Hélice (aeronáutica)

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En aeronáutica , una hélice de avión , también llamada hélice de aire , ^{[1] [2]} convierte el movimiento rotatorio de un motor u otra fuente de energía en una corriente de aire que empuja la hélice hacia adelante o hacia atrás. Está compuesta por un cubo giratorio accionado por energía, al que se unen varias palas de sección aerodinámica radial de manera que todo el conjunto gira alrededor de un eje longitudinal. El paso de las palas puede ser fijo, variable manualmente a unas pocas posiciones establecidas o del tipo de "velocidad constante" variable automáticamente.

La hélice se fija al eje de transmisión de la fuente de energía directamente o mediante un engranaje reductor . Las hélices pueden estar hechas de madera, metal o materiales compuestos .

Las hélices son más adecuadas para su uso a velocidades aerodinámicas subsónicas, generalmente por debajo de los 770 km/h (480 mph), aunque se alcanzaron velocidades supersónicas en el avión experimental equipado con hélices McDonnell XF-88B . Las velocidades supersónicas en la punta se utilizan en algunos aviones como el Tupolev Tu-95 , que puede alcanzar los 925 km/h (575 mph). ^{[ cita requerida ]}

Las primeras referencias del vuelo vertical proceden de China. Desde alrededor del año 400 a. C., ^{[3] los niños} chinos han jugado con juguetes voladores de bambú . ^{[4] [5] [6]} Este helicóptero de bambú se hace girar haciendo rodar entre las manos un palo unido a un rotor. El giro crea sustentación y el juguete vuela cuando se suelta. ^[3] El libro taoísta Baopuzi del siglo IV d. C. de Ge Hong (抱朴子 "Maestro que abraza la simplicidad") describe algunas de las ideas inherentes a los aviones de ala giratoria. ^[7]

Diseños similares al juguete de helicóptero chino aparecieron en pinturas renacentistas y otras obras. ^[8]

No fue hasta principios de la década de 1480, cuando Leonardo da Vinci creó un diseño para una máquina que podría describirse como un "tornillo aéreo" , que se registró algún avance hacia el vuelo vertical. Sus notas sugerían que construyó pequeños modelos voladores, pero no había indicaciones de ninguna disposición para evitar que el rotor hiciera girar la nave. ^{[9] [10]} A medida que el conocimiento científico aumentó y se hizo más aceptado, el hombre continuó persiguiendo la idea del vuelo vertical. Muchos de estos modelos y máquinas posteriores se parecerían más a la antigua peonza voladora de bambú con alas giratorias, en lugar del tornillo de Leonardo.

En julio de 1754, el ruso Mikhail Lomonosov había desarrollado un pequeño coaxial modelado a imagen de la peonza china pero accionado por un dispositivo de resorte enrollado ^[11] y lo demostró a la Academia Rusa de Ciencias . Estaba accionado por un resorte y fue sugerido como un método para elevar instrumentos meteorológicos . En 1783, Christian de Launoy y su mecánico , Bienvenido, utilizaron una versión coaxial de la peonza china en un modelo que consistía en plumas de vuelo de pavo contrarrotativas ^[11] como palas del rotor, y en 1784, lo demostraron a la Academia Francesa de Ciencias . Un dirigible fue descrito por Jean Baptiste Marie Meusnier presentado en 1783. Los dibujos representan una envoltura aerodinámica de 260 pies de largo (79 m) con balones internos que podrían usarse para regular la sustentación. El dirigible fue diseñado para ser impulsado por tres hélices. En 1784, Jean-Pierre Blanchard instaló una hélice accionada manualmente en un globo, el primer medio de propulsión registrado para volar. ^[12] Sir George Cayley , influenciado por su fascinación infantil por la peonza china, desarrolló un modelo de plumas, similar al de Launoy y Bienvenido, pero propulsado por bandas de goma. A finales de siglo, había avanzado hasta utilizar láminas de estaño para las palas del rotor y resortes para la energía. Sus escritos sobre sus experimentos y modelos influirían en los futuros pioneros de la aviación. ^[9]

William Bland envió diseños para su "dirigible atmosférico" a la Gran Exposición celebrada en Londres en 1851, donde se exhibió un modelo. Se trataba de un globo alargado con un motor de vapor que impulsaba hélices gemelas suspendidas debajo. ^{[13] [14]} Alphonse Pénaud desarrolló juguetes de helicópteros modelo con rotor coaxial en 1870, también impulsados ​​por bandas de goma. En 1872, Dupuy de Lome lanzó un gran globo navegable, que era impulsado por una gran hélice girada por ocho hombres. ^[15] Hiram Maxim construyó una nave que pesaba 3,5 toneladas largas (3,6 t), con una envergadura de 110 pies (34 m) que era impulsada por dos motores de vapor de 360 ​​hp (270 kW) que impulsaban dos hélices. En 1894, su máquina fue probada con rieles superiores para evitar que se elevara. La prueba demostró que tenía suficiente sustentación para despegar. ^[16] Uno de los juguetes de Pénaud, regalado por su padre , inspiró a los hermanos Wright a perseguir el sueño de volar. ^{[17] La ​​forma de perfil} aerodinámico retorcido (aerofoil) de una hélice de avión fue iniciada por los hermanos Wright. Si bien algunos ingenieros anteriores habían intentado modelar hélices de aire en hélices marinas , los hermanos Wright se dieron cuenta de que una hélice es esencialmente lo mismo que un ala , y pudieron usar datos de sus experimentos anteriores en túneles de viento con alas, introduciendo un giro a lo largo de las palas. Esto era necesario para mantener un ángulo de ataque más uniforme de la pala a lo largo de su longitud. ^[18] Sus palas de hélice originales tenían una eficiencia de aproximadamente el 82%, ^[19] en comparación con el 90% de una hélice de aviación general pequeña moderna (2010), la McCauley de 3 palas utilizada en un avión Beechcraft Bonanza . ^[20] Roper ^[21] cita el 90% para una hélice para un avión de propulsión humana.

La caoba fue la madera preferida para las hélices durante la Primera Guerra Mundial , pero la escasez en tiempos de guerra alentó el uso de nogal , roble , cerezo y fresno . ^[22] Alberto Santos Dumont fue otro pionero, habiendo diseñado hélices antes que los hermanos Wright ^[23] para sus dirigibles . Aplicó el conocimiento que adquirió de las experiencias con dirigibles para hacer una hélice con un eje de acero y palas de aluminio para su biplano 14 bis en 1906. Algunos de sus diseños usaban una hoja de aluminio doblada para las palas, creando así una forma aerodinámica. Estaban muy subcombadas , y esto más la ausencia de torsión longitudinal las hacía menos eficientes que las hélices Wright. ^[24] Aun así, este fue quizás el primer uso de aluminio en la construcción de una hélice. Originalmente, un perfil aerodinámico giratorio detrás del avión, que lo empuja, se llamaba hélice, mientras que uno que tiraba desde el frente era un tractor . ^[25] Más tarde, se adoptó el término "impulsor" para el dispositivo montado en la parte trasera en contraste con la configuración del tractor y ambos pasaron a denominarse "hélices" o "hélices de aire". La comprensión de la aerodinámica de las hélices de baja velocidad estaba bastante completa en la década de 1920, pero los requisitos posteriores para manejar más potencia en un diámetro más pequeño han hecho que el problema sea más complejo.

La investigación de hélices para el Comité Asesor Nacional de Aeronáutica (NACA) fue dirigida por William F. Durand desde 1916. Los parámetros medidos incluyeron la eficiencia de la hélice, el empuje desarrollado y la potencia absorbida. Si bien una hélice puede probarse en un túnel de viento , su rendimiento en vuelo libre puede diferir. En el Laboratorio Aeronáutico Langley Memorial , EP Leslie utilizó Vought VE-7 con motores Wright E-4 para datos de vuelo libre, mientras que Durand utilizó un tamaño reducido, con forma similar, para datos de túnel de viento. Sus resultados se publicaron en 1926 como informe NACA #220. ^[26]

Lowry ^[27] cita una eficiencia de la hélice de aproximadamente el 73,5% en crucero para un Cessna 172. Esto se deriva de su "enfoque Bootstrap" para analizar el rendimiento de aeronaves ligeras de aviación general que utilizan hélices de paso fijo o velocidad constante. La eficiencia de la hélice está influenciada por el ángulo de ataque (α). Esto se define como α = Φ - θ, ^[28] donde θ es el ángulo de hélice (el ángulo entre la velocidad relativa resultante y la dirección de rotación de la pala) y Φ es el ángulo de paso de la pala . Los ángulos de paso y de hélice muy pequeños dan un buen rendimiento contra la resistencia pero proporcionan poco empuje, mientras que los ángulos más grandes tienen el efecto opuesto. El mejor ángulo de hélice es cuando la pala actúa como un ala produciendo mucha más sustentación que resistencia. Sin embargo, "sustentación y resistencia" es solo una forma de expresar la fuerza aerodinámica sobre las palas. Para explicar el rendimiento de la aeronave y del motor, la misma fuerza se expresa de forma ligeramente diferente en términos de empuje y par ^[29], ya que la potencia requerida de la hélice es el empuje. El empuje y el par son la base de la definición de la eficiencia de la hélice, como se muestra a continuación. La relación de avance de una hélice es similar al ángulo de ataque de un ala.

La eficiencia de una hélice está determinada por ^[30]

${\displaystyle \eta ={\frac {\hbox{potencia propulsiva de salida}}{\hbox{potencia de entrada en el eje}}}={\frac {{\hbox{empuje}}\cdot {\hbox{velocidad axial}}}{{\hbox{par de resistencia}}\cdot {\hbox{velocidad de rotación}}}}.}$

Las hélices son similares en su perfil aerodinámico a un ala de baja resistencia y, como tales, su funcionamiento es deficiente cuando se encuentran en un ángulo de ataque distinto del óptimo . Por lo tanto, la mayoría de las hélices utilizan un mecanismo de paso variable para alterar el ángulo de paso de las palas a medida que cambian la velocidad del motor y la velocidad de la aeronave.

Otra consideración es el número y la forma de las palas utilizadas. Aumentar la relación de aspecto de las palas reduce la resistencia, pero la cantidad de empuje producido depende del área de la pala, por lo que el uso de palas de gran aspecto puede dar como resultado un diámetro de hélice excesivo. Un equilibrio adicional es que el uso de un número menor de palas reduce los efectos de interferencia entre las palas, pero tener suficiente área de pala para transmitir la potencia disponible dentro de un diámetro establecido significa que se necesita un compromiso. Aumentar el número de palas también disminuye la cantidad de trabajo que cada pala debe realizar, lo que limita el número de Mach local , un límite de rendimiento significativo en las hélices. El rendimiento de una hélice sufre cuando el flujo transónico aparece por primera vez en las puntas de las palas. Como la velocidad relativa del aire en cualquier sección de una hélice es una suma vectorial de la velocidad de la aeronave y la velocidad tangencial debido a la rotación, el flujo sobre la punta de la pala alcanzará la velocidad transónica mucho antes que la aeronave. Cuando el flujo de aire sobre la punta de la pala alcanza su velocidad crítica , la resistencia al arrastre y al par aumentan rápidamente y se forman ondas de choque que crean un aumento brusco del ruido. Por lo tanto, los aviones con hélices convencionales no suelen volar a velocidades superiores a Mach 0,6. Ha habido aviones con hélices que han alcanzado velocidades de hasta Mach 0,8, pero la baja eficiencia de las hélices a esta velocidad hace que estas aplicaciones sean poco frecuentes.

La punta de una pala de hélice se desplaza más rápido que el eje. Por lo tanto, es necesario que la pala esté torcida para disminuir gradualmente el ángulo de ataque de la pala y, por lo tanto, producir una sustentación uniforme desde el eje hasta la punta. El mayor ángulo de incidencia, o el paso más alto, se encuentra en el eje, mientras que el menor ángulo de incidencia o el paso más pequeño se encuentra en la punta. Una pala de hélice diseñada con el mismo ángulo de incidencia en toda su longitud sería ineficiente porque, a medida que aumenta la velocidad del aire en vuelo, la parte cercana al eje tendría un AOA negativo, mientras que la punta de la pala se detendría. ^[31]

Se han hecho esfuerzos para desarrollar hélices y propfans para aviones a altas velocidades subsónicas. ^[32] La 'solución' es similar a la del diseño de alas transónicas . Se utilizan secciones de palas delgadas y las palas están barridas hacia atrás en forma de cimitarra ( hélice de cimitarra ) de una manera similar a la flecha hacia atrás del ala, para retrasar la aparición de ondas de choque cuando las puntas de las palas se acercan a la velocidad del sonido. La velocidad relativa máxima se mantiene lo más baja posible mediante un control cuidadoso del paso para permitir que las palas tengan grandes ángulos de hélice. Se utiliza una gran cantidad de palas para reducir el trabajo por pala y, por lo tanto, la fuerza de circulación. Se utilizan hélices contrarrotativas . Las hélices diseñadas son más eficientes que los turbofans y su velocidad de crucero (Mach 0,7-0,85) es adecuada para aviones de pasajeros, pero el ruido generado es tremendo (ver el Antonov An-70 y el Tupolev Tu-95 para ejemplos de este tipo de diseño).

Las fuerzas que actúan sobre las palas de una hélice de avión incluyen las siguientes. Algunas de estas fuerzas pueden organizarse para contrarrestarse entre sí, reduciendo las tensiones mecánicas generales impuestas. ^{[33] [1]}

Flexión por empuje

Las cargas de empuje sobre las palas, en reacción a la fuerza que empuja el aire hacia atrás, actúan para doblarlas hacia adelante. Por lo tanto, las palas suelen estar inclinadas hacia adelante, de modo que la fuerza centrífuga de rotación externa actúa para doblarlas hacia atrás, equilibrando así los efectos de flexión.

Torsión centrífuga y aerodinámica

Cualquier objeto que gira de forma asimétrica experimenta una fuerza de torsión centrífuga. En la hélice, actúa para torcer las palas hasta lograr un paso fino. Por lo tanto, el centro de presión aerodinámico suele estar dispuesto ligeramente por delante de su línea central mecánica, lo que crea un momento de torsión hacia un paso grueso y contrarresta el momento centrífugo. Sin embargo, en una caída a alta velocidad, la fuerza aerodinámica puede cambiar significativamente y los momentos pueden desequilibrarse.

Centrífugo

La fuerza que sienten las palas al alejarlas del buje al girar. Puede configurarse para ayudar a contrarrestar la fuerza de flexión del empuje, como se describió anteriormente.

Flexión por torsión

La resistencia del aire que actúa contra las palas, combinada con los efectos inerciales, hace que las palas de la hélice se doblen en dirección opuesta a la de rotación.

Vibratorio

Muchos tipos de perturbaciones generan fuerzas vibratorias en las palas. Entre ellas, se incluye la excitación aerodinámica cuando las palas pasan cerca del ala y el fuselaje. Los motores de pistón introducen impulsos de par que pueden excitar los modos vibratorios de las palas y provocar fallos por fatiga. ^[34] Los impulsos de par no están presentes cuando se acciona mediante un motor de turbina de gas.

El propósito de variar el ángulo de paso es mantener un ángulo de ataque óptimo para las palas de la hélice, brindando la máxima eficiencia durante todo el régimen de vuelo. Esto reduce el consumo de combustible. Solo maximizando la eficiencia de la hélice a altas velocidades se puede lograr la mayor velocidad posible. ^[35] El ángulo de ataque efectivo disminuye a medida que aumenta la velocidad aerodinámica, por lo que se requiere un paso más grueso a altas velocidades aerodinámicas.

La exigencia de variación de paso se demuestra por el rendimiento de la hélice durante la competición del Trofeo Schneider en 1931. La hélice de paso fijo de la Fairey Aviation Company utilizada se detuvo parcialmente en el despegue y hasta 160 mph (260 km/h) en su camino hasta una velocidad máxima de 407,5 mph (655,8 km/h). ^[36] El amplio rango de velocidad se logró porque no se aplicaron algunos de los requisitos habituales para el rendimiento de las aeronaves. No se comprometió la eficiencia de la velocidad máxima, la distancia de despegue no se limitó a la longitud de pista disponible y no hubo ningún requisito de ascenso. ^[37]

Las palas de paso variable utilizadas en el Tupolev Tu-95 lo impulsan a una velocidad que excede la máxima que alguna vez se consideró posible para un avión propulsado por hélice ^[38] utilizando un paso excepcionalmente grueso. ^[39]

Los primeros controles de paso eran operados por piloto, ya sea con un pequeño número de posiciones preestablecidas o continuamente variables. ^[1]

El mecanismo más simple es la hélice ajustable desde el suelo , que se puede ajustar en tierra, pero que es efectivamente una hélice de paso fijo una vez en el aire. La hélice VP de "dos velocidades" accionada por resorte se ajusta a velocidad fina para el despegue y luego se activa a velocidad gruesa una vez en crucero, permaneciendo así durante el resto del vuelo.

Después de la Primera Guerra Mundial , se desarrollaron hélices automáticas para mantener un ángulo de ataque óptimo. Esto se logró equilibrando el momento de torsión centrípeto en las palas y un conjunto de contrapesos contra un resorte y las fuerzas aerodinámicas en la pala. Las hélices automáticas tenían la ventaja de ser simples, livianas y no requerir control externo, pero el rendimiento de una hélice en particular era difícil de igualar con el del motor del avión.

La hélice de paso variable más común es la hélice de velocidad constante . Esta se controla mediante una unidad de velocidad constante hidráulica (CSU). Ajusta automáticamente el paso de las palas para mantener una velocidad constante del motor para cualquier ajuste de control de potencia dado. ^[1] Las hélices de velocidad constante permiten al piloto establecer una velocidad de rotación de acuerdo con la necesidad de máxima potencia del motor o máxima eficiencia, y un regulador de hélice actúa como un controlador de circuito cerrado para variar el ángulo de paso de la hélice según sea necesario para mantener la velocidad del motor seleccionada. ^[40] En la mayoría de las aeronaves, este sistema es hidráulico, y el aceite del motor sirve como fluido hidráulico. Sin embargo, las hélices controladas eléctricamente se desarrollaron durante la Segunda Guerra Mundial y se usaron ampliamente en aeronaves militares, y recientemente han visto un resurgimiento en su uso en aeronaves de construcción casera. ^{[ cita requerida ]}

Otro diseño es el V-Prop , que es autoalimentado y autónomo.

En la mayoría de las hélices de paso variable, las palas se pueden girar en paralelo al flujo de aire para detener la rotación de la hélice y reducir la resistencia cuando el motor falla o se apaga deliberadamente. Esto se llama emplumar , un término tomado del remo . En los aviones monomotor, ya sea un planeador motorizado o un avión propulsado por turbina, el efecto es aumentar la distancia de planeo. En un avión multimotor, emplumar la hélice en un motor inoperativo reduce la resistencia y ayuda a la aeronave a mantener la velocidad y la altitud con los motores operativos. El emplumar también evita el movimiento de aspa , el giro de los componentes del motor por la rotación de la hélice forzada por la estela; el movimiento de aspa puede dañar el motor, iniciar un incendio o causar daños estructurales a la aeronave.

La mayoría de los sistemas de emplumado de los motores alternativos detectan una caída de la presión del aceite y mueven las palas hacia la posición de emplumado, y requieren que el piloto tire del control de la hélice hacia atrás para desacoplar los pasadores de tope de paso alto antes de que el motor alcance las RPM de ralentí . Los sistemas de control de turbohélice suelen utilizar un sensor de par negativo en la caja de cambios de reducción, que mueve las palas hacia la posición de emplumado cuando el motor ya no proporciona potencia a la hélice. Según el diseño, el piloto puede tener que pulsar un botón para anular los topes de paso alto y completar el proceso de emplumado, o el proceso de emplumado puede ser automático.

El emplumado accidental es peligroso y puede provocar una pérdida aerodinámica , como se vio, por ejemplo, con el vuelo 691 de Yeti Airlines , que se estrelló durante la aproximación debido a un emplumado accidental. ^[41]

Las hélices de algunas aeronaves pueden funcionar con un ángulo de paso de pala negativo y, por lo tanto, invertir el empuje de la hélice. Esto se conoce como paso beta. El empuje inverso se utiliza para ayudar a reducir la velocidad de la aeronave después del aterrizaje y es particularmente ventajoso al aterrizar en una pista mojada, ya que el frenado de las ruedas sufre una menor efectividad. En algunos casos, el paso inverso permite que la aeronave se desplace en reversa, lo que es particularmente útil para sacar hidroaviones de muelles confinados.

En ocasiones, se utilizan hélices contrarrotativas en aeronaves bimotores y multimotores con motores montados en las alas. Estas hélices giran en direcciones opuestas a las de su contraparte en la otra ala para equilibrar los efectos del par motor y del factor p . A veces se las denomina hélices "laterales", ya que existen versiones de cada hélice para la mano izquierda y para la mano derecha.

En general, las hélices de ambos motores de la mayoría de los aviones bimotores convencionales giran en el sentido de las agujas del reloj (visto desde la parte trasera del avión). Para eliminar el problema crítico del motor , las hélices contrarrotativas suelen girar "hacia dentro" hacia el fuselaje (en el sentido de las agujas del reloj en el motor izquierdo y en el sentido contrario a las agujas del reloj en el derecho); sin embargo, hay excepciones (especialmente durante la Segunda Guerra Mundial ), como el P-38 Lightning , que giraba "hacia fuera" (en el sentido contrario a las agujas del reloj en el motor izquierdo y en el sentido de las agujas del reloj en el derecho) alejándose del fuselaje desde los años de la Segunda Guerra Mundial, y el Airbus A400, cuyos motores interiores y exteriores giran en direcciones opuestas incluso en la misma ala.

Una hélice contrarrotante o contrahélice coloca dos hélices contrarrotantes sobre ejes de transmisión concéntricos de modo que una se asienta inmediatamente "aguas abajo" de la otra hélice. Esto proporciona los beneficios de las hélices contrarrotantes para un solo motor. La hélice delantera proporciona la mayor parte del empuje, mientras que la hélice trasera también recupera la energía perdida en el movimiento giratorio del aire en la estela de la hélice. La contrarrotación también aumenta la capacidad de una hélice para absorber potencia de un motor determinado, sin aumentar el diámetro de la hélice. Sin embargo, el costo adicional, la complejidad, el peso y el ruido del sistema rara vez lo hacen rentable y solo se utiliza en tipos de alto rendimiento donde el rendimiento final es más importante que la eficiencia.

Un ventilador es una hélice con un gran número de aspas. Por lo tanto, un ventilador produce mucho empuje para un diámetro determinado, pero la proximidad de las aspas significa que cada una afecta fuertemente al flujo alrededor de las demás. Si el flujo es supersónico, esta interferencia puede ser beneficiosa si el flujo se puede comprimir a través de una serie de ondas de choque en lugar de una sola. Al colocar el ventilador dentro de un conducto con forma , se pueden crear patrones de flujo específicos según la velocidad de vuelo y el rendimiento del motor. A medida que el aire ingresa al conducto, su velocidad se reduce mientras que su presión y temperatura aumentan. Si el avión está a una velocidad subsónica alta, esto crea dos ventajas: el aire ingresa al ventilador a una velocidad de Mach menor; y la temperatura más alta aumenta la velocidad local del sonido. Si bien hay una pérdida de eficiencia ya que el ventilador está extrayendo un área más pequeña de la corriente libre y, por lo tanto, utilizando menos aire, esto se equilibra con el ventilador entubado que conserva la eficiencia a velocidades más altas donde la eficiencia de la hélice convencional sería pobre. Un ventilador o hélice con conducto también tiene ciertas ventajas a velocidades más bajas, pero el conducto debe tener una forma diferente a la de uno para vuelos a mayor velocidad. Se absorbe más aire y, por lo tanto, el ventilador funciona con una eficiencia equivalente a una hélice más grande sin conducto. El conducto también reduce el ruido y, si se desprende una pala, el conducto ayudaría a contener el daño. Sin embargo, el conducto agrega peso, costo, complejidad y (hasta cierto punto) resistencia.

• Relación de avance
• Diseño de ventilador axial
• Teoría del elemento de la cuchilla
• Teoría del momento del elemento de la pala
• Rotor de helicóptero
• Lista de fabricantes de hélices para aeronaves
• Teoría del momento
• Charles M. Olmsted , uno de los primeros diseñadores estadounidenses de hélices de "alta eficiencia" (1909)
• Teoría de la hélice
• Turbohélice
• Rotores de elevación radial

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• Hélices para aviones experimentales
• Sitio web How Things Fly del Museo Nacional del Aire y del Espacio del Instituto Smithsoniano
• La hélice explicada