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Descripción Problemática Resumen
1. Introducción
1.2 Introducción a los helicópteros
AAD (HE) Introducción Intr. Helicópteros 1 / 29
Descripción Problemática Resumen
Introducción
1 Descripción de helicóptero.
Sistemas.Parámetros característicos.
2 Problemática particular del helicóptero.
Aerodinámica.Con�guración del rotor principal.Control del vuelo.Autorrotación.
AAD (HE) Introducción Intr. Helicópteros 2 / 29
Descripción Problemática Resumen
El Helicóptero
De�nición: aeronave de alas giratorias (rotor) que proporciona
sustentación,propulsión,control,
y que permiten a la aeronave mantenerse en vuelo a punto �jo sinnecesidad de una velocidad de vuelo que genere estas fuerzas.
Ventajas:
elevada capacidad de maniobra,alta e�cacia en la realización del vuelo vertical, vuelo a punto �jo,vuelovertical ascendente y descendente (despegue y aterrizaje).
Limitaciones
baja velocidad de crucero.
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Descripción Problemática Resumen
Aplicaciones del helicóptero
La característica más valorada de las actuaciones de un helicóptero essu capacidad de maniobra:
agilidad, operación cerca del suelo, vuelo a punto �jo, vuelo avelocidades lentas, posibilidad de aterrizar y despegar verticalmente oen espacios muy reducidos y de difícil acceso.
Militares:
combate aéreo, apoyo táctico, observación.
Civiles:
transporte comercial, búsqueda y salvamento, trabajos aéreos.
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Descripción Problemática Resumen
Con�guración básica de un helicóptero convencional
Tren aterrizaje.
Estructura.
Cabina.
Sistema motor.
Transmisión.
Rotores.
Controles de vuelo.
Sistemas auxiliares: hidráulico, eléctrico,instrumentación, aceite, combustible.
UH-60A UH-1
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Descripción Problemática Resumen
Parámetros característicos I
Diámetro del rotor principal D [m] 7 - 24Cuerda media del rotor principal c [m] 0.2 - 0.9Número de palas rotor principal b [-] 2 - 6Velocidad de punta de pala Vtip [m/s] 170 - 250Carga discal (peso por unidad de área) DL [Pa] 125 - 700Diámetro de rotor antipar Dt [m] 1 - 6Velocidad de avance V∞ [km/h] 150 - 330
Mil Mi-26 vs Robinson R22
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Descripción Problemática Resumen
Parámetros característicos II
103
104
101
M [kg]
R [m
]
103
104
102
103
M [kg]
DL
[N/m
2 ]
103
104
10−1
100
M [kg]
c [m
]
103
104
1
2
3
4
5
6
7
M [kg]
b [−
]
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Descripción Problemática Resumen
Parámetros característicos III
103
104
100
101
M [kg]
Rtr [m
]
103
104
170
180
190
200
210
220
230
240
250
M [kg]
Vtip
[m/s
]
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Descripción Problemática Resumen
Retos tecnológicos iniciales
Desconocimiento de la aerodinámica del vuelo vertical: ¾potencianecesaria?
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 ycontrol cíclico.
Vibraciones: integridad estructural.
Supervivencia frente a fallo: autorrotación.
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Descripción Problemática Resumen
Aerodinámica: potencia inducida
La conservación de cantidad de movimiento implica que el rotor debeacelerar y mover hacia abajo una corriente �uida. Esto se consiguemediante el movimiento de las palas.
Potencia inducida: aumento de energía cinética por unidad detiempo.
Precio a pagar para mantener una aeronave en vuelo.
Se demostrará que la potencia inducida en un helicóptero esinversamente proporcional al radio del rotor.
Cargas discales pequeñas implican potencias inducidas pequeñas y, portanto, alta e�ciencia.
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Descripción Problemática Resumen
Aerodinámica: asimetría en avance I
=0Ã =0Ã
=90Ã
=180Ã
=270Ã
1M
1M
1M
1M
1
M1M
1M
Lado de retroceso Lado de avance¼ 2 <Ã <¼ ¼ <Ã <0
Zona de flujoinvertido
1
M
=270Ã=90Ã
=180Ã
1V
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Descripción Problemática Resumen
Aerodinámica: asimetría en avance II
Vuelo axial:
Axilsimétrico:d
dψ= 0.
Vuelo de avance:
Dependencia con el ángulo de azimut de las magnitudes f (ψ).
Desequilibrio de fuerzas: tendencia a producir momento de alabeo.
Velocidades elevadas en la zona de avance: ψ ≈ π/2.Velocidades pequeñas en la zona de retroceso: ψ ≈ 2π/3 y zona deinversión de �ujo.
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Descripción Problemática Resumen
Aerodinámica: entorno complejo I
Creación de torbellinos de punta de pala.
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Descripción Problemática Resumen
Aerodinámica: entorno complejo II
Vuelo de avance: torbellinos de punta pala permanecen cercanos alplano del rotor creando �ujos 3D �uctuantes.
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 �uctuantes,
limita la velocidad de vuelo de avance.
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Descripción Problemática Resumen
Aerodinámica: entorno complejo III
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 estabilizadorhorizontal,
interacción de la estela del buje con la estela del rotor.
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Descripción Problemática Resumen
Aerodinámica: entorno complejo IV
= 180Ã
Estela del buje
punta de pala
Estructura-Estela del rotor
punta de pala
T
Rotor principal
= 90Ã
antiparT
1V
(lado de avance)en punta de pala
de pala (lado retroceso)
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Descripción Problemática Resumen
Con�guración rotor principal
Las palas se caracterizan por:
longitud grande para conseguir bajas cargas discales,relación de aspecto elevada para conseguir elevadas e�caciasaerodinámicas.
Esto implica que las palas presentan elevada �exibilidad.
Las palas soportan el peso del helicóptero, por lo que se ven sometidasa fuerzas aerodinámicas considerables. Estas fuerzas pueden producir
grandes cargas estructurales sobre el encastre de las palas,grandes desplazamientos de las palas.
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Descripción Problemática Resumen
Con�guración rotor principal: movimiento de las palas
Eje paso
Paso
Arrastre
Eje batimiento
Batimiento
Eje arrastre
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Descripción Problemática Resumen
Con�guración rotor principal: solución tradicional
Rotor articulado
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 batimientohace que aparezcan fuerzas de coriolis en el plano del rotor. Laarticulación de arrastre permite aliviar esfuerzos en el encastre de laspalas.Cojinete de paso: se emplea para controlar el paso que se proporcionaa las palas.
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Descripción Problemática Resumen
Con�guración rotor principal: tipos de rotor
Articulado Rígido (hingeless) Flexible (bearingless)
Articulado: articulaciones en los tres movimientos principales(batimiento, arrastre y paso). Ventaja: menos esfuerzos transmitidos.
Rígido: los movimientos de arrastre y batimiento se consiguenmediante la �exibilidad de los materiales empleados en la unión albuje. Mantiene articulación en el movimiento de paso.
Flexible: no presenta articulación alguna, todos los movimientos seconsiguen mediante la �exibilidad de los materiales empleados en launión al buje. Ventaja: buje aerodinámicamente más limpio y menormantenimiento.
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Descripción Problemática Resumen
Control de vuelo
El rotor es el responsable �nal del control de vuelo.
EL piloto debe ser capaz de controlar el vector tracción en módulo ydirección.
0T1T
Para ello, el piloto actúa sobre los mandos y éstos modi�can el ángulode paso de las palas.
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Descripción Problemática Resumen
Control de vuelo: mandos
Mandos: responsables de controlar la posición, velocidad y orientaciónde la aeronave
Control vuelo axialControl longitudinalControl lateralControl direccional
Control colectivo: impone un paso independiente de la posiciónazimutal θ(ψ) = θ0.Control cíclico: impone un paso dependiente de la posición azimutalθ(ψ) = a1 cosψ +b1 sinψ + . . . .
Pedales: imponen un paso independiente de la posición azimutal en elrotor antipar θa(ψ) = θa,0.
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Descripción Problemática Resumen
Control de vuelo: control colectivo
Proporciona control en el vuelo axial del helicóptero.
Control de la sustentación (módulo) del rotor principal.
Cambia el ángulo de ataque de todas las palas simultáneamente.
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Descripción Problemática Resumen
Control de vuelo: control cíclico
Proporciona control longitudinal y lateral.
Palanca se empuja en dirección en la que se desea el vuelo.
Cambia el ángulo de ataque de las palas de forma independientemediante la inclinación del rotor en determinadas posiciones de azimut.
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Descripción Problemática Resumen
Control de vuelo: pedales
Proporciona guiñada o control direccional.
Modi�ca el empuje de rotor de cola mediante el cambio de pasocolectivo del rotor antipar.
El pedal se pisa en la dirección requerida.
AAD (HE) Introducción Intr. Helicópteros 25 / 29
Descripción Problemática Resumen
Autorrotación
Régimen de funcionamiento en el que la rotación del rotor esmantenida sin la aplicación de un par motor.
La corriente incidente es la responsable de proporcionar la energíanecesaria para mantener la rotación del rotor.
Balance energético: pérdida de energía potencial se convierte en lapotencia necesaria para mantener la velocidad de rotación.
Fundamental para recuperar la condición de vuelo seguro ensituaciones de emergencia debidas a la pérdida de motor, transmisión.
El rotor en autorrotación puede ser tan efectivo como un paracaídasdel mismo diámetro que el del rotor.
AvanceAutorotacion
AAD (HE) Introducción Intr. Helicópteros 26 / 29
Descripción Problemática Resumen
Resumen I
El helicóptero es una aeronave única por su elevada capacidad demaniobra.
El rotor principal de un helicóptero es el responsable de conseguir:
sustentación,empuje, ycontrol.
Para una tracción dada, cargas discales pequeñas implican potenciasinducidas pequeñas.
El vuelo axial consiste en el movimiento vertical de la aeronave y secaracteriza por presentar simetría azimutal. El vuelo a punto �jo es uncaso particular.
AAD (HE) Introducción Intr. Helicópteros 27 / 29
Descripción Problemática Resumen
Resumen II
El vuelo de avance se caracteriza por la falta de simetría azimutal delcampo de velocidades relativas. Las di�cultades a las que se debeenfrentar el helicóptero son:
posibilidad de entrada en pérdida en el lado de retroceso a velocidadesde vuelo elevadas,regímenes transónicos en el lado de avance a velocidades de vueloelevadas.
Se tiene un entorno aerodinámico muy complejo.
El rotor principal está sometido a grandes esfuerzos y deformaciones.
El movimiento básico de la pala consta de:
movimiento de batimiento,movimiento de arrastre,movimiento de paso.
AAD (HE) Introducción Intr. Helicópteros 28 / 29
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Descripción Problemática Resumen
Resumen III
Las distintas estrategias en la forma de acomodar estos movimientosdetermina distintas con�guraciones de cabezas de rotores.
Control de las fuerzas que aparecen en el rotor determinan el controldel vuelo de la aeronave:
paso colectivo: proporciona control del vuelo axial,
paso cíclico: proporciona control del movimiento longitudinal y delalabeo,
paso colectivo del rotor antipar: proporciona control direccional de laaeronave.
Autorrotación posibilidad del helicóptero para permitir la recuperaciónde la aeronave ante fallo del motor.
AAD (HE) Introducción Intr. Helicópteros 29 / 2916
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