Rotor.- Como no podía ser de otra manera el rotor es la parte mas
importante de los autogiros, podríamos definirlo como un "Sistema de perfiles
aerodinámicos giratorios", sobre estos perfiles actúan fuerzas estáticas,
fuerzas dinámicas y fuerzas aerodinámicas.
Fuerzas estáticas son las que
actúan sobre el rotor aun cuando esta parado y
dependen de la buena geometría del rotor, tanto en su construcción como en su
equilibrado. Fuerzas dinámicas son las que actúan sobre el
rotor desde el mismo instante que este empieza a girar sobre su eje, la mas
importante es la fuerza centrifuga.
Fuerzas
aerodinámicas son las actúan sobre el rotor por la acción del viento
relativo sobre las palas. De su conocimiento y comprensión
podremos sacar conclusiones para avanzar en el pilotaje de los autogiros y
utilizarlos de forma segura.
Tipos de
rotor.- Hay varios tipos de rotor, los mas importantes son "Rígido"
"Semirrígido" y "Articulado".
El rotor
rígido se caracteriza por la unión solidaria de las palas a la
cabeza de rotor, todos los esfuerzos de flexión y torsión han de ser soportados por las
propias palas, su uso se limita a un par de modelos muy especializados BO-105 y
Gazelle.
El Semirígido es el rotor mas extendido y popular
entre los autogiros ultraligeros, sin este rotor podemos decir que la practica
totalidad de los autogiros ultraligeros no volarían pues los demás son demasiado
pesados, caros de fabricar y difíciles de poner a punto. El invento se lo
debemos a Arthur Young, ingeniero jefe de Bell, aunque su primera utilización en
autogiros es de Igor Bensen ingeniero de Sikorski. La articulación de
batimiento de los rotores semirrígidos es única y en la parte central del
balancín.
La principal ventaja de este
tipo de rotor es su sencillez de construcción y la ausencia de articulación
de arrastre.
El rotor articulado se caracteriza
por tener dos ejes de movimiento con respecto a la cabeza de rotor, batimiento
de movimiento vertical y de arrastre de movimiento horizontal, estas
articulaciones pueden serlo por medio de rodamientos o por medio de elastómeros,
es el rotor utilizado por la practica totalidad de los autogiros La
Cierva.
El gran problema de
este tipo de rotor es la articulación de arrastre , que si no esta bien
amortiguada, hasta que alcanza las r.p.m. de vuelo, hace que el eje del rotor se
desplace con respecto al eje del árbol de transmisión provocando importantes
vibraciones e incluso el vuelco de la aeronave si esta en el
suelo.
Conicidad.- Cuando un autogiro esta en el suelo y
su rotor parado, las palas están ligeramente curvadas hacia abajo por la acción
de su propio peso y su flexibilidad, de hecho si tomáramos un autogiro por la
punta de sus palas e intentáramos levantarlo estas se doblarían hacia arriba
pues son incapaces de soportar el peso del autogiro por resistencia mecánica de
las mismas.
Si el
autogiro esta en vuelo, y debido a la sustentación que generan las palas, estas
se flexionan hacia arriba, pero al girar se produce un fuerza centrifuga que
tira de ellas como si unas manos gigantes trataran de tensarlas.
Hay tres
factores que intervienen en esta
situación: - Fuerza centrifuga -
Sustentación -
Rigidez de las
palas
La conicidad como tal no
es un valor absoluto sino relativo, me explicare, como se desprende de lo
expuesto anteriormente la conicidad esta variando continuamente en todas las
fases del vuelo y esto es debido a que cuando volamos recto y nivelado el peso
de nuestra aeronave es diferente del peso cuando estamos haciendo giros cerrados
y por tanto el rotor girara mas rápido con mas "ges" que con menos "ges" y por
tanto variara la relación entre peso y fuerza centrifuga y por tanto variara la
conicidad de nuestro rotor. También influyen las ráfagas de viento verticales
(ascendentes y descendentes), el peso del combustible que va disminuyendo con su
consumo o el peso del piloto (pesado o ligero). Esto impone cargas mecánicas
importantes en las palas que tendrán que flexar para adaptarse al Angulo
necesario en cada momento, como el material de las palas es de poco espesor
debido a la ligereza necesaria en estas y el punto de flexión es el centro del
rotor, parece lo mas indicado que un balancín largo una las palas siendo el que
asuma este trabajo mecánico. Autorrotación.-
La Autorrotación es la capacidad de un rotor de girar las palas con paso
positivo produciendo sustentación, al ser atravesado por el viento relativo
desde la parte inferior a la parte
superior.
Premisas de funcionamiento. - Un rotor girara tan
rápido
como sea necesario para producir sustentación - La velocidad de rotación esta
en relación inversa con el diámetro - La velocidad de rotación esta en
relación inversa con el paso - La velocidad de rotación esta en relación
directa con el peso del aparato en orden de vuelo - La velocidad de rotación
esta en relación inversa con la temperatura y densidad del aire
El
balancín del rotor de la "foto.-1 como se hace" es ajustable en diámetro y paso
de las palas para encontrar de forma experimental las revoluciones idóneas de
vuelo para el autogiro biplaza, después de probar diferentes configuraciones
resulta que:
- El paso de las palas determina la velocidad de
auto estabilización del rotor - Hay vibraciones en el rotor cuando este gira
por debajo de 385 r.p.m. - Las vibraciones son aerodinámicas y no
dinámicas - Con las palas en paso 0º se consiguen las máximas velocidades,
solo limitadas por la falta de motor, llegando a 165
km/h.
Desplazamiento.- El rotor de un autogiro en vuelo tiende a
presentar la máxima resistencia posible (mayor superficie), por lo tanto el
autogiro lo debemos colgar por delante del eje de giro del rotor para compensar
esta tendencia, dicha distancia es lo que denominaremos "desplazamiento" y varia
según los fabricantes entre 16 m.m. del Sallen y los 25 m.m. del
Bensen.
Esto es, por que como hemos visto en el titulo anterior, el rotor se
auto estabiliza a una velocidad determinada según el paso de las palas y
deberemos en nuestro autogiro buscar el equilibrio de fuerzas entre el
desplazamiento y la resistencia aerodinámica del rotor, para que el esfuerzo
sobre la palanca de mando sea mínimo a velocidad de crucero.
Como ejemplo
en el autogiro de la foto.-4(introducción) el paso de las palas es de 2,6º , el
desplazamiento de 16 m.m. y la velocidad de crucero de 90 km/h, para correr mas
debemos hacer un esfuerzo importante sobre la palanca o aumentar el
desplazamiento. Los autogiros con mayores cotas de desplazamiento son mas
estables
Palas de rotor.- Las parámetros para elegir palas de
rotor son dos, el material de construcción y el perfil.
El material para
fortuna nuestra ha evolucionado mucho desde las primeras palas de madera, pasado
por los materiales compuestos (fibras) y llegado por fin al aluminio
extrusionado (fundido de una sola pieza).
Este es el material
definitivo para los autogiros ultraligeros pues reúne varias ventajas como son:
- homogeneidad en su construcción que elimina la necesidad de hallar su
c.d.g. - resistencia del material sobradamente conocida pues nos la da el
fabricante de la pala en función de la aleación utilizada - resistencia a los
impactos de piedra durante el prelanzado, aquí reseñar que he visto, como
durante un prelanzado, unas palas de fibra se agujereaban por el impacto de una
piedra (en un prelanzado de unas 250 r.p.m. la velocidad de la punta de la pala
puede alcanzar 450 km./h.) En este punto indicar que el único fabricante
nacional que había, desapareció y no hubo continuidad, una pena pues con toda
seguridad fueron las mejores palas que he volado.
En cuanto al perfil tan
solo tenemos dos elecciones el 8-h-12 y el naca 23112, el primero mas
sustentador y el segundo mas ligero e ideal para monoplazas. Como se puede
ver en la figura 4, mientras el 23112 a 0º su coeficiente de sustentación es de
0,25 aproximadamente, el de la serie 8 es de 0,65.
Además las palas de
autogiro es conveniente que tengan el borde de fuga ligeramente curvado hacia
arriba (reflex), esto es para auto estabilizar el perfil e impedir que por
torsión de la pala esta pudiera adoptar ángulos de ataque negativos, con
funestas consecuencias, aquí es donde las palas de aluminio extrusionado
presentan otra de sus virtudes, pues son mucho mas rígidas que las de materiales
compuestos (fibras).
Diámetro del
rotor.- Después de lo expuesto anteriormente para elegir el rotor que mas se
adecua a nuestro autogiro, lo haremos teniendo en cuenta el peso en orden de
vuelo y determinaremos el diámetro de nuestro rotor en funcion de su "carga de
disco".
La elección entre un rotor pequeño y otro mayor no implica
velocidad en el primero y sustentación en el segundo, pues como hemos visto
anteriormente la velocidad de crucero esta relacionada con el paso de la pala,
como ejemplo decir que he volado mas rápido con un rotor de 7,6 m. y 0º de paso
que con uno de 6,70 m. y 3º de paso, llegando a 165 km/h con el primero y sin
poder pasar de 100 con el segundo (por supuesto con el mismo autogiro), por otra
parte los rotores flotones (el sueño de todos los "autogireros") no existen ya
que al aumentar el diámetro disminuyen las r.p.m. como se indica en la
"Autorrotación" impidiendo la sustentación suplementaria.
De todos modos
una buena elección puede estar entre los 6 kg/m2 y los 10 kg/m2 de carga de
disco, considerando como la mas correcta 7,5 kg/m2, por supuesto antes de elegir
el diámetro de nuestro rotor debemos decidir que queremos, si correr lo máximo
posible despreciando la capacidad de vuelo lento o un rotor que suba y baje el
autogiro actuando solo desde el acelerador.
La forma de calcular la
"carga de disco" será:
Superficie de
disco
Pi x D2 S =
---------- 4
Y
la carga de
disco
Kg. C =
------------ S
Puesta a punto de un
rotor.- Un autogiro puede ser una maravilla de volar o por el contrario un
tortura, todo depende del rotor y su "puesta apunto". Rara vez un fabricante
de palas nos venderá un juego para poder montar un rotor personalizado y
adaptado a nuestras particularidades, pero si tuviésemos esa fortuna o la
necesidad de ajustar uno que vibra demasiado podemos hacer lo
siguiente.
El primer paso será hallar el c.d.g. de la pala para poder
calcular su fuerza centrifuga y que en ambas palas tenga el mismo valor para que
el rotor gire equilibrado, pues si solo equilibramos las palas por su peso y
tienen diferente centro de gravedad el rotor resultara desequilibrado en ciertos
regimenes de vuelo y equilibrado en otros. El método de hallar el c.d.g. es
sencillo y podemos verlo en la.
Con la
siguiente formula hallaremos la fuerza centrifuga en kg. de cada
pala.
G x Vs2 P = ------------ de
donde: 9,81 x Rs
P =
Kg. G = Peso de la pala en kg. Vs = Velocidad de giro en m/sg. Rs =
Distancia al eje de giro del c.d.g.
y para saber la velocidad de
giro
2 x Pi x Rs x N Vs =
-------------------- de
donde:
60
Vs = Velocidad de giro del rotor Pi = 3,141592 Rs = Distancia al
eje del c.d.g. N = R.P.M.
El siguiente paso es el montaje del conjunto
de las palas con el balancín, cuidando escrupulosamente su alineación para que
el eje de giro del rotor coincida con el eje de la cabeza de rotor, y la manera
de hacerlo será como en el grafico.
En este paso la
teoría es perfecta pero para que en la practica resulte de igual manera,
deberemos de tener en cuenta que todos los taladros estén mecanizados a una
medida tal que los tornillos de montaje tengan que entrar a presión pues
cualquier décima de holgura se traducirá en un desplazamiento de la punta de la
pala de cm. al primer prelanzado, alterando la geometría de nuestro rotor y
rompiendo su equilibrio dinámico.
Bien ya tenemos nuestro
rotor montado y geométricamente perfecto, ahora tenemos que probar si esta bien
equilibrado y para eso colgaremos el rotor del eje de batimiento y veremos si se
mantiene horizontal con un nivel de precisión colocado en el dado del
balancín.
Un ultimo paso antes de volar con nuestro autogiro será
comprobar la "trayectoria" (tracking), esto consiste en que la dos palas deben
de pasar por el mismo punto en su giro, siendo necesario para ello que las dos
palas tengan el mismo paso y por tanto la misma sustentación, la manera mas
sencilla de comprobarlo es como se indica en la fig.-9, pero no la única pues
las vibraciones que produce este tipo de desajuste del rotor son verticales
tanto por exceso como por defecto y puede decirse que un rotor esta en
"trayectoria" cuando el autogiro vuela sin oscilaciones verticales. La manera de
ajustarlo puede ser colocando chapitas de aluminio entre el dado y el balancín
(fig.-6)comenzando por un lado, si las vibraciones aumentan es logico pensar que
estamos aumentando el desajuste y debemos de colocar la chapita en el otro
extremo del dado y poner tantas como sea necesario hasta acabar con la
vibraciones. Para este menester son geniales las chapas de lata de
cerveza.
Todo lo anteriormente expuesto es mas sencillo de decir que de
hacer pues hay que disponer de un banco de pruebas de rotores como los que
utilizan los fabricantes de helicópteros.
Sin embargo si disponemos de
suficiente pista lo que podemos hacer es "carretear con el autogiro y tomarle el
pulso", para ello nos montamos en nuestro autogiro, con el motor en marcha y
perfectamente equipado (como si fuéramos a volar) nos encaramos al viento y
prelanzamos, echamos el rotor todo atrás y damos gases muy poco a poco, el rotor
va adquiriendo r.p.m. y el autogiro tiende a levantar la rueda delantera (ya
tenemos algo de sustentación en el rotor) seguimos dando gases y cedemos palanca
adelante de forma y manera que nuestro autogiro sea capaz de recorrer la pista
con la rueda delantera levantada pero sin que toque la rudecita del timón de
cola el suelo o sea en perfecto equilibrio la dirección la controlaremos con el
timón de cola, estamos volando a ras de suelo, simplemente con dar gases
nos iríamos al aire (no es el caso).
En esta maniobra podremos notar casi
todas las vibraciones del autogiro:
- Si la palanca vibra en forma de
círculos, entonces una pala pesa mas que la otra. - Si el mástil se mueve en
forma de círculos, entonces el rotor no estará bien alineado. - Si la palanca
de mando da golpes hacia un lado (generalmente el derecho), entonces a la
articulación de batimiento le falta recorrido y el balancín toca en uno de los
topes. - Si el autogiro tiene oscilaciones verticales, entonces el trackig
esta desajustado.
Batimiento.- Ya tenemos montado nuestro rotor y
debería funcionar sin ninguna vibración, y esto seria así si estuviera montado
en un helicóptero y volara en estacionario, en el momento en que el helicóptero
acelere el rotor comenzará a vibrar y vibrara mas cuanto mayor sea la velocidad
hasta llegar al punto en que nuestro helicóptero volcaría del lado de la "pala
que retrocede", esto se llama "asimetría de sustentación".
Supongamos un
rotor que su velocidad de giro "velocidad tangencial" es de 100 km/h. y nuestro
autogiro vuela a una velocidad de crucero de 50 km/h. , entonces la "pala que
avanza" tiene una velocidad de 150 Km/h. y la "pala que retrocede" de 50 Km/h. ,
es decir la "pala que retrocede" sustenta menos, y si nos basamos en el punto
anterior la "pala que avanza" tiene más sustentación y por tanto girara mas alto
que la "pala que
retrocede".
Por lo tanto
nuestra pala al girar en cada vuelta ocupa las dos posiciones la de la "pala que
avanza" y la de la "pala que retrocede", subiendo y bajando a cada revolución y
produciendo el fenómeno que se denomina
"batimiento".
Pero no acaban
aquí nuestros problemas por que como vemos en la figura 12 los valores de la
fuerza centrifuga aumentan con el radio en progresión aritmética y sin embargo
los valores de la sustentación lo hacen en progresión geométrica, conclusión,
nuestra pala no solo sube y baja, además se dobla, y esto podemos verlo en el
siguiente video y en una de los fotogramas se puede ver el rotor de cola
del helicóptero.
En la
filmación
se pueden ver y comprobar las flexiones (autenticas torturas) a que están
sometidas las palas del rotor, pero si queremos comprobarlo por nosotros mismos
solo tenemos que colocar una cámara de video (a ser posible de las digitales de
tamaño diminuto) en el dado del rotor, activar el botón de filmación y hacer un
trafico en nuestro campo de vuelo, procurando la mayor velocidad posible, y
veremos como las flexiones de la pala siguen un ciclo repetitivo a cada
revolución.
Visto lo visto el sino de todos los "autogireros" es el de
volar con vibraciones en la palanca de mando, podemos reducirlas aumentando las
r.p.m. de nuestro rotor (reduciendo paso o diámetro), pero si disminuimos
diámetro el rotor estará sobrecargado y si reducimos paso, como hemos visto en
el punto "Desplazamiento", puede que nuestra velocidad de crucero aumente
demasiado y nuestro motor sea incapaz de proporcionar el empuje
necesario.
La única manera posible de eliminar las vibraciones en la
palanca de mando seria utilizar "plato oscilante" para mandar el rotor, pero
esto esta fuera del alcance de los "AUTOGIROS
ULTRALIGEROS".
