Ciclotrón

La hélice ciclorrotor surgió en la aeronáutica rusa. ^{[ 7 ]} El "Samoljot" de Sverchkov (San Petersburgo, 1909) o "ortóptero de ruedas" es el primer vehículo que se cree que utilizó este sistema. Su esquema se asemejaba al ciclogiro, pero es difícil de clasificar con precisión. Tenía tres superficies planas y un timón; el borde posterior de una de las superficies podía doblarse, reemplazando la acción de un elevador . La sustentación y el empuje debían crearse mediante ruedas de paletas compuestas por 12 palas, dispuestas en pares a un ángulo de 120°. Las palas eran cóncavas. El ángulo de incidencia se controlaba mediante excéntricas y resortes.

En la parte inferior de la aeronave  se instaló un motor de 10 caballos de fuerza. La transmisión era por correa. Su peso en vacío era de aproximadamente 200  kg. Fue construida por el ingeniero militar E.P. Sverchkov para la Agencia Principal de Ingeniería. Se presentó en la Exposición de Inventos Más Novedosos y ganó una medalla. Sin embargo, no logró superar las pruebas de vuelo preliminares.

En 1914, el inventor y científico ruso A. N. Lodygin propuso una aeronave similar a un ciclogiro, parecida al Samoljot, pero el proyecto no se llevó a cabo.

En 1933, Adolf Rohrbach experimentó en Alemania con un sistema de alas con ruedas de paletas. ^{[ 8 ]} Los winglets oscilantes alternaban entre ángulos de ataque positivos y negativos durante cada revolución, y su montaje excéntrico podía, en teoría, producir casi cualquier combinación de fuerzas horizontales y verticales. El DVL evaluó el diseño de Rohrbach, pero las revistas de aviación de la época pusieron en duda su viabilidad, impidiendo su financiación, incluso con una propuesta como avión de transporte para la Luftwaffe . No hay evidencia que indique que este diseño llegara a construirse. Platt, en Estados Unidos, diseñó en 1933 su propio Cyclogyro, basado en el trabajo de Rohrbach. Su sistema obtuvo una patente estadounidense (una de muchas patentes similares) y se sometió a extensas pruebas en el túnel de viento del MIT en 1927. A pesar de esto, el avión de Platt nunca se construyó.

El primer diseño funcional se desarrolló en Voith en la década de 1930. Sus orígenes se remontan a la decisión de la empresa Voith de centrarse en los conjuntos de engranajes de transmisión de turbinas. La hélice Voith fue inventada por Ernst Schneider y mejorada por Voith. Se lanzó como la hélice Voith-Schneider (VSP) para buques comerciales. Mejoró significativamente la maniobrabilidad de los barcos, como se demostró en las pruebas de mar realizadas en el barco de pruebas Torqueo en 1937. Las primeras hélices Voith-Schneider se pusieron en funcionamiento en los canales de Venecia, Italia. Durante la Exposición Universal de París de 1937, Voith recibió el gran premio —en tres ocasiones— por sus hélices y turbotransmisiones. Un año después, dos de los barcos de bomberos de París comenzaron a operar con el sistema.

En 2025, ABB anunció su sistema de ciclorrotor Dynafin, que promete una eficiencia de hasta el 85 % y una maniobrabilidad precisa. Dynafin es la continuación del sistema Azipod , introducido en la década de 1990. Dynafin utiliza un motor eléctrico para hacer girar un disco en la parte inferior de un barco, que rota entre 40 y 80 RPM. Cinco palas controlables de forma independiente están montadas a intervalos iguales en el disco. La eficiencia récord podría permitir el uso de sistemas de propulsión más compactos. Los pulsos de presión relativamente bajos y las velocidades de las puntas de las palas generan menos turbulencia que las hélices convencionales. Pruebas independientes informaron que Dynafin logró un ahorro de energía del 22 % en comparación con las configuraciones convencionales. El concepto se evaluó en el yate de crucero Carlton Ilma, ahorrando energía, peso y espacio. ^{[ 9 ]}

Los ciclorrotores ofrecen un alto grado de control. Las hélices , rotores y motores a reacción tradicionales producen empuje únicamente a lo largo de su eje de rotación y requieren redirigir todo el dispositivo para modificar la dirección del empuje. Esta realineación exige grandes fuerzas y tiempos relativamente largos, dado que la inercia de la hélice es considerable y las fuerzas giroscópicas del rotor se oponen a la rotación. Para muchas aplicaciones prácticas (helicópteros, aviones, barcos), esto requiere la rotación de toda la embarcación. En cambio, los ciclorrotores solo necesitan variar el paso de las palas. Dado que la inercia asociada al cambio de paso de las palas es mínima, la vectorización del empuje en el plano perpendicular al eje de rotación es rápida y eficiente. ^{[ 10 ]}

Los ciclogiros pueden generar sustentación y empuje con altas relaciones de avance , lo que, en teoría, permite que un ciclogiro vuele a velocidades subsónicas mucho mayores que los helicópteros de un solo rotor .

La velocidad de avance de los helicópteros de un solo rotor está limitada por una combinación de la entrada en pérdida de la pala de retroceso y las restricciones sónicas de la punta de la pala. ^{[ 11 ]} A medida que los helicópteros vuelan hacia adelante, la punta de la pala que avanza experimenta una velocidad del viento que es la suma de la velocidad de avance del helicóptero y la velocidad de rotación. Este valor no puede exceder la velocidad del sonido para que el rotor siga siendo eficiente y silencioso.

Mantener baja la velocidad de rotación evita este problema, pero presenta otro. En el método tradicional de composición de velocidad, la velocidad del viento que percibe la pala en retroceso es la composición vectorial de la velocidad de rotación de la pala y la velocidad del flujo libre. En esta condición, con una relación de avance suficientemente alta, la velocidad del aire en la pala en retroceso es baja. El aleteo de la pala cambia el ángulo de ataque. Entonces, es posible que la pala alcance la condición de pérdida. ^{[ 12 ]} En este caso, la pala en pérdida debe aumentar el ángulo de cabeceo para mantener la sustentación. Esto limita el perfil del ala y requiere un dimensionamiento cuidadoso del radio del rotor para el rango de velocidad especificado. ^{[ 13 ]}

Los ciclorrotores de baja velocidad evitan este problema cambiando el eje de rotación a horizontal y operando a una menor velocidad de la punta de la pala. Para velocidades más altas, es necesario adoptar estrategias más sofisticadas. Un enfoque consiste en accionar las palas de forma independiente ^{[ 14 ]} mediante accionamiento hidráulico. El eje horizontal de rotación siempre hace avanzar las palas superiores, que siempre producen una sustentación positiva por parte del rotor completo. ^{[ 15 ]} Estas características podrían ayudar a superar la baja eficiencia energética del helicóptero y la limitación de la relación de avance. ^{[ 16 ] [ 17 ] [ 18 ]}

Las palas giratorias y oscilantes son las dos acciones dinámicas del ciclorotor, que generan complejos fenómenos aerodinámicos:

• retrasando la pérdida de sustentación de la pala;
• aumentar el coeficiente de sustentación máximo de la pala a bajos números de Reynolds .

Ambos efectos están correlacionados con el aumento del empuje. En comparación con un helicóptero o cualquier otra hélice, la misma sección transversal de las palas en un ciclorotor produce mucho más empuje con el mismo número de Reynolds. Este efecto puede explicarse considerando el comportamiento tradicional de una hélice.

A bajos números de Reynolds, la turbulencia es mínima y se pueden alcanzar condiciones de flujo laminar. Un perfil de ala tradicional minimiza la diferencia de velocidad entre la cara superior e inferior del ala, reduciendo tanto la sustentación como la velocidad de pérdida. Como consecuencia, disminuye el ángulo de ataque en condiciones de pérdida.

En este régimen, las hélices y rotores convencionales deben utilizar palas de mayor superficie y girar más rápido para lograr las mismas fuerzas propulsoras, a la vez que pierden más energía por la resistencia de las palas. Por lo tanto, un ciclorotor es más eficiente energéticamente que cualquier otra hélice.

Los ciclorotores aumentan y disminuyen rápidamente el ángulo de ataque de las palas, lo que retrasa la entrada en pérdida y genera sustentación. Esta sustentación inestable hace que los ciclorotores sean más eficientes a pequeña escala, bajas velocidades y grandes altitudes que las hélices tradicionales. Sin embargo, las aves y algunos insectos siguen siendo mucho más eficientes, ya que pueden cambiar tanto el paso como la forma de sus alas, ^{[ 19 ] [ 20 ]} o la capa límite (como en la piel de tiburón ). ^{[ 21 ]}

La investigación apunta al mismo nivel de eficiencia de alas o superficies. ^{[ 22 ]} Una dirección es la modificación de alas. ^{[ 23 ] [ 24 ]} Otra se relaciona con la introducción de mecanismos de control de la capa límite, como la descarga de barrera dieléctrica. ^{[ 25 ]}

Durante la evaluación experimental, los ciclorotores produjeron poco ruido aerodinámico, debido a las bajas velocidades de las puntas de las palas, que producen una turbulencia de menor intensidad. ^{[ 26 ]}

En las pruebas, los ciclorotores lograron una carga de potencia mayor que los rotores tradicionales comparables con la misma carga de disco . Esto se atribuye al aprovechamiento de la sustentación inestable y las condiciones aerodinámicas constantes de las palas. El componente de velocidad de rotación en las hélices aumenta desde la raíz hasta la punta y requiere que la cuerda, la torsión, el perfil aerodinámico, etc., de la pala varíen a lo largo de la misma. Dado que la envergadura de la pala del ciclorotor es paralela al eje de rotación, cada sección transversal de la pala opera a velocidades similares y se puede optimizar toda la pala. ^{[ 10 ] [ 27 ]}

Las palas de los ciclorotores requieren una estructura de soporte. Esta estructura, a veces denominada "radios", aumenta la resistencia parásita y el peso del rotor. ^{[ 28 ]} Las palas de los ciclorotores están sometidas a carga centrífuga en flexión (a diferencia de la carga axial en las hélices), lo que requiere palas con una alta relación resistencia-peso o radios de soporte intermedios. Los ciclorotores de principios del siglo XX presentaban palas de corta envergadura o soporte adicional. ^{[ 29 ] [ 30 ] [ 31 ]}

Los ciclotors requieren un control continuo del paso de las palas. El ángulo de flujo relativo que experimentan las palas al girar varía con la relación de avance y el empuje del rotor. Para operar de manera eficiente, un mecanismo de paso de palas debe ajustarse a estos diversos ángulos de flujo. Las altas velocidades de rotación dificultan la implementación de un mecanismo basado en actuadores. Una pista de forma fija o variable puede proporcionar control de paso cuando se monta paralela a la trayectoria de la pala. La forma de la pista de control de paso determina de manera confiable el paso de la pala a lo largo de la órbita, independientemente de las RPM. Si bien los movimientos de paso utilizados en vuelo estacionario no están optimizados para el vuelo hacia adelante, en la evaluación experimental se informó que proporcionan un vuelo eficiente hasta una relación de avance cercana a uno. ^{[ 28 ] [ 32 ] [ 33 ] [ 34 ]}

Las turbinas eólicas son una aplicación potencial. ^{[ 35 ]} Denominadas turbinas eólicas de eje vertical de paso variable , ofrecen ventajas con respecto a las VAWT tradicionales. ^{[ 36 ]} Se afirma que este tipo de turbina supera la mayoría de las limitaciones tradicionales de las VAWT Darrieus tradicionales . ^{[ 37 ]}

La principal aplicación potencial de los ciclorrotores es la propulsión y el control de buques. El ciclorrotor se monta con un eje de rotación vertical, lo que permite dirigir el empuje en cualquier dirección paralela a la superficie del agua. En 1922, Frederick Kirsten instaló un par de ciclorrotores en un  barco de 32 pies, eliminando la necesidad de un timón y proporcionando mayor maniobrabilidad. Si bien la idea fracasó en Estados Unidos después de que la compañía Kirsten-Boeing Propeller Company perdiera una subvención de investigación de la Marina estadounidense, la compañía de hélices Voith-Schneider implementó con éxito la hélice. Esta hélice se instaló en más de 100 buques antes del estallido de la Segunda Guerra Mundial. ^{[ 38 ]} Actualmente, la misma compañía comercializa este tipo de hélice. Se utiliza en buques de perforación en alta mar, remolcadores y transbordadores. ^{[ 39 ]}