¿Cómo vuelan los helicópteros? (La aerodinámica explicada)
La idea del helicóptero existe desde el siglo XV, cuando Leonardo da Vinci esbozó su diagrama de un «tornillo aéreo». En los siglos siguientes se concibieron otros diseños teóricos, pero los helicópteros de primera generación no se construyeron hasta principios del siglo XX, en torno a la Primera Guerra Mundial. Estos primeros modelos eran inestables y poco fiables. No fue hasta 1939 cuando Igor Sikorsky produjo finalmente el primer helicóptero verdaderamente funcional y práctico, el VS-300.
La idea del helicóptero existe desde el siglo XV, cuando Leonardo da Vinci esbozó su diagrama de un "tornillo aéreo". Se concibieron diseños teóricos adicionales durante los siglos siguientes, pero los helicópteros operativos de primera generación no se construyeron hasta principios del siglo XX, alrededor de la Primera Guerra Mundial.
Estos primeros modelos eran inestables y poco fiables. No fue hasta 1939 cuando Igor Sikorsky finalmente produjo el primer helicóptero verdaderamente funcional y práctico, el VS-300.
Si diseñar y producir helicópteros era difícil, aprender a volarlos también puede ser un desafío. La aerodinámica de las aeronaves de ala fija tiene sentido. Es bastante fácil ver y entender cómo un perfil aerodinámico plano y fijo que se mueve a través del aire en la dirección del desplazamiento genera sustentación.
Todos podemos simular eso simplemente sacando la mano por la ventanilla de un coche en movimiento y ajustando el ángulo de nuestra palma con respecto al suelo.
Los helicópteros son más complejos. No es tan sencillo visualizar cómo las pequeñas y estrechas palas giratorias de un helicóptero generan suficiente sustentación para propulsar la aeronave hacia el cielo, y mucho menos cómo las aeronaves de rotor gestionan el movimiento vertical hacia arriba y hacia abajo, a izquierda y derecha, hacia adelante y hacia atrás.
Si estás listo para aprender, quédate, porque hoy vamos a desmitificar la aerodinámica del vuelo en helicóptero. También responderemos algunas de tus preguntas más candentes sobre helicópteros.
¡Vamos a ello!
¿Qué fuerzas se utilizan en un helicóptero?
Empezaremos con lo básico. Al igual que los aviones de ala fija, las tres fuerzas aerodinámicas que afectan a los helicópteros son:
- Sustentación
- Empuje
- Resistencia
El empuje y la resistencia son fuerzas opuestas, mientras que la sustentación se opone a la gravedad. Así es como los helicópteros generan sustentación, empuje y resistencia.
Sustentación
En un helicóptero, la sustentación se genera por el flujo de aire que se mueve a través de las palas giratorias del rotor. Los aviones de ala fija deben moverse por la pista para generar sustentación, pero los helicópteros generan sustentación mientras permanecen estacionarios con las palas del rotor principal y del rotor de cola girando.
Empuje
Los aviones de ala fija producen empuje directamente a través de sus motores. Los helicópteros, por otro lado, convierten la sustentación en empuje cuando la inclinación del rotor principal altera el vector de sustentación (más sobre esto más adelante).
Resistencia
Al igual que con los aviones de ala fija, el flujo de aire a través del cuerpo del helicóptero produce resistencia durante el vuelo.
Controles de helicóptero vs. Controles de avión
Los helicópteros tienen un acelerador como los aviones de ala fija, junto con pedales (aunque estos se usan para el rotor de cola en lugar del timón), pero los helicópteros tienen otros controles que son diferentes de los de los aviones. Los controles cíclico y colectivo son exclusivos de las aeronaves de rotor.
Control colectivo
La palanca colectiva del lado izquierdo del piloto controla el paso de los rotores principales. Se realizan ajustes de paso iguales colectivamente a todas las palas al mismo tiempo (de ahí el nombre).
Los ajustes de paso del rotor principal se utilizan para mover el helicóptero verticalmente hacia arriba y hacia abajo. Cuando se aumenta el paso, el helicóptero asciende. Una disminución del paso del rotor principal permite que el helicóptero descienda.
El control colectivo está vinculado a la potencia del motor, ya que un mayor paso requiere una mayor potencia del motor para mantener la velocidad del rotor.
Control cíclico
Los movimientos hacia adelante, hacia atrás y de lado a lado del helicóptero se controlan con la palanca de mando cíclico (un joystick situado entre las piernas del piloto). Al igual que el colectivo, el control cíclico también ajusta el paso de las palas del rotor principal, pero en lugar de ajustes simultáneos, las entradas del control cíclico se realizan en cada pala en el mismo punto de su ciclo.
Pedales
En lugar de controlar el timón, los pedales de un helicóptero controlan el paso del rotor de cola. El ángulo de paso predeterminado del rotor de cola se establece para compensar la tendencia natural del helicóptero a girar hacia la derecha.
Al presionar el pedal derecho, la nariz del helicóptero se desplaza hacia la derecha y la cola hacia la izquierda, mientras que al presionar el pedal izquierdo, la nariz se mueve hacia la izquierda y la cola hacia la derecha.
¿Cómo despegan los helicópteros?
Mientras que los aviones de ala fija necesitan rodar por una pista para ganar suficiente velocidad y sustentación para el despegue, los helicópteros generan sustentación para el despegue gracias al flujo de aire que se mueve sobre sus palas de rotor giratorias mientras el helicóptero está en el suelo.
Para despegar, los pilotos de helicópteros abren el acelerador para aumentar la velocidad del rotor. Las palas del rotor principal giran hasta que su rotación ha alcanzado una velocidad suficiente para generar sustentación.
Una vez que el rotor principal genera sustentación, el piloto tira lentamente del colectivo para cambiar simultáneamente el paso de todas las palas del rotor.
A medida que la entrada colectiva aumenta el par del rotor, el piloto presiona el pedal izquierdo y utiliza el rotor de cola para contrarrestar y compensar el par.
Cuando la sustentación generada por el rotor principal excede el peso del helicóptero, la aeronave se eleva verticalmente en el aire y transiciona a un vuelo estacionario.
Nota: El rotor de cola del helicóptero es muy importante para un vuelo controlado. El rotor de cola funciona como una hélice para compensar el par generado por el empuje opuesto del motor.
El rotor de cola mantiene el helicóptero recto y evita que gire sin control en dirección opuesta al rotor principal. También se puede utilizar para girar y dirigir el helicóptero generando un movimiento de guiñada.
Flujo de aire en un vuelo estacionario
Cuando los helicópteros están en un vuelo estacionario sin viento, el flujo de aire y el manejo cambian según la cercanía al suelo y si están dentro o fuera del efecto suelo.
Si los helicópteros están flotando dentro de un diámetro de rotor de la superficie, están en efecto suelo. En efecto suelo, el flujo de aire vertical que pasa por los rotores golpea el suelo y es expulsado. También se generan pequeños vórtices en las puntas de las alas.
Cuando está fuera del efecto suelo, el flujo de aire vertical continúa directamente hacia abajo. Sin el movimiento hacia afuera del flujo de aire descendente, los vórtices de la punta del ala no se ven alterados y crecen más de lo que lo harían si estuvieras en el efecto suelo. Los vórtices de la punta del ala más grandes disminuyen la sustentación.
Desde un punto de vista práctico, esto significa que los helicópteros tienen más sustentación cuando están en efecto suelo que cuando están fuera del efecto suelo. Cuando un piloto despega, necesita usar el colectivo para aumentar el paso y compensar la disminución de la sustentación, de lo contrario, la aeronave se hundirá cuando salga del efecto suelo.
¿Cómo vuelan los helicópteros?
Una vez que un helicóptero despega, el piloto pasa de un vuelo estacionario a un vuelo direccional (hacia adelante, hacia atrás y lateralmente) utilizando entradas cíclicas para inclinar el rotor. La inclinación del rotor crea una sustentación y, por lo tanto, un empuje desequilibrados.
La palanca cíclica se empuja en la dirección de viaje deseada, haciendo que las palas del rotor se inclinen más en esa dirección. El aumento del ángulo de ataque genera sustentación en la dirección opuesta, y la sustentación desequilibrada permite que el helicóptero se mueva en dirección lateral.
Principios únicos de la aerodinámica de los helicópteros
Si has estudiado las fuerzas aerodinámicas básicas, encontrarás que muchos de los principios aerodinámicos del vuelo de ala fija también se aplican a los helicópteros, aunque las aeronaves de rotor también tienen algunos principios únicos.
Asimetría de la sustentación
Cuando un avión de ala fija está en vuelo recto y nivelado, el flujo de aire es el mismo en ambas alas. Este flujo de aire igual produce una sustentación simétrica.
En cuanto a la aerodinámica de los helicópteros, las palas giran en círculo mientras la aeronave avanza, y hay palas de avance (que se mueven en la dirección del vuelo) y palas de rotor de retroceso (que se mueven en sentido contrario a la dirección del vuelo).
Las palas de avance experimentan un aumento del flujo de aire y las palas de retroceso tienen una disminución del flujo de aire. Este flujo de aire desigual provoca una falta de coincidencia en la generación de sustentación, de ahí una asimetría de la sustentación. Los helicópteros compensan la asimetría de la sustentación utilizando diseños de batimiento de palas y técnicas de ajuste cíclico.
Precesión giroscópica
Los efectos de la precesión giroscópica son causados por la rotación, por lo que la precesión giroscópica no se aplica a las aeronaves de ala fija. Para los pilotos de helicópteros, la precesión giroscópica significa que los efectos de cualquier entrada que se realice tendrán lugar 90 grados después.
Por ejemplo, cuando un piloto de ala fija realiza entradas de control para elevar el morro de la aeronave, el morro se eleva y las alas permanecen niveladas.
Si un piloto de helicóptero eleva la nariz mientras la pala del rotor está en la posición de avance, el aumento de cabeceo se expresará 90 grados más tarde como un aumento de cabeceo en el lado izquierdo de la aeronave, lo que causará un balanceo a la derecha.
Efecto de flujo transversal
El efecto de flujo transversal es un fenómeno específico de los helicópteros que ocurre cuando la dirección del flujo de aire cambia de vertical a horizontal. A medida que un helicóptero comienza a pasar de un vuelo estacionario a un vuelo hacia adelante, experimenta un movimiento de balanceo hacia la derecha y ligeras vibraciones causadas por el efecto de flujo transversal.
En un vuelo estacionario, la mayor parte del flujo de aire a través de los rotores es vertical, mientras que durante el vuelo hacia adelante, la mayor parte del flujo de aire es horizontal. Esto significa que a medida que un helicóptero pasa de un vuelo estacionario a un vuelo, la dirección del flujo de aire cambia y genera un flujo transversal.
A una velocidad aerodinámica de 10-20 nudos, el flujo de aire es más horizontal en la mitad delantera de los rotores y más vertical en la mitad trasera. La mitad delantera de las palas tiene más sustentación que la mitad trasera.
Como ya hemos visto, debido a la precesión giroscópica, el aumento y la disminución de la sustentación se expresan ambos 90 grados después de que ocurren. Esto significa que, a medida que los pilotos pasan de un vuelo estacionario a un vuelo de avance, sentirán un balanceo a la derecha y deberán aplicar una entrada cíclica a la izquierda para compensar.
Sustentación traslacional efectiva
A medida que un helicóptero pasa de un vuelo estacionario a un vuelo de avance, lo hace generando sustentación traslacional. La sustentación traslacional efectiva ocurre cuando el sistema de rotor principal supera completamente los vórtices de las puntas de las alas y el helicóptero está operando en un entorno de aire limpio.
En esta etapa, el flujo de aire ha completado la transición de vertical a horizontal y los pequeños vórtices de la punta del ala que se generan ocurren detrás del sistema de rotor.
La sustentación traslacional efectiva se genera por primera vez a velocidades de entre 16 y 24 nudos. La nariz querrá levantarse durante la transición a la sustentación traslacional, y el piloto tiene que compensar con una entrada de control cíclica hacia adelante.
Diferencia entre helicópteros y aviones
Aviones y helicópteros son máquinas voladoras comunes, pero como hemos compartido, tienen algunas diferencias clave.
Aquí hay un resumen rápido:
- El empuje es generado por un motor o una hélice en un avión y por el paso de la pala del rotor principal en un helicóptero.
- Los helicópteros tienen controles colectivos y cíclicos que los aviones no tienen.
- Los pilotos de helicóptero requieren más entradas de control para mantener la estabilidad de la aeronave.
- Los helicópteros pueden despegar y aterrizar en espacios reducidos sin pistas.
- Los helicópteros pueden moverse lateralmente y ascender y descender verticalmente.
- Los helicópteros pueden flotar en el lugar.
- En caso de fallo del motor, un avión de ala fija intentaría planear hasta aterrizar, mientras que un helicóptero utilizaría la autorrotación para intentar aterrizar.
Preguntas frecuentes sobre helicópteros
Finalmente, como prometí, aquí tienes algunas respuestas rápidas a todo lo que querías saber sobre los helicópteros.
¿Qué altura alcanzan los helicópteros?
El vuelo en helicóptero más alto del mundo fue de 42.000 pies en un AS 350 B2 Squirrel. El Squirrel es una excepción, ya que la mayoría de los helicópteros vuelan alrededor de los 5.000 pies e incluso las aeronaves de rotor de alto rendimiento suelen mantenerse a 10.000 pies.
Las altitudes máximas de los helicópteros son más bajas que las de las aeronaves de ala fija porque, a medida que el aire se enrarece, el paso de las palas del rotor debe aumentarse para compensar.
Solo se puede realizar un ajuste de paso limitado debido al diseño de las palas, y cuando el paso ya no se puede ajustar, el helicóptero no puede generar sustentación.
¿Hasta dónde pueden volar los helicópteros?
El vuelo en helicóptero más largo registrado fue un viaje de 2.213 millas realizado en un Hughes YOH-6 Cayuse. El helicóptero de mayor autonomía actualmente en vuelo es el Bell Boeing V-22 Osprey, con un alcance de 2.230 millas.
A diferencia de los aviones de ala fija, los helicópteros no están construidos para vuelos de larga duración y el alcance medio de un helicóptero es más cercano a las 200-800 millas, dependiendo del tamaño y tipo de helicóptero.
¿A qué velocidad pueden volar los helicópteros?
El helicóptero más rápido del mundo es el Eurocopter X3 con una velocidad máxima de 295 millas por hora (255 nudos). En contraste, el helicóptero militar más rápido es el Chinook CH-47F de 195 millas por hora (170 nudos).
El Airbus H155 es otro helicóptero rápido para civiles con una velocidad máxima de 200 millas por hora (174 nudos). La velocidad media de los helicópteros oscila entre 150 y 200 millas por hora.
Puedes aprender más sobre helicópteros y convertirte en piloto:
- Cómo obtener una licencia de helicóptero (paso a paso)
- Cómo convertirse en piloto de helicóptero (Guía paso a paso)
- Efecto suelo: Aprende a usarlo a tu favor
- Ala fija vs. Ala rotatoria: Ventajas y desventajas
- Diferencias entre helicóptero y avión: seguridad, velocidad, facilidad de vuelo
Si está interesado en convertirse en piloto de helicóptero o estudiar más sobre cómo funcionan los helicópteros, le recomendamos una copia del ASA Student Pilot Kit. Este kit incluye una guía definitiva que cubre la teoría de vuelo, la aerodinámica, los sistemas, el rendimiento, las maniobras, las emergencias y mucho más. Es la base para el examen de conocimientos de la FAA y sigue siendo un excelente recurso de repaso y manual de referencia para pilotos de helicóptero certificados.
|
Kit de piloto estudiante de helicóptero ASAEl kit de piloto estudiante de helicóptero ASA viene con casi todo lo que necesita para volar un helicóptero, excepto el helicóptero en sí. El kit económico combina todos los textos y suministros esenciales para ayudarle a prepararse con confianza para el examen de conocimientos de la FAA y el vuelo de prueba, y todo viene en un atractivo maletín de piloto. 
|
Es tu turno
¿Es usted piloto de helicóptero o estudiante? ¿Cuál fue la parte más desafiante de aprender a volar una aeronave de rotor versus una de ala fija? Comparta lo que más le gusta de volar helicópteros o por qué le gustaría probar una aeronave de rotor si actualmente es operador de ala fija. Nos encantaría saber de usted.
¿Le resultó útil este artículo?
¿Cree que nos perdimos algo importante o cometimos un error? ¡Háganoslo saber en los comentarios a continuación!
