Los helicópteros y sus
aspectos aerodinámicos

Texto y foto por
Wallice de la Vega

Publicado en Revista ALA Magazine para América Latina en 1999
© ALA Magazine

“Lo que pasa es que los helicópteros son diferentes a los aviones. El avión por su naturaleza quiere volar y si eventos inesperados no interfieren marcadamente, volará. El helicóptero no quiere volar; es mantenido en el aire por una variedad de fuerzas y controles que funcionan en oposición entre sí y si se interfiere en este delicado balance el helicóptero deja de volar… inmediatamente y desastrosamente. Planear un helicóptero no existe. Por eso los pilotos de aviones son por lo general extrovertidos, animadas personas de ojos saludables, mientras los pilotos de helicópteros son morosos introvertidos que se la pasan anticipando problemas. Ellos saben que si nada malo ha pasado, pronto sucederá”.

Estas palabras del comentarista estadounidense Harry Reasoner pueden ser vistas como un poco extremas, pero en realidad subrayan un significado existente sobre la gran diferencia entre pilotar un avión y un helicóptero. Estas diferencias son tan obvias como notar la gran diferencia física entre los dos tipos de aeronaves y tan sutiles como el comportamiento aerodinámico en vuelo de cada una y sus respectivos alrededores.

Un escrito que detalle todas las características de vuelo del helicóptero tomaría un libro completo, por lo que en este artículo nos concentraremos en cubrir una de las partes más importantes: la aerodinámica. Cada sección que encontrará en esta y en páginas subsiguientes a través de esta edición de ALA delineará los conceptos básicos que componen este tópico. Describimos primeramente las fuerzas naturales que influyen el vuelo del helicóptero y luego algunos diseños de los componentes más importantes de este tipo de aeronaves usados para manejar dichas fuerzas.

Viento relativo
Conocer el concepto de viento relativo es esencial para entender la aerodinámica de vuelo con alas rotativas. Este es definido como “el flujo de viento con relación a un perfil alar”. El viento relativo es producido por el movimiento de un ala a través del aire, en este caso el movimiento rotativo de las palas de un helicóptero. Ya que dicho movimiento es horizontal, su efecto desplaza parte del aire hacia abajo formando una columna de fuerza llamada “flujo inducido”—que es más evidente en vuelo estacionario. Este flujo descendiente modifica el aire circulado a través de los discos del rotor y resulta en el viento relativo.

El viento relativo es cambiado también por la velocidad del helicóptero cuando vuela horizontalmente. Dicha velocidad es substraída o sumada al viento relativo rotativo de cada pala, dependiendo de su trayectoria (avanzando o retirándose en relación al movimiento de la aeronave). Simultáneamente, el flujo inducido descendiente es también modificado por la velocidad de movimiento horizontal del helicóptero (inversamente proporcional), ya que el patrón de circulación de aire a través de los discos cambia de acuerdo a la velocidad de vuelo.

Básicamente, una aeronave de ala rotativa vuela debido a las mismas fuerzas naturales que usa una de ala fija, específicamente por el sustento que crean las alas (en este caso las palas) al cortar el aire. En términos generales, el helicóptero se mueve continuamente a través de masas de aire quieto, lo que resulta en menos tiempo para desarrollar un patrón de flujo vertical de aire. Por esta razón el ángulo de paso de las palas es ajustado para producir sustento adicional.

Resistencia aerodinámica
La resistencia es la fuerza que naturalmente se opone al movimiento de una aeronave a través del aire. La resistencia total es la suma de la resistencia de perfil, la resistencia inducida y la resistencia parásita. La resistencia del perfil es la producida por la fricción de las palas con el aire y aumenta varía proporcionalmente con la velocidad de vuelo.

La resistencia inducida es un resultado de la producción de sustento. En aeronaves de ala rotativa este tipo de resistencia aumenta cuando se incrementa el sustento, pero disminuye con un aumento en velocidad de vuelo. La resistencia inducida es la porción de la fuerza aerodinámica total orientada en dirección opuesta al movimiento de las palas—se puede considerar como una especie de “sustento en dirección opuesta”.

La resistencia parásita es aquella producida por las partes del helicóptero que no producen sustento, como la fricción del aire con el fuselaje, los patines, la cola, etc. Este tipo de resistencia también varía proporcionalmente con la velocidad de vuelo de la aeronave.

Fuerza centrífuga
Los helicópteros dependen principalmente de la rotación de sus palas para producir el viento relativo que desarrolla la fuerza aerodinámica necesaria para el vuelo. Por su movimiento y su peso los sistemas de rotores están sujetos a las mismas fuerzas y acciones peculiares en todas las masas rotativas. Una de éstas es la fuerza centrífuga, definida como “la fuerza que hace que todos los cuerpos se muevan hacia afuera del centro de rotación”.

Las palas en movimiento producen una enorme carga centrífuga en el cabezal del rotor y en las partes que lo conectan a éstas. Por ejemplo, la raíz de cada pala (la parte más cercana al rotor) en los helicópteros más grandes pueden desarrollar hasta 63.000 kilos de carga centrífuga.

Cuando las palas están estáticas éstas cuelgan debido a su peso y a su extensión. Las fuerza centrífuga producida al encender el motor (y por ende hacer girar el rotor) provoca que las palas asciendan a una posición horizontal. Esta fuerza centrífuga es manipulada en combinación al ángulo de paso de las palas para producir sustento.

Fuerzas en vuelo estacionario
“Hovering” es el término inglés comúnmente usado para denominar el vuelo estacionario de los helicópteros. Para que la aeronave pueda mantenerse en esta posición el sistema de rotor principal debe suplir una cantidad de sustento equivalente a la suma del peso total del helicóptero y la resistencia aerodinámica inducida, creando un balance.

El vuelo estacionario requiere más potencia del motor. Esto se debe a que las puntas de las palas forman remolinos aerodinámicos que reducen la efectividad del área externa de éstas—donde se produce más sustento. Además, si el número de revoluciones por minuto del rotor es mantenido constante, los efectos de cada pala se suman a los de la pala que le sigue en la rotación.

Esta extensa necesidad de mayor poder para el vuelo estacionario es disminuida por los efectos del terreno si dicha posición es mantenida a una altitud equivalente hasta la medida del diámetro del círculo creado por la rotación de las palas. La mejorada eficiencia de las palas a esta altitud se debe a dos fenómenos separados: la reducción del flujo descendiente inducido (que minimiza la resistencia inducida) y la reducción de los remolinos aerodinámicos creados en las puntas de las palas—cuya generación es restringida por el primero de estos fenómenos. El efecto máximo del terreno es obtenido sobre superficies planas, como áreas pavimentadas.

Torsión
De acuerdo a la Ley de Acción y Reacción descubierta por Isaac Newton, el fuselaje del helicóptero tiende a girar en dirección opuesta a la de la rotación de las palas. Este efecto es llamado “torsión” y debe ser contrarrestado o controlado para que el helicóptero pueda volar. En los modelos que tienen dos rotores en tándem y en los coaxiales los rotores giran en dirección opuesta para neutralizar la torsión. Ya que la torsión es un resultado directo de la conexión entre un motor que mueve un rotor, la variación en el producto de la planta de poder influye en la cantidad de torsión—incluyendo las variaciones de poder en cada maniobra del helicóptero—lo que requiere que esta fuerza sea corregida continuamente.

La forma más común de lograr esta corrección es usando un rotor secundario instalado en la cola del helicóptero. Accionado también por el rotor principal (y usando entre cinco y 30 por ciento del poder del motor), el rotor de cola produce impulso horizontal en dirección opuesta a la torsión creada por las palas principales. La intensidad de dicho impulso es controlada por el piloto mediante pedales. Al controlar la cantidad de fuerza antitorsión, el rotor de cola también es usado para controlar la dirección de vuelo horizontal del helicóptero.

Fuerzas traslacionales
La eficiencia del sistema de rotor y la ejecución de la aeronave son mejoradas según aumenta el viento producido por el movimiento horizontal o por el viento natural. Esto se debe a que mientras más aire entra al sistema, la turbulencia de los remolinos aerodinámicos discutidos anteriormente disminuye y el flujo del aire pasa a ser más horizontal. Dicha eficiencia es llamada “sustento traslacional” y aumenta proporcionalmente con la velocidad de vuelo.

Durante el vuelo estacionario los helicópteros de un solo rotor tienen la tendencia de desplazarse lateralmente hacia el lado derecho debido al impulso producido por el rotor de cola. Esta tendencia traslacional puede ser contrarrestada por el piloto, aunque en algunos diseños de helicópteros proveen cierto grado de ajuste automático.

En vuelo horizontal el flujo del aire descendiente inducido que pasa por la parte trasera del disco del rotor  tiene un ángulo más acentuado  que el que pasa por el frente, lo que causa que se produzca menos sustento en ese lado.  En otras palabras, se produce más sustento en la parte frontal del disco porque el flujo de aire allí es más horizontal. Esta diferencia entre los dos lados se llama “efecto de flujo transversal” y causa una resistencia aerodinámica que resulta en la vibración que es reconocida fácilmente por el piloto. Estas son más notables en la mayoría de helicópteros a velocidades entre 10 y 20 nudos.

Un aumento en el sustento traslacional hace que la nariz del helicóptero ascienda, un efecto causado por la asimetría en el sustento producido por las palas y por el flujo transversal. Esta es otra influencia negativa que el piloto debe corregir para mantener la estabilidad de la aeronave.

Perfil alar
Entre los avances tecnológicos más importantes logrados para controlar las fuerzas que afectan el vuelo del helicóptero está el relativos a la forma (o perfil alar) de las palas.

Las palas, al igual que las alas fijas, son diseñadas en dos tipos: simétrico (con superficies idénticas en sus lados superior e inferior) y asimétrico (la superficie superior más redonda que la inferior). La cantidad neta de sustento producido por cada pala es la diferencia entre el sustento obtenido en la parte superior y la fuerza ascendiente ejercida en el lado inferior. El diseño simétrico de palas fue usado comúnmente en los helicópteros producidos hasta la década de 1960 por su excelente tasa de sustento-resistencia aerodinámica y por su costo de fabricación relativamente bajo. Aunque este diseño se encuentra hoy día todavía en algunos helicópteros, la tendencia en la industria se ha movido a usar perfiles asimétricos desde la introducción de los modelos militares CH-47 y OH-58—esto debido a que producen más sustento, a que los problemas originales relativos a su punto de pérdida han sido mejorados substancialmente y a que la disponibilidad de nuevos materiales compuestos hacen su fabricación menos costosa. Dentro del tipo asimétrico varios fabricantes han producido una variedad de diseños.

El perfil de las palas opera bajo diferentes condiciones en diferentes regiones de su largor, por lo que la geometría de las palas difiere en varios puntos de su extensión para adaptarse óptimamente a las condiciones de vuelo y balancear la carga entre su raíz y su punta.

El ángulo en que las palas cortan el aire—el ángulo de ataque—influye grandemente sobre la cantidad de sustento obtenido. Mientras más acentuado sea dicho ángulo más sustento se produce. Varios factores causan que el ángulo de ataque cambie, entre estos los ajustes realizados manualmente por el piloto o aquellos obtenidos automáticamente por el diseño del sistema de rotor. Sin embargo, en todo caso el ángulo de ataque de las palas cambia constantemente según éstas se mueven alrededor del disco del rotor.

El sistema de rotor
Las fuerzas aerodinámicas requeridas para que un helicóptero pueda volar son producidas por su sistema de rotor. Ya que la velocidad de las palas es menor cerca del rotor debido a que el radio de su movimiento es menor que el de las puntas, la mayor parte del sustento es producida en la región externa de éstas (entre el centro y su punta).

La extrema diferencia de la velocidad del aire percibida entre la raíz de la pala y la punta resulta en el llamado “diferencial de sustento”. El sustento que provee un sistema de rotor aumenta al cuadrado de su velocidad de rotación—por ejemplo, doblar la velocidad aumenta el sustento cuatro veces. Si el perfil alar y el ángulo de paso de cada pala fuera el mismo en toda su superficie, el sustento producido más cercanamente al rotor sería mucho menor que el producido en sus puntas. Para balancear esta diferencia las palas son fabricadas con una torcedura que provoca que el ángulo de paso cercano a su raíz sea más acentuado que el de la punta—lo que también aumenta la velocidad del viento percibida en el centro de rotación.

Aunque se podría conjetar que existe un tipo de diseño de sistema rotor por cada fabricante de helicópteros, en términos generales los rotores son producidos en tres tipos: rígido, semirígido y totalmente articulado. Sus nombres denotan el número de partes que funcionan como goznes para permitir que ciertos componentes del sistema (como las palas) tengan latitud de movimiento autónomo. Por ejemplo, el sistema semirígido permite que el rotor tenga cierto margen de movimiento horizontal y vertical usando un cojinete pivotal doble para conectar el yugo al mástil. El yugo, a su vez, sujeta cada pala mediante un piñón que también le permite movimiento independiente entre sí.

Si consideramos que el piloto del helicóptero tiene que estar consciente en todo momento de las fuerzas naturales descritas y tiene que ajustarlas, compensarlas y controlarlas continuamente, nos damos cuenta que la operación de este tipo de aeronave es totalmente interactiva. Como dijo Reasoner, el helicóptero aparentemente no quiere volar, pero eso no significa que nunca se trate de obligarlo. Todo lo que toma una persona una persona audaz capaz de usar la comprobada inventiva humana para dominar una pequeña parte de la naturaleza.