El diagrama del helicóptero describe el número de rotores del helicóptero , así como el tipo de dispositivos utilizados para controlar el helicóptero.
La fuerza para hacer girar el rotor principal se puede transmitir desde el sistema de propulsión a través del eje axial. En este caso, de acuerdo con la tercera ley de Newton, surge un momento reactivo, girando el cuerpo del helicóptero en la dirección opuesta a la rotación del rotor principal (en el suelo, el chasis del dispositivo evita dicha rotación).
Hay una serie de esquemas de diseño básicos para la compensación del momento del chorro y el control de helicópteros que utilizan uno o varios rotores.
En los casos en que el rotor principal se desenrosca ya sea por un flujo de aire que se aproxima ( giroplanos , helicópteros en modo de vuelo de rotación automática ), o con la ayuda de chorros ubicados en los extremos de las palas (helicóptero a reacción), el momento del chorro no surge, y , en consecuencia, la necesidad de compensar por su falta.
En tales esquemas, para compensar el par reactivo, se utilizan dispositivos que crean empuje, lo que hace girar el helicóptero en dirección opuesta al par reactivo. La ventaja de tales esquemas es su relativa simplicidad, sin embargo, en este caso, se quita la potencia de la planta de energía del helicóptero.
En este esquema, una hélice de pequeño diámetro está ubicada en el brazo de cola del helicóptero a cierta distancia del eje del rotor principal. Al crear empuje en un plano perpendicular al eje vertical del helicóptero, el rotor de cola compensa el momento de reacción. Al cambiar el empuje del rotor de cola, puede controlar la rotación del helicóptero sobre el eje vertical. La mayoría de los helicópteros modernos se fabrican de acuerdo con un esquema de un solo rotor. [una]
Fue patentado por primera vez en su avión por Boris Yuryev junto con un plato cíclico en 1912 [2] . Sin embargo, el primer modelo de este tipo fue propuesto en 1874 por el diseñador alemán Achenbach. [3]
El primer helicóptero VS-300 exitoso con rotor de cola fue construido por Igor Sikorsky, el helicóptero despegó el 13 de mayo de 1940. El éxito de este helicóptero radica en que, a partir de este modelo, se fabricó en serie el helicóptero R-4 para el ejército americano .
La ventaja indiscutible de este esquema es la simplicidad del sistema de diseño y control, lo que conduce a una reducción en el costo de producción, reparación y mantenimiento.
Además, se fabrican helicópteros, por ejemplo Mi-28 , con el llamado rotor de cola de cuatro palas en forma de X, cuyas palas tienen diferentes ángulos de montaje mutuos en el buje (como la letra X). Una hélice de este tipo tiene ventajas sobre una convencional (con una distribución azimutal uniforme de las palas) en términos de nivel de ruido y reducción del efecto adverso sobre las palas de las cuerdas de vórtice final generadas por palas adyacentes.
Las desventajas de este esquema:
En la construcción moderna de helicópteros, a veces se usa un rotor de cola de múltiples palas en el canal anular de la quilla - fenestron (del latín fenestra - ventana). El diámetro del fenestrón es más de dos veces menor que el diámetro de un rotor de cola convencional.
Fue utilizado por primera vez en helicópteros ligeros de la empresa francesa Aerospasial . Utilizado en la construcción de helicópteros ligeros y medianos [4]
Este diseño tiene varias ventajas significativas:
Las desventajas son:
Este esquema utiliza hélices ubicadas en las alas o trusses de un avión- giroavión . Además, el empuje de ambos tornillos se dirige hacia adelante y, para compensar el momento reactivo en el modo de suspensión, uno de los tornillos proporciona más empuje que el otro. En el modo de vuelo, estas hélices se utilizan como impulsores, lo que aumenta la velocidad del giroavión, mientras que el rotor principal entra en modo de autorrotación . El primer aparato con tal principio de compensación de momento reactivo fue propuesto y patentado por BN Yuryev en 1910 [5] . Un ejemplo de un modelo de este tipo es actualmente el Eurocopter X3 .
La ventaja del giroavión se puede considerar altas velocidades de vuelo, inalcanzables para el esquema clásico debido a las peculiaridades de la aerodinámica. Así, por ejemplo, el helicóptero "Rotodine" de la empresa "Fairy" en 1959 alcanzó una velocidad de 307,22 km/h, [6] y Eurocopter X3 en 2010 - 430 km/h.
La desventaja de dicho sistema es la pérdida de más potencia para compensar el momento reactivo en el modo de vuelo estacionario en comparación con el rotor de cola.
Sin embargo, no todos los giroaviones utilizan este método de compensación. Por ejemplo, el helicóptero Ka-22 usó un par de tornillos transversales para contrarrestar el momento del chorro, y Rotodyne usó la rotación del chorro de las palas.
Para compensar el momento de reacción, se utiliza un sistema de control de capa límite en la botavara de cola por efecto Coanda , junto con una tobera de chorro en el extremo de la viga, o simplemente una tobera de chorro.
La fuerza de control del efecto Coanda surge por la misma razón que surge la fuerza de sustentación del ala, debido al flujo asimétrico alrededor del perfil del brazo de cola por el flujo de aire descendente formado por el rotor principal. El ventilador, ubicado en la base del brazo de cola, aspira aire de los orificios ubicados en la parte superior del cuerpo del helicóptero, creando la sobrepresión necesaria dentro del brazo de cola. En el lado derecho del brazo de cola, con la ayuda de boquillas especiales, se establece un flujo de aire más rápido que en el lado izquierdo. Así, debido a la ley de Bernoulli , la presión del aire en el lado izquierdo será mayor que en el derecho, esta diferencia de presión da lugar a la aparición de una fuerza dirigida de izquierda a derecha.
Nota : en el diagrama, las flechas azules muestran los flujos de aire que pasan a través del botalón de cola, las flechas rojas, a lo largo de la superficie del botalón de cola.
Conocido en Occidente como NOTAR, ing. Sin rotor de cola - "sin rotor de cola " . En la Unión Soviética, los experimentos se llevaron a cabo en un helicóptero Ka-26- SS. En serie, los helicópteros que utilizan este esquema son producidos por MD Helicopters.
Debido a la falta de un rotor de cola, este sistema es el más silencioso y seguro.
En estos esquemas, debido a la ausencia de una transmisión que transmita el par de la planta de energía al rotor principal, no se requiere compensación de par reactivo. La ventaja de tales esquemas es un diseño simple, y una desventaja común puede considerarse una baja velocidad con un consumo de combustible significativo. Para el control de guiñada, se puede utilizar un rotor de cola, superficies desviables o dispositivos reactivos.
Hay varias variantes de este esquema:
El primer helicóptero a reacción fue diseñado y construido por el diseñador alemán Doblgof. [8] Los helicópteros a reacción experimentales también se construyeron en Polonia; en los EE. UU., Hughes participó en su desarrollo por orden del ejército durante mucho tiempo. Sin embargo, tuvo más éxito la empresa estadounidense Hiller, que produjo los helicópteros YH-32 Hornet y HJ-1 Hummingbird en pequeñas series para el ejército, la marina y la policía [9] . En 1956, un estadounidense de origen ruso, Evgeny Glukharev , despegó el primer helicóptero jetpack MEG-1X [10] . Por el momento, los helicópteros de propulsión a chorro no se producen en masa.
La principal ventaja de dicho esquema es un diseño simple y relativamente liviano, que elimina una transmisión compleja.
Las principales desventajas de este arreglo son:
Para la variante con motores a reacción, además:
Los momentos reactivos en tales esquemas se compensan mutuamente mediante la rotación multidireccional síncrona de dos tornillos. Los planos de giro de las hélices pueden tener diferentes grados de solapamiento cuando el número de palas es inferior a cuatro.
La ventaja común de estos circuitos es la ausencia de pérdidas de potencia para la compensación del par reactivo, sin embargo, estos circuitos tienen una complejidad compleja:
El esquema longitudinal consiste en dos tornillos horizontales ubicados uno detrás del otro y que giran en diferentes direcciones. La hélice trasera se eleva por encima de la hélice delantera para reducir el efecto negativo del chorro de aire de la hélice delantera. Este esquema se utiliza principalmente en helicópteros de carga pesada. Los helicópteros con un esquema longitudinal a veces se denominan "coches voladores". [once]
El pionero en la creación de un helicóptero a lo largo del esquema longitudinal fue el ingeniero francés Paul Cornu . En 1907, su aparato pudo despegar durante 20 segundos . Durante la primera prueba, el dispositivo despegó del suelo, primero 0,3 m (peso bruto 260 kg ), luego 1,5 m (peso bruto 328 kg ) [12] .
En la década de 1930, el emigrante ruso Nikolai Florin llevó a cabo el desarrollo de helicópteros longitudinales en Bélgica , quien construyó 3 modelos de helicópteros, uno de los cuales (Florin-2) estableció varios récords de duración de vuelo. El estadounidense Frank Piasecki asumió el desarrollo posterior de este diseño , habiendo lanzado un helicóptero para el ejército de los EE. UU. en 1945 , que, debido a su forma, se denominó " banana voladora ".
En la Unión Soviética , también se trabajó en esta dirección. En 1952, bajo la dirección de Igor Aleksandrovich Erlikh [13] , después de nueve meses desde el inicio del diseño, tuvo lugar el primer vuelo del Yak-24 , que en ese momento superó a todos los modelos extranjeros. [catorce]
Los aspectos positivos de este esquema de helicópteros son:
Las desventajas del esquema longitudinal del helicóptero incluyen:
Los tornillos transversales se instalan en los extremos de las alas o soportes especiales (trusses) en los lados del cuerpo del helicóptero. Algunos convertiplanos en modo helicóptero también se pueden atribuir al esquema transversal , por ejemplo Bell V-22 Osprey , Bell Eagle Eye .
En 1921, el ingeniero estadounidense Henry Berliner, junto con su padre Emil Berliner, diseñaron un helicóptero transversal. Colocó dos pequeñas hélices de cuatro metros a los lados del fuselaje del avión y una hélice de dirección con un eje de rotación vertical en la cola; tuvo que "levantar" la cola del aparato para que las hélices tuvieran una orientación horizontal. componente de empuje para mover el helicóptero hacia adelante. Para controlar el helicóptero se utilizaron superficies desviables, como alerones , así como ejes de rotor inclinado. [16]
El primer helicóptero transversal exitoso fue el alemán Focke-Wulf Fw 61 , que estableció varios récords de distancia y velocidad en 1937. En la Unión Soviética, el primer helicóptero transversal fue el proyecto Omega de 1941.
ventajas:
Las desventajas de este esquema incluyen:
El esquema coaxial es un par de tornillos ubicados uno encima del otro en ejes coaxiales que giran en direcciones opuestas, debido a lo cual se compensan los momentos reactivos que surgen de cada uno de los tornillos.
La primera patente para la disposición coaxial de los rotores de un avión se emitió en 1859 al inglés Henry Bright.
El primer helicóptero completamente controlado fue el Laboratory Gyroplane por Charles Breguet y René Doran en 1936.
El primer vuelo de un helicóptero coaxial con palas totalmente metálicas lo realizó el estadounidense Stanley Hiller en 1944; el diseño tuvo tanto éxito que el propio Hiller demostró a menudo su estabilidad soltando los controles y sacando las manos por las ventanillas [17] .
En el Imperio ruso, dos prototipos del helicóptero de Igor Sikorsky (el creador del primer helicóptero serial Sikorsky R-4 , que tenía un esquema clásico) se fabricaron según un esquema coaxial [18] . En la Unión Soviética , el tema de los helicópteros coaxiales fue abordado por primera vez por el equipo de Yakovlev en 1944, y en 1945 por un equipo de entusiastas dirigido por Nikolai Ilyich Kamov .
El helicóptero Kamov Ka-8 voló el 12 de noviembre de 1947 [19] y el helicóptero Yakovlev "Broma" voló el 20 de diciembre de 1947 [20] . Para la oficina de diseño de Kamov, el esquema coaxial se ha convertido en el principal. Ahora los helicópteros Kamov son los únicos helicópteros coaxiales tripulados en el mundo que se producen en masa.
Ventajas del esquema coaxial:
Defectos:
Los rotores están ubicados a los lados del fuselaje con una superposición significativa, y sus ejes están inclinados hacia afuera en ángulo entre sí, eliminando así la posibilidad de superposición. De hecho, dicho esquema es un caso especial de un esquema transversal con la máxima superposición posible de los rotores, al mismo tiempo que tiene las propiedades de un esquema coaxial. Debido a la inclinación de los tornillos, los momentos reactivos se equilibran solo sobre el eje vertical, y se suman sus proyecciones sobre el eje transversal, formando un momento de cabeceo . [22]
Los primeros helicópteros en serie de este esquema Flettner FI 282 "Hummingbird" aparecieron en Alemania en 1942. Por el momento, el único fabricante en serie de tales helicópteros es la compañía estadounidense Kaman Aircraft . Una característica distintiva de esta empresa es el uso de servo flaps montados en las palas en el sistema de control del helicóptero, cuyo principio de funcionamiento es similar al alerón de un avión.
ventajas:
Defectos:
Básicamente, los helicópteros de este diseño utilizan cuatro hélices, un par de las cuales se ubican en patrón longitudinal y el otro en patrón transversal, aunque existen diseños con tres rotores ( Mi-32 , Cierva Air Horse), y con un gran número de hélices ( Multicopter).
Se distingue por un gran peso, pero al mismo tiempo, facilidad de control, ya que tal esquema no requiere un plato cíclico , y la dirección de vuelo se establece controlando la potencia en cada una de las hélices por separado.
Por el momento, se está volviendo cada vez más popular en los helicópteros controlados por radio .
El esquema se presentó originalmente en prototipos de principios del siglo XX en los albores de la aviación.
Los helicópteros de tal esquema incluyen el cuadricóptero de Georgy Botezat, ex profesor del Instituto de Tecnología de Petrogrado, que emigró a Estados Unidos; Helicóptero de Etienne
Emishen , que , además de 4 rotores, tenía 6 hélices pequeñas para mantener el equilibrio y 2 hélices para vuelo horizontal [ 23 ] TiltRotor (proyecto).