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Enviado por
José María Rebés

Helicópteros: aeronaves de ala rotatoria (1)

Fecha y hora de inicio
19/03/2013 00:21:31
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Es más asombroso el hecho de que un helicóptero sea maniobrable que el hecho de que los aviones vuelen, o al menos esa es mi sensación. Parecería que sin ninguna fuerza horizontal ningún objeto pesado debería ser capaz de desplazarse horizontalmente y sin ninguna fierza vertical de hacerlo verticalmente. Pero ¿es que no hay tales fuerzas? No parece que se le aplique ninguna fuerza en vertical, pero sin duda algo hace que se eleve, no parece haber aplicación de fuerzas horizontales o laterales, pero los vemos maniobrar en esas direcciones.

La única fuerza que sabemos que existe es la que proporciona una hélice en posición horizontal girando, algo llamado rotor, pero que por mucho que expulse aire hacia abajo no parece ser lo suficiente como para contrarrestar la fuerza de la gravedad. La respuesta no hay que buscarla en el desplazamiento de aire, sino en otro sitio. El principio de sustentación, y por lo tanto de elevación, es el mismo que para un avión: la diferencia de presión que se produce en la parte superior y la parte inferior de un plano, en el caso del avión, o de un conjunto de palas horizontales, en el del helicóptero. Si las palas del helicóptero fueran tablas planas y horizontales el aparato no se elevaría del suelo, para que lo haga el perfil de las palas debe ser convexo visto por encima (en "colina") y plano o cóncavo visto por debajo. Solo así se crea, al girar las palas del rotor, esa diferencia de presión que hace ascender al helicóptero, ese mismo efecto de sustentación que está detrás del vuelo de los aviones, pero que de ninguna forma sirve para desplazarlo en ninguna otra dirección. Luego veremos cómo se desplaza. En el caso del avión, el aire en movimiento que pasa por encima y por debajo de los planos proviene del empuje de los motores que desplazan el avión, en el caso del helicóptero esa masa de aire que crea la sustentación se produce por el movimiento de las propias palas. Un helicóptero es una aeronave de alas rotativas, es más, un helicóptero es una aeronave de alas rotativas mecanizadas.

Por supuesto cuanto mayor es la longitud de las palas mayor es la superficie de las alas y mayor es la sustentación. Claro, todo debe tener un límite, unas palas desproporcionadamente largas podrían sufrir fracturas al estar sometidas a fuerzas tan importantes. Como curiosidad, y algo más que curiosidad, hay que decir que las puntas de las alas pueden llegar a girar más deprisa que la velocidad del sonido, mientras que la parte de inserción de las palas en el mástil no llega nunca a esa velocidad. Es ese efecto de ruptura de la velocidad del sonido lo que proporciona a los helicóptero ese sonido como de estruendo, algo conocido como "choque subsónico".

[Hago aquí un inciso que más tarde recogeré: un autogiro es una aeronave con alas rotativas no mecanizadas, hélices de giro libre sin motorizar que producen sustentación al igual que las palas de un helicóptero, pero cuyo giro no proviene de la acción de un motor sino de la acción del aire contra sus palas, al igual que en un molino de viento. Es más, son molinos de viento puestos en horizontal.]

Un rotor de helicóptero gira siempre a la misma velocidad, a pesar de lo cual el helicóptero puede subir y bajar. Siguiendo con el equivalente del avión, lo hace gracias al ángulo de ataque, que en el caso del helicóptero se modifica por la inclinación de las palas, que pueden girar sobre su propio eje haciéndolo variar. Es decir, las palas no están rígidamente ancladas al eje de giro. Ese giro se consigue mediante las barras de control que unen la rótula de las palas a un aro inferior, a un plato oscilante que es la clave de la maniobrabilidad de un helicóptero.

Pero no nos adelantemos. Un rotor estándar, si es que se puede hablar de tal cosa al existir diferentes diseños de rotor, contiene un eje movido por un motor, denominado mástil, en el que se insertan las palas de una forma semi-rígida o completamente articulada. Los helicópteros de dos palas tienen normalmente una inserción semi-rígida de las palas, donde ambas comparten el anclaje en el mástil a través de una articulación común. Los helicópteros de más de 2 palas tienen una inserción de palas articulada individual, donde cada una de ellas tiene un juego de giros múltiple.

Durante su giro las palas están sometidas en todo momento a tres fuerzas: la del propio peso, la de la sustentación (suya y del resto del aparato) y la centrífuga. Si el anclaje al mástil fuera absolutamente rígido las palas podría sufrir rotura en su inserción en el mástil, por lo que en el anclaje tienen un cierto juego que les permite bascular. La fuerza de sustentación hace que se eleven las alas, desde el rotor hasta la puntas, que quedan por encima del nivel del rotor, del nivel de la inserción de las palas en el mástil. El dibujo de ese movimiento de las palas muestra entonces un cono invertido, con la inserción en el rotor como el punto más bajo. El ángulo que forman las palas con la horizontal se denomina "ángulo de cono". Si no existiera la fuerza centrífuga la fuerza de sustentación podría poner el peligro las palas, pero justamente la fuerza centrífuga tiene a compensar ese ángulo de cono, tiene a bajar las palas y a llevarlas a la posición horizontal, a una posición tal en la que el eje de giro forme un ángulo recto con las palas, como cuando se hace girar una honda. Curiosamente de las tres fuerzas la centrífuga es la mayor.

¡Detalle de vital importancia para que un helicóptero vuele! Me explico: si no existiera esa fuerza (ciencia ficción, lo sé) las palas simplemente no resistirían el peso del helicóptero y se quebrarían.

Bien, estamos pues en que tenemos tres fuerzas aplicadas sobre las palas, dos de ellas opuestas entre sí (gravedad y sustentación) y una tercera perpendicular a las otras dos. Actuando sobre el ángulo de ataque de las palas (haciendo girar las palas sobre el eje longitudinal) actuamos sobre la sustentación y podemos hacer que el helicóptero ascienda o descienda. Pero parece que la fuerza centrífuga no nos ayuda a desplazarnos, solo a que las palas no se rompan y a ayudar a la sustentación. ¿Qué hace desplazarse a un helicóptero?

Voy a ejemplificarlo de una manera simple: ponte de pie e inclina tu cuerpo hacia delante, por ejemplo basculando tu peso sobre tus talones: o caminas o te caes. ¡Es así de simple! Al desplazar tu centro de gravedad más allá de la superficie de sustentación estás produciendo un movimiento hacia delante. Para conseguir ese efecto en un helicóptero, y dado que no se le puede hacer girar sobre ningún soporte, como los talones, lo único que necesitamos es que la fuerza de sustentación tenga una componente no estrictamente vertical, sino desplazada de la misma. Si desplazamos esa fuerza ligeramente hacia delante entonces el helicóptero avanzará, si lo hacemos ligeramente hacia atrás entonces el helicóptero retrocederá, etc. Tenemos 360º de maniobra, algo que no tienen, definitivamente, los aviones. ¿Cómo se consigue ese desplazamiento de la fuerza? Simple: si hay más sustentación en una parte del sombrero formado por las palas que en la parte opuesta entonces la fuerza estará desequilibrada y el helicóptero se desplazará.

Aquí es donde entra ese disco o plato oscilante, que está ligado directamente a las instrucciones que el piloto da al aparato mediante el mando de la cabina. El mando controla tres actuadores, con el siguiente cometido:

- Subir y bajar el plato oscilante, con lo que las rótulas de las palas se ven sometidas al mismo ángulo de ataque. Actúa sobre la demanda de potencia al motor, a más paso mayor demanda.
- Inclinación del plato oscilante, algo que necesita dos actuadores, uno hacia delante o hacia atrás y el otro hacia la izquierda o hacia la derecha, lo que proporciona 360º de inclinaciones.

Cuando el plato está de tal manera que las palas deben bajar por delante y subir por detrás del helicóptero entonces hay mayor sustentación por delante que por detrás. Las palas, cada una de ella, sufren un cambio cíclico de paso, por delante están mas horizontales que por detrás, con lo que hemos inclinado esa fuerza inicialmente vertical de sustentación para apuntar en cualquiera de los 360º grados, permitiendo al helicóptero todo tipo de maniobras.

Los dos tipos de actuadores descritos se denominan "colectivo" (el primero de ellos, porque actúa sobre el conjunto de las palas) y "cíclico", porque produce un movimiento cíclico de mayor y menor sustentación de las palas.

Hasta ahora he omitido conscientemente una fuerza que está presente en el movimiento de un helicóptero: la del equilibrio del par de giro. Si un rotor gira en un sentido el helicóptero girará en el sentido contrario para mantener el par de giro. Eso haría imposible la utilización de helicópteros sin alguno de los mecanismos de corrección de ese momento de giro: el rotor de cola o el uso de más de un rotor de sustentación. En el primer caso un pequeño rotor situado en la cola del helicóptero, y posicionado en vertical, ayuda a equilibrar la tendencia de giro del helicóptero. A este rotor se le denomina rotor anti-par. La pérdida o parada de este rotor de cola implica la pérdida de maniobrabilidad del helicóptero. El otro sistema consiste en el uso de dos rotores que giran en sentidos opuestos, equilibrando el momento angular entre ellos.

El rotor de cola sirve además para ayudar al giro del helicóptero, puesto que variando la fuerza que ejerce se consigue que esa fuerza sea inferior o superior al par ejercido por el giro del rotor principal, permitiendo girar fácilmente sobre sí mismo el helicóptero o ayudando a su giro mientras se desplaza. Los rotores de cola se maniobran mediante pedales.

Bien, creo que como introducción ya es suficientemente larga, así es que dejo para otros artículos posteriores otros aspectos relacionados.

Saludos,

José María
Pd: no es una muletilla para acabar, sino una realidad: pido disculpas por los errores cometidos en esta divulgación, que procuraré corregir con vuestros aportes. Gracias!

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