rotor BERP

El diseño de las palas del rotor BERP se desarrolló en el marco del Programa Británico de Rotores Experimentales . ^{[ 1 ] [ 2 ]} Las primeras palas del rotor BERP se desarrollaron entre finales de la década de 1970 y mediados de la de 1980 como un programa conjunto entre Westland Helicopters y el Royal Aircraft Establishment (RAE), con el profesor Martin Lowson como co-patente. ^{[ 3 ]} El programa tenía como objetivo aumentar la capacidad de elevación y la velocidad máxima de los helicópteros mediante diseños innovadores de palas de rotor y materiales compuestos avanzados. ^{[ 4 ]}

Cuando el flujo de aire local supera Mach 1, se forman ondas de choque en superficies curvas, como los bordes de ataque de los rotores, lo que provoca una resistencia de onda significativa. Esto suele ocurrir en zonas curvas, como las ventanillas de la cabina, los bordes de ataque del ala y áreas similares donde el principio de Bernoulli acelera el aire. Estas ondas de choque irradian una gran cantidad de energía que debe ser suministrada por los motores, lo que se manifiesta en la aeronave como una gran cantidad de resistencia adicional, conocida como resistencia de onda . Fue la aparición de la resistencia de onda lo que dio origen al concepto de barrera del sonido . ^{[ 5 ]}

Los helicópteros presentan el problema adicional de que sus rotores se mueven en relación con el fuselaje a medida que giran. Incluso en vuelo estacionario, las puntas de los rotores pueden desplazarse a una fracción significativa de la velocidad del sonido. A medida que el helicóptero acelera, su velocidad total se suma a la de las puntas, lo que significa que las palas del lado que se mueve hacia adelante experimentan una velocidad aerodinámica significativamente mayor que las del lado que se mueve hacia atrás, lo que provoca una asimetría en la sustentación . ^{[ 6 ]} Esto requiere cambios en el ángulo de ataque de las palas para asegurar que la sustentación sea similar en ambos lados, a pesar de las grandes diferencias en el flujo de aire relativo. ^{[ 5 ]}

La capacidad del rotor para modificar su patrón de sustentación limita la velocidad de avance de un helicóptero; en cierto punto, la velocidad de avance implica que las palas que se mueven hacia atrás están por debajo de su velocidad de pérdida . Este punto puede mejorarse aumentando la velocidad de giro del rotor, pero esto conlleva el problema adicional de que, a altas velocidades, las palas que se mueven hacia adelante se aproximan a la velocidad del sonido y comienzan a sufrir resistencia de onda y otros efectos negativos. ^{[ 7 ]}

Una solución al problema de la resistencia de onda es la misma que se observó en los cazas a reacción de la década de 1950: el uso de alas en flecha . Esto reduce el efecto de la resistencia de onda sin efectos negativos significativos, excepto a velocidades muy bajas. En el caso de los cazas, esto era una preocupación, especialmente durante el aterrizaje, pero en el caso de los helicópteros, es un problema menor porque las puntas del rotor no disminuyen su velocidad significativamente, incluso durante el aterrizaje. Estas puntas en flecha se pueden observar en varios tipos de helicópteros de las décadas de 1970 y 1980, en particular en el UH-60 Blackhawk y el AH-64 Apache .

Para evitar acoplamientos aerodinámicos e inerciales indeseables causados ​​por desplazamientos hacia atrás del centro de gravedad o centro aerodinámico con respecto al eje elástico del álabe, la punta del álabe se diseña con un desplazamiento de área hacia adelante. La metodología empleada en el diseño del álabe BERP garantiza que el número de Mach efectivo normal al álabe permanezca nominalmente constante en la región barrida. El barrido máximo empleado en la mayor parte del álabe BERP es de 30 grados y la punta comienza en un radio adimensional r/R = cos 30 = 86 % del radio. La distribución del área de esta región de la punta está configurada para asegurar que el centro de presión medio de la punta se encuentre en el eje elástico del álabe. Esto se logra desplazando la ubicación del eje local de 1/4 de cuerda hacia adelante en el 86 % del radio. ^{[ 8 ]}

Este desplazamiento hacia adelante crea una discontinuidad, o «muesca», en el borde de ataque de la pala, lo que atenúa aún más la intensidad de la onda de choque en la punta curvada. Por ejemplo, cálculos recientes realizados con un código CFD basado en las ecuaciones de Navier-Stokes han demostrado que esta «muesca» contribuye a reducir aún más la intensidad de las ondas de choque en la pala. Por lo tanto, un efecto secundario inesperado de la muesca, además del efecto básico de la curvatura, es que ayuda a reducir aún más los efectos de compresibilidad.

También debemos reconocer que una geometría de punta curvada de este tipo no necesariamente mejorará el rendimiento de la pala a un ángulo de ataque elevado , correspondiente al lado de retroceso del disco. De hecho, la experiencia ha demostrado que una pala con punta curvada puede tener una característica de pérdida inferior en comparación con la punta de pala estándar. ^{[ 5 ]}

El álabe BERP emplea una geometría final que se comporta como una punta en flecha a altos números de Mach y bajos ángulos de ataque, pero que también permite que la punta opere a ángulos de ataque muy altos sin entrar en pérdida. Esta última característica se obtuvo aumentando radicalmente la flecha de la parte más externa de la punta (aproximadamente el 2% exterior) a un valor (70 grados) donde cualquier ángulo de ataque significativo provoca la separación del flujo en el borde de ataque . Debido a que el borde de ataque está tan en flecha, esta separación se convierte en una estructura de vórtice que gira alrededor del borde de ataque y finalmente se asienta sobre la superficie superior (como en un avión de ala delta ). Este mecanismo se ve potenciado al hacer que el borde de ataque del perfil aerodinámico en esta región sea relativamente afilado. A medida que aumenta el ángulo de ataque, este vórtice comienza a desarrollarse desde un punto cada vez más adelantado a lo largo del borde de ataque, siguiendo la geometría de la planta hasta la región de flecha más moderada. A un ángulo de ataque suficientemente alto, el vórtice se iniciará cerca de la parte más adelantada del borde de ataque, cerca de la región de la "muesca". ^{[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]}

La evidencia ha demostrado que también se forma un fuerte vórtice en forma de muesca, que se desplaza longitudinalmente a lo largo del álabe. Este vórtice actúa como una barrera aerodinámica y retarda la región de separación del flujo, impidiendo que invada la región de la punta. Un aumento adicional en el ángulo de ataque produce pocos cambios en la estructura del flujo hasta que se alcanza un ángulo de ataque muy elevado (¡en las proximidades de los 22 grados!), momento en el que el flujo se separará drásticamente. Para una configuración de punta convencional, se esperaría que una ruptura similar del flujo se produjera a un ángulo de ataque local de aproximadamente 12 grados. ^{[ 5 ] [ 10 ]}

Por lo tanto, la pala BERP logra aprovechar lo mejor de ambos mundos al reducir los efectos de compresibilidad en la pala que avanza y retrasar el inicio de la entrada en pérdida de la pala que retrocede. El resultado neto es un aumento significativo en la envolvente de vuelo operativa . ^{[ 5 ] [ 11 ]}

El programa inicial, BERP I, estudió el diseño, la fabricación y la cualificación de palas de rotor de material compuesto . Esto dio como resultado la producción de nuevas palas para el rotor principal y el rotor de cola del helicóptero Westland Sea King . Posteriormente, el segundo programa, BERP II, analizó perfiles aerodinámicos avanzados para futuras palas de rotor. Este análisis sirvió de base para el programa BERP III.

Los diseños BERP III tienen una muesca hacia el extremo exterior de la pala del rotor, con una mayor cantidad de flecha hacia atrás desde la muesca hasta el extremo de la pala en comparación con el interior de la muesca. ^{[ 12 ]} BERP III culminó en una demostración tecnológica en un helicóptero Westland Lynx . ^{[ 13 ]} En 1986, un Lynx especialmente modificado, registrado como G-LYNX, estableció un récord absoluto de velocidad para helicópteros en un recorrido de 15 y 25  km al alcanzar 400,87  km/h (249,09  mph). ^{[ 12 ]} Tras la exitosa demostración tecnológica, la pala BERP III entró en producción. ^{[ 14 ]}

BERP IV utiliza: un nuevo perfil aerodinámico, una forma revisada de la punta de la pala y una mayor torsión de la pala. Después de 29 horas de pruebas, se ha comprobado que "mejora el rendimiento de la envolvente de vuelo del rotor, reduce las necesidades de potencia en vuelo estacionario y hacia adelante, ... disminuye la vibración de la estructura y el motor para un rango de pesos de despegue". ^{[ 15 ]} Además, "se ha comprobado que la carga del cubo del rotor es la misma o menor que con la pala BERP III instalada actualmente en el helicóptero EH101 ". ^{[ 15 ]} Para evitar la erosión del borde de ataque, la pala utilizará una cinta a base de caucho en lugar del poliuretano utilizado en los Sea King de la Armada del Reino Unido. En las pruebas se comprobó que duraba cinco veces más, 195 minutos frente a 39 minutos. El programa finalizó en agosto de 2007. ^{[ 15 ]}

Las solicitudes actuales son:

• BERP III:

AgustaWestland AW101

Westland Super Lynx mejorado

• BERP IV:

AgustaWestland AW101

• Diseño de las palas del rotor Blue Edge

• La pala del Programa Británico de Rotores Experimentales (BERP)
• Vectores aéreos: Westland Scout, Wasp y Lynx
• "Las palas más rápidas del mundo" , artículo de Flight International del 27 de diciembre de 1986 sobre el rotor BERP del Lynx.