Aerodinámica helicópteros FAC

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Fuerza Aérea Colombiana
ESCUELA DE HELICÓPTEROS DE LA FUERZA PUBLICA

AERODINÁMICA

Requisitos de Seguridad:
Salones: Tenga precaución cuando opere
ayudas y aparatos de entrenamiento. Partes
movibles, esquinas filosas y componentes
que sobresalen pueden causar situaciones
peligrosas.
Rendimiento del Trabajo: Observe todas las
PRECAUCIONES, AVISOS Y NOTAS
publicadas en el manual del operador déjese
llevar por todas las otras regulaciones de
seguridad.

Nivel de Evaluación de Riesgo: Bajo
Consideraciones Ambientales: Ninguna.
Evaluación: Usted será evaluado en este
bloque de instrucción con un examen de
sistemas y debe contestar el 85% de las
preguntas correctamente para poder
continuar a la siguiente fase.
Continuación Requisitos de Seguridad:

• ACTIVIDAD: Conocer los principios
fundamentales de vuelo del helicóptero.
• CONDICIÓN: En un salón de clase.
• NORMAS: Manual FM 3-04.203.
CACOM4-EC-1N-28
OBJETIVO TERMINAL DE APRENDIZAJE

DEFINICION AERODINÁMICA
Es la ciencia que tiene
por objeto el estudio de
los efectos que se
originan cuando un
cuerpo se desplaza a
través de una masa de
aire.

LA ATMÓSFERA
PRESIÓN
HUMEDAD
TEMPERATURA

EFECTOS DE ALTITUD POR
DENSIDAD EN EL RENDIMIENTO

CARTA DE ALTITUD DENSIMÉTRICA

LEYES DE NEWTON
1. Inercia
2. Aceleración F = m×a
3. Acción y reacción

REPRESENTAN CANTIDADES CON MAGNITUD Y
DIRECCION, EJM:
FUERZAS QUE ACTUAN EN LAS AERONAVES
VECTORES

ECUACIÓN DE BERNOULLI

LA CANTIDAD DE AIRE QUE ENTRA ES LA MISMA
QUE SALE = FLUJO MASICO = P x A x V
ECUACIÓN DE LA CONTINUIDAD

EN UN PERFIL SOMETIDO A UNA
CORRIENTE DE AIRE SE PRODUCEN
CAMBIOS DE VELOCIDAD Y PRESIÓN.
TEMPLARIO
PRESIÓN Vs VELOCIDAD

ECUACIÓN DE LA SUSTENTACIÓN

FACTORES
CL
Ángulo de ataque y
forma del perfil.
S
Superficie en ft².
½ r
La mitad de la densidad
del aire en slugs. La
densidad depende de la
altura, presión y
humedad del aire.
V²
Depende de las
revoluciones del rotor, el
viento causado por el
desplazamiento, el
viento circundante, los
ascensos o descensos y
cualquier otro viento que
se sume al viento
relativo resultante.

COEFICIENTE DE SUSTENTACIÓN Y
ÁNGULO DE ATAQUE.
L = ½.r.V.CL.S
2
MODIFICABLE POR
EL PILOTO

NOMENCLATURA DE PERFILES

PERFIL SIMÉTRICO
• Comba igual a ambos
lados.
• Cuerda y la comba
media son iguales.
• Produce cero
sustentación a cero
ángulo de ataque.
• El centro de presión se
mantiene constante.

• La comba superior es
mas grande que la
inferior.
• La cuerda y la comba
son diferentes.
• Produce sustentación
desde ángulo cero.
• El centro de presión se
mueve hasta un 20% de
la cuerda.
PERFIL ASIMÉTRICO

PERFILES AERODINÁMICOS
PERFIL SIMETRICO
COMBAS IGUALES
COMBA MEDIA Y CUERDA IGUAL
0 SUSTENTACION A 0 ANGULO DE INCIDENCIA
CENTRO DE PRESION CONSTANTE
PERFIL ASIMETRICO
COMBAS NO IGUALES
CUERDA Y COMBA MEDIA DIFERENTES
SUSTENTACION A 0 ANGULO DE INCIDENCIA
CENTRO DE PRESION SE MUEVE HASTA UN 20% EN LA CUERDA
BUENA RELACION DE SUSTENTACION Y RESISTENCIA
MEJORES CARACTERISTICAS DE PERDIDA

PERFILES

PERFILES EN EL HELICÓPTERO

• FUERZA QUE ACTUA SOBRE EL “CENTRO DE
PRESIÓN DE UN PERFIL”. VARIA CON LA
VELOCIDAD Y EL ANGULO DE ATAQUE (AOA), AL
IGUAL QUE VARIA EL C.P.
L
D
AF
FUERZA AERODINÁMICA

ÁNGULO DE ATAQUE
• Ángulo agudo entre la Línea de Cuerda y el
viento relativo resultante.
• Es un ángulo aerodinámico ,el ángulo de ataque
puede cambiar sin cambiar ángulo de incidencia
TEMPLARIO

ÁNGULO DE INCIDENCIA
• ANGULO DE INCIDENCIA: Ángulo formado entre la Línea
de Cuerda y el Plano de Rotación
• El ángulo de incidencia se modifica por medio del cambio del
paso Colectivo y Cíclico
• Un cambio en el ángulo de incidencia resultará en un cambio
en el Ángulo de Ataque

CONTROLES CICLICO/ COLECTIVO

RESISTENCIA
 Inducida: el precio por tener sustentación, aumenta con el
ángulo de ataque y disminuye con la velocidad.
 Perfil o Contorno: Creada por el sistema al girar.
 Parásita: Creada por el fuselaje, a mas velocidad mas
resistencia.

Resistencia creada por todos los
elementos que no produzcan
sustentación
Aumenta con la velocidad al
cuadrado.
.
Resistencia PARÁSITA
RESISTENCIA

•Resulta de la producción de sustentación.
•Paralela a, y en la misma dirección del
viento relativo.
•Aumenta al aumentar el ángulo de ataque.
Resistencia INDUCIDA
RESISTENCIA

Resistencia de CONTORNO
Resistencia que crea el perfil al dar vueltas. No envuelve
producción de sustentación.
A RPM’s constantes es relativamente constante pero
aumenta levemente con velocidad aérea.
Mientras mas palas mas resistencia de contorno.
RESISTENCIA

CURVA DE RESISTENCIA

AERODINÁMICA DE HELICÓPTEROS

Acciones de las palas del rotor vs viento
relativo
• ROTACION – El movimiento circular de las
palas del rotor. Esto produce el viento relativo
(rotacional) básico. La velocidad máxima esta
en la punta de las palas.

Acciones de las palas del rotor
ABANDERAMIENTO
Rotación de la pala a lo largo de la envergadura.
Cambio de paso colectivo.
Cambia el ángulo de incidencia igualmente y en la misma dirección en
todas las palas. “Cambia el ángulo de ataque en todo el rotor”.
Cambio de paso cíclico.
Cambia el ángulo de incidencia diferencialmente en el rotor. Es la forma
primaria de compensar por disimetría de sustentación.

Acciones de las palas del rotor :
ALETEO
El movimiento de las palas hacia arriba y abajo . Las
palas aletean respondiendo a cambios en sustentación
causados por cambios en la velocidad del viento o paso
cíclico. Esto ayuda a prevenir Disimetría de
Sustentación y permite que el rotor se incline en la
dirección deseada respondiendo a movimientos del
cíclico.

Acciones de las palas del rotor :
AVANCE Y RETRASO
Las palas en un sistema articulado avanzan y
retrasan de su posición normal en el sistema del
rotor. Este efecto es causado por fuerzas de
resistencia y el efecto de Coriolis.

AVANCE Y RETRASO
En rotores semi-articulados y
colgantes (a) no hay avance y
retraso debido a que cuando hay
aleteo el centro de gravedad de
las palas quedan a la misma
distancia del centro de rotación
(b). Además en estos sistemas
hay mecanismos para asegurar
que no haya movimiento en esas
direcciones.
(b)
(a)

DISENO Y CONTROL DEL HELICOPTERO
PRINCIPIOS GIROSCOPICOS
EFECTO DE CORIOLIS
El movimiento rotacional (angular) es determinado
por dos factores:
La distancia del centro de gravedad desde el
centro de rotación y la velocidad rotacional.
Si el centro de gravedad se mueve cerca del centro
de rotación, la velocidad rotacional debe aumentar,
y si el centro de gravedad se aleja del centro de
rotación, la velocidad rotacional deberá disminuir.

PRECESIÓN GIROSCÓPICA
Cuerpos en rotación que manifiestan una fuerza aplicada a 90º después de la
aplicación en dirección de la aplicación.
PROPIEDADES GIROSCÓPICAS
RIGIDEZ EN EL ESPACIO

PRECESIÓN GIROSCÓPICA

RIGIDEZ EN EL ESPACIO

TORSIÓN DE LAS PALAS
SE APLICA PARA IGUALAR LA SUSTENTACIÓN A LO
LARGO DE TODA LA PALA.

OBSERVE LA TORSION DE LAS PALAS
MENOR ANGULO DE INCIDENCIA MAYOR ANGULO DE INCIDENCIA

OBSERVE LA TORSION DE LAS PALAS
MENOR ANGULO DE INCIDENCIA MAYOR ANGULO DE INCIDENCIA
Vr
Vr
S S

PALA AVANZANDO
PALA RETROCEDIENDO

TORSION DE LAS PALAS: NOTE LA DIFERENCIA
ENTRE LA PUNTA DE LA PALA Y LA RAIZ DE LA PALA

DISIMETRIA DE LA SUSTENTACIÓN
• Diferencia de
sustentación
entre la pala que
avanza y la pala
que retrocede.
TEMPLARIO

DISIMETRIA DE LA SUSTENTACIÓN

ALETEO
• Movimiento arriba y
abajo de las palas.
• No ocurre si el
plano de rotación
esta perpendicular
al mástil.
• Permite al rotor
inclinarse en la
dirección deseada.

AVANCE Y RETRASO

FLUJO TRANSVERSO
• Es una condición donde existe diferencia de
resistencia entre la mitad delantera y trasera del
disco del rotor principal.
• El coneo y el flujo inducido causan el efecto.
• Se corrige con cíclico izquierdo en el despegue.
• La resistencia inducida adicional en la parte trasera
del rotor causa una vibración que es mas notable
entre 10 a 20 nudos.

Efecto de Flujo Transversal
Para balancear la sustentación es necesario mover el cíclico
lateralmente hacia la izquierda para reducir el ángulo de
ataque en la mitad delantera del disco y aumentarlo en la
parte trasera.

FLUJO TRANSVERSO

Sustentación Traslacional Efectiva
• Condición de sustentación mejorada (16 a 24 kts)
• R/C Trabaja en aire mas limpio.
• Limpieza de los vórtices en la punta de pala.

TENDENCIA TRASLACIONAL
• En estacionario
tiende a la derecha
por empuje lateral
derecho del R/C.
• Se corrige con
cíclico a la
izquierda,
inclinación
XMSN(1,25º), o por
reglaje de controles.

TENDENCIA TRASLACIONAL

CONEO
• Resultado de la suma de la fuerza centrífuga y la
sustentación en las palas.
• Doblez hacia arriba de las palas

CONEO

PALA AVANZANDO
PALA RETROCEDIENDO
CONEO

TORSION DE LAS PALAS: NOTE LA DIFERENCIA
ENTRE LA PUNTA DE LA PALA Y LA RAIZ DE LA PALA
CONEO

FUERZA CENTRIFUGA
CONEO

CONEO
FUERZA CENTRIFUGA
CONEO

12 3 4
5
CONEO

• Bajas RPM.
• Alto peso bruto.
• Fuerzas G.
• Turbulencia.
CONSECUENCIAS
Perdida del área de
sustentación.
Fatiga en las palas.
CONEO EXCESIVO

FLUJO DE AIRE DURANTE VUELO
ESTACIONARIO.
En Efecto de Tierra: (IGE)
La potencia necesaria para sostener vuelo estacionario
en efecto de tierra es menor.
Se debe a la interferencia con la superficie la cual
reduce la resistencia inducida, y hace que el vector de
sustentación sea mas vertical.
La interferencia con la superficie también reduce la
magnitud de los vórtices de la punta de las palas.

ESTACIONARIO.
•En efecto de tierra,
la eficiencia del
sistema del rotor
es incrementada
debido a la
proximidad de la
tierra.

ESTACIONARIO.
• En efecto de
tierra

EFECTO DE TIERRA

ESTACIONARIO.
Fuera de Efecto de Tierra (OGE):
•Un helicóptero requiere alta potencia y altos ángulos
de incidencia en las palas para mover hacia abajo unas
cantidades tremendas de aire a altas velocidades a
través del sistema del rotor para producir una
sustentación igual al peso.
•Este flujo de aire continúa creciendo en velocidad
hasta que alcanza su velocidad máxima, cerca de un
disco de rotor debajo del plano de rotación.

ESTACIONARIO.
• Los vórtices de las puntas de las palas reducen
la efectividad de la porción de afuera de la pala.
• Los vórtices de la pala anterior afectan la
sustentación de las palas subsiguientes.
• La creación continua de éstos vórtices
permanentes y la continua ingestión de los
vórtices existentes es la causa primaria de la
alta potencia necesaria para hacer vuelo
estacionario.

ESTACIONARIO.
• Fuera de
Efecto de
Tierra

EFECTO DE TIERRA
• Una condición de sustentación mejorada donde
se reduce el flujo inducido y los vórtices.
• La cercanía con la tierra determina su
efectividad.

ESTACIONARIO.

AUTOROTACIÓN
• Se presenta cuando
el motor no produce
potencia y el rotor
gira por acción del
viento.
• La transmisión
permite este
movimiento libre del
rotor gracias al
embrague.

Mínimo régimen de
descenso
• Específica para cada
aeronave.
• Cerca de los valores de
resistencia mínima.
Máximo alcance
• Produce una distancia
de planeo mayor.
• Ajustar el régimen de
descenso.
• Cerca de los valores de
máximo alcance.
TIPOS DE AUTOROTACIÓN

AUTOROTACIÓN
Hay diferentes regiones del sistema de rotor que tienen
diferentes funciones durante una autorotación.
Región de Pérdida.
Se compone del 25% de la parte de adentro del disco
de rotor. La región de pérdida opera por encima del
ángulo crítico de ataque durante una autorotación y
contribuye con muy poca sustentación vertical, pero si
resistencia rotacional.

AUTOROTACIÓN
Región Propulsora (Autorotativa).
El área de la pala aproximadamente del 25% al 75%
del radio del disco del rotor. Esta área opera a un
ángulo de ataque relativamente alto. La fuerza
aerodinámica resultante está inclinada ligeramente
hacia delante en la dirección de rotación. La fuerza
total aerodinámica de esta región le da un poco de
empuje horizontal en la dirección de rotación, lo cual
ayuda a incrementar las RPM del rotor.

AUTOROTACIÓN
Región Propulsada.
El área de la pala del 70% hasta la punta de la pala. El
ángulo de ataque en esta región es ligeramente menor
que en la región autorotativa. La velocidad alta del
viento relativo provee la mayoría de la sustentación
vertical para amortiguar el aterrizaje.

REGIONES DE LAS PALAS

AUTOROTACIÓN
• Autorotación vertical Autorotación en vuelo
hacia adelante

AUTOROTACIÓN

AUTOROTACIÓN
Durante una autorotación las RPM del rotor
pueden ser disminuidas incrementando el
colectivo. Las RPMs del rotor pueden ser
aumentadas moviendo el cíclico hacia atrás
(sacrificando velocidad) o a través de un viraje
(con un aumento grande en el régimen de
descenso).

AUTOROTACIÓN
Cada helicóptero tiene unas velocidades específicas
las cuales deben utilizarse, para un mínimo régimen
de descenso o máxima distancia de planeo. La
velocidad de mínimo régimen de descenso estará
cercana a la velocidad utilizada para mínima
resistencia. La velocidad utilizada para máximo
planeo estará cercana a la velocidad de máximo
alcance.

AUTOROTACIÓN VISTA FRONTAL

AUTOROTACIÓN VISTA LATERAL

AUTOROTACIÓN VISTA SUPERIOR

• Régimen de volteo
excede la capacidad
de los controles.
• Punto de pivote fijo.
• Se excede el ángulo
crítico de la aeronave.
VOLTEO DINÁMICO

Condiciones necesarias para Volteo Dinámico:
Régimen de volteo
Punto de pivote
Exceder el ángulo critico
Condiciones conducentes a Volteo Dinámico:
Atascamiento de los patines / técnica indebida.
Empuje del rotor de cola, viento cruzado, aplicación
indebida de los controles de vuelo.
Reducción rápida del colectivo.
Falla de compensación lateral durante declives.
VOLTEO DINÁMICO

Volteo DinámicoVOLTEO DINÁMICO

VOLTEO DINÁMICO

• El rotor se mueve hasta que
contacta los topes estáticos.
GOLPETEO DEL MASTIL

GOLPETEO DEL MASTIL
• Aleteo excesivo.
• Condiciones de fuerzas G (-)

GOLPETEO DEL MÁSTIL
Se presenta cuando los topes estáticos del rotor principal en el
sistema semirrígido hacen contacto con el mástil.
Las causas para golpeteo del mástil:
Aterrizajes en terrenos inclinados.
Maniobras de “Gravedades” negativas.
Arranques y apagadas de motor.
Reducción rápida del colectivo luego de: Falla de la turbina,
Falla de empuje del rotor de cola.
Efecto: Daño al mástil, Separación del rotor principal.
Correcciones:
Recobrar el empuje del rotor principal aplicando el cíclico
hacia atrás suavemente.

La pérdida de la pala que retrocede limita
la velocidad de un helicóptero. Según la
velocidad del helicóptero aumenta, la
pala que retrocede pierde velocidad
mientras la velocidad de la pala que
avanza aumenta. Para compensar esta
diferencia, la pala que retrocede tiene
que tener un mayor ángulo de ataque o
esta no producirá una sustentación igual.
PERDIDA DE LA PALA QUE
RETROCEDE

Llega el punto que el
abanderamiento cíclico
y el aleteo no son
suficientes y el AOA se
excede.
PÉRDIDA DE LA
PALA QUE
RETROCEDE

Factores
contribuyentes
Velocidad excesiva.
Alto Peso bruto.
Altura por densidad
alta.
Turbulencia.
Altas G.
RPM bajas.
Síntomas
Vibraciones.
Cabeceo arriba.
Giro hacia la izquierda.
Pérdida del control.
PERDIDA DE LA PALA

PERDIDA AERODINÁMICA

ÁNGULO DE ATAQUE DE PERDIDA

PERDIDA DE LA PALA

PERDIDA DE LA PALA
Correcciones necesarias:
Reduzca el colectivo.
Ajuste los controles para un vuelo normal.
Limite sus maniobras.
Descienda a una altitud mas baja si desea
volar a velocidades mas bajas.

Una condición de vuelo con potencia
en la cual el helicóptero se hunde en
su propio flujo. Cuando la aeronave
desciende verticalmente a una
velocidad aproximadamente igual a la
velocidad inducida a través del rotor
en vuelo estacionario (300 a 1000
ppm) entra en un estado de confusión
de flujo.
HUNDIMIENTO CON POTENCIA

• El flujo pasará hacia arriba alrededor de la parte
de afuera del rotor pero hacia abajo a través de
la mayoría del rotor. Este patrón es en forma de
rosquilla o torbellino y muy inestable. A esto se
le llama el Estado de Anillos de Vórtice

ANILLOS VORTICES

Estado de vuelo inducido por el descenso del
helicóptero en su propio flujo.

CAUSAS
• Alto régimen de
descenso.
• Potencia aplicada.
• Pérdida de
sustentación
traslacional.
CORRECCIONES
• Vuelo direccional.
• Baje el colectivo para
reducir el AOA.
• Aumente las RPM.
• Aplique pedal derecho.

Condiciones propicias a hundimiento con
potencia:
Un descenso vertical o casi vertical con un régimen de
descenso alto (por lo menos 300 ppm) dependiendo de:
Peso bruto
RPM del rotor
Altitud densimetrica
El sistema de rotor tiene que estar utilizando de 20 a
100% de potencia.
Pérdida de sustentación traslacional efectiva (velocidad
de 10 nudos o menos)

• Puede ocurrir durante:
– Aproximaciones con el viento de cola.
– Despegues o aproximaciones en formación.
– Aproximaciones empinadas, con alto régimen desc..
– Vuelo estacionario fuera de efecto de tierra.
– Vuelo estacionario sobre el límite del techo de la
aeronave.

• Síntomas:
– Alto régimen de descenso (300 a 500 ppm mínimo).
– Alto régimen de potencia (potencia disponible).
– Pérdida de efectividad del colectivo.
– Vibraciones.

• Acciones correctivas:
– Establezca vuelo direccional.
– Disminuya el paso colectivo.
– Aumente las RPM si están bajas.
– Aplique pedal derecho.

• Descripción gráfica:

• Ocurre cuando las
palas están cerca de
la velocidad del
sonido.
• La velocidad del
sonido depende de
la temperatura y la
altitud.
• El flujo sobre la
comba superior es
mayor.
• El flujo se acerca a
velocidades
transónicas y crea
una onda de
choque.
COMPRESIBILIDAD

FLUJO TRANSONICO
FLUJO SUBSONICO
CP
.75 mach
FLUJO SUBSONICO
POSIBLE SEPARACION DE
FLUJO LAMINAR
COMPRESIBILIDAD

Síntomas
• Vibraciones que
crecen.
• Cabeceo hacia
abajo.
• Torsión de la pala.
• Falla de la
estructura de la
pala.
Correcciones
• Reduzca el
colectivo.
• Reduzca las RPM.
• Reduzca la
severidad de la
maniobra.
• Reduzca la
velocidad aérea.
COMPRESIBILIDAD

EFECTOS DE ACTITUD Y POSICION
DE LOS CONTROLES

GRACIAS…

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