Aerodinámica del helicóptero y sus rotores

Desde siempre me ha intrigado la aerodinámica del vuelo del helicóptero y su complejidad mecánica, tanto es así de complejo y fascinante que hasta una mente superdotada como lo fue la de Leonardo da Vinci le dedicó largas horas de estudio a la sustentación de cuerpos en rotación, realizando un curioso modelo de ala en espiral.

Veamos primero la sustentación propiamente dicha. Esta se logra por la formación de un disco de sustentación, desde una sola pala en el Bölkow Bo 103 prototipo alemán, hasta el de ocho palas en el modelo más grande del mundo, el ruso MIL MI-26, girando y fijadas a su cabezal de rotor en la parte superior del helicóptero. El cambio de paso o ángulo de las palas, mediante la palanca lateral, llamada colectivo, hace que este disco empuje más o menos aire hacia abajo, elevando el helicóptero.

El número, ancho y largo de las palas va en función del diseño, el cual depende del máximo peso de despegue, la tolerancia que se tenga sobre las vibraciones inducidas sobre el fuselaje, del peso del rotor, complejidad mecánica y, por último pero no menos importante, el tamaño de hangar requerido para guardar el helicóptero.

Como regla general, a mayor número de palas menos problemas de vibración, mayor peso del rotor y complejidad mecánica con mayores costos de fabricación y mantenimiento.

Rotores principales

Los rotores se clasifican básicamente por la forma en cómo se controlan y compensan los movimientos a los que están sometidas la palas en su movimiento de rotación.

Estos movimientos son:

Aceleración o desaceleración: Movimiento de adelanto-atraso en el sentido de su plano de rotación, originado por ley de Coriolis

Flapeo: Movimiento hacia arriba y abajo, perpendicular con respecto al plano de rotación. Estos dos primeros movimientos son inherentes a la velocidad y posición de la pala durante su rotación, recuerde que durante el vuelo hay una porción del plano de rotación que avanza y la otra mitad retrocede, con respecto a la dirección de traslación.

Inclinación angular: Sobre la pala (cambio de paso), el cual es un movimiento generado mecánicamente; por el accionar del piloto sobre la palanca del colectivo, necesario para lograr elevar el helicóptero, básico en todos los rotores de helicópteros y autogiros.

De acuerdo con esto, los rotores pueden clasificarse fundamentalmente en cuatro tipos: rotor articulado, rotor semi-rígido, rotor rígido y rotor flexible.

Rotores articulados: Fueron los primeros rotores prácticos, fruto del diseño del español Juan de la Cierva. Consta generalmente de tres o más palas, las cuales se encuentran sujetas al mástil mediante dos articulaciones mecánicas. Una articulación en el plano de rotación, que le permite adelantarse o atrasarse respecto de su sentido de giro, movimiento generalmente limitado y controlado por amortiguadores de movimientos, algunos hidráulicos, de resortes o de elastómeros. Otra articulación, perpendicular al mismo plano de rotación, que le permiten el flapeo individual de las palas.

Este rotor permite, mediante sus articulaciones, reducir los esfuerzos producto de estos movimientos sobre las palas y el mástil, al cual están sujetas.

Como punto negativo, este tipo de rotor es más sensible a ser afectado por uno de los principales peligros que puede perjudicar a un helicóptero, el efecto de resonancia en tierra, un fenómeno muy dañino y destructivo que puede acabar con un helicóptero, destrozándolo en cuestión de segundos. Este se produce cuando el rotor principal, por la influencia de una ráfaga de viento; un movimiento rápido del cíclico o bastón de comando; o más comúnmente por la vibración inducida por el golpe de un fuerte aterrizaje, alguna o varias de sus palas son sacadas de su frecuencia natural de vibración, haciendo que cada una oscile en frecuencias diferentes. Estas vibraciones a su vez se transmiten al fuselaje e incrementan las vibraciones en el rotor, haciendo que las oscilaciones en las palas crezcan en magnitud y en frecuencias diferentes, y así incrementándose sucesivamente, causando daños estructurales irreversibles.

Como ejemplo de rotores articulados en sus diferentes variaciones, los tenemos en helicópteros como el MD 500E, S300 CBi, Enstrom 480, Enstrom 280, Lama, Sikorsky S-55, Chinook CH-47.

Rotores semi-rígidos: Se emplea solamente en rotores de dos palas.Esta disposición no requiere del uso de la articulaciones de flapeo, pues al estar sólidamente conectadas una a la otra, ambas palas en su movimiento cuando una flapea hacia arriba la otra lo hará hacia abajo, compensándose mutuamente.El movimiento de aceleración o desaceleración lo absorben directamente las palas por deflexión.

Este tipo de rotor no es muy susceptible de verse afectado por la resonancia en tierra, pues la rígida sujeción de las palas a un mismo cubo o cabezal del rotor evita que puedan oscilar de manera independiente o en frecuencias diferentes. Pero sÍ se deben evitar los movimientos bruscos del comando para hacer inclinar la nariz, pues este puede hacer que el cabezal de fijación basculante del rotor tope violentamente repetidas veces contra el mástil y produzca un corte o fisura en cuestión de segundos.

Ejemplos de estos rotores los podemos ver en los helicópteros más comunes, como el Robinson R22, Bell Jetranger, Longranger, 212, 214, UH-1H y en la mayoría de los helicópteros de Cicaré.

El rotor semi-rígido, junto con el rotor articulado, fueron los más utilizados en los comienzos. Aún hoy en día la mayoría de los helicópteros pequeños lo usan, siendo el tipo ideal para helicópteros y autogiros experimentales y ultralivianos (por su sencillez, bajo peso y la no necesidad de materiales costosos para la construcción de estos).

Rotores rígidos: Estos carecen de toda articulación, por lo que la resistencia estructural del mástil, del cubo o cabezal que sujeta las palas y la flexibilidad de estas, se convierten en algo decisivo para asumir los esfuerzos generados por el flapeo y la aceleración, durante su rotación y vuelo. Posee una gran ventaja respecto al poco peso, gran maniobrabilidad instantánea conferida a la aeronave y bajo costo de mantenimiento. Pero en cambio, si hablamos de confort, por ejemplo, a la hora de realizar un aterrizaje relativamente súbito con una condición de parada rápida o flare, el helicóptero pareciera que se va a desintegrar por sus grandes vibraciones, condición esta prevista y que no trae consecuencias de daños en la estructura de la aeronave, pero para nada es agradable o confortable.

Este tipo de rotor lo tenemos en helicópteros como el reconocido y acrobático BO-105 de Red Bull, cuyo cabezal o cubo del rotor de cuatro palas es una sola pieza tallada en titanio. Igualmente lo tenemos en el BK-117, y el Sikorsky S-69.

Rotores flexibles: Herederos del rotor full articulado, pero reemplazando las articulaciones metálicas, por el uso de materiales flexibles que permiten el necesario movimiento de flapeo y el de aceleración. Siendo estos materiales los elastómeros yvigas flexibles construidas en titanio o fibra de carbono y fibra de vidrio. Igualmente, amortiguadas por dampers con aceite o bumpers elastómeros, que también evitan la resonancia.

Ejemplos de estos rotores los tenemos en los helicópteros Airbus PAH-2Tiger, EC-135, el Agusta 109, y el Koala 119 de Agusta-Westland (llamada ahora Leonardo Helicopters) y el ALH de la India.

Y en la medida que avanzan los materiales compuestos y nuevos diseños han surgido combinaciones mixtas como los sistemas denominados Starflex, en los Ecureuil con su estrella de fijación de las palas en fibra de vidrio y el Dauphin, ambos de Airbus. Los de viga flexible y elastómeros, con cabezal de titanio en el Bell 412 o con cabezal de fibra de vidrio en el Bell 427. El MD 900 y 902 Explorer de MD Helicopters que posee una viga flexible por pala, construida de un bobinado de fibra de vidrio y donde esta viga es la encargada de absorber todos los esfuerzos de la pala.

Rotor de Cola o Rotor Antipar: Luego de que hemos visto los tipos de rotores principales, veamos ahora cómo se contrarresta el torque originado sobre la estructura por la rotación. Según la tercera ley de Newton, por cada acción se origina una reacción de igual magnitud en sentido contrario. Por ende, la rotación de las palas principales originan una reacción sobre el fuselaje, el cual trata de girar en sentido opuesto al sentido en el que giran las palas de rotor principal.

La forma clásica de contrarrestar este movimiento es con el pequeño rotor ubicado en la cola del helicóptero, al cual se le modifica el paso con el uso de los pedales, variando la cantidad de aire y empujando la cola en el sentido contrario al giro de la palas del rotor principal, manteniendo al helicóptero estable. Pero existen otras formas de diseño aerodinámico que también son utilizados para la misma función.

Esto se logra con los rotores contra-rotantes: Dos rotores principales de igual dimensión que giran en sentidos contrarios, contrarrestándose el uno al otro en su torque. De estos tenemos:

Rotores en tándem: Son rotores alineados longitudinalmente, generalmente ubicados adelante y atrás (a distintas alturas) del helicóptero, como es el caso de losbi-turbinas Boeing CH-47 Chinook y el CH-46 Sea Knight.

Rotores coaxiales: Son dos rotores contra-rotantes ubicados uno encima del otro movidos por dos motores independientes y distintos ejes, pero en la misma ubicación, como el caso de los helicópteros rusos de la fábrica Kamov, de los cuales los más conocidos son el KA-27 y KA-28.

Rotores entrelazados: Son dos rotores alineados transversalmente que giran sincronizados, pero en sentido contrario, como el caso del conocido Mono turbina KAMAN K-MAX 1200

Y por último el sistema Notar o Not Tail Rotor: No tiene un rotor propiamente dicho, pero sí tiene un fan o especie de rueda de turbina que genera aire suficiente para hacer posible el efecto Coandă, llamado así en honor a su descubridor, Henri Marie Coandă. En este fenómeno, el botalón de cola del helicóptero, mucho más ancho que lo normal, tiene unas ranuras a todo lo largo con unas pequeñas pestañas que la cubre parcialmente , por donde sale el aire, creando un perfil aerodinámico o especie de ala a todo lo largo del botalón que, utilizando el aire impulsado por el rotor principal, logra el efecto antitorque requerido en 70%; el otro 30% es logrado por el aire que sale por la parte posterior y cuyo control permite maniobrar el helicóptero en su eje vertical utilizando los pedales. Este tipo de sistema es utilizado en los MD Helicopters, modelos MD-520 N, MD 600N y MD-900 y 902.

Veamos qué ocurre cuando perdemos el rotor de cola o el control sobre el torque:

Si estamos en crucero o tenemos algo de velocidad, el helicóptero puede mantener parte de su estabilidad longitudinal gracias al estabilizador vertical, el cual funciona como una especie de perfil de ala, ayudando a evitar que el fuselaje gire sobre su eje. Debemos mantener nuestra velocidad hasta tocar tierra, efectuando un aterrizaje corrido, para evitar que el helicóptero gire sobre su eje.

Ahora, si estamos en un vuelo estacionario, las cosas se pueden complicar si no reaccionamos rápidamente apagando o cortando la potencia del motor y efectuando una autorotación estacionaria, utilizando solo el cambio del paso colectivo al final para amortiguar el aterrizaje. De lo contrario, el helicóptero comenzará a girar cada vez más y más rápido, poniéndonos en una situación incontrolable y bastante peligrosa.

La inercia de las palas es suficiente para lograr posar el helicóptero, y si se hace en el momento adecuado, sin mayores daños.

Por todo esto, el chequeo de pre vuelo en aviación es muy importante y extremadamente necesario en un helicóptero.