¿Por qué los helicópteros no usan ruedas de reacción para contrarrestar el rotor principal?

Está hablando de un dispositivo (en los helicópteros, el ventilador de cola que imparte empuje horizontal) que contrarresta el par impartido en el rotor principal (y, por lo tanto, en el helicóptero) por el aire circundante cuando el rotor principal es arrastrado por el aire.

En su lugar, propone impartir un par opuesto a través de una rueda de reacción. De hecho, eso impartiría un par de torsión opuesto durante cortos períodos de tiempo . Sin embargo, no se obtiene un par girando una rueda de reacción a una velocidad angular constante, sino cambiando y acelerando esa velocidad angular.

Ahora, el par de torsión impartido al helicóptero por el aire a través del rotor principal es constante, o al menos tiene una dirección aproximadamente constante. Por lo tanto, para contrarrestar ese par, la rueda de reacción tendría que acelerarse de manera uniforme e indefinida. Claramente, esto es imposible desde el punto de vista de la ingeniería.

También puedes pensar en esto a partir de una conservación del momento angular, sin pensar en el origen de los pares. El aire imparte un impulso angular constante al helicóptero. Por lo tanto, el momento angular del sistema del helicóptero debe aumentar de manera constante (a menos que haya un par de torsión contrarrestante del ventilador de cola). Entonces, ese momento angular es el giro del cuerpo del helicóptero (que es lo que estamos tratando de evitar) o el de la rueda de reacción, cuyo momento angular debe aumentar constantemente bajo la acción del impulso angular al sistema.

Esta es realmente una pregunta de ingeniería, en mi opinión, pero me gusta la física aplicada.

Existe una alternativa a las ruedas de reacción, es decir, propulsores en la parte trasera que permiten que la máquina se acerque más a los árboles, las líneas eléctricas y, en general, opere de la manera más segura posible en espacios reducidos.

Además, muchos modelos de helicópteros utilizan rotores traseros con conductos, como el que se muestra a continuación.

Para contrarrestar el peso de la máquina y el par del rotor principal del helicóptero, la rueda de reacción, como estoy seguro de que sabe, tendría que ser muy pesada o tener una gran velocidad angular para lograr suficiente velocidad angular. impulso y desempeñar un papel útil de restauración de la estabilidad.

La prueba de fuego para el diseño de helicópteros es, en mi opinión, ¿los militares incorporan las ideas? Si no lo hacen, entonces probablemente haya un inconveniente para evitar que se realicen más investigaciones.

EDITAR Las otras respuestas con respecto a la aceleración de la rueda de reacción explican bastante la línea anterior, no es solo un inconveniente , es imposible de implementar. Debería investigar más sobre la mecánica de las ruedas de reacción antes de responder. Así es la vida. FIN DE EDITAR

En lo que respecta a las leyes de la física, podría hacerlo si de vez en cuando usa el momento angular almacenado en el volante para invertir rápidamente la dirección del rotor principal y luego comienza a acumular momento angular en la otra dirección.

Desventajas: Oh chico, ¿por dónde empezar? Necesita palas de rotor simétricas y, por lo tanto, probablemente menos eficientes, y una disposición de plato oscilante más compleja. Necesita un eje principal y accesorios de cuchillas que puedan transferir pares de torsión increíbles al rotor durante la maniobra de inversión. Necesita arreglos complejos para permitir que el motor ejerza un par finamente controlado en el volante en una amplia gama de velocidades. Y va a ser un viaje muy emocionante si el ascensor desaparece durante medio segundo de vez en cuando mientras el rotor retrocede.

Considero que esta es una idea muy interesante, pero claramente, tendrías que usar la rueda como un giroscopio . Simplemente hacer girar una rueda coaxial al rotor no lograría el objetivo en absoluto, como lo explicó Rod Vance .

Lo que tendrías que hacer en su lugar es montar la rueda verticalmente . La rueda giraría a una velocidad constante alta. Ahora, el rotor genera un par en una dirección perpendicular al momento angular del giroscopio. Debido a la forma en que se suma el momento angular, el resultado sería un movimiento no tanto en guiñada, sino en dirección de cabeceo/balanceo . Ahora podría decir que esto simplemente reemplaza un problema con otro, pero no del todo: a diferencia de la guiñada, puede contrarrestar el cabeceo y el balanceo solo con el rotor principal, mediante el uso de cíclicos .

Sin embargo, eso por sí solo no sería suficiente: para realmente "transferir" el par entre las direcciones, debe cambiar el eje de rotación de la rueda. En otras palabras, el helicóptero seguiría girando, ¡pero más lento! Para algunos propósitos, esto podría estar bien, al menos en un helicóptero no tripulado. Pero para la mayoría de las aplicaciones, necesitaría un mecanismo de cardán para cambiar el eje de la rueda sin hacer girar el cuerpo del helicóptero. Esto haría que la construcción fuera mucho más complicada.

Es muy probable que todo esto no sea práctico, ¡pero definitivamente sería interesante probar este concepto con un dron de juguete!

No es posible utilizar una rueda de reacción o cualquier otro medio para resistir el par de torsión mediante la energía almacenada en un giroscopio como se mencionó anteriormente. Un mecanismo como una rueda giratoria o un volante funcionaría en función de su inercia angular, J, que es directamente proporcional a su masa y la cantidad de par que puede ahorrar y entregar no es suficiente para contrarrestar el par del rotor principal ni siquiera por un poco. pocos segundos para una masa de, digamos, 100 libras de rueda que es una carga muerta. Debe acelerarlo continuamente porque su par disponible ya se ha gastado para contrarrestar el rotor. Muy pronto llegas a velocidades angulares que están más allá de cualquier tecnología razonable.

Usemos la hélice de un Cessna 172 como ejemplo de rueda de reacción. Tiene aproximadamente 50 libras y 72 pulgadas de diámetro (el radio está exponencialmente relacionado con J). En el despegue o durante algunas maniobras, acelera de 500 rpm a 2500 rpm en un par de segundos y esperarías un gran par con el que tienes que lidiar. Es cierto que hay cierta cantidad de torque, pero incluso para mí, como piloto que debería anticiparlo, no siento mucho. Solo escuche el rugido del motor acelerando.

El ventilador de cola tiene una confianza fácil de controlar con un bajo costo de energía y se puede conectar a una caja de cambios automática para que funcione sin problemas con los controles de cabeceo y guiñada y genera cierta inercia de autoequilibrio.