EL HELICÓPTERO, UNA AERONAVE EXTRAORDINARIA

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Marcos Kowalski*

El hombre, motivado por su curiosidad y su ambición de descubrimiento siempre se interesó por dominar el vuelo, pero recién en la última etapa de la historia humana a partir del siglo XX logro construir los artificios necesarios para poder elevarse en el aire, inventando primero el “aeroplano”, después el “autogiro”, que fue antecesor del helicóptero, pero ¿Cómo logran volar todas estas aeronaves?

El principio fundamental se encuentra en sus superficies de sustentación. Veamos… todas las aeronaves desde el principio de la historia de la aviación, están básicamente compuestas por las siguientes partes; fuselaje, que es donde generalmente están la cabina y los sistemas de mando de vuelo, las superficies de sustentación, alas, fijas o rotativas (después ampliaremos) el grupo empenaje que es la cola y la planta de poder (motor o motores) y tren de aterrizaje (ruedas o esquís).

Básicamente todas las aeronaves vuelan por los mismos principios, los establecidos por la aerodinámica que se desarrolla a partir de las ecuaciones de Newton, las ecuaciones de continuidad, cantidad de movimiento y energía se pueden obtener modelos que describen el movimiento de los fluidos. Un caso particular ocurre cuando el movimiento del fluido es estacionario, es decir, las propiedades del fluido sólo cambian con la posición en el campo fluido, pero no con el tiempo, y cuando además se puede despreciar la viscosidad del fluido. Con estas dos características, movimiento estacionario y no viscoso, se puede obtener una función potencial que al ser derivada se obtenga la velocidad del fluido en cada punto del campo. Una vez hayamos obtenido la velocidad del fluido, podremos hallar otras magnitudes importantes. Aerodinámica es la parte de la mecánica de fluidos que estudia los gases en movimiento y las fuerzas o reacciones a las que están sometidos los cuerpos que se hallan en su seno. A la importancia propia de la aerodinámica hay que añadir el valor de su aportación a la aeronáutica.

Daniel Bernoulli comprobó experimentalmente que “la presión interna de un fluido (líquido o gas) decrece en la medida que la velocidad del fluido se incrementa”, o dicho de otra forma “en un fluido en movimiento, la suma de la presión y la velocidad en un punto cualquiera permanece constante”, es decir que p + v = k.

Para que se mantenga esta constante k, si una partícula aumenta su velocidad v será a costa de disminuir su presión p, y a la inversa.

El teorema de Bernoulli se suele expresar en la forma p+1/2dv² = constante, denominándose al factor p presión estática y al factor 1/2dv² presión dinámica.

p + 1/2 dv² = k; 1/2 dv² = pd

p=presión en un punto dado. d=densidad del fluido. v=velocidad en dicho punto. pd=presión dinámica.

Se puede considerar el teorema de Bernoulli como una derivación de la ley de conservación de la energía. El aire está dotado de presión p, y este aire con una densidad d fluyendo a una velocidad v contiene energía cinética lo mismo que cualquier otro objeto en movimiento (1/2 dv²=energía cinética). Según la ley de la conservación de la energía, la suma de ambas es una constante: p + (1/2dv²) = constante. A la vista de esta ecuación, para una misma densidad (asumimos que las partículas de aire alrededor del avión tienen igual densidad) si aumenta la velocidad v disminuirá la presión p y viceversa. En resumen, que si las partículas de aire aumentan su velocidad será a costa de disminuir su presión y a la inversa, o lo que es lo mismo: para cualquier parcela de aire, alta velocidad implica baja presión y baja velocidad supone alta presión.

Esto ocurre a velocidades inferiores a la del sonido pues a partir de esta ocurren otros fenómenos que afectan de forma importante a esta relación.

Un objeto plano, colocado un poco inclinado hacia arriba contra el viento, produce sustentación; por ejemplo, una cometa. Un perfil aerodinámico, es un cuerpo que tiene un diseño determinado para aprovechar al máximo las fuerzas que se originan por la variación de velocidad y presión cuando este perfil se sitúa en una corriente de aire. Un ala es un ejemplo de diseño avanzado de perfil aerodinámico.

Otro científico, Giovanni Battista Venturi, comprobó experimentalmente que al pasar por un estrechamiento las partículas de un fluido aumentan su velocidad.

Veamos que sucede cuando un aparato dotado de perfiles aerodinámicos (alas) se mueve en el aire (dotado de presión atmosférica y velocidad), a una cierta velocidad y con determinada colocación hacia arriba (ángulo de ataque), de acuerdo con las leyes explicadas.

El ala produce un flujo de aire en proporción a su ángulo de ataque (a mayor ángulo de ataque mayor es el estrechamiento en la parte superior del ala) y a la velocidad con que el ala se mueve respecto a la masa de aire que la rodea; de este flujo de aire, el que discurre por la parte superior del perfil tendrá una velocidad mayor (efecto Venturi) que el que discurre por la parte inferior. Esa mayor velocidad implica menor presión (teorema de Bernoulli). Esta diferencia de presiones produce una fuerza aerodinámica que empuja al ala de la zona de mayor presión (abajo) a la zona de menor presión (arriba), conforme a la Tercera Ley del Movimiento de Newton, ergo se produce sustentación, pero es conveniente aclarar aquí que existen a este respecto al menos dos puntos de vista, a veces enfrentados y en ocasiones con virulencia, que reclaman para sí la explicación más coherente, cuando no la “única”, sobre el proceso de sustentación. Uno de ellos se apoya principalmente en el teorema de Bernoulli (baja presión encima del ala y alta presión debajo del ala) mientras que el otro se basa en las leyes de Newton (el flujo de aire deflactado hacia abajo produce una reacción hacia arriba). Ambas explicaciones no son tan incompatibles como a veces quieren hacernos creer, y aunque nuestro conocimiento, somos pilotos y no físicos, de la física es muy limitado, lo que el sentido común dicta después de haber leído unos cuantos artículos al respecto es que posiblemente se trate de puntos de vista distintos, dos formas diferentes de simplificar un único suceso complicado, se mantiene a veces, que un ala produce sustentación debido a que la forma del perfil (curvado por arriba y plano por abajo) obliga al aire que pasa por encima a recorrer más distancia que el que pasa por debajo con el fin de recombinarse con este en el borde de salida, cosa que solo puede hacerse, lógicamente, a mayor velocidad. Los diseños de alas curvadas y con diferencia de curvatura entre la parte superior e inferior responden a razones eminentemente prácticas, pues estos perfiles mejoran la sustentación y tienen mejores características ante la pérdida, pero, aunque el principio de Bernoulli es correcto, el principio reseñado de porqué vuela un avión son válidos independientemente de la simetría o asimetría del perfil y de la diferencia de curvatura entre las superficies superior e inferior. Si la sustentación dependiera únicamente de la forma del ala, puesto que esta forma no cambia con el vuelo, no habría forma de variar la sustentación; el aeroplano solo soportaría su peso a una velocidad determinada y además sería inestable e incontrolable. De no ser así, los hermanos Wright no hubieran podido volar, ni se mantendrían en el aire los aviones de alta velocidad, los acrobáticos o los planeadores, y, sobre todo en lo que nos interesa aquí los helicópteros no podrían tener las palas de perfil simétrico que algunos tienen hoy día.

Un helicóptero es una aeronave que es sustentada y propulsada por 1 o 2 rotores horizontales, cada uno formado por dos o más palas. Están clasificados como aeronaves de ala giratoria pues los helicópteros crean su sustentación con las palas que rotan alrededor de un eje vertical.

La principal ventaja de los helicópteros viene dada por el rotor, que proporciona sustentación sin que la aeronave se esté desplazando, lo que le permite realizar despegues y aterrizajes verticales sin necesidad de pista, pero debemos aclarar que solo se mantiene vertical a algunos metros del suelo, mientras que el ascenso lo realiza con un ángulo pronunciado. Por esta razón, los helicópteros se pueden usar en zonas congestionadas o aisladas. Por lo tanto, para mantenerse en el aire, el avión necesita una velocidad de traslación, mientras que el helicóptero no precisa dicha velocidad porque la obtiene con el giro del rotor. Pero el rotor también proporciona la propulsión del helicóptero. Para ello basta con inclinar el plano de rotación y la fuerza de sustentación L se descompone en dos fuerzas El helicóptero es una aeronave que es sustentada y propulsada por “el resultado de unas fuerzas que se oponen a otras fuerzas, que pocos comprenden y mucho menos saben explicar”.

Los helicópteros basan su vuelo en la velocidad que se genera en las palas del rotor mediante una fuerza transmitida desde uno o dos motores. Las palas tienen un perfil aerodinámico y como consecuencia de la velocidad generan una FUERZA DE SUSTENTACIÓN Para que el helicóptero pueda ascender hay que superar una fuerza que se opone a ello, el PESO (P). El peso es la fuerza resultante de la actuación de la FUERZA DE GRAVEDAD (g) sobre la MASA DE LOS CUERPOS (M). Se define como un vector, tiene magnitud y dirección, hacia el centro de la tierra. Los efectos de la gravedad se calculan siempre respecto del CENTRO DE GRAVEDAD (G). El PESO es la fuerza con que es atraído cualquier objeto hacia el centro de la tierra por efecto de la gravedad, según la segunda ley de Newton: P=M g; 9.81 m/s2 Para modificar la sustentación se actúa sobre el ángulo de inclinación de las palas del rotor accionando el mando o bastón del paso colectivo. – Para que un helicóptero se desplace en vuelo de traslación hay que convertir fuerza de sustentación en propulsión y ello se consigue inclinando el plano de rotación que el piloto consigue llevando el paso cíclico, mediante el bastón cíclico hacia la dirección que se propone transitar. Debemos destacar que por efectos de la precesión giroscópica las palas se inclinaran a 90° de la dirección a la que se quiere ir.

Siempre que se ejerza una fuerza se obtiene una reacción en sentido contrario que es igual y opuesta. Lo mismo ocurre para el rotor de un helicóptero. Para girar, el mástil del rotor se apoya en la estructura del helicóptero. El par motor (CM) genera un par de reacción (CR) de igual intensidad, pero en sentido contrario, como consecuencia, la estructura del helicóptero giraría en sentido contrario al que giran las palas, lo que haría imposible el vuelo si no fuese compensado por eso se coloca en la mayoría de los helicópteros el rotor de cola o rotor anti par y, en otros un rotor contra rotativo, como en los casos del Kamov k52.

El rotor anti par va colocado en la parte trasera del fuselaje y es accionado por el mismo motor que el principal. La fuerza aerodinámica resultante del rotor de cola (EMPUJE) se ejerce en un plano horizontal y en sentido opuesto al par de reacción del rotor principal, evitando que el helicóptero gire (GUIÑADA). Esto lo controla el piloto con los pedales, compensando la potencia que aplica a través del paso colectivo sobre todo en la aproximación y la transición al vuelo estacionario.

Durante el vuelo, en caso de avería del motor, el rotor accionado por el viento relativo proporciona una sustentación que, aun siendo inferior al peso del helicóptero es suficiente para frenar el descenso y conservar el control hasta el aterrizaje. Pero existen fuerzas que se oponen a la autorrotación, que dependen fundamentalmente de la incidencia de las palas en relación al viento relativo. A pocos metros del suelo el helicóptero es puesto en posición encabritada, para frenar la velocidad de traslación. Como resultado se produce un aumento brusco de la incidencia (i) de todas las palas lo que incrementa durante un periodo muy corto la sustentación (FN). El helicóptero es frenado y luego aterriza mientras la sustentación disminuye (flare) Justo antes de aterrizar el piloto debe incrementar la sustentación mediante un rápido accionar sobre el paso colectivo.

Cuando el helicóptero está en vuelo estacionario y próximo al suelo (aproximadamente a una altura similar al diámetro del rotor), la energía cinética imprimida al aire por el rotor (velocidad inducida) se anula al contactar con la superficie transformándose en energía de presión, salvo en la zona periférica, donde el flujo de aire es desviado. Este aumento de presión se manifiesta en el intradós de las palas y genera un aumento de la sustentación FN del rotor. Este aumento de sustentación es el denominado efecto suelo.

Para trasladarse hacia la velocidad de crucero, se debe inclinar hacia adelante, mediante el bastón cíclico, mientras con el bastón colectivo se aplica la potencia de asenso que el manual de operaciones de la aeronave indique.

Como se pudo ver en esta nota, se trata de la más compleja de las aeronaves que son utilizadas por el hombre en la actualidad, pero Cuando hablamos de solucionar problemas de transporte de personal, materiales o la manera más eficaz de responder a necesidades o requerimientos específicos, el helicóptero es una excelente opción por su velocidad y adaptabilidad a toda clase de ambientes urbanos y naturales, para el trabajo aéreo, y tal vez uno de los usos más importantes es el uso específicamente militar, como aeronaves son el mejor aliado para acceder a los lugares más difíciles, introducen dos conceptos en la doctrina militar moderna, la aeromovilidad y las operaciones de asalto aéreo y es a partir de su uso por los franceses en Indochina (hoy Vietnam) y Argelia, donde comienza el concepto de aeromovilidad en los ejércitos y en los campos de batalla, pero es EEUU de Norteamérica, que los utiliza en forma masiva y realiza operaciones de cambios de dispositivo, trasladando elementos de combate cercano (infantería y caballería) en cambios de posición dentro de la zona principal de combate, durante la campaña del Sudeste Asiático, desembarcando tiradores mientras realizan desde helicópteros de ataque el apoyo limitado de fuegos a esas operaciones, efectuando también evacuación de heridos. En las Armadas, (marina de guerra) son utilizados hoy helicópteros para detección de submarinos, apoyos a desembarcos de Infantería de marina, evacuación desde barcos, e incluso en misiones misilísticas contra buques enemigos, en todas las fuerzas armadas se destacan en labores de rescate aéreo u operaciones SAR y CSAR siendo estas últimas los rescates en combate de contingentes a replegar o pilotos derribados tras líneas enemigas operando en alta mar, bosques, desastres naturales o para el más rápido transporte de pacientes, Hoy no hay fuerzas armadas en el mundo que no cuenten con doctrina sobre aeromovilidad proporcionada por helicópteros o unidades de asalto aéreo. La diferencia entre estos dos conceptos es que la aeromovilidad se consigue “moviendo” elementos no necesariamente orgánicos de la aviación de los ejércitos, mientras que el asalto aéreo forma parte de las operaciones especiales con personal integrado y permanente de las unidades que contienen fuerzas de tiradores y helicópteros.

Como se ve el helicóptero es una aeronave extraordinaria para todos los usos, pero sobre todo el militar.