¿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". Diseños teóricos adicionales fueron concebidos 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 cómo vuelan también puede ser un desafío. La aerodinámica de las aeronaves de ala fija tiene sentido. Es bastante fácil ver y entender cómo una superficie plana fija, un perfil aerodinámico que se mueve por el aire en la dirección del viaje, 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 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 impulsar la aeronave hacia el cielo, y mucho menos cómo las aeronaves de rotor gestionan el movimiento hacia arriba y hacia abajo, izquierda y derecha, hacia adelante y hacia atrás.
Si estás listo para aprender, quédate, porque hoy vamos a desmitificar la aerodinámica del vuelo de los helicópteros. También responderemos algunas de tus preguntas más candentes sobre helicópteros.
¡Vamos a ello!
¿Qué fuerzas se utilizan en un helicóptero?
Comenzaremos con lo básico. Al igual que los aviones de ala fija, las tres fuerzas aerodinámicas que afectan a los helicópteros son:
- Sustentación
- Empuje
- Arrastre
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 es generada 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 sus palas del rotor principal y el 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).
Arrastre
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 del helicóptero vs controles del 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 a los de los aviones. Los controles cíclico y colectivo son exclusivos de las aeronaves de rotor.
Control colectivo
La palanca colectiva en el 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 el paso aumenta, el helicóptero asciende. Una disminución en el paso del rotor principal permite que el helicóptero descienda.
El control colectivo está vinculado a la potencia del motor, ya que un paso aumentado requiere una mayor potencia del motor para mantener la velocidad del rotor.
Control cíclico
Los movimientos del helicóptero hacia adelante, hacia atrás y de lado a lado se controlan con la palanca de control 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 de 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 está configurado para compensar la tendencia natural del helicóptero a inclinarse 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 acumular 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 giratorias del rotor 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 está generando sustentación, el piloto tira lentamente hacia arriba de la palanca colectiva 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 transita 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 contrarrestar el par generado por el tirón opuesto del motor.
El rotor de cola mantiene el helicóptero recto y evita que gire sin control en la 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 dependiendo de qué tan cerca estén del suelo y si están dentro o fuera del efecto suelo.
Si los helicópteros están en vuelo estacionario dentro de un diámetro de rotor de la superficie, están en efecto suelo. En efecto suelo, el flujo de aire vertical que pasa a través de los rotores golpea el suelo y es expulsado. También se generan pequeños vórtices en la punta del ala.
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 afectados y crecen más de lo que lo harían si estuviera en efecto suelo. Los vórtices más grandes en la punta del ala disminuyen la sustentación.
Desde un punto de vista práctico, esto significa que los helicópteros tienen más sustentación cuando están en vuelo estacionario dentro del efecto suelo que cuando están fuera del efecto suelo. A medida que 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 (adelante, atrás y lateral) utilizando entradas cíclicas para inclinar el rotor. La inclinación del rotor crea una sustentación desequilibrada y, por lo tanto, un empuje.
La palanca cíclica se empuja en la dirección de viaje deseada, lo que hace 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 lateralmente.
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 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 a medida que la aeronave avanza, y hay palas de avance (que se mueven en la dirección del vuelo) y palas de rotor en retroceso (que se alejan de la dirección del vuelo).
Las palas de avance experimentan un aumento del flujo de aire y las palas en retroceso tienen una disminución del flujo de aire. Este flujo de aire desigual provoca un desajuste en la generación de sustentación, de ahí una asimetría de sustentación. Los helicópteros compensan la asimetría de sustentación utilizando diseños de aleteo de las palas y técnicas de batimiento 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 más tarde.
Por ejemplo, cuando un piloto de ala fija realiza entradas de control para elevar la nariz de la aeronave, la nariz sube y las alas permanecen niveladas.
Si un piloto de helicóptero eleva la nariz mientras la pala del rotor está en la posición delantera, el aumento de paso se expresará 90 grados más tarde como un aumento de paso en el lado izquierdo de la aeronave, lo que provocará 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 dicho, 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 hacia adelante, sentirán un balanceo hacia la derecha y deberán aplicar una entrada cíclica hacia la izquierda para compensar.
Sustentación translacional efectiva
A medida que un helicóptero pasa de un vuelo estacionario a un vuelo hacia adelante, lo hace generando sustentación translacional. La sustentación translacional efectiva ocurre cuando el sistema del rotor principal supera por completo los vórtices de la punta del ala y el helicóptero opera 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 se producen detrás del sistema del rotor.
La sustentación traslacional efectiva se genera por primera vez a velocidades de entre 16 y 24 nudos. La nariz tenderá a elevarse durante la transición a la sustentación traslacional, y el piloto deberá compensar con una entrada de control cíclica hacia adelante.
Diferencia entre helicópteros y aviones
Los aviones y los helicópteros son ambas máquinas voladoras comunes, pero como compartimos, tienen algunas diferencias clave.
Aquí hay un breve resumen:
- El empuje es generado por un motor o una hélice en un avión y por el paso de las palas del rotor principal en un helicóptero.
- Los helicópteros tienen controles colectivo y cíclico que los aviones no tienen.
- Los pilotos de helicópteros tienen más entradas de control requeridas 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 mantenerse en el aire.
- En caso de fallo del motor, un avión de ala fija intentaría planear hasta aterrizar, mientras que un helicóptero usaría la autorrotación para intentar aterrizar.
Preguntas frecuentes sobre helicópteros
Finalmente, como prometimos, aquí tienes algunas respuestas rápidas a todo lo que querías saber sobre los helicópteros.
¿A qué altura vuelan los helicópteros?
El vuelo de helicóptero más alto del mundo fue de 42,000 pies en un AS 350 B2 Squirrel. Sin embargo, el Squirrel es una excepción, ya que la mayoría de los helicópteros vuelan alrededor de los 5,000 pies e incluso los helicópteros de alto rendimiento suelen mantenerse a 10,000 pies.
Las altitudes máximas de los helicópteros son más bajas que las de los aviones de ala fija porque a medida que el aire se enrarece, es necesario aumentar el paso de las palas del rotor para compensar.
Solo se puede realizar un cierto ajuste de paso 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 de helicóptero registrado más largo fue un viaje de 2.213 millas realizado en un Hughes YOH-6 Cayuse. El helicóptero de mayor alcance 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 prolongados y el alcance promedio de un helicóptero está más cerca de las 200 a 800 millas, dependiendo del tamaño y tipo de helicóptero.
¿Qué tan rápido 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 promedio de los helicópteros oscila entre 150 y 200 millas por hora.
Puedes aprender más sobre helicópteros y convertirte en piloto:
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Cómo convertirse en piloto de helicóptero (Guía paso a paso)
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Diferencias entre helicóptero y avión: seguridad, velocidad, facilidad de vuelo
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Es tu turno
¿Eres piloto o estudiante de helicóptero? ¿Cuál fue la parte más desafiante de aprender a volar una aeronave de rotor en comparación con una de ala fija? Comparte lo que más disfrutas de volar helicópteros o por qué te gustaría probar las aeronaves de rotor si actualmente eres un operador de ala fija. Nos encantaría saber de ti.
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