Rotor BERP

El diseño de las palas de rotor BERP se desarrolló en el marco del Programa de rotores experimentales británico . Las palas de rotor BERP iniciales se desarrollaron a finales de los años 1970 y mediados de los años 1980 como parte de un programa conjunto entre Westland Helicopters y el Royal Aircraft Establishment (RAE), con el profesor Martin Lowson como cotitular de la patente. ^[1] El objetivo era aumentar la capacidad de elevación y la velocidad máxima de los helicópteros utilizando nuevos diseños y materiales.

A medida que los objetos se acercan a la velocidad del sonido , se forman ondas de choque en áreas donde el flujo local se acelera por encima de la velocidad del sonido. Esto ocurre normalmente en áreas curvas, como las ventanas 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 presenta para el avión en su conjunto como una gran cantidad de resistencia adicional, conocida como resistencia ondulatoria . Fue la aparición de la resistencia ondulatoria lo que dio lugar a la idea de una barrera acústica .

Los helicópteros tienen el problema adicional de que sus rotores se mueven en relación con el fuselaje a medida que giran. Incluso cuando están en vuelo estacionario, las puntas de los rotores pueden viajar 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 del rotor que se mueve hacia adelante experimentan una velocidad aerodinámica significativamente mayor que las del lado que se mueve hacia atrás, lo que provoca una disimetría de la sustentación . Esto requiere cambios en el ángulo de ataque de las palas para garantizar que la sustentación sea similar en ambos lados, a pesar de las grandes diferencias en el flujo de aire relativo.

La capacidad del rotor para cambiar su patrón de sustentación es lo que limita la velocidad de avance de un helicóptero; en algún punto, la velocidad de avance significa que las palas que se mueven hacia atrás están por debajo de su velocidad de pérdida . El punto en el que esto ocurre se puede mejorar haciendo que el rotor gire más rápido, pero entonces se enfrenta al problema adicional de que a altas velocidades las palas que se mueven hacia adelante se acercan a la velocidad del sonido y comienzan a sufrir la resistencia de las olas y otros efectos negativos.

Una solución al problema de la resistencia de las olas es la misma que se vio en los aviones de combate de la década de 1950, el uso del barrido de las alas . Esto reduce el efecto de la resistencia de las olas sin efectos negativos significativos, excepto a velocidades muy bajas. En el caso de los aviones de combate, esto era una preocupación, especialmente en el aterrizaje, pero en el caso de los helicópteros, esto es un problema menor porque las puntas de los rotores no se desaceleran significativamente, incluso durante el aterrizaje. Estas puntas en flecha se pueden ver en varios tipos de helicópteros de las décadas de 1970 y 1980, en particular el UH-60 Blackhawk y el AH-64 Apache .

Sin embargo, para garantizar que no se experimenten movimientos del centro de gravedad o del centro aerodinámico detrás del eje elástico de la pala (que pueden introducir acoplamientos inerciales y aerodinámicos no deseados), la punta debe configurarse con un desplazamiento del área hacia adelante. Esto se puede mantener al mínimo reconociendo que el número de Mach varía a lo largo de la pala, por lo que no tenemos que usar un ángulo de barrido constante, minimizando así la cantidad de desplazamiento del área hacia adelante.

La metodología utilizada en el diseño de la pala BERP garantiza que el número de Mach efectivo normal a la pala se mantenga nominalmente constante en la región de barrido. El barrido máximo empleado en la mayor parte de la pala 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 garantizar que el centro de presión medio de la punta se encuentre en el eje elástico de la pala. Esto se hace desplazando la ubicación del eje de cuerda local de 1/4 hacia adelante en el 86% del radio.

Este desplazamiento también produce una discontinuidad en el borde de ataque (denominada muesca), que da lugar a otros efectos interesantes. Por ejemplo, cálculos recientes realizados con un código CFD basado en las ecuaciones de Navier-Stokes han demostrado que esta "muesca" en realidad ayuda a reducir aún más la fuerza de las ondas de choque en la pala. Por lo tanto, un subproducto inesperado de la muesca, además del efecto básico del barrido, es ayudar a reducir aún más los efectos de compresibilidad.

También debemos reconocer que una geometría de punta en flecha de este tipo no necesariamente mejorará el rendimiento de la pala en un ángulo de ataque alto correspondiente al lado de retroceso del disco. De hecho, la experiencia ha demostrado que una pala con punta en flecha puede tener una característica de pérdida de sustentación inferior en comparación con la punta de pala estándar.

La pala BERP emplea una geometría final que funciona como una punta en flecha a números de Mach altos y ángulos de ataque bajos, pero que también permite que la punta funcione a ángulos de ataque muy altos sin entrar en pérdida. Este último atributo se obtuvo aumentando radicalmente el barrido de la parte más externa de la punta (el 2 % exterior aproximadamente) a un valor (70 grados) en el que cualquier ángulo de ataque significativo provocará la separación del flujo del borde de ataque.

Debido a que el borde de ataque está tan inclinado, esta separación del borde de ataque 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 mejora al hacer que el borde de ataque del perfil aerodinámico en esta región sea relativamente agudo.

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 forma de la planta hacia la región de barrido más moderado. Con 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".

La evidencia ha demostrado que también se forma un fuerte vórtice en forma de "muesca", que se arrastra en el sentido de la corriente a través de la pala. Este vórtice actúa como una valla aerodinámica y retarda la región de separación del flujo para que no invada la región de la punta. Los aumentos posteriores en el ángulo de ataque no modifican demasiado la estructura del flujo hasta que se alcanza un ángulo de ataque muy alto (¡en torno a los 22 grados!) cuando el flujo se separa bruscamente. En el caso de una forma de punta convencional, se esperaría que se produjera una ruptura bruta similar del flujo con un ángulo de ataque local de unos 12 grados.

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 la aparición de pérdida de sustentación en la pala que retrocede. El resultado neto es un aumento significativo de la envolvente de vuelo operativa.

El programa inicial, BERP I, estudió el diseño, la fabricación y la cualificación de palas de rotor de materiales compuestos . Esto dio como resultado la producción de nuevas palas de rotor principal y de rotor de cola para el Westland Sea King . Tras el primero, el segundo programa, BERP II, analizó secciones aerodinámicas avanzadas para futuras palas de rotor. Esto alimentó 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. ^[2] BERP III culminó en una demostración de tecnología en un helicóptero Westland Lynx . ^[3] En 1986, un Lynx especialmente modificado registrado 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). ^[2] Después de la exitosa demostración de tecnología, la pala BERP III entró en producción.

El BERP IV utiliza: un nuevo perfil aerodinámico, una forma revisada de la punta de la pala y una torsión de la pala mayor. Después de 29 horas de pruebas, se ha descubierto 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 del fuselaje y del motor para una gama de pesos de despegue". ^[4] Además, "se ha descubierto que la carga del buje del rotor es la misma o menor que con la pala BERP III que ahora se instala en el helicóptero EH101 ". ^[4] Para evitar la erosión del borde de ataque, la pala utilizará una cinta a base de caucho en lugar del poliuretano que se utiliza en los Sea King de la marina británica. Durante las pruebas, se descubrió que dura cinco veces más, 195 minutos frente a 39 minutos. El programa finalizó en agosto de 2007 ^[4]

Las aplicaciones actuales son:

• BERP III:

AgustaWestland AW101

Westland Super Lynx mejorado

• BERPI IV:

AgustaWestland AW101

• Diseño de palas de rotor Blue Edge

• Brocklehurst, Alan. AIAA-1990-3008, "Estudio experimental y numérico de la pala del Programa de rotor experimental británico". AIAA, 1990.

• 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