rotor de helicóptero

Juan de la Cierva desarrolló el rotor totalmente articulado para el autogiro . La base de su diseño permitió el exitoso desarrollo del helicóptero. En un sistema de rotor totalmente articulado, cada pala está unida al cubo del rotor mediante una serie de bisagras que permiten que la pala se mueva independientemente de las demás. Estos sistemas de rotor suelen tener tres o más palas. Las palas pueden batir, poner en pluma y adelantar o retrasar independientemente unas de otras. La bisagra horizontal, llamada bisagra de batimiento , permite que la pala se mueva hacia arriba y hacia abajo. Este movimiento se llama batimiento y está diseñado para compensar la asimetría de la sustentación . La bisagra de batimiento puede estar ubicada a diferentes distancias del cubo del rotor, y puede haber más de una bisagra. La bisagra vertical, llamada bisagra de avance-retraso o bisagra de arrastre , permite que la pala se mueva hacia adelante y hacia atrás. Este movimiento se llama avance-retraso, arrastre o oscilación. Generalmente se utilizan amortiguadores para evitar un movimiento excesivo de avance y retroceso alrededor de la bisagra de arrastre. La función de la bisagra de arrastre y los amortiguadores es compensar la aceleración y desaceleración causadas por la diferencia de arrastre que experimentan las palas al avanzar y retroceder. Los modelos más recientes han sustituido los cojinetes tradicionales por cojinetes elastoméricos . Los cojinetes elastoméricos son inherentemente a prueba de fallos y su desgaste es gradual y visible. El contacto metal con metal de los cojinetes antiguos y la necesidad de lubricación se eliminan en este diseño. La tercera bisagra en el sistema totalmente articulado se denomina bisagra de paso variable alrededor del eje de paso variable. Esta bisagra es responsable del cambio de paso de las palas del rotor, excitado mediante la entrada piloto al control colectivo o cíclico.

Una variante del sistema totalmente articulado es el sistema de rotor de plano flexible . Este tipo de rotor se encuentra en varias aeronaves fabricadas por Bell Helicopter, como el OH-58D Kiowa Warrior y el 429 GlobalRanger . Cada pala tiene la capacidad de batir y oscilar independientemente de las demás, como en un rotor con bisagras mecánicas, pero un rotor de plano flexible se basa en la flexibilidad estructural en lugar de bisagras mecánicas para el batimiento de las palas. En las aeronaves Bell, esta flexibilidad la proporciona una horquilla compuesta que se fija al mástil y se extiende a través de las mordazas de las palas entre estas y el cojinete de corte dentro de la mordaza. ^{[ 16 ]} Esta horquilla transfiere parte del movimiento de una pala a otra, generalmente a palas opuestas. Si bien no es totalmente articulado, las características de vuelo son muy similares y se reducen el tiempo y el costo de mantenimiento.

El término rotor rígido generalmente se refiere a un sistema de rotor sin bisagras ^{[ 17 ] [ 18 ]} con palas unidas de forma flexible al cubo. Irv Culver de Lockheed desarrolló uno de los primeros rotores rígidos, ^{[ 19 ]} que fue probado y desarrollado en una serie de helicópteros en las décadas de 1960 y 1970. En un sistema de rotor rígido, cada pala oscila y se arrastra alrededor de secciones flexibles de la raíz. Un sistema de rotor rígido es mecánicamente más simple que un sistema de rotor totalmente articulado. Las cargas aerodinámicas y mecánicas de la oscilación y las fuerzas de avance/retraso se compensan mediante la flexión de las palas del rotor, en lugar de mediante bisagras. Al flexionarse, las propias palas compensan las fuerzas que antes requerían bisagras robustas. El resultado es un sistema de rotor con menor retardo en la respuesta de control debido al gran momento del cubo que se genera típicamente. ^{[ 20 ]} El sistema de rotor rígido elimina así el peligro de impacto con el mástil inherente a los rotores semirrígidos. ^{[ 21 ]}

El rotor semirrígido también se conoce como rotor basculante o de balancín. Este sistema normalmente se compone de dos palas que se encuentran justo debajo de una bisagra basculante común en el eje del rotor. Esto permite que las palas oscilen en movimientos opuestos como un balancín . Esta inclinación de las palas por debajo de la bisagra basculante, combinada con un ángulo diedro o cónico adecuado en las palas, minimiza las variaciones en el radio del centro de masa de cada pala con respecto al eje de rotación a medida que gira el rotor, lo que a su vez reduce la tensión en las palas causada por las fuerzas de avance y retroceso debidas al efecto Coriolis . También se pueden usar bisagras basculantes secundarias para proporcionar suficiente flexibilidad y minimizar el rebote. El control de paso se logra mediante la bisagra de paso en la raíz de la pala, que permite cambios en el ángulo de paso de la misma.

Los sistemas de rotor modernos pueden utilizar los principios combinados de los sistemas de rotor mencionados anteriormente. Algunos bujes de rotor incorporan un buje flexible, que permite la flexión de las palas sin necesidad de cojinetes ni bisagras. Estos sistemas, denominados flexiones , ^{[ 22 ]} suelen estar fabricados con material compuesto. También se pueden utilizar cojinetes elastoméricos en lugar de los cojinetes de rodillos convencionales . Los cojinetes elastoméricos están fabricados con un material de tipo caucho y proporcionan un movimiento limitado, ideal para aplicaciones en helicópteros. Las flexiones y los cojinetes elastoméricos no requieren lubricación y, por lo tanto, requieren menos mantenimiento. Además, absorben las vibraciones, lo que reduce la fatiga y prolonga la vida útil de los componentes del helicóptero.

Los controles varían el paso de las palas del rotor principal de forma cíclica durante la rotación. El piloto utiliza esto para controlar la dirección del vector de empuje del rotor , que define la parte del disco del rotor donde se desarrolla el empuje máximo. El paso colectivo varía la magnitud del empuje del rotor aumentando o disminuyendo el empuje en todo el disco del rotor simultáneamente. Estas variaciones del paso de las palas se controlan inclinando, elevando o bajando el plato cíclico con los controles de vuelo. La gran mayoría de los helicópteros mantienen una velocidad de rotor constante (RPM) durante el vuelo, siendo el ángulo de ataque de las palas el único medio para ajustar el empuje del rotor.

El plato oscilante consta de dos discos o placas concéntricas. Una placa gira con el mástil, conectada mediante bielas, mientras que la otra permanece fija. La placa giratoria también está conectada a las palas individuales mediante bielas y brazos de paso. La placa fija está conectada a bielas que se accionan mediante los controles del piloto, específicamente los controles colectivo y cíclico. El plato oscilante puede desplazarse verticalmente e inclinarse. Mediante estos movimientos, la placa fija controla la placa giratoria, que a su vez controla el paso de cada pala.

Varios ingenieros, entre ellos Arthur M. Young en Estados Unidos y el aeromodelista de radiocontrol Dieter Schlüter en Alemania, descubrieron que la estabilidad de vuelo en helicópteros podía lograrse con una barra estabilizadora, o flybar. La flybar cuenta con un peso o paleta (o ambos para mayor estabilidad en helicópteros más pequeños) en cada extremo para mantener un plano de rotación constante. Mediante enlaces mecánicos, la rotación estable de la barra se combina con el movimiento del plato cíclico para amortiguar las fuerzas internas (dirección) y externas (viento) que actúan sobre el rotor. Esto facilita al piloto el control de la aeronave. Stanley Hiller desarrolló un método similar para mejorar la estabilidad añadiendo pequeños perfiles aerodinámicos, o paletas, en cada extremo. Sin embargo, el sistema "Rotormatic" de Hiller también proporcionaba entradas de control cíclico al rotor principal, que actuaba como una especie de rotor de control, y las paletas aportaban la estabilidad adicional al amortiguar los efectos de las fuerzas externas sobre el rotor.

El sistema de rotor de Lockheed utilizaba un giroscopio de control, similar en principio al de la barra estabilizadora de Bell, pero diseñado tanto para la estabilidad sin intervención manual como para una respuesta de control rápida del sistema de rotor sin bisagras.

En helicópteros con control electrónico de vuelo (fly-by-wire) o modelos de control remoto (RC), un microcontrolador con sensores giroscópicos y un sensor Venturi puede reemplazar al estabilizador. Este diseño sin barra estabilizadora ofrece la ventaja de una fácil reconfiguración y menos componentes mecánicos.

El rotor de cola es un rotor más pequeño montado de forma que gira verticalmente o casi verticalmente en el extremo de la cola de un helicóptero monorrotor tradicional. Su posición y distancia del centro de gravedad le permiten generar empuje en dirección opuesta a la rotación del rotor principal, contrarrestando así el efecto de torsión creado por este último. Los rotores de cola son más sencillos que los rotores principales, ya que solo requieren cambios colectivos en el paso de las palas para variar el empuje. El piloto ajusta el paso de las palas del rotor de cola mediante los pedales antitorque, que también proporcionan control direccional al permitirle girar el helicóptero sobre su eje vertical, cambiando así la dirección hacia la que apunta la aeronave.

Fenestron y FANTAIL ^{[ 28 ]} son ​​marcas comerciales de un ventilador entubado montado en el extremo del brazo de cola del helicóptero, que sustituye al rotor de cola. Los ventiladores entubados tienen entre ocho y dieciocho aspas dispuestas con espaciamiento irregular, de modo que el ruido se distribuye en diferentes frecuencias. La carcasa está integrada en el fuselaje de la aeronave y permite una alta velocidad de rotación; por lo tanto, un ventilador entubado puede tener un tamaño menor que un rotor de cola convencional.

El Fenestron se utilizó por primera vez a finales de la década de 1960 en el segundo modelo experimental del SA 340 de Sud Aviation y se produjo en el modelo posterior Aérospatiale SA 341 Gazelle . Además del Eurocopter y sus predecesores, un rotor de cola con ventilador entubado también se utilizó en el proyecto cancelado de helicóptero militar RAH-66 Comanche del Ejército de los Estados Unidos , como FANTAIL.

NOTAR, acrónimo de no tail r otor , es un sistema antitorque para helicópteros que elimina el uso del rotor de cola. Aunque el concepto tardó un tiempo en perfeccionarse, el sistema NOTAR es simple en teoría y proporciona antitorque de la misma manera que un ala desarrolla sustentación mediante el efecto Coandă. [ 29 ] Un ventilador de paso variable está encerrado en la sección trasera del fuselaje inmediatamente delante del ^{brazo de cola} y es accionado por la transmisión del rotor principal. Para proporcionar la fuerza lateral que contrarreste el par en sentido horario producido por un rotor principal que gira en sentido antihorario (visto desde arriba del rotor principal), el ventilador de paso variable fuerza aire de baja presión a través de dos ranuras en el lado derecho del brazo de cola, lo que hace que la corriente descendente del rotor principal se adhiera al brazo de cola, produciendo sustentación y, por lo tanto, una medida de antitorque proporcional a la cantidad de flujo de aire de la corriente del rotor. Esto se complementa con un propulsor a chorro directo que también proporciona control de guiñada direccional, con la presencia de un empenaje de superficie fija cerca del extremo de la cola, que incorpora estabilizadores verticales.

El desarrollo del sistema NOTAR se remonta a 1975, cuando los ingenieros de Hughes Helicopters comenzaron el trabajo de desarrollo del concepto. ^{[ 29 ]} En diciembre de 1981, Hughes realizó el primer vuelo de un OH-6A equipado con NOTAR. ^{[ 30 ]} Un prototipo demostrador, con modificaciones más significativas, voló por primera vez en marzo de 1986 y completó con éxito un programa avanzado de pruebas de vuelo, validando el sistema para su futura aplicación en el diseño de helicópteros. ^{[ 31 ]} Actualmente existen tres helicópteros de producción que incorporan el diseño NOTAR, todos fabricados por MD Helicopters. Este diseño antitorque también mejora la seguridad al eliminar la posibilidad de que el personal se dirija hacia el rotor de cola.

Un precursor (en cierto modo) de este sistema existió en forma del helicóptero británico Cierva W.9 , una aeronave de finales de la década de 1940 que utilizaba el ventilador de refrigeración de su motor de pistón para impulsar aire a través de una boquilla integrada en el brazo de cola para contrarrestar el par del rotor. ^{[ 32 ]}

El rotor principal puede ser impulsado por chorros de punta. Este sistema puede alimentarse con aire a alta presión suministrado por un compresor. El aire puede o no mezclarse con combustible y quemarse en estatorreactores, pulsorreactores o cohetes. Si bien este método es sencillo y elimina la reacción de torsión, los prototipos construidos son menos eficientes en consumo de combustible que los helicópteros convencionales. Excepto en el caso de los chorros de punta impulsados ​​por aire comprimido sin quemar, los niveles de ruido muy elevados son la razón principal por la que los rotores impulsados ​​por chorros de punta no han logrado una amplia aceptación. Sin embargo, la investigación sobre la supresión del ruido continúa y podría contribuir a que este sistema sea viable.

Hay varios ejemplos de helicópteros con propulsión a chorro en las puntas de las alas. El Percival P.74 tenía poca potencia y no podía volar. El Hiller YH-32 Hornet tenía buena capacidad de sustentación, pero su rendimiento era deficiente en otros aspectos. Otras aeronaves utilizaban empuje auxiliar para el vuelo traslacional, de modo que los propulsores de las puntas de las alas pudieran apagarse mientras el rotor realizaba la autorrotación. El Fairey Jet Gyrodyne experimental, los prototipos de pasajeros Fairey Rotodyne de 48 plazas y los autogiros compuestos McDonnell XV-1 volaron bien utilizando este método. Quizás el diseño más inusual de este tipo fue el Rotary Rocket Roton ATV , que originalmente se concibió para despegar utilizando un rotor con propulsión a chorro en la punta. El Sud-Ouest Djinn francés utilizaba aire comprimido sin quemar para impulsar el rotor, lo que minimizaba el ruido y contribuyó a que se convirtiera en el único helicóptero con rotor propulsado por propulsión a chorro en las puntas que entró en producción. El Hughes XH-17 tenía un rotor propulsado por propulsión a chorro en las puntas, que sigue siendo el rotor más grande jamás instalado en un helicóptero.

Los helicópteros de rotor en tándem tienen dos rotores principales horizontales montados uno detrás del otro. Los rotores en tándem logran cambios de actitud de cabeceo para acelerar y desacelerar el helicóptero mediante un proceso llamado paso cíclico. Para cabecear hacia adelante y acelerar, ambos rotores aumentan el paso en la parte trasera y lo reducen en la parte delantera (cíclico), manteniendo el par igual en ambos rotores. El vuelo lateral se logra aumentando el paso en un lado y reduciéndolo en el otro. El control de guiñada se desarrolla mediante el paso cíclico opuesto en cada rotor. Para pivotar a la derecha, el rotor delantero se inclina a la derecha y el trasero a la izquierda. Para pivotar a la izquierda, el rotor delantero se inclina a la izquierda y el trasero a la derecha. Toda la potencia de los rotores contribuye a la sustentación, y es más sencillo manejar los cambios en el centro de gravedad longitudinal. Sin embargo, requiere el costo de dos rotores grandes en lugar del rotor principal grande y un rotor de cola mucho más pequeño, que es más común. El Boeing CH-47 Chinook es el helicóptero de rotor en tándem más común.

Los rotores transversales se montan en el extremo de las alas o estabilizadores, perpendiculares al fuselaje de la aeronave. Al igual que los rotores en tándem y los rotores entrelazados, el rotor transversal también utiliza el paso colectivo diferencial. Pero, como los rotores entrelazados, los rotores transversales emplean este concepto para modificar la actitud de alabeo del helicóptero. Esta configuración se encuentra en dos de los primeros helicópteros viables, el Focke-Wulf Fw 61 y el Focke-Achgelis Fa 223 , así como en el helicóptero más grande jamás construido, el Mil Mi-12 . También es la configuración presente en helicópteros de rotor basculante como el Bell-Boeing V-22 Osprey y el AgustaWestland AW609 .

Los rotores coaxiales son un par de rotores montados uno encima del otro en el mismo eje y que giran en direcciones opuestas. La ventaja del rotor coaxial es que, en vuelo hacia adelante, la sustentación proporcionada por las mitades que avanzan de cada rotor compensa la de la mitad que retrocede del otro, eliminando uno de los efectos clave de la asimetría de la sustentación: la entrada en pérdida de las palas que retroceden . Sin embargo, otros aspectos de diseño afectan a los rotores coaxiales. Existe una mayor complejidad mecánica del sistema de rotores, ya que requiere varillajes y platos oscilantes para dos sistemas de rotores. Además, debido a que los rotores deben girar en direcciones opuestas, el mástil es más complejo y los varillajes de control para los cambios de paso del sistema de rotor superior deben pasar a través del sistema de rotor inferior.

Un ejemplo de diseño coaxial en un helicóptero compuesto fue el Sikorsky Skyraider X , que también tenía una hélice propulsora en la parte trasera. ^{[ 33 ]}

Los rotores entrelazados en un helicóptero son un conjunto de dos rotores que giran en direcciones opuestas, con cada mástil montado en el helicóptero con un ligero ángulo respecto al otro, de modo que las palas se entrelazan sin colisionar. Esta configuración a veces se denomina sincróptero. Los rotores entrelazados tienen una gran estabilidad y una potente capacidad de elevación. Este sistema fue desarrollado por primera vez en la Alemania nazi en 1939 con el exitoso diseño Flettner Fl 265 de Anton Flettner , y posteriormente se produjo en cantidades limitadas como el exitoso Flettner Fl 282 Kolibri , utilizado por la Kriegsmarine alemana en un número reducido (24 unidades producidas) como helicóptero ligero experimental de guerra antisubmarina . Durante la Guerra Fría , la empresa estadounidense Kaman Aircraft produjo el HH-43 Huskie para misiones de extinción de incendios y rescate de la USAF . El último modelo de Kaman, el Kaman K-MAX , es un diseño específico de grúa aérea.