Rotores: las arquitecturas de los helicópteros de ataque

(Para Lorenzo Pasturenzi)
09/11/20

Desde la Segunda Guerra Mundial, y en particular desde la Guerra de Vietnam, el helicóptero ha demostrado ser un vehículo militar fundamental en los acontecimientos bélicos de finales del siglo XX y del XXI. Su éxito está principalmente ligado a la versatilidad con la que puede llevar a cabo diversas misiones: desde el transporte de tropas a las operaciones antisubmarinas, desde la evacuación rápida de heridos a las misiones de ataque y apoyo a la infantería, todo ello sin necesidad de pista de despegue y aterrizaje. . En consecuencia, la especificidad de cada misión requería la diversificación de las configuraciones de estos vehículos desde un punto de vista estructural, propulsor y aviónico, como también sucedió en el mundo de la aviación de ala fija.

Incluso dentro de la misma “área operativa”, han surgido diferentes filosofías laborales que han llevado a una mayor diferenciación de los medios. La arquitectura de los rotores de helicópteros, por ejemplo, es un aspecto que muestra una amplia variedad de diseños, que incluso se pueden encontrar en helicópteros con la misma tarea. Basta pensar en el Boeing AH-64 “Apache” y el Kamov KA-50 (foto de apertura), ambos concebidos para ser helicópteros de ataque pero desarrollados con opciones de diseño totalmente diferentes.

Información general sobre rotores

El rotor es el elemento mecánico compuesto por varias palas que, mediante una rotación, produce la fuerza aerodinámica necesaria para pilotar y sostener el helicóptero. Está compuesto por un eje mecánico, puesto en rotación por los motores de la aeronave, sobre el que está montado un cubo. Las palas se aplican al cubo. La generación de fuerza aerodinámica es posible precisamente por la rotación de las palas: mientras que en el caso de los aviones el flujo de aire golpea las alas fijas debido al movimiento de avance del propio avión, en el caso del helicóptero son las "alas" ( es decir, las cuchillas) para moverse, cortando el aire circundante (de ahí la definición de medio de ala giratoria).

Otro componente clave del rotor es el plato de baño, que es el órgano mecánico que permite que el helicóptero se mueva en cualquier dirección modificando la dirección en la que se desarrolla la fuerza aerodinámica resultante y la intensidad de esta fuerza. Básicamente, el plato oscilante puede realizar dos acciones: modificar la incidencia de todas las palas del rotor o modificar la incidencia de las palas de forma diferente durante la rotación. El primer comando se llama paso colectivo y permite variar el valor de la sustentación producida, por lo que es el mando responsable del cambio de altitud del helicóptero. Se dice el segundo comando paso cíclico y su propósito es inclinar el rotor y consecuentemente la fuerza aerodinámica resultante, de tal manera que se desarrolle una componente de fuerza lateral que permita mover el vehículo en las cuatro direcciones horizontales (adelante, atrás, derecha e izquierda). De hecho, la variación cíclica en la incidencia de las palas significa que algunas palas desarrollan más sustentación que otras y esto hace que el rotor se incline en la dirección en la que se desarrolla menos sustentación.

A todo esto hay que sumar el necesita introducir un segundo rotor que produce una fuerza (y por lo tanto un momento) capaz de contrarrestar el par contrario que actúa sobre la estructura del helicóptero. De hecho, para el tercer principio de dinámica, el hecho de aplicar un par que ponga en rotación las palas del helicóptero significa originar un par de reacción con sentido opuesto aplicado al fuselaje, que implica la rotación del vehículo alrededor de su eje de guiñada (eje vertical).

En configuración clásica, el segundo rotor se coloca en la cola del helicóptero y tiene la única función de cancelar este par de reacción; por lo tanto, el rotor principal se distingue del rotor de cola, teniendo diferentes tareas. Tal arquitectura fue realizada por primera vez por Igor Sikorsky en 1940.

El rotor de cola está montado verticalmente (perpendicular al rotor principal), de modo que la sustentación producida origina un par que anula el par de reacción.

Una segunda solución para resolver el problema del par de reacción consiste en equipar el helicóptero con rotores acoplados contrarrotantes, es decir, uno o más pares de rotores principales girando en la dirección opuesta. De esta forma, los pares de reacción producidos tendrán una dirección opuesta y, por tanto, se anularán entre sí, sin que por tanto sea necesario introducir un rotor de cola.

Esta arquitectura tiene cuatro configuraciones posibles:

  1. Rotores en tándem

  2. Rotores coaxiales

  3. Rotores de intersección

  4. Rotores transversales

Análisis de las posibles arquitecturas para helicópteros de ataque

Llegamos al caso de helicópteros de ataque. Normalmente, las arquitecturas de rotor elegidas para este medio son las classica o, en algunos casos, el que tiene rotores coaxiales contrarrotantes. Pero, ¿cuáles son las ventajas y desventajas de ambas configuraciones?

Nuestro análisis puede comenzar comparando el energía consumida de los dos activos. En el caso de la configuración estándar, parte de la potencia suministrada por el motor se transfiere al rotor de cola para equilibrar el contrapar, por lo que no se utiliza para apoyar o mover el helicóptero. En otras palabras, se puede considerar como un poder "desperdiciado".

En el caso de la arquitectura coaxial, en cambio, ambos rotores son principales, es decir, ambos producen una fuerza aerodinámica útil para la propulsión del helicóptero. En consecuencia, con la misma potencia suministrada por el motor y la forma y estructura de las palas, un helicóptero con rotores coaxiales podrá producir una mayor sustentación total, lo que se traduce en una mayor carga transportable y un mayor empuje en movimiento. avance.

En el caso de la configuración clásica, para obtener la misma capacidad de carga habría que agrandar el rotor, pero esto provocaría problemas de compresibilidad en los extremos de las palas. De hecho, la velocidad tangencial en cada punto de la pala viene dada por:

Al aumentar el radio, se alcanzarían velocidades cercanas a la del sonido en los extremos. Esto conduciría a la aparición de ondas de choque y la consiguiente resistencia aerodinámica a las ondas, dañando la estructura y aerodinámica de las palas.

La sustentación producida por la configuración coaxial, sin embargo, no es el doble en comparación con el caso estándar sino simplemente mayor, ya que se debe considerar la interacción aerodinámica entre las palas de los dos rotores.

Desde un punto de vista aerodinámico, los rotores coaxiales son capaces de gestionar mejor los efectos provocados por levantar asimetría.

Para explicar este fenómeno, consideremos un helicóptero con un solo rotor principal en vuelo avanzado. Las palas del rotor se pueden dividir en dos grupos para cada ciclo de rotación: le hojas de avance son los que se mueven en la misma dirección de avance que el helicóptero, mientras que hojas que retroceden se mueven en dirección opuesta a la del avance del vehículo. Como resultado, las palas de avance sentirán una velocidad del viento relativa igual a la suma de su velocidad tangencial más la velocidad de avance del helicóptero, mientras que las palas de retroceso sentirán una velocidad del viento relativa igual a su velocidad tangencial menos la velocidad de avance del helicóptero. 'aeronave. En consecuencia, dado que la sustentación está relacionada con el cuadrado de la velocidad relativa:-, las palas delanteras producirán más sustentación que las que retroceden (“asimetría de sustentación”), provocando la creación de un momento de balanceo peligroso para el vehículo.

La solución encontrada para reducir este fenómeno consiste en dejar libres las palas del rotor para realizar un movimiento vertical mediante la aplicación de bisagras, denominado "aleteo”, Que al modificar los ángulos de incidencia consigue minimizar la diferencia de sustentación entre las dos regiones. De hecho, las palas que retroceden tenderán a moverse hacia abajo, aumentando consecuentemente su ángulo de ataque debido a la componente de velocidad vertical relativa hacia arriba y por lo tanto la sustentación producida. Las palas delanteras, por otro lado, tenderán a moverse hacia arriba, disminuyendo el ángulo de ataque debido a la componente de velocidad vertical relativa hacia abajo y por lo tanto la sustentación producida.

El problema con este sistema de equilibrado surge del hecho de que cuanto mayor es la velocidad de avance del helicóptero, menor es la velocidad relativa percibida por las palas en retroceso, por lo que debe ser mayor el ángulo de ataque para producir la sustentación requerida. Equilibrar la asimetría. Sin embargo, además de un cierto ángulo de ataque, las palas se detienen, es decir, la vena de fluido se desprende del perfil aerodinámico, lo que provoca una pérdida completa de sustentación y un aumento de la resistencia aerodinámica. Tal fenómeno, llamado puesto de la hoja que retrocede, resulta en un vuelco brusco del helicóptero (la sustentación producida por las palas delanteras produce un momento con respecto al eje de balanceo de la aeronave) con la consiguiente pérdida de control. Por esta razón, todo helicóptero tiene un cierto Nunca exceda la velocidad, es decir, una velocidad de alimentación que no se puede superar.

En la configuración con rotores coaxiales, por otra parte, el bloqueo de las palas que retroceden se produce en regiones opuestas en los dos rotores, ya que giran en sentido contrario. En consecuencia, no se crea ningún desequilibrio de sustentación entre las dos mitades y no surge ningún momento de balanceo que hubiera provocado el vuelco del helicóptero. Ahí Nunca exceda la velocidad en el caso de helicópteros con esta configuración es por tanto mayor, ya que la pérdida de la pala en retirada no es tan vinculante como en la configuración estándar, sin embargo siempre está limitada por la velocidad que desencadena los fenómenos de compresibilidad en los extremos de las palas.

Habiendo hablado del "aleteo", es necesario subrayar un problema relacionado con este aspecto presente en los rotores coaxiales contrarrotantes. Las palas de los rotores individuales deben poder batirse libremente, de manera que se minimice la asimetría de elevación. En consecuencia, los dos rotores deben colocarse a una cierta distancia entre sí, para evitar un contacto catastrófico entre sus palas. Esto significa que la altura total de un helicóptero con esta configuración será mucho más grande que el de un helicóptero con una configuración clásica.

Por el contrario, el hecho de que no necesiten un rotor de cola les permite ser mucho más compacto, lo que hace que la arquitectura coaxial sea una opción interesante también para helicópteros embarcados. Además, una de las principales causas de pérdida de helicópteros está relacionada con daños en el rotor de cola o la transmisión que lo impulsa.

En un contexto militar, el hecho de no contar con el rotor de cola, por tanto, hace que la realización de la misión sea más segura, así como reduce el riesgo de ser golpeado en partes vitales de la máquina. De hecho, es posible reforzar la zona en la que se encuentran los ejes de transmisión y otros componentes mecánicos de los rotores sin sobrecargar el peso, considerando la mayor concentración de estos dispositivos en comparación con el caso de la configuración estándar y por tanto la menor superficie que requiere. mayor protección.

Finalmente, una ventaja adicional de la configuración coaxial es la menos ruido producto en comparación con la configuración estándar. Una fuente importante de ruido en un helicóptero es la interacción entre los remolinos producidos por las palas del rotor principal con el rotor de cola y la alta velocidad de rotación de este último, necesaria por su reducido tamaño. Al eliminar el rotor de cola, el helicóptero es decididamente más silencioso, al tiempo que produce un mayor ruido en el área de los dos rotores principales en comparación con la arquitectura de un solo rotor.

Conclusiones

La mayoría de los helicópteros de ataque desarrollados tienen una arquitectura clásica, con rotor principal y rotor de cola, a pesar de las diferentes ventajas que presenta la configuración con dos rotores principales coaxiales contrarrotantes. La motivación radica en el complejidad mecánica requerido por la arquitectura coaxial. Basta pensar en la necesidad de implementar dos platos oscilantes, uno para cada rotor, capaces de bascular de forma diferencial y con perfecto sincronismo y acoplamientos mecánicos capaces de proporcionar pares opuestos a los dos rotores. Todo esto da como resultado el diseño de sistemas mecánicos complejos, por lo tanto más propensos a fallas y más difíciles de mantener.

El componente relativo al pericia necesario para diseñar sistemas de tal complejidad, actualmente propiedad de pocas empresas en el mundo. Baste decir que los únicos helicópteros de ataque militar que explotan plenamente esta tecnología son los producidos por Kamov, mientras que en el "frente occidental" Sikorsky ha desarrollado el S-97 "Raider" (actualmente finalista con el prototipo "Raider X" en la competición por el Avión de reconocimiento de ataque futuro del ejército de EE. UU.).

Foto: Ministerio de Defensa de la Fed de Rusia / web / Ejército de EE. UU. / Lockheed Martin