¿Cómo ejecuta un piloto de helicóptero un aterrizaje de autorrotación?

Voy a suponer que por "crítico", te refieres a sobrevivir. También asumiré que la falla del motor ocurre a una altura que lo matará.

No son tanto los pasos críticos, son los resultados críticos. El resultado más crítico es preservar o recuperar las RPM del rotor. Los pasos necesarios para hacer esto dependerán de lo que esté haciendo la aeronave cuando el motor se apague y, en menor medida, del tipo de helicóptero. Generalizaré para un helicóptero "promedio" en vuelo recto y nivelado.

La acción inmediata que se inculca a todos desde las primeras horas como estudiante es bajar el colectivo. Hacer esto tiene tres efectos. Elimina el paso positivo de las palas, lo que elimina la mayor parte de la resistencia, alinea el vector de empuje del rotor con el eje de rotación del rotor, por lo tanto, no usa la energía del rotor para nada excepto para levantar y hace que un embrague desacople el rotor del motor permitiéndole a rueda libre. Desde este punto en adelante, te diriges de regreso a la tierra.

La segunda acción inmediata al mismo tiempo que se baja el colectivo (asumiendo un vuelo hacia adelante) es tirar hacia atrás del cíclico para ensanchar. Esto carga el disco, lo que hace que se "conice" hacia arriba, lo que reduce el diámetro del disco. Por lo tanto, el centro de gravedad del disco se mueve hacia adentro y debido a la conservación del momento angular, las RPM del rotor aumentan. Por razones bastante complejas, el morro del helicóptero también se inclinará hacia abajo cuando se baje el colectivo, por lo que retroceder contrarresta esa tendencia.

La tercera acción inmediata es empujar el pedal en el lado opuesto a la rotación de las cuchillas. Si las palas giran en sentido contrario a las agujas del reloj (hacia la izquierda como lo ve el piloto), presiona el pedal derecho para reducir el empuje producido por el rotor de cola que ya no contrarresta la guiñada causada por el arrastre del rotor motorizado. Esto es menos crítico que los dos primeros y aunque puede ser peligroso y ponerlo en una actitud incómoda, por lo general es posible recuperarse de no pisar el pedal de inmediato. Si tiene RPM del rotor, entonces puede resolverlo.

Ahora ha ingresado con éxito a la autorrotación. Desde aquí, vuele más o menos normalmente hasta el siguiente punto crítico que está a unos 50' del suelo.

Lo que ha hecho es asegurarse de que el rotor tenga RPM de vuelo y que esté administrando la energía intercambiando energía potencial (altura) por energía cinética (RPM del rotor). La conversión se realiza mediante el flujo de aire que ahora proviene de debajo del disco y "impulsa" el rotor para mantener las RPM. El paso es neutral, o tal vez incluso negativo, pero el flujo de aire relativo ahora es hacia arriba a través del disco y, por lo tanto, las palas tienen un ángulo de ataque positivo y generan algo de sustentación. Esto evita que el helicóptero se caiga. Se genera algo de resistencia como consecuencia de generar esa sustentación, pero se supera fácilmente con la potencia que ahora impulsa el rotor desde ese flujo de aire ascendente.

Mientras esté descendiendo, esa conversión ocurrirá y se mantendrán sus RPM. Los controles están manipulados de tal manera que con el colectivo completamente abajo, las RPM permanecerán en el rango normal. A veces tienes que modificarlo un poco con pequeñas cantidades de colectivos, bengalas y giros, pero en general, solo vuelas hacia tu lugar de aterrizaje. El rango de RPM permitido es mayor en autorrotación. Por ejemplo (y de memoria), el R22 tiene un rango de 97-103% en vuelo normal y 90-110% en autorrotación.

Ahora está descendiendo con una alta velocidad de descenso y, por lo general, con una velocidad de avance significativa. Debe reducir ambos para llegar a una llegada segura. Para hacer esto, hay tres pasos más críticos.

Comenzando a unos 50 pies (dependiendo de muchos factores, pero sigamos con el helicóptero promedio que entró en autorrotación desde recto y nivelado con una altitud significativa), ensancha el avión tirando hacia atrás del cíclico. Esto comenzará inmediatamente a reducir la velocidad de la aeronave. También comenzará a aumentar las RPM (ahora está convirtiendo la velocidad en energía cinética del rotor).

Al mismo tiempo, aumenta el colectivo para reducir la velocidad de descenso al aumentar la sustentación generada. Esto aumentará rápidamente la resistencia, pero ahora la energía necesaria para mantener las RPM proviene de la bengala que convierte la velocidad en RPM. También debe pisar el pedal para evitar que la aeronave gire a medida que aumenta la resistencia al rotor.

Siempre que tenga la entrada correcta y su bengala reduzca la velocidad y la velocidad de descenso a algo sobrevivible, entonces se alejará. Puede destrozar el helicóptero y romperse algunos huesos, pero llegue a 10 pies con solo 20 nudos y 150 pies por minuto y se saldrá con la suya.

Si está bien entrenado y tiene práctica, aterrizará de manera segura y suave sin dañar la máquina o las personas.

En resumen, pasos críticos:

Entrada. Palanca abajo, retroceso cíclico, pedal adentro.

Llegada. Retroceso cíclico, palanca arriba, pedal adentro.

Esto no pretende ser una respuesta completa, sino más bien un comentario de ingenieros legos para agregar a la muy buena explicación de Simon.

Cuando está en modo de descenso con bajada cíclica, las aspas tienen un paso negativo al habitual y el flujo de aire a través de ellas les agrega energía (hasta cierto límite controlado) en lugar de transferir energía desde ellas. El rotor se convierte en un almacén de energía, un "volante alado". Tener el rotor a las RPM máximas permitidas en este modo maximiza la energía almacenada. Una vez que alcanza las RPM máximas permitidas, las palas se pueden operar para maximizar la resistencia a la caída, sujeto a mantener la velocidad de rotación: el rotor es similar a una gran placa plana. la máquina ahora caerá a velocidad terminal* para la combinación de arrastre máximo.

Cuando haces "flare" y elevas el colectivo, el paso de las palas vuelve a ser positivo y vuelves a tener un helicóptero propulsado . PERO está alimentado por la energía de inercia almacenada en la masa del conjunto de palas giratorias y la usará extremadamente rápido: tiene unos segundos de tiempo de vuelo, con la velocidad del rotor cayendo a medida que se le quita energía. El procedimiento de antorcha está diseñado para utilizar la energía rotacional almacenada de una manera que optimice la transición de las velocidades previas a la antorcha a las velocidades posteriores a la antorcha.

* Velocidad terminal de autorrotación:

No he investigado esto, por lo que puede haber razones por las que está mal, pero en base a muchos otros escenarios para objetos que caen de forma errática, parece probable que la tasa de caída sea cercana a lo que predice la ecuación de arrastre clásica, por lo que la caída del rotor o la masa de la máquina es definido por

dónde

• $\rho =$densidad del aire ($1.2\ \mathrm{kg/m^3}$cerca del nivel del mar)
• $A =$zona ($\mathrm{m}^2$)
• $V =$velocidad ($\mathrm{m/s}$)
• $C_d =$coeficiente de arrastre relativo a la placa plana, digamos 0.8 en este caso

Por lo tanto$\mathrm{mass} \cdot g = 0.6 \cdot 0.8 \cdot A \cdot V^2$

y velocidad terminal

Velocidad de rotación automática del terminal en$\mathrm{m/s}$es entonces

Si bien esta es una estimación basada en una variedad de suposiciones, el principio general brinda resultados satisfactoriamente buenos, aunque aproximados, para objetos tan diversos como campos, ratones, bolas de boliche, paracaidistas y paracaídas de carga. (Solo funciona para las gotas de lluvia cuando te das cuenta de que generalmente caen en forma de disco aplanado cuando tienen una velocidad terminal).

Ejemplo:

Robinson R22 Beta II , 620 kg de peso bruto, radio de rotor de 151 pulgadas. Use 600 kg y un área de disco de rotor de 46 metros cuadrados:

Mirando más allá…

Puedo ver que no debería haber comenzado esto. Fascinante. Tiempo de comer.
La fórmula anterior da una velocidad de autorrotación algo alta, lo cual es bueno. Probablemente un 50% más alto que el real. Posiblemente debido a la sustentación del disco en vuelo de planeo hacia adelante.

1,000 pies por minuto$\approx 5\ \mathrm{m/s}$. Varias páginas mencionan cifras de descenso de autorrotación de 1.300 a 1.800 fpm.

Calculadora relacionada con la rotación automática y MUCHO MUCHO más : excelente . Incluye comentarios -

• Un rotor en autorrotación vertical tiene la misma resistencia que un paracaídas del mismo diámetro. Esta velocidad de descenso también es aproximadamente el doble de la velocidad inducida por el vuelo estacionario.

• 2500 ft/min es un límite superior razonable para helicópteros más grandes, es decir, 13 m/s

• Él$t/k$relación, que es el tiempo en segundos que un rotor puede levantar el helicóptero cuando el motor se detiene. es la relacion de$J\cdot\Omega^2$dividido por 4 veces la potencia requerida en vuelo estacionario. (El 4 proviene del hecho de que solo se puede usar la mitad de la energía cinética almacenada en el sistema del rotor). Prouty utiliza una fórmula más compleja que tiene en cuenta$C_l$y$C_d$del sistema de rotor, pero si usa la ecuación [$\mathrm{Power\ OGE} = (61\cdot10^{-3}/Dia_{rot}) \cdot \sqrt{m^3/ro})$todo en métrico (con$ro = 1.225\ \mathrm{kg/m^3}$al nivel del mar], y divida el valor obtenido par 0.84 (para potencia TR y pérdidas de transmisión), e inserte este valor en el cálculo de t/k, funciona...

  Asi que$t/k = \frac{J\cdot\Omega^2}{4\cdot\mathrm{Power\ OGE}}$en segundos.

  Él$t/k$del Robinson R22 es 0.8 (demasiado bajo, estoy de acuerdo), y prácticamente, quieres$t/k$alrededor de 1,2 a 1,7 segundos, aproximadamente el doble de Robinson.

• El helicóptero UltraSport-254 tiene una carga de disco extremadamente baja y una velocidad de descenso con autorrotación de 900 pies/min. Se dice que en autorrotación puede aterrizar, luego despegar y volver a aterrizar usando solo la inercia en los rotores. El Osprey V-22 tiene una carga de disco extremadamente alta. Los datos de la prueba indican que la aeronave impactaría contra el suelo a una velocidad de descenso de aproximadamente 3700 ft/min.

Discusión de Robinson R22 - informativa. Comentarios sobre la rotación automática y mucho más.

• Debido a su peso ligero y su sistema de rotor de baja inercia, el R22 no perdona los errores del piloto ni la lentitud. Después de una falla de motor, real o simulada, usted y el instructor tendrán 1,6 segundos para bajar el colectivo y entrar en una autorotación. Cualquier retraso que supere los 1,6 segundos será fatal, ya que la velocidad del rotor, una vez decaída por debajo del 80 por ciento, no podrá recuperarse. :-(

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El arte de
la autorrotación Un tutorial y un debate extremadamente buenos sobre la autorrotación con una serie de indicaciones sobre el conocimiento arcano.

Video - R22 {casi} aterrizaje con rotación automática a velocidad aerodinámica cero Los comentarios de los usuarios son útiles.

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