Los rotores coaxiales o rotores coaxiales son un par de rotores de helicópteros montados uno encima del otro en ejes concéntricos, con el mismo eje de rotación, pero girando en direcciones opuestas ( contrarrotación ). Esta configuración de rotor es una característica de los helicópteros producidos por la oficina de diseño de helicópteros de Rusia Kamov .
Historia
La idea de los rotores coaxiales se origina en Mikhail Lomonosov . Había desarrollado un modelo de helicóptero pequeño con rotores coaxiales en julio de 1754 y lo demostró a la Academia de Ciencias de Rusia . [1]
En 1859, la Oficina Británica de Patentes otorgó la primera patente de helicóptero a Henry Bright por su diseño coaxial. A partir de este punto, los helicópteros coaxiales se convirtieron en máquinas totalmente operativas tal como las conocemos hoy. [2] [3]
Dos helicópteros pioneros, el "D'AT3" construido por Corradino D'Ascanio en 1930, y el Gyroplane Laboratoire francés de mediados de la década de 1930, generalmente más exitoso , utilizaron sistemas de rotor coaxial para el vuelo.
Consideraciones de diseño
Tener dos conjuntos de rotores coaxiales proporciona simetría de fuerzas alrededor del eje central para levantar el vehículo y lateralmente cuando se vuela en cualquier dirección. Debido a la complejidad mecánica, muchos diseños de helicópteros usan configuraciones alternativas para evitar problemas que surgen cuando se usa un solo rotor. Las alternativas comunes son los helicópteros de un solo rotor o los arreglos de rotor en tándem .
Esfuerzo de torsión
Uno de los problemas con cualquier conjunto de palas de rotor es el par (fuerza de rotación) que se ejerce sobre el fuselaje del helicóptero en la dirección opuesta a las palas del rotor. Este par hace que el fuselaje gire en dirección opuesta a las palas del rotor. En helicópteros de un solo rotor, el rotor antipar o el rotor de cola contrarresta el par del rotor principal y controla la rotación del fuselaje.
Los rotores coaxiales resuelven el problema del par del rotor principal girando cada conjunto de rotores en direcciones opuestas. Los pares opuestos de los rotores se anulan entre sí. La maniobra de rotación, el control de guiñada , se logra aumentando el paso colectivo de un rotor y disminuyendo el paso colectivo en el otro. Esto provoca una disimetría controlada del par.
Disimetría de sustentación
La disimetría de la sustentación es un fenómeno aerodinámico causado por la rotación de los rotores de un helicóptero en vuelo hacia adelante. Las palas del rotor proporcionan una elevación proporcional a la cantidad de aire que fluye sobre ellas. Cuando se ve desde arriba, las palas del rotor se mueven en la dirección de vuelo durante la mitad de la rotación (mitad de avance) y luego se mueven en la dirección opuesta durante el resto de la rotación (mitad de retroceso). Una pala de rotor produce más sustentación en la mitad de avance. A medida que una pala se mueve hacia la dirección de vuelo, el movimiento de avance de la aeronave aumenta la velocidad del aire que fluye alrededor de la pala hasta que alcanza un máximo cuando la pala es perpendicular al viento relativo . Al mismo tiempo, una pala de rotor en la mitad que retrocede produce menos sustentación. A medida que una pala se aleja de la dirección de vuelo, la velocidad del flujo de aire sobre la pala del rotor se reduce en una cantidad igual a la velocidad de avance de la aeronave, alcanzando su efecto máximo cuando la pala del rotor vuelve a ser perpendicular al viento relativo. Los rotores coaxiales evitan los efectos de la disimetría de sustentación mediante el uso de dos rotores que giran en direcciones opuestas, lo que hace que las palas avancen en ambos lados al mismo tiempo.
Otros beneficios
Otro beneficio que surge de un diseño coaxial incluye una mayor carga útil para la misma potencia del motor; un rotor de cola normalmente desperdicia parte de la potencia disponible del motor que se dedicaría por completo a levantar y empujar con un diseño coaxial. La reducción del ruido es la principal ventaja de la configuración; parte del fuerte sonido de "azotes" asociado con los helicópteros convencionales surge de la interacción entre los flujos de aire de los rotores principal y de cola, que en algunos diseños puede ser intenso. Además, los helicópteros que utilizan rotores coaxiales tienden a ser más compactos (con una huella más pequeña en el suelo), aunque al precio de una mayor altura, y por lo tanto tienen usos en áreas donde el espacio es escaso; Varios diseños de Kamov se utilizan en funciones navales , siendo capaces de operar desde espacios confinados en las cubiertas de los barcos, incluidos barcos que no sean portaaviones (un ejemplo son los cruceros clase Kara de la armada rusa, que llevan una hormona Ka-25 ' helicóptero como parte de su equipo estándar). Otro beneficio es una mayor seguridad en el suelo; la ausencia de un rotor de cola elimina la principal fuente de lesiones y muertes para el personal de tierra y los transeúntes. [ cita requerida ]
Desventajas
Existe una mayor complejidad mecánica del cubo del rotor. Los vínculos y los platos oscilantes para dos sistemas de rotor deben ensamblarse encima del mástil, lo cual es más complejo debido a la necesidad de impulsar dos rotores en direcciones opuestas. Debido al mayor número de partes móviles y la complejidad, el sistema de rotor coaxial es más propenso a fallas mecánicas y posibles fallas. [ cita requerida ] Los helicópteros coaxiales también son más propensos al "azote" de las palas y la auto-colisión de las palas según los críticos. [4]
Modelos coaxiales
La estabilidad inherente del sistema y la rápida respuesta de control lo hacen adecuado para su uso en pequeños helicópteros controlados por radio . Estos beneficios se obtienen a costa de una velocidad de avance limitada y una mayor sensibilidad al viento. Estos dos factores son especialmente limitantes en el uso en exteriores. Dichos modelos suelen ser de paso fijo (es decir, las palas no se pueden girar sobre sus ejes para diferentes ángulos de ataque), lo que simplifica el modelo pero elimina la capacidad de compensar con entrada colectiva . La compensación incluso por la más mínima brisa hace que el modelo suba en lugar de volar hacia adelante, incluso con la aplicación completa de cíclico .
Multirrotores coaxiales
Los vehículos aéreos no tripulados de tipo multirotor existen en numerosas configuraciones que incluyen duocopter , tricopter , quadcopter , hexacopter y octocopter. Todos ellos se pueden actualizar a la configuración coaxial para brindar más estabilidad y tiempo de vuelo al tiempo que permiten transportar mucha más carga útil sin aumentar demasiado de peso. De hecho, los multirrotores coaxiales se fabrican haciendo que cada brazo lleve dos motores orientados en direcciones opuestas (uno hacia arriba y otro hacia abajo). Por lo tanto, es posible tener un octorotor con aspecto de quadcopter gracias a la configuración coaxial. Los Duocopters especiales se caracterizan por dos motores alineados en un eje vertical. El control se realiza mediante la aceleración adecuada de una sola pala de rotor para generar un empuje específico durante la revolución. Tener más potencia de elevación para una mayor carga útil explica por qué se prefieren los multirrotores coaxiales para todas las aplicaciones comerciales profesionales de UAS . [5]
Riesgos de vuelo reducidos
El Departamento de Transporte de los Estados Unidos ha publicado un "Manual básico de helicópteros". Uno de los capítulos se titula "Algunos peligros del vuelo en helicóptero". Se han enumerado diez peligros para indicar con qué tiene que lidiar un helicóptero de un solo rotor típico. El diseño del rotor coaxial reduce o elimina por completo muchos de estos peligros. La siguiente lista indica cuál:
- Asentamiento con poder - Reducido
- Puesto de hoja en retirada - Reducido
- Vibraciones de frecuencia media - Reducidas
- Vibraciones de alta frecuencia : ninguna
- Fallo del sistema anti-torque en vuelo hacia adelante - Eliminado
- Fallo del sistema anti-torque mientras está suspendido - Eliminado
La reducción y eliminación de estos peligros son los puntos fuertes de la seguridad del diseño de rotor coaxial. [6] [7]
Lista de helicópteros de rotor coaxial
- Bensen B-9 (1958)
- Brantly B-1 (1946)
- Bréguet G.111 (1949)
- Laboratorio de giroplano Bréguet-Dorand (1936)
- Chu Colibrí (1948)
- Cierva CR Twin (1969)
- La percha del águila (1998)
- EDM Aerotec CoAX 2D / 2R
- Gyrodyne QH-50 DASH
- Gyrodyne GCA-2 (1949)
- HTM Skytrac
- Kamov Ka-8
- Kamov Ka-10
- Kamov Ka-15
- Kamov Ka-18
- Kamov Ka-25
- Kamov Ka-26
- Kamov Ka-27
- Kamov Ka-31
- Kamov Ka-32
- Kamov Ka-50
- Kamov Ka-52
- Kamov Ka-92
- Kamov Ka-126
- Kamov Ka-137
- Kamov Ka-226
- Manzolini Libellula (1952)
- Phoenix Skyblazer (2011)
- Sikorsky S-69 (1973)
- Sikorsky X2 (2008)
- Sikorsky S-97
- Sikorsky / Boeing SB-1 Defiant
- VRT 300
- VRT 500
- Wagner Aerocar
- Ingenio del helicóptero de Marte
Ver también
- Rotores entrelazados
- Hélices contrarrotantes
- Rotores en tándem
- Rotores transversales
- Ingenio del helicóptero de Marte de la NASA
Referencias
- ^ Leishman, J. Gordon (2006). Principios de la aerodinámica de helicópteros. Prensa de la Universidad de Cambridge. pag. 8. ISBN 0-521-85860-7
- ^ Documento técnico de la NASA 3675 Archivado el 22 de mayo de 2012 en la Wayback Machine.
- ^ Una historia del vuelo en helicóptero Archivado el 13 de julio de 2014 en la Wayback Machine , J. Gordon Leishman Profesor de ingeniería aeroespacial, Universidad de Maryland, College Park.
- ^ "На юго-востоке Москвы разбился новый боевой вертолет" . BBC . Consultado el 5 de noviembre de 2013 .
- ^ "Configuraciones de chasis multirotor" . Coptercraft . Consultado el 23 de diciembre de 2015 .
- ^ Beneficios coaxiales
- ^ Características aerodinámicas de los helicópteros de configuración coaxial
enlaces externos
- Sitio de historia de helicópteros