¿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 dibujó su diagrama de un "tornillo aéreo". A lo largo de los siglos siguientes se concibieron diseños teóricos adicionales, 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 produjo finalmente el primer helicóptero verdaderamente funcional y práctico, el VS-300.
Si diseñar y producir helicópteros fue difícil, aprender a volarlos también puede ser un desafío. La aerodinámica de las aeronaves de ala fija tiene sentido. Es bastante fácil ver y comprender cómo un perfil aerodinámico plano y fijo 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 propulsar la aeronave hacia el cielo, y mucho menos cómo las aeronaves de rotor gestionan el movimiento vertical hacia arriba y hacia abajo, izquierda y derecha, hacia adelante y hacia atrás.
Si estás listo para aprender algo, quédate, porque hoy vamos a desmitificar la aerodinámica del vuelo de 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
- 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 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).
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 de control colectivo en el lado izquierdo del piloto controla el paso de los rotores principales. Se realizan ajustes de paso iguales de forma colectiva a todas las palas al mismo tiempo (de ahí su 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 aumento del paso requiere un aumento de la potencia del motor para mantener la velocidad del rotor.
Control cíclico
Los movimientos de avance, retroceso y de lado a lado del helicóptero se controlan con la palanca de control cíclico (un joystick colocado 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 se ajusta para compensar la tendencia natural del helicóptero a girar a 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 giratorias mientras el helicóptero permanece en tierra.
Para despegar, los pilotos de helicóptero abren el acelerador para aumentar la velocidad del rotor. Las palas del rotor principal giran hasta que su rotación alcanza 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 el vuelo controlado. El rotor de cola funciona como una hélice para contrarrestar el par generado por el tiro 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 rotar 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 en la punta de las alas no se alteran y crecen más de lo que lo harían si estuviera en efecto suelo. Los vórtices más grandes en la punta de las alas 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 de él. 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 hacia los lados) 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 ángulo de ataque aumentado genera sustentación en la dirección opuesta, y la sustentación desequilibrada permite que el helicóptero se mueva lateralmente.
Principios únicos de la aerodinámica del helicóptero
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 lo que respecta 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 de retroceso (que se mueven en dirección opuesta al 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 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 palas y técnicas de batido 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 levantar la nariz de la aeronave, la nariz sube y las alas permanecen niveladas.
Si un piloto de helicóptero levanta la nariz mientras la pala del rotor está en la posición delantera, el aumento de cabeceo se expresará 90 grados después 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 del helicóptero que ocurre cuando la dirección del flujo de aire cambia de vertical a horizontal. A medida que un helicóptero comienza la transición 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 velocidades 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 90 grados después de ocurrir. Esto significa que a medida que los pilotos pasan de un vuelo estacionario a un vuelo hacia adelante, 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 se mueve 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 la punta de las alas 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 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 debe compensar con una entrada de control cíclica hacia adelante.
Diferencia entre helicópteros y aviones
Los aviones y helicópteros son máquinas voladoras comunes, pero como compartimos, tienen algunas diferencias clave.
Aquí tienes un breve resumen:
- 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 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 vuelo estacionario.
- En caso de falla del motor, un avión de ala fija intentaría planear para 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.
¿Qué altura alcanzan los helicópteros?
El vuelo de 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 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, el paso de las palas del rotor debe aumentarse 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.
¿Qué distancia pueden volar los helicópteros?
El vuelo de helicóptero más largo registrado fue un viaje de 2.213 millas realizado en un Hughes YOH-6 Cayuse. El helicóptero de mayor alcance que vuela actualmente 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 es de entre 200 y 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). Por el contrario, el helicóptero militar más rápido es el Chinook CH-47F, con 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 convertirse en piloto de helicóptero (guía paso a paso)
-
Diferencias entre helicóptero y avión: Seguridad, velocidad, facilidad de vuelo
Si te interesa convertirte en piloto de helicóptero o estudiar más sobre cómo funcionan los helicópteros, te recomendamos una copia del ASA Student Pilot Kit. Este kit incluye una guía definitiva que cubre la teoría de vuelo, aerodinámica, sistemas, rendimiento, maniobras, emergencias y 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 para Estudiantes Piloto de Helicópteros ASAEl Kit para Estudiantes Piloto de Helicópteros ASA incluye casi todo lo necesario para volar un helicóptero, excepto el helicóptero en sí. Este valioso kit combina todos los textos y suministros esenciales para ayudarte a prepararte con confianza para el examen de conocimientos de la FAA y el examen práctico, y todo viene en un elegante maletín de piloto. 
|
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.
¿Te resultó útil este artículo?
¿Crees que nos perdimos algo importante o cometimos un error? ¡Déjanos saber en los comentarios a continuación!
