Aerodinámica
La autorrotación es el estado de vuelo cuando el rotor principal de un aparato de ala rotativa está movido por el aire que va de abajo hacia arriba, y no por el motor o motores del aparato.1 Es el modo normal de vuelo de un autogiro2 y es empleado en helicópteros cuando el motor o motores no aplican potencia al rotor. También se usa este término cuando una hélice de un avión de ala fija gira libremente impulsada por el viento mientras el aparato se desplaza. Este efecto se conoce también como hélice en autorrotación o hélice loca.
Flujo de aire a través de un rotor
Autorrotación en helicópteros
Durante el vuelo normal, los rotores de un helicóptero son movidos por el motor (o motores), para conseguir sustentación, en caso de una autorrotación, el helicóptero desciende muy rápidamente sin motores, durante el descenso el aire que pasa por el rotor principal del helicóptero lo hace girar.5 Esto significa que en caso de emergencia, si los motores fallan, un helicóptero puede aterrizar sin caer "como una piedra".
La autorrotación más larga de la historia fue realizada en 1972 por Jean Boulet, cuando a 12.440m y -63ºC, el motor del helicóptero Aérospatiale SA 315B Lama dejó de funcionar, pero gracias a la autorrotación pudo aterrizar la aeronave sin problemas.6
Descenso y aterrizaje
En un helicóptero, el término "autorrotación" se refiere a la maniobra de descenso donde se desactiva el motor del sistema de rotor principal y este es movido por el aire durante el descenso. La unidad de rueda libre es un mecanismo de embrague especial que se desactiva cada vez que el régimen del motor es menor que el número de revoluciones del rotor. Si el motor falla, la unidad de rueda libre desconecta automáticamente el motor del rotor principal y permite al rotor principal que gire libremente.
El caso más común para realizar una autorrotación es el fallo total del motor, pero también pueden realizarse en caso de fallo del rotor de cola. Cuando éste deja de funcionar el piloto debe parar los motores para evitar el efecto par motor, por consiguiente se debe realizar una autorrotación.7 En casos extremos, se pueden realizar autorrotaciones para perder altura en poco tiempo si esta es considerable.
Cuando un motor falla, las palas del rotor están produciendo empuje hacia abajo y hacia adelante. Al bajar inmediatamente el ángulo de ataque (inclinación de las palas) el piloto reduce la elevación y empuje hacia adelante, el helicóptero comienza un descenso inmediato, produciendo un flujo ascendente de aire a través del rotor. Este flujo ascendente de aire a través del rotor lo hace girar durante todo el descenso. Dado que el rotor de cola está movido por la transmisión del rotor principal, en autorrotación el control del rumbo se mantiene como en vuelo normal.
Para aterrizar, se usa la velocidad de giro que mantienen las palas del rotor durante el descenso para frenar la caída y aterrizar suavemente. Esto se consigue gracias a aumentar el paso colectivo o ángulo de ataque (aumentar la inclinación de las palas).
introducción al movimiento de autorrotación, abordamos el tema en esta segunda parte con casos prácticos que te facilitarán el aterrizaje de tu helicóptero cuando el motor se pare. Nos situamos: imaginémonos ya una situación de emergencia producida por una inesperada para de motor. ¿Qué actuaciones debemos abordar?
Vamos a imaginar ya una situación de emergencia producida por una inesperada parada de motor y las actuaciones que debemos abordar. Imaginemos que estamos volando con una Curva de Paso Normal, en la que con la palanca de la emisora situada arriba del todo, tenemos +10º(Diez grados positivos), con la palanca al centro, +5º (Cinco grados positivos) y con la palanca abajo del todo con -5º (Cinco grados negativos) y que sin hacer uso de otro tipo de curvas, iniciamos nuestro vuelo. Partiremos de un vuelo estacionario, seguido de un vuelo de traslación a gran altura y al cabo de unos minutos de estar volando, se nos produce la parada de motor.
La parada de motor nos ha pillado con el ángulo de ataque de las palas con +5º (Cinco grados positivos) y gracias al embrague “one-way”, las palas seguirán girando por pura y simple inercia, pero sabemos que esa situación es totalmente insostenible, pues el rotor principal empieza a perder revoluciones de forma súbita y ha de ser en ese preciso momento y de forma inmediata, cuando debemos situar la palanca de paso abajo del todo, es decir, situar las palas principales con -5º(Cinco grados negativos) y mantener esa posición hasta llegar a unos dos metros del suelo, momento que debemos tratar de frenar la caída libre del helicóptero, simple y llanamente aumentando los grados de ataque de las palas principales de tal forma que consigamos desacelerar la velocidad de caída al mismo tiempo que hemos de procurar seguir manteniendo las máximas revoluciones por minuto del rotor principal hasta las inmediaciones del suelo.
Esta última fase del vuelo suele durar entre cinco y ocho segundos y es como si se tratase de micro-vuelo-estacionario-descendente-suave efectuado a la altura de nuestros ojos y se consigue situando la palanca de paso en zona de paso positivo ente ± 0º (Cero grados) y +5º (Cinco grados positivos). Este micro-vuelo-estacionario-descendente-suave tiene fecha de caducidad, pues apenas debe ser perceptible pues hemos de recordar que a esa altura ya tan cerca del suelo, tenemos en estos momentos de la maniobra, las revoluciones normales de un vuelo normal procedentes de la senda de planeo y con grados positivos en las palas principales, pero sin motor, con lo que el rotor empezará a frenarse y por lo tanto a ir bajando de revoluciones, pero hemos de hacerlo de forma tan coordinada, que consigamos un aterrizaje suave con la mínima pérdida de revoluciones para seguir manteniendo la estabilidad del helicóptero, tan necesaria a nivel del suelo.
Todo lo comentado anteriormente tiene ya pequeños matices para poder tener éxito en conseguir el aterrizaje controlado del helicóptero a motor parado, como por ejemplo, que hemos de tener suficiente altura para poder realizarla, pues realmente se ha de producir una caída libre del modelo y hemos de tener el espacio suficiente para conseguir que el helicóptero adquiera una verdadera velocidad de caída y evitando que la misma se produzca en vertical. Aunque el motor este parado, los demás controles siguen funcionando igual, por lo que podremos “picar” un poco el helicóptero hacia delante con el mando de profundidad, consiguiendo con ello una verdadera senda de planeo, como si de un avión se tratara y con ello poder decidir el lugar de aterrizaje deseado, pues tanto el control de profundidad y alabeo siguen funcionando perfectamente.
Ya que hablamos del control del helicóptero, debemos recordar que el motivo de la existencia del rotor de cola, es compensar el par motor generado precisamente por el motor principal, evitando que todo el fuselaje gire sobre sí mismo, pero como el motor se encuentra parado, ya no tendría razón de ser la actuación del rotor de cola. Es por ello que perfectamente podremos realizar la maniobra de autorrotación con el rotor de cola parado, pero para poder tener un control total y absoluto de la senda de planeo y poder situar el helicóptero en el punto deseado, necesitamos tener control sobre la dirección del mismo y eso sólo se consigue, teniendo el rotor de cola en marcha con el motor principal parado y para ello se ha de diseñar el helicóptero de tal forma, que la tracción al rotor de cola se realice antes de llegar al embrague “one-way”, con lo que ante una parada de motor, tendremos ambos rotores en movimiento y al igual que el rotor principal lo situábamos con incidencia negativa para iniciar el descenso, el rotor de cola hemos de procurar que tenga incidencia de ±0º (Cero grados) para ofrecer la menor resistencia, pero con control total a derecha e izquierda para poder dirigir el rumbo del helicóptero.
En las emisoras preparadas para helicópteros, tenemos una palanca de autorrotación, que lo que hace es desconectar la curva de gas, pero no la de paso y posicionar el motor a relentí en todo su recorrido y así poder realizar las prácticas necesarias de la maniobra de autorrotación, con la ventaja de que no hace falta arrancar el motor cada vez que finalizamos la maniobra. Al mismo tiempo nos permite abortar la misma si observamos que no tiene vicisitudes de terminar con éxito, pues hemos de saber que cuando nos ocurra una parada de verdad, solo tenemos una oportunidad de realizarla bien, pues lo más delicado es controlar la frenada a la altura de nuestros ojos, pues si nos pasamos de ella y frenamos demasiado el rotor y lo dejamos sin vueltas, aunque la caída sea de poca altura, daño vamos a producir y lo mismo ocurre si no frenamos lo suficiente, pues si la llegada al suelo se hace con cierta velocidad, también es seguro que produciremos daños en nuestro modelo, daños que siempre serán menores que los que se produzcan con una caída libre sin control, pero lo ideal y pudiéndolo hacer, es tener éxito en la maniobra.
La práctica de la maniobra de autorrotación la podemos dividir en dos partes: la primera consistirá en familiarizarse con el descenso a distintos grados negativos, pues aunque hemos comentado que debemos situar la palanca abajo del todo que es cuando tenemos -5º(Cinco grados negativos), podemos hacerlo con menos grados e incluso rozando los ±0º (Cero grados), con lo que controlaremos la velocidad de descenso y dependiendo del perfil de pala y de su peso, conjuntamente con los controles del plato oscilante, podremos tener maniobras de planeo muy elegantes.
La segunda parte de la maniobra se establece cuando el modelo llega aproximadamente a los dos metros del suelo, pues ya desde esta altura y hasta el suelo, es cuando hemos de invertir la posición del ángulo negativo del paso de las palas, para ir dando valores positivos muy suavemente y de tal forma, que consigamos frenar la caída, al mismo tiempo que hemos de “tirar” de la palanca de profundidad, hasta conseguir anular completamente la velocidad de avance y que el último medio metro antes de llegar al suelo, el descenso sólo lo haga en vertical, para terminar en los últimos centímetros antes de llegar al suelo, posicionando la palanca de paso completamente en su posición más alta, correspondiente a los +10º(Diez grados positivos) e incluso más y hacer coincidir la frenada del descenso y la pérdida de revoluciones de las palas, cuando el tren de aterrizaje toca el suelo. Como podemos imaginar, esta última fase de la maniobra, es la más delicada y la que más entrenamiento va a necesitar, pero una vez cogido el “tranquillo” como vulgarmente se dice, todo es coser y cantar. Os animo a practicarlas, pues es una maniobra que siempre te deja un buen sabor de boca como final de cualquier vuelo, además de ser un salvahelicópteros ante cualquier emergencia.
teoría de la cantidad de movimiento supone una buena aproximación inicial al comportamiento aerodinámico del rotor del helicóptero, aunque necesita ser mejorada.
Teoría de la cantidad de movimiento para vuelo axial
Las hipótesis a partir de las que se aplica esta teoría son:
- En vuelo axial, el movimiento es unidimensional.
- El movimiento es casi estacionario, se pueden despreciar las variables temporales.
- Fluido incompresible.
- Fluido no viscoso.
- La estela del rotor no tiene movimiento de rotación, únicamente vertical.
- La velocidad inducida es uniforme en todo el plano del rotor.
- Sobre el fluido no se aplica ninguna fuerza externa.
- Las ecuaciones se plantean en ejes ligados al rotor.
Para aplicar estas ecuaciones se toma como volumen de control el de la figura 1.1. El volumen de control empieza en el infinito aguas arriba, y se extiende en la dirección positiva, hacia abajo. El fluido se acelera a medida que se acerca al disco rotor.
Salto de presiones en el rotor
Estados de operación del rotor
El flujo a través del rotor y en sus inmediaciones se comporta de forma diferente según la velocidad vertical del helicóptero. En algunos casos no es posible aplicar la teoría de la cantidad de movimiento y es necesario recurrir a soluciones experimentales. Se distinguen principalmente cuatro estados de operación del rotor.
- Operación normal
En vuelo ascensional y hasta el límite de vuelo a punto fijo ( ) el flujo en el rotor es altamente periódico. Los vórtices de punta de pala están libres de perturbaciones, y siguen trayectorias helicoidales suaves y bien definidas.
Para vuelo vertical descendente (poca o nula velocidad horizontal) motorizado a velocidad de descenso relativamente baja (superior no obstante al 75% de Vf, siendo Vf la velocidad inducida del flujo en régimen estacionario). Si la velocidad de descenso es inferior a la citada no se produce tal perturbación. La alta potencia del rotor y el descenso relativamente elevado provocan que la aeronave se sitúe dentro de su propia turbulencia. Los vórtices de punta de pala se desplazan hacia el plano del rotor y hacia el exterior de las palas, generando una situación no estacionaria y aperiódica, donde se acumulan los vórtices formando una serie de anillos. No es posible distinguir una superficie que defina la estela, lo que impide aplicar la teoría de la cantidad de movimiento. Además en estas condiciones aumentan las vibraciones y se dificulta el pilotaje. Para corregir esta situación es necesario aumentar la velocidad horizontal (desplazamiento del bastón de mando cíclico) y reducir el paso del mando colectivo (intensidad de la turbulencia).
Para velocidades de descenso medias, del orden de la estela se vuelve aún más turbulenta, y el flujo es similar al de un cuerpo no aerodinámico. Tampoco se puede identificar la estela, de forma que tampoco se puede aplicar en este caso la teoría de la cantidad de movimiento.
Si la velocidad de descenso es elevada ( ) la estela vuelve a estar definida, y la teoría de la cantidad de movimiento se puede volver a aplicar. En esta situación el rotor extrae energía del flujo.
Vuelo a punto fijo
Adimensionalización de las ecuaciones
Coeficientes adimensionales
Potencia ideal y potencia real
Vuelo axial descendente
Teoría de la cantidad de movimiento para vuelo de avance
Adimensionalización de las ecuaciones
Bajo estas hipótesis el rotor de la maquina es como disco poroso de espesor infinitesimal que actúa sobre el tubo de corriente mediante la creación de un salto de presiones a través de él, o bien, podemos suponer que el rotor de la maquina esta formado por un numero infinito de palas que no producen resistencia y que giran a una velocidad muy elevada.
Aplicando el teorema de conservación de la cantidad de movimiento llegamos a:
donde, T es la tracción o fuerza en la dirección de la corriente sobre el disco del rotor, r es la densidad del aire, A el área del rotor, U la velocidad local en el plano del rotor y V1 y V2 las velocidades aguas arriba y abajo, respectivamente.
Por otra parte, la tracción también se puede expresar como:
al aplicar la ecuación de Bernoulli, para describir la presiones inmediatamente antes y después del rotor(p+ y p-)en función de las velocidades.
Igualando las expresiones de la tracción obtenemos para la velocidad en el plano del rotor
Definiendo el coeficiente de velocidad inducida axial a, a partir de:
obtenemos la potencia, como diferencia de energías cinéticas
en función del coeficiente de velocidad inducida. Finalmente la tracción adquiere la forma:
La teoría de la cantidad de movimiento no especifica el valor del coeficiente de velocidad inducida, pero si establece los limites en los que se puede mover la extracción de potencia de una comente de aire (Limite de Betz, a = 1/3).
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