TCM sería preferible que el rotor antipar presentara diámetros mayores. Sin embargo: • Diámetros grandes implican diseños de aleta vertical y rotor antipar más pesados. • Para satisfacer requisitos de certificación y poder realizar vuelos laterales a una determinada velocidad lateral es deseable que la carga discal del rotor antipar sea lo suficientemente alta (velocidad inducida alta) para evitar que el rotor antipar funcione en el régimen de anillos de vórtices. – La dirección habitual de giro del rotor principal es contraria a las agujas del reloj. Por tanto, el rotor antipar debe proporcionar una tracción en la dirección de la derecha del piloto. • Cuando la potencia del rotor aumenta, por ejemplo en ascenso, el rotor antipar debe ser capaz de compensar el aumento de par asociado a este incremento de potencia. Habitualmente esta compensación adicional debe ser proporcionada por la acción del piloto sobre los pedales. 91 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 Rotor antipar. Parámetros de diseño • Dado que el antipar contribuye con una fuerza lateral a las fuerzas del helicóptero, el rotor antipar introduce un desplazamiento lateral. Este efecto debe ser compensado por la inclinación del rotor principal lateralmente mediante paso cíclico. • Ambas fuerzas laterales, rotor antipar y principal, actúan conjuntamente produciendo un momento de alabeo. Para reducir este acoplamiento, se suele situar el rotor antipar en la parte superior de la estructura de la aleta vertical de manera que la distancia de acción del vector tracción sea lo más pequeña posible al centro de gravedad. • La relación entre el diámetro del rotor principal y el diámetro del rotor antipar decrece ligeramente con el peso de la aeronave. 92 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Rotor antipar. Tipos Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 • Existen tres tipos: – Rotor de cola convencional. – Rotor de hélice guiada o Fenestron – NOTAR® (NO TAil Rotor) 93 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 Rotor antipar. Convencional. Rotores de empuje versus tracción • Rotor antipar de empuje: la aleta vertical se encuentra aguas arriba en la estela. • Rotor antipar de tracción: la aleta vertical se encuentra aguas abajo en la estela. • Ambas configuraciones presentan interferencias aerodinámicas considerables con la aleta vertical. Estas interferencias son función del tamaño del rotor antipar, de la superficie de la aleta vertical, y de la separación entre el plano del rotor antipar y la aleta. • En el rotor de empuje la aleta vertical distorsiona la corriente de entrada y la principal consecuencia es que el flujo que ve el rotor antipar es altamente no uniforme y esto conduce a potencias inducidas mayores. Este tipo de rotor es una fuente de cargas de vibración. 94 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 Rotor antipar. Convencional. Rotores de empuje vs tracción • En el rotor de tracción la aleta vertical se sitúa en la estela del rotor produciendo un efecto de bloqueo o de efecto suelo. El efecto negativo es que aparece una fuerza en la dirección opuesta a la tracción del rotor antipar en la aleta vertical. El efecto neto es que disminuye la tracción del rotor antipar. • Para ambas configuraciones se comprueba que el efecto de interferencia aerodinámica disminuye la tracción neta con respecto a la tracción que se obtendría en condición aislada. • La mayoría de helicópteros actuales emplea rotores antipar de empuje porque experimentalmente presentan mejores eficiencias globales. 95 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Rotor antipar. Rotor de hélice guiada (Fenestron). Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 • • Las principales ventajas del Fenestron son: – Requiere una menor potencia para generar una determinada tracción, o lo que es lo mismo, permite utilizar rotores más pequeños. – Menor efecto de la estela del rotor principal. – Disminuye el riesgo de rotura o daños. – Disminuye la pérdida en punta de pala del rotor de cola. – El estabilizador vertical proporciona parte de la fuerza lateral en vuelo de avance. Y sus desventajas son: – Problemas de separación de flujo a la entrada del rotor. – Frecuencias de sonido más altas y molestas (mayor número de palas). – El tamaño del estabilizador vertical aumenta la potencia parásita del fuselaje. 96 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Rotor antipar. Rotor NOTAR Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 • • • • El sistema NOTAR® consiste en generar una fuerza lateral a lo largo del cono de cola mediante control por circulación (efecto Coanda). La fuerza depende de la velocidad de salida del fluido por las ranuras distribuidas a lo largo del cono de cola. El flujo sobrante se expulsa por la tobera de cola y proporciona una fuerza adicional. Desaparece por completo el riesgo de rotura o daños personales y el ruido disminuye en gran medida, pero tiene la desventaja de perder eficacia en vuelo de avance. 97 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Sistema sustentador. Tipos cabezas de rotor Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 • Existen tres tipos completamente diferentes de cabezas de rotor en cuanto a su constitución: – Articulado – Rígido (sin articulaciones) – Semirrígido (basculante) 98 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 Configuración rotor principal: tipos de rotor • Articulado: articulaciones en los tres movimientos principales (batimiento, arrastre y paso). • Rígido: los movimientos de arrastre y batimiento se consiguen mediante la flexibilidad 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 flexibilidad de los materiales empleados en la unión al buje. – Ventaja: buje aerodinámicamente más limpio y menor mantenimiento. 99 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 Sistema sustentador. Tipos cabezas de rotor. Articulado. • El más común de los tipos de rotor. • El orden de situación de las tres articulaciones no siempre es el mismo, depende del diseño del fabricante. • Ventaja: menos esfuerzos transmitidos. 100 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 Sistema sustentador. Tipos cabezas de rotor. Rotor rígido. • Eje de giro y buje están rígidamente unidos formando una única pieza. • Palas están encastradas rígidamente al buje, teniendo solamente la libertad de giro sobre su eje longitudinal para la variación de paso. • Características más importantes: – Sencillez – Robustez mecánica. 101 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 Sistema sustentador. Tipos cabezas de rotor • Década de los sesenta: sistemas de rotor rígido. Problemas de inestabilidad aeromecánica y aeroelástica que no aparecían con los rotores articulados. La complejidad y la problemática de esos fenómenos es la explicación de la lenta evolución de ese tipo de sistemas. • La principal ventaja y reto del rotor rígido, consiste en la reducción de la complejidad de la cabeza del rotor. • La eliminación de las articulaciones reduce el peso y el coste del sistema del rotor y aumenta la fiabilidad y mantenibilidad gracias a esa disminución de la complejidad. • Reducir el volumen de la cabeza también ofrece la posibilidad de disminuir la resistencia aerodinámica, fuente importante de la resistencia total del helicóptero en vuelo de avance. 102 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 Sistema sustentador. Tipos cabezas de rotor. Rotor semirrígido. • “Combinado” de los dos anteriores. • Elimina algunos de los inconvenientes de los rotores articulados, aunque naturalmente surgen otros propios de este sistema. • Las palas no se articulan en el buje; es el conjunto el que puede inclinarse en todas direcciones mediante la articulación cardan o junta universal que une el buje al mástil. 103 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 Sistema sustentador. Tipos cabezas de rotor • Cierta flexibilidad permite a las palas un ligero batimiento vertical individual. • La variación cíclica se produce por pivotamiento del conjunto respecto al eje AB. • Esta compensación obliga a que sea simultáneo el movimiento de subida y bajada de ambas palas, lo cual únicamente puede conseguirse en el caso de que el rotor tenga dos palas. • El sistema es capaz de corregir automáticamente la asimetría de sustentación, ya que la pala que avanza puede subir a la vez que desciende la pala que retrocede gracias a que todo el sistema en conjunto puede bascular. 104 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 Sistema sustentador. Tipos cabezas de rotor • En condiciones normales de vuelo, este tipo de rotor está sometido a esfuerzos de flexión en los encastres de las palas. • Para tratar de mitigar estos esfuerzos todo lo posible, las palas están caladas con un ángulo de conicidad que corresponde al existente en condiciones de crucero en la que la pala trabajará casi exclusivamente a tracción. • Al no existir la articulación de batimiento, tampoco es preciso la de arrastre. 105 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 Configuración rotor principal. Posibles articulaciones. • 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. 106 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 Sistema sustentador. Batimiento • Sustentación es proporcional al cuadrado de la velocidad: será mayor en la pala que avanza que en la pala que retrocede. • La resultante estará desplazada hacia la pala que avanza y, por lo tanto, dará lugar a un par que tenderá a inclinar el helicóptero (o rotor) hacia el lado de la pala que retrocede. • Por ejemplo, en un helicóptero monorrotor convencional, cuyo rotor principal gire en sentido antihorario, el par que aparece tenderá a inclinar el helicóptero hacia la izquierda (visto desde arriba). 107 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 Sistema sustentador. Batimiento • Sin la introducción de la articulación de batimiento no se hubieran desarrollado con éxito los helicópteros. • Debido a la asimetría de sustentación entre la pala que avanza y la que retrocede; se optó por dotar de articulación de batimiento de forma que los dos lados del disco alcancen su propio equilibrio de fuerzas (peso, fuerzas de inercia, fuerzas aerodinámicas). • El objetivo es aumentar la sustentación de la pala que retrocede y disminuirlo en la pala que avanza. Para ello habrá que aumentar el ángulo de ataque de la pala que retrocede y disminuir el paso de la pala que avanza. 108 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 Sistema sustentador. Batimiento • Como el rotor opera a velocidad angular constante, las fuerzas másicas (gravitatorias y de inercia) serán constantes. • Para cada valor de sustentación la pala, debido a la articulación, alcanza una posición de equilibrio dada por el ángulo de conicidad β. • En el momento en el que tengamos una velocidad de avance aparecerá esa asimetría de sustentación: en la pala que avanza el ángulo de equilibrio será β β y en la pala que retrocede será β β. 109 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 Sistema sustentador. Batimiento • Un elemento de la pala que avanza inicia un movimiento ascendente para pasar de β a β ; luego su ángulo de ataque aerodinámico será ligeramente inferior (cambia la dirección de la corriente relativa al perfil) y la sustentación disminuirá también. • En la pala que retrocede el fenómeno es similar pero aumentando ligeramente la sustentación. • Es decir, se produce una compensación automática de la asimetría de sustentación. • Podemos conseguir ese batimiento también mediante deflexión elástica de la pala en el encastre que se comporte como una articulación. 110 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 Sistema sustentador. Batimiento • Gracias a la articulación de batimiento se consigue que las palas trabajen exclusivamente a tracción sin estar sometidas a esfuerzos de flexión en el encastre. • En una condición cualquiera de vuelo, la resultante Rs debida a la sustentación L de la pala, a la fuerza centrífuga Fc y al peso de la misma (mucho menor), forma un ángulo con el plano perpendicular al eje de giro. 111 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 Sistema sustentador. Arrastre • Si la sustentación aumenta, la resistencia aumenta y la resistencia tiende a frenar a las palas. Si la sustentación disminuye, la resistencia disminuye y las palas tienden a acelerarse. • Estas variaciones producen grandes esfuerzos y solicitaciones (fatiga) que necesitan ser eliminadas o minimizadas. • Se hace necesaria una articulación que permita oscilar adelante/atrás a la pala para reducir esfuerzos. • Introducción de una nueva articulación de eje paralelo al de rotación: articulación de arrastre, que permite a la pala tener movimiento en su mismo plano. 112 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 Sistema sustentador. Arrastre 113 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 Sistema sustentador. Arrastre • La introducción de la articulación de arrastre, crea otros nuevos problemas: • Resonancia en suelo: – Rotor articulado permite a las palas oscilar libremente. – Si las palas oscilarán al unísono el CG del conjunto de las palas permanecería en el centro, pero como esa oscilación es libre para cada pala, provoca que el CG del rotor se desplace fuera del centro provocando vibraciones en el sistema. 114 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 Sistema sustentador. Arrastre • El tren de aterrizaje y la célula del helicóptero tendrá sus frecuencias naturales de vibración (gobernadas por las características dinámicas). • Si la frecuencia de ese movimiento vibratorio del CG del rotor es cercana o coincide con la del fuselaje y tren puede darse la condición de resonancia con el peligro que ello conlleva: que el movimiento no sea convergente y se amplifique, pudiendo producirse serio daño incluso, destrucción del helicóptero. • Se deberá introducir un amortiguador del movimiento de arrastre así como en la unión entre la cabeza del rotor y célula y tren de aterrizaje. • Puede ocurrir durante la puesta en marcha, así como en el aterrizaje y parada del helicóptero. 115 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Sistema sustentador. Comportamiento en vuelo en avance Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 • Comportamiento en vuelo de avance de cada uno de ellos – (a) Semirrígido (teetering). – (b) Articulado (articulated). – (c) Rígido (hingeless). 116 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 Cálculo y dimensionamiento • • • • • • • • Requisitos Diámetro Velocidad de punta de pala Solidez Número de palas Torsión Distribución de cuerda Forma de punta de pala 117 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Requisitos del diseño Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 • Restricciones generales en el proceso de diseño de un helicóptero: – – – – – – – – Máxima carga discal del rotor principal. Máximo tamaño del helicóptero. Actuaciones con un motor inoperativo. Capacidad autorrotativa. Problemas de ruido. Detectabilidad. Certificación civil. Requisitos de aceptación militares. 118 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 Requisitos del diseño • El diseño de un helicóptero implica: – Diseño civil: costes de operación y de compra bajos, alta seguridad, elevada fiabilidad mecánica, mínimo mantenimiento, ruido mínimo y confort de pasajeros. – Diseño militar: flexibilidad operacional, adaptabilidad, elevada vida de componentes, continuas actualizaciones y mejoras, vulnerabilidad y capacidad de supervivencia. • Los requisitos generales del proceso de diseño de un helicóptero: – Capacidad de vuelo a punto fijo. – Máxima carga de pago. – Alcance y autonomía. – Velocidad de crucero y máxima velocidad vuelo equilibrado. – Actuaciones de ascenso. – Maniobrabilidad y agilidad. 119 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Diseño del rotor principal Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 El diseño preliminar del rotor principal debe considerar los siguientes aspectos: • Dimensionado general: – Diámetro del rotor principal. – Carga discal. – Velocidad de punta de pala. • Geometría de la pala: – Distribución de cuerdas. – Número de palas. – Torsión geométrica de la pala, – Forma de la punta de la pala. – Secciones aerodinámicas (en rotores actuales la elección de diferentes formas aerodinámicas en la pala suele ser un opción a considerar). 120 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Diámetro Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 • En vuelo a punto fijo, para un peso determinado, un diámetro grande implica bajas cargas discales, menores velocidades inducidas y menores potencias inducidas: P Tv W W 2ρS Carga discal • W 2ρS T S Sin embargo, diámetro mayor implica potencia parásita mayor P 121 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Diámetro Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 • Interesará que la carga de potencia sea máxima: PL T P • Como el máximo de 𝐏𝐋 es bastante insensible a 𝐂𝐓 , se dispone de cierta flexibilidad para elegir un diámetro próximo al óptimo y que satisfaga otras restricciones. • Generalmente, grandes diámetros mejoran las actuaciones en vuelo axial. • Por el contrario, grandes diámetros dificultan el vuelo en avance. • Por tanto, los fabricantes de helicópteros deben intentar encontrar el rotor con menor diámetro que satisfaga las especificaciones impuestas a la aeronave. 122 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 Diámetro 123 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 Diámetro • El dimensionado preliminar debe considerar las actuaciones en autorrotación. • La ventaja de grandes diámetros son: – Buenas características en autorrotación, porque son capaces de almacenar mayores cantidades de energía cinética rotacional. • Diámetros pequeños implican: – Bujes más pequeños y ligeros. – Menor potencia parásita. – Más eficientes en general en crucero – Menores deflexiones estáticas de las palas. • Por ello, normalmente, el diámetro del rotor principal se mantiene por debajo de 24m. 124 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 Diámetro. Variación con el TOGW 125 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 Selección del perfil de la pala • Se deberá mantener un buen rendimiento aerodinámico 𝐋/𝐃 a los valores intermedios de 𝐂𝐥 y 𝐌𝐚𝐜𝐡 en la pala que avanza y retrocede en vuelo vertical. • Además, interesará un coeficiente de momento reducido (C del orden de 0,01) para minimizar la torsión de la pala y los esfuerzos en los controles de variación del paso. • Inicialmente se utilizaron perfiles convencionales, muy conocidos por su uso en aviación, como el NACA0012 o el NACA23012. • Posteriormente, comenzaron a desarrollar sus propias familias de perfiles adecuadas a las nuevas exigencias y adaptadas a las condiciones particulares de funcionamiento de los vehículos de alas giratorias: – La familia OAxxx, fruto de la colaboración ONERA / Aérospatiale. – Perfiles VRxxhan sido desarrollados por Boeing Vertolo DM‐Hxpor DFVLR y MBB. 126 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 Velocidad de punta de pala • Ventajas de velocidades de punta de pala elevadas: – Entrada en pérdida. Para un área y coeficiente de avance dados, si aumenta la velocidad de giro disminuyen las velocidades en la zona de retroceso y retrasan por tanto la entrada en pérdida aerodinámica. – Autorrotación. Se aumenta la capacidad de almacenar energía de rotación y por tanto las actuaciones en autorrotación mejoran. – Par. Para una potencia dada, se obtienen menores pares motores por lo que las cajas de engranajes y transmisión pueden ser más ligeras. • Inconvenientes: – Compresibilidad. Aumenta el mach de punta de pala y al acercarse al mach de divergencia se produce un aumento de la potencia necesaria. Reducir la velocidad de punta de pala permite alcanzar velocidades de avance mayores antes de alcanzar el mach de divergencia. – Ruido. A medida que el mach de la punta de pala aumenta el ruido del rotor se hace mayor. 127 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Solidez del rotor Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 • Valores característicos σ ~ 0,008 0,012 • En general, disminuir la solidez implica disminuir la resistencia de forma y, por tanto, mejora la FM. • Valores característicos del coeficiente medio de sustentación C ~0,4 0,7 128 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Solidez del rotor Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 • La elección de la solidez requiere tener muy presente los límites de entrada en pérdida: – Disminuir la solidez implica disminuir el margen para la entrada en pérdida porque se incrementan el coeficiente de sustentación medio y local para una tracción dada. – Dado que el inicio de la entrada en pérdida fija los límites de la actuación del rotor, es fundamental proporcionar suficiente margen para permitir maniobras y control en presencia de ráfagas. La especificación de este margen establece el valor mínimo de solidez. Por ejemplo, un helicóptero de combate siempre necesitará un mayor margen de entrada en pérdida que uno de transporte. – El inicio de la entrada en pérdida en el lado de retroceso también limita las actuaciones del rotor. 129 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 Figura de mérito frente a solidez del rotor pala 130 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 Número de palas • La selección del número de palas se basa más en criterios estructurales y dinámicos que en aerodinámicos. – Helicópteros ligeros suelen presentar 2 palas. – Helicópteros pesados suelen tener 4, 5, 6 palas. • Bajo número de palas reduce el peso total de palas y buje, disminuye la resistencia del buje y proporciona mejor fiabilidad y facilidad de mantenimiento. • Alto número de palas disminuye en general el nivel de vibraciones transmitido a la estructura y reducen ligeramente las pérdidas de punta de pala, pues para una misma tracción, se producen torbellinos de punta de pala más débiles disminuyendo por tanto las cargas debidas a la interacción entre torbellinos y pala. 131 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 Número de palas • Sin embargo, con un número de palas mayor, el número de posibles interacciones entre pala y torbellino, aumenta. Esto afectará tanto a la frecuencia como a la direccionalidad del ruido aerodinámico. • Las actuaciones en vuelo a punto fijo apenas se ven afectadas por el número de palas, siendo éste realmente secundario. 132 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Torsión geométrica de la pala Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 • En vuelo a punto fijo se ha demostrado que torsión negativa ayuda a disminuir la potencia inducida. Por tanto, un uso apropiado de la torsión geométrica ayuda a mejorar la FM. 133 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 Torsión geométrica de la pala • Sin embargo, en vuelo de avance, elevadas torsiones negativas pueden producir deterioro de las actuaciones. Esto es debido a que los ángulos de ataque de la punta de pala del lado de avance se ven reducidos por lo que se disminuye la tracción y por tanto la fuerza propulsiva. • La mayoría de los helicópteros presenta torsiones entre 8 y 15 grados. Este rango parece ser el mejor compromiso para poder maximizar las actuaciones de vuelo a punto fijo y las de vuelo de avance. • Algunos fabricantes han elegido estrategias basadas en torsiones para conseguir reducir la torsión efectiva o incluso invertirla cerca de la punta de la pala de forma que se ayude a las actuaciones en vuelo de avance manteniendo las actuaciones en vuelo axial. 134 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 Forma de la pala. Distribución de cuerda • Se ha estudiado que la forma de la pala, y la reducción de cuerda hacia la punta mejora considerablemente las actuaciones en vuelo a punto fijo. • Pequeñas reducciones de cuerda en la zona de la punta pueden traducirse en elevadas mejoras de la FM. 135 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 Forma de la punta de pala • El diseño del helicóptero supone un compromiso entre las capacidades de vuelo a punto fijo y la transporte de cargas en vuelo horizontal. • El diseño de las palas, y de las puntas de pala en particular, tiene mucha influencia en el rendimiento, las vibraciones y el nivel de ruido de nuestro helicóptero. • La punta de la pala opera con los valores de Mach, de Reynolds y con las presiones dinámicas más altos, sufriendo importantes variaciones, además, en cada ciclo. 136 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 Forma de la punta de pala • En el lado de avance la pala suma a su propia velocidad rotacional la velocidad de vuelo, pudiendo alcanzarse valores cercanos a los límites subsónicos mientras que en el lado de retroceso son necesarios altos coeficientes de lift debido a la baja carga dinámicas. Además, la pala en retroceso, con posibilidad de entrada en pérdida, impone limitaciones sobre los límites de actuación en vuelo. • Los esfuerzos en el diseño del rotor no están solamente en el rotor principal, donde, en general, se diseñan rotores para rangos de Mach 0,58 a 0,66 y para números de Reynolds de 1 a 4 millones. También es necesario estudiar el diseño del rotor antipar, de manera que resulte eficiente, consumiendo poca potencia a la vez que garantiza una correcta maniobrabilidad. 137 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 Forma de la punta de pala • Otro problema a resolver es el ruido asociado al vuelo. Eso limitará factores como el Mach de la pala o el máximo factor de carga de la misma. • Por tanto, necesitamos un diseño eficiente, silencioso y con una alta capacidad de sustentación para el transporte de cargas. • Los nuevos diseños de punta de pala son fruto del estudio de las corrientes de aire en esa zona y del intento de adaptar la velocidad de la corriente supersónica en ciertas zonas, a subsónica mediante la aparición de ondas de choque. 138 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Forma de la punta de pala Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 • El diseño de puntas de pala suele incorporar tres configuraciones geométricas básicas: – (swept) flecha, – (taper) estrechamiento o forma trapezoidal, – (anhedral) diedro. 139 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 Forma de la punta de pala 140 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Forma de la punta de pala Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 • Flecha aerodinámica: – Reduce el mach normal al borde de ataque de la pala permitiendo alcanzar velocidades de avance mayores antes de que aparezcan efectos de compresibilidad. – Modifica tanto la formación del torbellino de punta de pala, su posición cuando es arrojado a la estela, así como la estructura global de la estela. – La cantidad de flecha aerodinámica se suele mantener en valores bajos, del orden de 20 grados, para evitar acoplamientos inerciales por desplazamiento del centro de gravedad o por acoplamientos aerodinámicos por retroceso del centro de presiones. 141 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 Forma de la punta de pala • Estrechamiento: – Se ha demostrado experimentalmente que la combinación de perfiles y de formas trapezoidales de punta de pala minimiza la potencia de forma y mejora la eficiencia global a altas velocidades. Mejora la FM. • Diedro: – Consigue básicamente reducir la interferencia aerodinámica entre las palas, ya que permite alejar el torbellino de punta entre cada pala así como una reducción de la intensidad de dicho torbellino. 142 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 Evolución del número y tipo de pala en los helicópteros 143 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Forma de la punta de pala. Reducción del ruido Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 BERP (1986) • • Usado por primera vez en el EH101. Sus capacidades de sustentación en vuelo en avance ha permitido operar grandes helicópteros desde pequeños espacios. 144 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 Forma de la punta de pala. Reducción del ruido OGEE • El interés en reducir el ruido provocado por el rotor fue el motivo para desarrollar este perfil. • Este perfil permite reducir la velocidad del vórtice de punta de pala. Además, mejora la FM del motor para bajas potencias. • Sin embargo, aumenta el riesgo de entrada en pérdida. 145 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Forma de la punta de pala. Reducción del ruido Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 • Otros desarrollos para reducir el ruido aerodinámico de las palas incluyen la introducción de “sub‐alas” que permiten crear un segundo vórtice que tiene como misión difuminar el vórtice creado por la anterior pala. 146 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 Forma de la punta de pala. Reducción del ruido • Eurocopter Blue‐Edge TM Blade • Extremadamente silenciosa, promete reducir el ruido en un 70% sobre una pala convencional. 147 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 Forma de la punta de pala. Reducción del ruido • Eurocopter Blue Pulse Technology. • Extremadamente silenciosa, promete reducir el ruido respecto de una pala convencional. • Ha sido optimizada para descanso (a determinados ángulos) 148 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 Fuselaje • El fuselaje es el componente más grande del helicóptero, por lo que sus características aerodinámicas tienen una gran influencia en la aerodinámica global del helicóptero • Fuselaje, rotor principal, de cola y estabilizadores aislados tienen un comportamiento aerodinámico bastante predecible. Sin embargo, cuando se integran, aparecen importantes interacciones aerodinámicas. • Éstas pueden ser desfavorables disminuyendo las actuaciones y características de manejo del helicóptero. Por ejemplo, el fuselaje se encuentra inmerso en la estela del rotor, por lo que habrá de analizarse cómo influye ésta en el comportamiento aerodinámico del fuselaje, así como la influencia del fuselaje en el desarrollo de la estela. • Para conseguir que el fuselaje sea eficiente es necesario que sea integrado aerodinámicamente de forma correcta con el rotor principal, rotor de cola y grupo de estabilizadores. 149 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 Fuselaje • La resistencia parásita del fuselaje afecta fundamentalmente a: – La velocidad de crucero. – Consumo de combustible. • La resistencia parásita del fuselaje de un helicóptero puede ser fácilmente un orden de magnitud superior a la de una aeronave de ala fija del mismo peso. • Las principales fuentes de resistencia aerodinámicas especificas del fuselaje del helicóptero son: – 30%: cabeza del rotor principal (buje, uniones de las palas, eje principal y controles), – 20%: al ser un cuerpo romo, – Unión fuselaje‐mástil de cola. Puede tener una contribución muy importante a la resistencia total. Se ha demostrado que configuraciones con abruptas transiciones al mástil de cola incentivan la separación del flujo y producen la formación de dos importantes torbellinos. 150 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 Modelos numéricos de cálculo • El método más ampliamente establecido en la estimación de la resistencia del fuselaje es el método de paneles, el cual supone flujo potencial. • Para resolver el problema de obtener la distribución de presiones en el fuselaje se necesitan del orden de miles de paneles. Las zonas más críticas son aquellas en las que existe una elevada curvatura, como puede ser el entorno del buje. • Normalmente, a pesar de su facilidad de implementación el coste computacional de estos métodos puede ser elevado incluso en ordenadores actuales. 151 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 Modelos numéricos de cálculo • El mayor inconveniente que presentan estos métodos es la falta de capacidad para modelar directamente efectos viscosos y el desprendimiento de flujo de los fuselajes de helicópteros, tanto en su parte trasera como en la cabeza del rotor principal. • Normalmente se suelen modificar los métodos de paneles para considerar efectos viscosos mediante correcciones empíricas o semi empíricas. • En general se puede afirmar que el método de paneles junto con correcciones para considerar efectos viscosos y de desprendimiento de capa límite producen resultados razonables para analizar la distribución superficial de la presión sobre el fuselaje. 152 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 Modelos numéricos de cálculo • Otros métodos más sofisticados que pretenden sustituir al anterior se basan en las ecuaciones de Navier‐Stokes (CFD). • Sin embargo estos métodos se encuentran todavía lejos de poder ser empleados para cálculos rutinarios del diseño de fuselajes. • Entre los factores que impiden su implantación están: – Necesidad de gran capacidad de almacenamiento de datos. – Elevada memoria de proceso. – Generación eficiente de mallas. 153 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 Modelos experimentales • Los métodos semi empíricos para estimar la resistencia aerodinámica del rotor suplementan a las predicciones de los métodos numéricos. • Estos métodos semi empíricos son ampliamente usados en la industria. • Se basan en: – Ensayos en túneles de viento. – Ensayos en vuelo. 154 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 Modelos experimentales. Ensayos en túnel y ensayos en vuelo • Estimaciones más realistas normalmente requieren el empleo de ensayos en vuelo. • Esto es debido a que los ensayos en túnel de viento no permiten modelar adecuadamente efectos como: números de Reynolds reales, detalles de la resistencia producida por apéndices añadidos al fuselaje, como antenas, o incluso corrientes locales asociadas a huecos en puertas y otras uniones. • Contribución de diferentes partes a la resistencia global (orientativo): 155 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 Modelos experimentales • En la parte trasera del buje debido al desprendimiento de la corriente se produce un considerable nivel de turbulencia que puede tener una importante influencia en las cargas del rotor de cola y de los posibles estabilizadores. El diseño de superficies suaves en la parte cercana del fuselaje al buje puede ayudar a disminuir esta componente de la resistencia. • Es importante tener presente que la adición de pequeños elementos, especialmente armamento en helicópteros, antenas, etc., da lugar a un incremento apreciable de la resistencia. • Sin embargo, solamente a partir del desarrollo de rotores rígidos y flexibles es cuando se ha conseguido disminuir la resistencia de la cabeza del rotor principal hasta casi la mitad del que correspondería a un completamente articulado. • El área de placa plana equivalente suele presentar valores entre 1m 10ft 4.6m 50ft . y 156 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Resistencia del fuselaje. Factor de área de placa plana Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 • El área de placa plana equivalente suele presentar valores entre 1m 10ft 4.6m 50ft . y 157 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 Resistencia vertical de fuselaje • Normalmente la tracción del rotor se asume que es igual al peso del helicóptero. Sin embargo, existe un incremento de potencia debida a la resistencia vertical del fuselaje. • Habitualmente esta resistencia vertical suele ser del orden del 5% del peso. Sin embargo diseños de helicópteros con importantes superficies horizontales, tales como helicópteros convertibles o rotores inclinables, la contribución puede ser mucho más importante. • Dada la naturaleza de flujo desprendido de la corriente alrededor del fuselaje solamente mediante ensayos se pueden obtener aproximaciones precisas de esta resistencia. 158 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 Resistencia vertical de fuselaje • Habitualmente se suelen ensayar diferentes secciones bidimensionales de las secciones transversales del helicóptero. A partir de estos resultados se obtiene la resistencia vertical total. • Valores típicos de los coeficientes de resistencia de secciones transversales limpias suele ser del orden de 0,5. Mientras que secciones transversales con pequeñas superficies horizontales suelen ser de orden unidad. • Es habitual, en caso de no disponer de medidas de la velocidad inducida por el rotor, v , obtener estimaciones de esta velocidad mediante la TCM‐TEP. • Dado que el fuselaje también interfiere en la aerodinámica del rotor, la velocidad de inducida por el rotor debería contemplar esta interferencia. Sin embargo, es muy difícil obtener estimaciones de la interferencia. 159 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 Fuerza lateral del fuselaje • En vuelo lateral del helicóptero o en vuelo a punto fijo con la presencia de viento lateral aparecerá una contribución lateral de la resistencia del fuselaje y del mástil de cola. • Usualmente esta componente suele ser muy pequeña y tiene una influencia pequeña en las actuaciones laterales del helicóptero. • Sin embargo, este aspecto puede ser de interés especialmente en helicópteros militares, los cuales deben demostrar altas prestaciones en vuelo lateral o capacidad de despegar y aterrizar en presencia de fuertes vientos laterales (p. ej. operaciones en portaaviones). 160 AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021 Fuerza lateral del fuselaje • La fuerza lateral del fuselaje y mástil de cola puede verse fortalecida en situaciones en las que se produzca un fuerza de sustentación lateral de circulación cuando la velocidad lateral es combinada con la velocidad inducida por el rotor principal. Este efecto puede acentuarse con determinados diseños de mástil de cola (NOTAR). • Para contrarrestar este efecto algunos mástiles de cola emplean un resalte que rompa la circulación e impida la aparición de esta fuerza lateral adicional. 161