¿Las puntas de los rotores de los helicópteros se vuelven supersónicas regularmente?

El «wop wop», generalmente conocido como bofetada de la hoja, se escucha cuando la punta de la hoja pasa por el vórtice creado por la anterior.

Se puede evitar. El régimen de vuelo más común cuando esto sucede es un descenso poco profundo pero aún con bastante poder, p. ej. rápido y poco profundo. El vórtice comienza a descender tan pronto como deja la punta de la hoja, por lo que en vuelo nivelado, la siguiente hoja pasa sobre él. En un descenso poco profundo con un ángulo de inclinación alto, la siguiente pala puede literalmente «golpear» el vórtice anterior. Los vórtices de las dos palas ahora interactúan y pueden causar un flujo supersónico transitorio local. Para evitarlo, simplemente baje el paso para establecer un descenso más positivo o tire hacia atrás del cíclico para aumentar la carga del disco y aplanar la actitud.

Las puntas de las palas no se vuelven supersónicas. De hecho, en casi todos los diseños de helicópteros, el rotor gira dentro de un rango muy estrecho de velocidades, típicamente entre el 90% y el 110% de la velocidad normal. En la mayoría de los regímenes de vuelo, el rotor gira al 100%, +/- un pequeño porcentaje, ya sea que esté subiendo, descendiendo o navegando. Solo durante la rotación automática y las maniobras agresivas el alcance varía en un 10% o más. Depende del tipo de helicóptero, pero los límites absolutos serían algo así como 85% (tiempo de pánico, riesgo de pérdida total) y 115% (pánico menor, riesgo de daño a la máquina, especialmente en el eje de transmisión del rotor de cola).

En operaciones normales, y el diseño apunta a lograr esto, las puntas del rotor no se vuelven supersónicas desde que hacer, hay una disminución repentina y grande en el rendimiento con más potencia requerida, mayores cargas de la hoja, vibración y ruido.

Piense en un helicóptero que vuela hacia adelante. La hoja que avanza en su posición más perpendicular experimenta un flujo de aire relativo que es igual (ignorando todo tipo de efectos secundarios menores) a la velocidad de avance más la velocidad de la hoja. La pala que se retira experimenta un flujo de aire relativo igual a la velocidad de la pala menos la velocidad del helicóptero.

Si las palas giran tan rápido que las puntas son supersónicas, entonces la parte principal que genera la sustentación de la pala en retirada, los dos tercios exteriores del tramo, experimentarían una velocidad aerodinámica tan baja, durante parte del tramo. incluso será negativo, que las palas se detendrán causando un giro catastrófico hacia ese lado. Es este fenómeno el que finalmente limita la velocidad de rotación de las palas y la velocidad máxima del helicóptero.

Veamos el R22 como ejemplo. Las siguientes cifras son aproximadas.

La velocidad de la punta del rotor es de aproximadamente 670 fps (pies por segundo). La velocidad del sonido a nivel del suelo en un día estándar es de aproximadamente 1100 fps. El R22 vuela cerca de VNE, digamos 100 nudos que son aproximadamente 170 fps.

La punta en el lado que avanza, a su velocidad más rápida, por lo tanto, está volando en relación con el flujo de aire a 840 fps y en el lado que se retira, en su punto más lento, a 500 fps.

La longitud de la hoja es de aproximadamente 11 pies, por lo que la parte media de la hoja en el lado en retirada solo vuela a 190 fps (la mitad de 670 menos la velocidad del aire). Cuando llegas a aproximadamente 4 pies de la raíz de la hoja, ahora solo está a 50 fps y no mucho más lejos de eso, se vuelve cero, luego negativo.

Recuerda que la elevación es proporcional al cuadrado de la velocidad. Ahora puede ver la gran discrepancia entre la sustentación en ambos lados a medida que aumenta la velocidad aérea.

Para responder a su pregunta directamente, el R22 necesitaría volar a 530 fps para acercarse a una velocidad máxima supersónica que equivale a aproximadamente 330 nudos que no se puede acercar a lograr.

PD. El R22 POH habla en medidas imperiales. Cuando tenga algo de tiempo, volveré a hacer las cifras en el sistema métrico que yo, y la mayor parte del mundo, prefiero.

Comentarios

• La primera oración de su último párrafo parece contradecirse: el disco gira tan rápido que los consejos van supersónico, por lo tanto, los 2/3 exteriores del tramo experimentarían una velocidad aérea lenta . ¿Podría aclarar cómo la punta (parte de los 2/3 externos de la hoja) puede ser supersónica, pero esos mismos 2/3 de la hoja pueden moverse demasiado lentamente? Yo ' no te estoy diciendo ' estás equivocado, yo ' estoy realmente confundido .
• Lo reformularé un poco. Me refiero a la hoja en retirada. Gracias por señalarlo.
• ¿No es el caso de que el rotor en movimiento hacia adelante que golpea la velocidad del sonido es un factor limitante en la velocidad del helicóptero en sí? Tengo un vago recuerdo de un piloto de Lynx diciéndome eso cuando era un niño.
• @chriscowley Lo es, pero primero presionarás VNE (velocidad nunca exceda). Lea acerca de la disimetría de elevación y cómo se relaciona con VNE
• @FreeMan También encontré la respuesta confusa. Creo que ' está diciendo esto. Los rotores giran con bastante lentitud, por lo que, cuando el helicóptero está parado, las puntas están lejos de la velocidad del sonido. La única forma de conseguir que las puntas rompan la barrera del sonido sería mover el helicóptero hacia adelante muy rápidamente. Tan rápido, de hecho, que la hoja en retirada todavía estaría moviéndose hacia adelante, en relación con el suelo. Esa hoja no generaría elevación porque el flujo de aire sobre ella sería desde lo que se supone que ' es su borde de salida hasta el borde de ataque.

El latido característico de un rotor de helicóptero es causado por la interacción entre los vórtices de las palas del rotor, en particular entre el rotor principal y los vórtices del rotor de cola . A medida que coinciden las ondas de choque de estos impulsos, crean armónicos poderosos (fuertes). Este efecto puede ocurrir a velocidades del rotor muy por debajo de las supersónicas.

La interacción del vórtice se puede reducir rodeando el rotor de cola (más pequeño, de múltiples palas), más parecido a un ventilador, con una cubierta. Una instalación de este tipo se llama fenestron («ventana», y en realidad una marca registrada de Eurocopter), ventilador con conductos o ventilador en aleta. Este desarrollo se diseñó originalmente para mejorar la seguridad y el rendimiento.

Las modificaciones al rotor principal para reducir el impulso del vórtice suelen sacrificar potencia o economía.

Sobre el tema de la velocidad supersónica, los helicópteros tienen una velocidad máxima teórica de 417 km / h en modo de vuelo convencional debido al problema de que la pala que avanza alcanza una velocidad supersónica en un área demasiado grande y que la pala que se retira pierde sustentación abruptamente.

Alguien preguntó cómo solo una parte de la hoja podía ser supersónica mientras que la mayor parte de su longitud era subsónica. Esto se debe a que el movimiento es angular. Un punto en la parte exterior se mueve a través del aire mucho más rápido que un punto en la región interior, para cubrir el mismo ángulo al mismo tiempo. Esta condición supersónica se alcanza antes en vuelo que en vuelo estacionario. Cuando la pala se mueve «hacia adelante», la velocidad aerodinámica se suma a la velocidad de rotación de la pala que se mueve hacia adelante y se resta de la pala que se mueve hacia atrás. Una solución común para adaptarse a la diferencia en la elevación de las palas opuestas es articularlas en la raíz para permitir que la pala con una mayor velocidad aerodinámica se mueva hacia arriba en una medida limitada. Algunos diseños «rígidos» reemplazan la bisagra con una sección flexible.

Comentarios

• Buena respuesta. ¡Bienvenido a aviation.se!