Controles de vuelo del helicóptero

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Los controles de vuelo del helicóptero se utilizan para lograr y mantener un vuelo aerodinámico controlado del helicóptero . ^[1] Los cambios en el sistema de control de vuelo de la aeronave se transmiten mecánicamente al rotor, produciendo efectos aerodinámicos en las palas del rotor que hacen que el helicóptero se mueva de la manera deseada. Inclinarse hacia adelante y hacia atrás (cabeceo) o hacia los lados (balanceo) requiere que los controles alteren el ángulo de ataque de las palas del rotor principal cíclicamente durante la rotación, creando diferentes cantidades de sustentación en diferentes puntos del ciclo. Aumentar o disminuir la sustentación general requiere que los controles alteren el ángulo de ataque de todas las palas colectivamente en cantidades iguales al mismo tiempo, lo que da como resultado ascenso, descenso, aceleración y desaceleración.

Un helicóptero típico tiene tres entradas de control de vuelo: la palanca cíclica, la palanca colectiva y los pedales antipar. ^[2] Dependiendo de la complejidad del helicóptero, el cíclico y el colectivo pueden estar vinculados entre sí mediante una unidad de mezcla , un dispositivo mecánico o hidráulico que combina las entradas de ambos y luego envía la entrada "mezclada" a las superficies de control para lograr el resultado deseado. El acelerador manual también puede considerarse un control de vuelo porque es necesario para mantener la velocidad del rotor en helicópteros más pequeños sin reguladores. Los reguladores también ayudan al piloto a controlar el paso colectivo en los rotores principales del helicóptero, para mantener un vuelo estable y más preciso.

El control cíclico, comúnmente llamado palanca cíclica o simplemente cíclico , es similar en apariencia en la mayoría de los helicópteros a una palanca de control de un avión de ala fija. La palanca cíclica generalmente se levanta desde debajo de la parte delantera del asiento de cada piloto. El Robinson R22 tiene un diseño cíclico "oscilante" conectado a una columna central ubicada entre los dos asientos. Los helicópteros con sistemas fly-by-wire permiten montar un controlador de estilo cíclico al costado del asiento del piloto.

El cíclico se utiliza para controlar el rotor principal con el fin de cambiar la dirección de movimiento del helicóptero. En vuelo estacionario, el cíclico controla el movimiento del helicóptero hacia adelante, hacia atrás y lateralmente. Durante el vuelo hacia adelante, las entradas de control cíclico provocan cambios en la trayectoria de vuelo similares al vuelo de una aeronave de ala fija; las entradas hacia la izquierda o hacia la derecha hacen que el helicóptero gire en la dirección deseada, y las entradas hacia adelante y hacia atrás cambian la actitud de cabeceo del helicóptero, lo que da como resultado cambios de altitud (vuelo ascendente o descendente).

El control se llama cíclico porque cambia independientemente el ángulo de paso mecánico o ángulo de bandera de cada pala del rotor principal según su posición en el ciclo. El paso se cambia de modo que cada pala tenga el mismo ángulo de incidencia al pasar por el mismo punto en el ciclo, cambiando la sustentación generada por la pala en ese punto y haciendo que cada pala cambie su ángulo de incidencia, es decir, que gire ligeramente a lo largo de su eje largo, en secuencia al pasar por el mismo punto. Si ese punto está exactamente adelante, el paso de la pala aumenta brevemente en esa dirección. Por lo tanto, si el piloto empuja el cíclico hacia adelante, el disco del rotor se inclina hacia adelante y el helicóptero se desplaza en línea recta hacia adelante. Si el piloto empuja el cíclico hacia la derecha, el disco del rotor se inclina hacia la derecha.

Cualquier sistema de rotor tiene un retraso entre el punto de rotación en el que los controles introducen un cambio en el paso y el punto en el que se produce el cambio deseado en el vuelo de la pala del rotor. Esta diferencia se debe al desfase de fase , que a menudo se confunde con la precesión giroscópica . Un rotor es un sistema oscilatorio que obedece a las leyes que rigen la vibración, que, según el sistema de rotor, puede parecerse al comportamiento de un giroscopio.

El control de paso colectivo, o palanca colectiva , normalmente se encuentra en el lado izquierdo del asiento del piloto con un control de fricción ajustable para evitar movimientos involuntarios. El colectivo cambia el ángulo de paso de todas las palas del rotor principal colectivamente (es decir, todas al mismo tiempo) y es independiente de su posición en el ciclo de rotación. Por lo tanto, si se realiza una entrada colectiva, todas las palas cambian por igual y, como resultado, el helicóptero aumenta o disminuye su sustentación total derivada del rotor. En vuelo nivelado, esto causaría un ascenso o descenso, mientras que con el helicóptero inclinado hacia adelante, un aumento en la sustentación total produciría una aceleración junto con una cantidad dada de ascenso.

Si un helicóptero sufre un corte de energía, el piloto puede ajustar el paso colectivo para mantener el rotor girando, generando suficiente sustentación para tocar tierra y derrapar en un aterrizaje relativamente suave. ^[3]

El control de paso colectivo en un Boeing CH-47 Chinook se llama control de empuje , pero tiene el mismo propósito, excepto que controla dos sistemas de rotor, aplicando un paso colectivo diferencial. ^[4]

Los rotores de los helicópteros están diseñados para funcionar a una velocidad de rotación específica. El acelerador controla la potencia del motor, que está conectado al rotor mediante una transmisión. El ajuste del acelerador debe mantener suficiente potencia del motor para mantener la velocidad del rotor dentro de los límites en los que el rotor produce suficiente sustentación para el vuelo. En muchos helicópteros, el control del acelerador es una empuñadura giratoria simple o doble estilo motocicleta montada en el control colectivo (la rotación es opuesta a la del acelerador de una motocicleta), mientras que algunos helicópteros multimotor tienen palancas de potencia.

En muchos helicópteros con motor de pistón , el piloto manipula el acelerador para mantener la velocidad del rotor. Los helicópteros con motor de turbina y algunos helicópteros con motor de pistón utilizan reguladores u otros sistemas de control electromecánicos para mantener la velocidad del rotor y liberar al piloto de la responsabilidad rutinaria de esa tarea. (Normalmente también hay disponible una reversión manual en caso de que falle el regulador).

Los pedales antipar están ubicados en el mismo lugar que los pedales del timón de dirección en un avión y tienen una función similar: controlan la dirección en la que apunta el morro del avión. Al presionar el pedal en una dirección determinada, se modifica el paso de las palas del rotor de cola, lo que aumenta o reduce el empuje del rotor de cola y hace que el morro gire en la dirección del pedal aplicado ^[5].

Los diseños posteriores, conocidos como " NOTAR ", utilizan una corriente de aire para proporcionar un control antipar en lugar de un rotor de cola. Esta corriente de aire se genera en el fuselaje mediante un pequeño ventilador o turbina y se dirige hacia afuera de la parte trasera del brazo de cola a través de orificios de ventilación. Los álabes de control internos pueden variar este flujo, lo que permite controlar el eje de guiñada. Los sistemas NOTAR son más seguros que el uso de un rotor de cola giratorio, y la ausencia del rotor también elimina su resistencia asociada, lo que aumenta potencialmente la eficiencia. ^[6]

Hay tres condiciones básicas de vuelo para un helicóptero: vuelo estacionario, vuelo hacia adelante y autorrotación.

Algunos pilotos consideran que el vuelo estacionario es el aspecto más desafiante del vuelo en helicóptero. ^[7] Debido a que los helicópteros son generalmente dinámicamente inestables, las desviaciones de una actitud dada no se corrigen sin la intervención del piloto. Por lo tanto, el piloto debe realizar frecuentes entradas de control y correcciones para mantener el helicóptero en una ubicación y altitud deseadas. El uso de las entradas de control por parte del piloto en un vuelo estacionario es el siguiente: el cíclico se utiliza para eliminar la deriva en el plano horizontal (por ejemplo, movimiento hacia adelante, hacia atrás y de lado a lado); el colectivo se utiliza para mantener la altitud deseada; y los pedales del rotor de cola (o sistema antipar) se utilizan para controlar la dirección o el rumbo de la nariz . Es la interacción de estos controles lo que puede dificultar el aprendizaje del vuelo estacionario, ya que a menudo un ajuste en cualquiera de los controles requiere el ajuste de los otros dos, lo que requiere que el piloto se familiarice con el acoplamiento de las entradas de control necesarias para producir un vuelo suave.

En vuelo hacia adelante, los controles de vuelo de un helicóptero se comportan más como los de un avión de ala fija. Mover el cíclico hacia adelante hace que el morro se incline hacia abajo, perdiendo así altitud y aumentando la velocidad aerodinámica. Mover el cíclico hacia atrás hace que el morro se incline hacia arriba, desacelerando el helicóptero y haciendo que ascienda. Aumentar el colectivo (potencia) mientras se mantiene una velocidad aerodinámica constante induce un ascenso, mientras que disminuir el colectivo (potencia) hace que el helicóptero descienda. La coordinación de estas dos entradas, colectivo hacia abajo más cíclico hacia atrás (atrás) o colectivo hacia arriba más cíclico hacia adelante provoca cambios en la velocidad aerodinámica mientras se mantiene una altitud constante. Los pedales cumplen la misma función tanto en un helicóptero como en un avión, para mantener un vuelo equilibrado. Esto se hace aplicando una entrada de pedal en la dirección necesaria para centrar la bola en el indicador de viraje y alabeo .

El vuelo hacia adelante en un helicóptero tiene limitaciones diferentes a las de un avión de ala fija. En un avión de ala fija, la velocidad aerodinámica máxima está limitada por la tensión que puede soportar la estructura del avión; en un helicóptero, está limitada por las RPM del rotor y la velocidad aerodinámica efectiva sobre cada pala. ^[5]

En un vuelo estacionario, cada pala del rotor experimentará la misma velocidad aerodinámica a un régimen de revoluciones constante. En condiciones de vuelo hacia adelante, una pala del rotor se moverá hacia la corriente de aire que se aproxima mientras que la otra se aleja de ella. A determinadas velocidades aerodinámicas, esto puede crear una situación peligrosa en la que la pala del rotor que retrocede se detiene, lo que provoca un vuelo inestable. ^[5]

En el caso de los helicópteros con dos rotores montados horizontalmente, los cambios de actitud suelen requerir que los dos rotores se comporten de forma inversa en respuesta a las entradas de control estándar del piloto. Los que tienen rotores coaxiales (como el Kamov Ka-50 ) tienen ambos rotores montados en el mismo mástil, uno encima del otro sobre ejes de transmisión concéntricos que giran en direcciones opuestas sobre un eje compartido y realizan cambios de guiñada aumentando el paso colectivo del rotor que gira en la dirección del giro deseado mientras que al mismo tiempo reducen el paso colectivo del otro, lo que crea una asimetría del par.

Las aeronaves de rotor en tándem (como el Boeing CH-47 Chinook ) también emplean dos rotores que giran en direcciones opuestas (lo que se denomina contrarrotación cuando se produce desde dos puntos separados en el mismo fuselaje), pero tienen los rotores en ejes de transmisión separados a través de mástiles en la nariz y la cola. Esta configuración utiliza un paso colectivo diferencial para cambiar la actitud de cabeceo general de la aeronave. Cuando el piloto mueve el cíclico hacia adelante para inclinar la nariz hacia abajo y acelerar hacia adelante, el helicóptero responde disminuyendo el paso colectivo en el rotor delantero y aumentando el paso colectivo en el rotor trasero proporcionalmente, pivotando los dos extremos alrededor de su centro de masa común . Los cambios en la guiñada se realizan con el paso cíclico diferencial , el rotor delantero modifica el paso cíclico en la dirección deseada y el paso opuesto se aplica al trasero, girando una vez más la aeronave alrededor de su centro.

Por el contrario, los helicópteros con rotor contrarrotante montados transversalmente y sincrónicos (como el rotor basculante Bell/Boeing V-22 ) tienen dos grandes conjuntos de rotores horizontales montados uno al lado del otro y utilizan un paso colectivo diferencial para afectar el balanceo de la aeronave. Al igual que los rotores en tándem, el paso cíclico diferencial se utiliza para controlar el movimiento sobre el eje de guiñada.

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