¿Como Funcionan Los Helicópteros?

(Taringa) - Un cursillo sobre funcionamiento de los helicópteros

1. Controles de Vuelo

-La palanca del cíclico, es similar a la de mando de un avión de ala fija, controla el paso de pala cuando esta alcanza un punto de rotación. 

-El rotor girando en forma de disco, y la alteración del paso cíclico inclina este disco, dando empuje para adelante, atrás o lateralmente.
-La palanca del colectivo altera el paso de todas las palas del rotor, incrementando la cantidad de aire succionado a través del rotor.
-El mando de gases sirve para mantener las r.p.m. del rotor.
-Los pedales de guiñada sirven para contrarrestar el par de los rotores y hacer que el helicóptero vuelo recto o gire.

2. Paso colectivo.

El colectivo incrementa el ángulo de paso de todas las palas colectivamente. Al tirar de la palanca aumenta el ángulo de ataque de todas las palas, y el sistema del rotor succiona mas aire y procede mas sustentación mientras los rotores giran a la misma velocidad.
Si las palas del rotor se ralentizan producen menos sustentación y pueden entrar en perdida. Para que los rotores giren a la velocidad requerida debe compensarse la resistencia aumentando la potencia. En los helicópteros propulsados a turbina hay una unidad de control automático del combustible de modo que cuando se tira del colectivo se compensa automáticamente, bombeando mas combustible al motor para que las palas mantengan su régimen de rotación.

Los tres dibujos nos muestra la forma en que la palanca colectiva de paso controla la fuerza de sustentación del rotor principal. La palanca colectiva del helicóptero y la palanca cíclica regulan el peso del helicóptero.
1-La palanca esta levantada hacia arriba, el paso positivo del rotor crea suficiente sustentación para superar el peso de la aeronave y el motor puede mantener las r.p.m., el helicóptero se eleva.
2-Con la palanca en neutro, el paso ligeramente positivo solo es suficiente para equilibrar el peso y el helicóptero se cierne inmóvil en el aire.
3- Con la palanca hacia abajo y el paso de las palas neutro o negativo, el peso supera a la sustentación y el helicóptero desciende. 

3. Pedal de guiñada

El rotor principal gira visto desde arriba, en el sentido de las agujas de reloj. El par hace que el fuselaje tienda a girar en sentido contrario. Para compensarlo, el rotor caudal despide aire hacia la derecha, manteniendo el helicóptero recto.
El paso de las palas del rotor caudal y por lo tanto, su empuje es controlado por los pedales de guiñada.

Con el uso de los pedales, el piloto suele regular el paso de las palas del rotor de cola de tal manera que generen empuje necesario para contrarrestar el par y mantener fijo el fuselaje, aunque esto requiere unos pequeños ajustes de forma constante. La función primordial del rotor de cola del helicóptero es neutralizar el par, es decir, impedir que el motor haga girar al fuselaje en una dirección contraria. 1-Tal como muestra la figura de la izquierda, el piloto aumenta el paso, el rotor de cola empujara mas que el par y orientara el fuselaje en la dirección de giro del rotor.
2-Par neutralizado.
3-Si disminuye el paso, el par del motor orientara el fuselaje orientara el fuselaje en la dirección opuesta. 
4. Paso Cíclico

Cuando la palanca esta en posición neutra el disco del rotor esta "plano", generando solo sustentación.
Cuando se empuja la palanca, el disco se inclina hacia adelante y parte del empuje se convierte en translación.
Cuando parte del empuje total actúa horizontalmente la sustentación se reduce, de modo que para recuperarla se incrementa el ángulo de ataque mediante el colectivo.

El efecto que esto produce es la inclinación del disco del rotor en la dirección en que se mueve la palanca, lo que crea un empuje horizontal y hace que el helicóptero se mueva en esa dirección. La palanca cíclica de paso de cada pala del rotor de forma individual conforme realiza su ciclo de rotación. 

Cuando el disco del rotor se inclina acusadamente durante la aceleración, el fuselaje se inclina de la misma forma debido a que el centro de gravedad del helicóptero tiende a alinearse con la línea de sustentación.

  

5. Los mandos de un helicóptero

Si bien los mandos de un avión son relativamente simples al igual que la posición de sus superficies de control (timones, alerones, ...), en el caso de un helicóptero la cosa se complica bastante.
Partamos de la base que el helicóptero se encuentra en un vuelo estacionario. Es decir el rotor principal gira a una cierta velocidad, suficiente para crear la sustentación necesaria y vencer la fuerza del peso del propio modelo.

Cómo hacer ahora para que el modelo avance? Al contrario que un avión, el helicóptero no posee una hélice en el morro que lo impulse hacia delante. El truco es simple: Inclinando el rotor principal hacia adelante, la fuerza de sustentación se inclina de la misma manera creando una fuerza en el sentido de la inclinación:

Y esto seguro que lo habreis observado en algún vuelo de un helicóptero. Al poco tiempo de despegar del suelo, se inclina hacia adelante y comienza a acelerar para pasar al llamado vuelo de traslación. En cambio, si quiere pasar del vuelo de traslación al estacionario, baja la cola para que ocurra exactamente lo contrario, es decir que la componente horizontal de la fuerza de sustentación se orienta hacia atrás frenanado al helicóptero:

Exactamente lo mismo ocurre lateralmente:

Resumiendo, el helicóptero es capaz inclinar el rotor a cualquier lado. Este es el mando que generalmente se tiene en el stick principal de la emisora (en los helicópteros tripulados, el piloto maneja estas funciones con la palanca principal que está situada entre las piernas). Cuando empujamos el stick hacia delante, el helicóptero se inclina hacia adelante. Lo mismo hacia atrás y lateralmente.

La pregunta ahora es cómo hacer que el rotor se incline hacia el lado deseado. Esta respuesta ya no es tan simple. En los próximos dibujos se explicará el principio del plato cíclico de una forma simplificada. Este tipo de control del rotor es el mismo que en los helicóperos reales.

6. El plato cíclico

Imaginemonos un rotor simplificado con cuatro palas: 

Las palas están montadas sobre los ejes de palas de tal forma que puedan girar alrededor de éstos lo que permite cambiar la incidencia de las mismas. Para que las palas mantengan todas la misma incidencia, están unidas a unas varillas de transmisión -todas de la misma longitud- que a su vez están fijadas al plato cíclico. 

Éste esta compuesto de un plato exterior fijo y uno interior giratorio que están unidos mediante un cojinete que permite el giro entre ellos. En el plato exterior van fijadas las varillas de mando que vienen de los servos y en el plato interior que gira igual que el rotor se enganchan las varillas que controlan la incidencia de las palas. El plato cíclico interior y las palas giran alrededor del eje principal simultaneamente. En este caso en contra del sentido de las agujas del reloj. Con esta configuración, si comenzamos a girar el rotor alrededor del eje principal, las palas generarán una sustentación uniforme y equilibrada.

Para que el rotor se incline hacia algún lado será necesario que en alguna parte de la rotación se produzca más sutentación que en otra, cosa que conseguiremos cambiando cíclicamente la incidencia de las palas del rotor:

Para ello se inclina el plato cíclico (que de esto recibe su nombre). Miremos que pasa detalladamente: El plato cíclico se inclina. La varilla azul se eleva empujando en la parte delantera de la pala azul causando un giro de ésta alrededor del eje de palas obteniendo una mayor incidencia y a consecuencia mayor sustentación. En el lado opuesto del plato cíclico pasa exactamente lo contrario. Esta parte del plato baja, con lo que la varilla roja estira de la parte delantera de la pala originando una incidencia negativa de la pala, que da lugar a una sustentación negativa. En las otras dos palas esta inclinación del plato cíclico no tiene repercusión alguna, se quedan con la misma incidencia neutral.

Así, la pala azul produce una fuerza orientada hacia arriba y la roja una a la inversa, es decir hacia abajo, con lo que todo el conjunto tendería a inclinarse hacia la izquierda. (Los expertos me disculpen en este momento, porque bien sabrán que esto, debido a efectos de inercia no es del todo cierto. Pero en este momento para simplificar el entendimiento la mecánica este fenómeno no se tiene en cuenta.)

Para que este desequilibirio de sustentación se mantenga, el sentido de la inclinación del plato cíclico es constante, es decir en el caso del dibujo hacia la izquierda. Si giramos 90 grados el rotor en contra del sentido de las agujas del reloj pasa lo siguiente:

Las varillas de las palas azul y roja pasan por el punto neutral del plato cíclico con lo que su incidencia pasará a ser neutral. En cambio las palas verde y gris cambian su sustentación de la misma forma como lo hicieran 90 grados antes las otras dos palas. Es decir que una pala va cambiando su incidencia cíclicamente: En el lado izquierdo tiene una incidencia negativa, a lo largo de los próximos 90 grados de giro del rotor va aumentando su incidencia hasta estar neutral, entre los 90 y 180 grados sigue aumentando la incidencia llegando al máximo a los 180 grados de giro en la parte derecha. Entre los 180 y 360 grados vuelve a disminuir progresivamente la incidencia pasando por neutral a los 270 grados volviendo al punto de partida a la izquierda con incidencia negativa. Y asi cada pala en cada giro!

7. La incercia del sistema y su consecuencia

Como se indicó anteriormente, la incidencia de las palas y su efecto a lo largo de un giro de rotor no son del todo correctas. Debido a que la pala no genera su mayor sustentación exactamente en el segmento de la rotación por la que está pasando en ese instante, el rotor sufre la mayor influencia de la pala unos 90 grados más tarde (muchos razonan esto con el efecto predecesor de un giróscopo, pero no es cierto, es simplemente la pasividad del sistema). 

En otras palabras: Si inclinamos el plato cíclico hacia adelante, en nuestro caso (sentido de giro del rotor en contra de las agujas del reloj) así, el helicóptero realmente se inclinaría hacia la izquierda. Para solventar ese problema, simplemente se cambia la posición de las varilas en el plato cíclico por 90 grados, de tal forma que en fondo las varillas vayan 90 grados adelantadas.

Observese cómo las varillas estan unidas aqui adelantadas 90 grados. El grado de esta pasividad a la reacción depende de la configuración y el tipo del cabezal del rotor. En los utilizados en el aeromodelismo son aproximadamente 90 grados. En helicópteros reales de cabezales semirígidos como el del BO105/BK117 el ángulo es de aproximadamente 78 grados.

8. Paso colectivo y paso fijo
Al inclinar el plato cíclico hacia un lado el rotor se inclinará al mismo lado, con lo que podemos controlar las inclinaciones del helicópero y con ello el vuelo de traslación. Llegados a este punto tenemos que diferenciar dos tipos de helicóperos. Los de paso fijo y paso colectivo. Los de paso fijo tienen palas que, al contrario de lo indicado arriba, no se pueden girar alrededor de el eje de palas, únicamente el estabilizador es capaz de girar.

Un detalle que se ve en el dibujo, es el uso de unos codos de transmisión que se ocupan de adelantar las varillas que recorren el plato cíclico en los 90 grados necesarios mencionados arriba para que el rotor se incline hacia el mismo lado que se inclina el plato cíclico. En los helicóperos de paso fijo el control de altura se consigue variando las revoluciones del rotor. Este mando se encuentra en el segundo stick de la emisora siendo la posición inferior la equivalente de motor parado y la superior la de máximas revoluciones. 

Normalmente, si el stick está entre la posición centrada y el tercio superior el helicópero se encuentra en vuelo estacionario. En cambio en los helicópteros de paso variable es posible de cambiar la incidencia de todas las palas a la vez subiendo o bajando el plato cíclico.

Al contrario que en los helicópteros de paso fijo, en este tipo no se controla la altura del helicóptero mediante las revoluciones del motor, sino por el cambio de paso. Es decir que en la emisora tendremos en el stick el mando de paso de rotor y no el acelerador del motor. En los helicópteros reales este mando se controla mediante una palanca situada al lado izquierdo del piloto parecido a un freno de mano. Cuando el piloto eleva la palanca aumenta el paso de las palas del rotor principal. 

8. Sistemas de estabilización

Las descripciones del control de las palas del rotor principal por encima de estas lineas, no recogen sistemas de estabilización. La más utilizada en aeromodelismo es la de Bell-Hiller. Generalmente se encuentran rotores de sólo dos palas sustentadoras y un estabilizador con dos palas pequeñas que no generan sustentacion. Las palas sustentadoras y el estabilizador están unidos por un sistema de palancas mediante los cuales se transmiten las fuerzas estabilizadoras. El funcionamiento en concreto no se explicará aqui en este momento. 

9. La función del rotor de cola

Cuando el rotor gira hacia un lado impulsado por el motor del helicóptero genera una resistencia, sease aerodinámica o por inercia, que ocasiona un giro contrario del fuselaje del helicóptero.

El rotor de cola sirve para parar este giro. Generalmente está impulsado por el mismo motor que impulsa el rotor principal mediante un engranaje desmultiplicador y un eje o una correa dentada. El mayor o menor empuje de este rotor se controla -si está impulsado por el mismo motor del rotor principal- por el cambio de paso de las palas. Y con esto tenemos el último de los controles de un helicóptero, que es la guiñada o giro alrededor del eje vertical del modelo. Este mando está situando normalmente en el segundo stick de la emisora horizontalmente y comparable al timón de dirección de un avión. En el helicóptero real este mando se controla -al igual que en los aviones- mediante dos pedales. Si el piloto aprieta el pedal izquierdo, el morro del helicóptero girará hacia la izquierda y la cola detrás suyo a la derecha. Igualmente sucederá si inclinamos el stick de la emisora a la izquierda.

10. Concentración y coordinación

El helicóptero es un aparato que requiere plena atención. Únicamente ya por el hecho de que es por naturaleza inestable. Por muy bien ajustado que esté, siempre hay que ir corrigiendo para mantenerlo en vuelo. Yo siempre lo comparo a mantener un palo en equilibrio vertical encima del dedo de la mano. Por otro lado, cuando pasamos de un vuelo estacionario a uno de traslación es necesario compensar con el paso la perdida de sustentación por la inclinación del rotor. El mando de cola (guiñada) es un mando esencial que no podremos pasar por alto como por ejemplo en un avión de alerones. Todos los mandos están en acción. 

Por ejemplo, para volar una curva es necesario primero estar en un vuelo de traslación hacia adelante, inclinar el helicóptero alrededor del eje longitudinal (como un avión o una moto), girarlo alrededor de su eje vertical con el rotor de cola, tirar un poco (mando traslacional hacia atrás) pero sin pasarse para que no pierda velocidad el modelo y aumentar el pitch para no perder altura.