¿Cómo se mantiene erguido este helicóptero RC?

Tengo este helicóptero RC (barato, de nivel principiante):

Un helicóptero RC con dos rotores principales coaxiales, una barra de equilibrio y un rotor de cola para producir empuje vertical.

Tiene 3 controles: uno para subir y bajar (acelerador colectivo), uno para guiñar (acelerador diferencial) y otro para cabeceo (el control del rotor de cola). No hay control de balanceo.

Este helicóptero parece tener una tendencia muy fuerte a permanecer erguido. Incluso si lo agarra por los patines en el aire y lo inclina ligeramente, se enderezará solo (después de volar primero en la dirección en la que lo inclinó).

Como se muestra en la imagen, el helicóptero tiene dos rotores principales coaxiales y un rotor de cola. El rotor de cola apunta verticalmente, de modo que produce un momento de cabeceo. El rotor principal inferior es de paso fijo, pero el rotor superior tiene un paso cíclico controlado por una "barra de equilibrio" ponderada. La propia barra de equilibrio está montada unos 45° por delante del rotor. La barra de equilibrio está en una bisagra para que los extremos puedan moverse hacia arriba y hacia abajo en relación con el eje. Si un extremo de la barra de equilibrio sube, entonces la cuchilla más cercana se ajusta automáticamente a un paso más grueso; mientras tanto, a medida que el otro extremo desciende, la cuchilla más cercana a ese extremo se ajusta a un paso más fino.

Parece muy poco probable que este helicóptero tenga acelerómetros o giroscopios electrónicos.

Entonces, ¿cómo se mantiene erguido este helicóptero? Esto es lo que puedo averiguar yo mismo:

  • Suponga que el fuselaje rueda accidentalmente hacia la derecha mientras la barra de equilibrio permanece en posición vertical. Luego, el paso cíclico del rotor se establecerá de modo que cada pala sea más gruesa cuando esté en la posición delantera derecha y más fina cuando esté en la posición trasera izquierda. Esto producirá un momento de balanceo hacia la izquierda, que tenderá a enderezar de nuevo el helicóptero. (También producirá un momento de lanzamiento hacia arriba... o tal vez un momento de lanzamiento hacia abajo, ¿gracias al retraso de fase? ¿O ningún momento de lanzamiento? No lo sé).
  • Suponga que el fuselaje y la barra de equilibrio ruedan accidentalmente hacia la derecha. Esto hará que el helicóptero vuele hacia la derecha... ¿lo que de alguna manera hará que se enderece solo? Pero no entiendo los detalles de por qué sucederá esto.

Por cierto, he notado que el helicóptero tiene tendencia a volar en círculos en el sentido de las agujas del reloj, especialmente después de ser molestado. (No gira durante este movimiento circular; simplemente se mueve en círculos mientras mantiene un rumbo constante). Apuesto a que esta tendencia es causada por la barra de equilibrio de alguna manera, pero no sé cómo.

(Alguien puede tener la tentación de responder: "Se endereza solo porque los rotores están por encima del centro de gravedad". Sin embargo, esa explicación no funciona, porque la única forma en que un avión puede enderezarse es por medio del par. generar este par de alguna manera , pero no lo generarán en virtud de estar ubicados sobre el centro de gravedad).

Como nota al margen, es probable que este modelo tenga giroscopio de guiñada electrónico . No podría seguir dirigiéndose tan bien sin él. Yaw es el único eje con el que la barra no puede ayudar. La próxima vez, cuando vuele, intente torcer el cuerpo para cambiar el rumbo y sentirá (¡y escuchará!) resistencia.
@Zeus Bueno, no sigue yendo tan bien; tiene que configurar manualmente una rueda de ajuste de guiñada, e incluso después de hacerlo, el rumbo se desvía más o menos rápido. La próxima vez que lo vuele, intentaré guiñarlo agarrándolo con la mano y veré qué sucede.
Como señala al menos una respuesta, es un giroscopio estabilizado por la barra de equilibrio. Actuando como un giroscopio, la barra probablemente realiza una precesión lenta, lo que se manifestaría en el vector de empuje del rotor haciendo lo mismo, lo que daría como resultado que volara en círculos lentos.
Con respecto al último párrafo, ¿qué pasa con el juguete simple que es una hélice fijada a una varilla? Frótese las palmas de las manos y volará por el aire, sin tendencia a volcarse, ¿qué está pasando allí?

Respuestas (2)

El rotor está giroestabilizado. La barra de equilibrio es el giroscopio. Si la máquina gira correctamente, la barra de equilibrio quiere permanecer en un plano nivelado y genera una corrección al influir en las palas del rotor para que vayan donde quiere estar la barra de equilibrio.

El sistema de rotor oscilante Bell 2 blade utilizado en el '47 y el Huey usaba una versión mucho más pequeña de lo mismo, para proporcionar un poco de estabilidad inherente al disco del rotor, sin inhibir el control del piloto.

Pero, ¿qué pasa con el caso en el que la barra de equilibrio no está nivelada para empezar? Si agarro el helicóptero, lo inclino un poco y lo sostengo durante unos segundos, la barra de equilibrio se inclinará para alinearse con el resto del helicóptero. Después de soltar el helicóptero, ¿qué hace que la barra de equilibrio vuelva a la posición horizontal?
Como un giroscopio, si lo fuerza fuera del plano horizontal y lo mantiene presionado durante un período prolongado, tenderá a realinearse con el nuevo ángulo, pero seguirá teniendo una tendencia residual a buscar el nivel. Una vez que lo suelta, la tendencia residual a recuperar el nivel es suficiente para volver a nivelar todo el rotor.
Eso tiene sentido, pero lo que me confunde es la "tendencia residual a buscar nivel". Los giroscopios no se nivelan espontáneamente, entonces, ¿qué hace que este giroscopio se nivele?
La tendencia residual es en realidad una mala frase para usar. Lo que sucede es que cuando lo sueltas, el cuerpo de la máquina, al ser un péndulo, quiere ir directamente hacia abajo, llevándose consigo el mástil, y esto imparte una tendencia de la barra estabilizadora del giroscopio a seguir el mástil. volver a la vertical. El mástil pendular en sí está actuando un poco como la función de auto-erección de un instrumento giroscópico.
Ah, ¿como en la falacia del péndulo?
"el cuerpo de la máquina, al ser un péndulo, quiere ir directamente hacia abajo" - Pero los rotores también quieren ir directamente hacia abajo. La gravedad nunca hace que un objeto gire (ignorando las fuerzas de marea , que aquí son insignificantes). Un juguete roly-poly se mantiene erguido por la fuerza de apoyo del piso, y un dirigible se mantiene erguido por la flotabilidad. Debe haber alguna fuerza aerodinámica que enderece el helicóptero, ¿verdad?
La fuerza aerodinámica es la sustentación del rotor. El cuerpo quiere balancearse debajo de él a menos que esté acelerando lateralmente. Piense en un helicóptero de rotor oscilante como un disco mágico que vuela de forma independiente con el cuerpo como una pelota de tenis en una cuerda suspendida debajo. Cuando vuelas una máquina Bell, estás haciendo volar el disco con un ciclo, y la máquina de abajo simplemente está colgando allí para dar el paseo. Si el rotor está inclinado pero no hay aceleración lateral, o no es suficiente para la inclinación, la máquina intentará girar por debajo, lo que tenderá a mover el estabilizador nuevamente a su nivel.
@Koyovis, la falacia del péndulo se trata de la idea errónea de que colocar un elemento de empuje unido rígidamente en la parte superior de un cohete se estabiliza y en la parte inferior se desestabiliza. Es el mismo concepto erróneo que hace que la gente piense que los motores montados en la cola de un avión se desestabilizan en la guiñada. El concepto erróneo solo se aplica a un cuerpo y un elemento de empuje que están rígidamente fijados entre sí. Un helicóptero con rotor oscilante es un cuerpo libre unido al elemento de empuje por una junta flexible y está básicamente suspendido como si fuera una cuerda. No es lo mismo en absoluto.
"El cuerpo quiere balancearse debajo de él a menos que esté acelerando lateralmente". Eso parece una declaración un poco vacía, ya que si se altera la actitud del helicóptero, eso hará que acelere lateralmente. Eso se parece mucho a decir: "Si un avión se inclina, los ocupantes sentirán que están siendo empujados hacia el ala bajada, a menos que el avión gire mientras está inclinado". Esa no es una declaración falsa... pero los aviones giran mientras están inclinados, por lo que la declaración no dice mucho.
Si sirve de algo, siento que estamos viendo esta pregunta desde ángulos muy diferentes. Ninguno de nuestros ángulos está mal , pero tenemos problemas para entendernos porque nuestras perspectivas son muy diferentes.
No estás entendiendo cómo funciona el sistema de rotor oscilante de Bell. El cuerpo no tiene una conexión rígida o semirrígida con el disco del rotor como ocurre con las cabezas de rotor articuladas donde el mástil y la cabeza del rotor son una unidad. En un Bell, o en tu RC, el disco del rotor vuela de forma independiente. Si el rotor se inclina, no inclina inmediatamente el cuerpo. El disco del rotor se mueve hacia los lados y el cuerpo se balancea con él con un poco de retraso. Debido al retraso, hay un desplazamiento inicial del mástil alejándose de la perpendicular al rotor, y la barra estabilizadora trata de restaurar la perpendicularidad.

El rotor superior es un rotor de compensación de bisagra con una barra estabilizadora muy seria. Estos rotores ejercen un par a través del mecanismo del punto 1 de esta respuesta , y el cuerpo se alineará con el rotor superior. Pero también al revés: el rotor se alinea con el eje, solo depende de lo que controle, el ángulo del rotor (como en un helicóptero normal a través del paso cíclico) o el ángulo del cuerpo.

Entonces, el rotor superior y el eje volverán a ser perpendiculares entre sí después de una perturbación o una entrada de control. Los torques ejercidos por el cuerpo son instantáneos, los torques ejercidos por el rotor superior tienen un retraso de tiempo debido a la inercia en la barra estabilizadora.

El helicóptero es volado por inclinación del cuerpo.

  • Dirección de cabeceo: el cuerpo se inclina, el rotor superior lo sigue, de manera controlada, lo que resulta en un movimiento longitudinal.
  • Dirección de balanceo: no es posible la entrada de control. Una vez que hay movimiento lateral, el helicóptero puede enderezarse si el arrastre aerodinámico en el conjunto del rotor es mayor que el arrastre en el cuerpo; si es al revés, el helicóptero acelerará y se inclinará más y más hasta que se estrelle.

Tenga en cuenta que la falacia del péndulo no se aplica a los helicópteros: pueden alinear el empuje del rotor lejos del centro de gravedad, como lo hace un ala delta cuando inclina el ala, y crear un momento de balanceo o cabeceo de esa manera.

En el vuelo en círculo sin cambiar la guiñada (con el helicóptero volando hacia atrás a la mitad del círculo): gracias a @ZeissIkon en un comentario:

El comportamiento de "vuela en círculos sin cambiar de rumbo después de ser molestado" probablemente se deba a la precesión de la barra de equilibrio. Perturbe el fuselaje/eje del rotor, algo de esa perturbación se propaga a la barra de equilibrio; una vez que el cuerpo se ha enderezado, la barra de equilibrio continúa en un plano ligeramente inclinado y la ligera fuerza de enderezamiento del eje hace que se preceda. – Zeiss icono

Mmmm, interesante. Sin embargo, no creo que el rotor superior se tambalee. Las palas del rotor están unidas al eje por una junta que permite que las palas avancen y retrocedan, pero no que se muevan hacia arriba y hacia abajo. (Hay algo de juego en la articulación que permite que las hojas se muevan hacia arriba y hacia abajo, pero si una hoja se mueve hacia arriba, eso no hace que la otra hoja se mueva hacia abajo). La barra estabilizadora se tambalea, por supuesto. Si agarro el helicóptero mientras está volando y lo inclino, los rotores se mueven instantáneamente (como si el disco del rotor estuviera unido rígidamente), pero la barra estabilizadora se retrasa un segundo.
Ah, ¿entonces la barra estabilizadora no está conectada al rotor superior? ¿Y las palas del rotor superior pueden aletear y adelantar/retrasar? ¿La desviación del estabilizador cambia el paso de las palas del rotor superior?
Bueno, la barra estabilizadora está conectada al rotor superior a través de un enlace. Desviar el estabilizador cambia el paso de las palas del rotor superior (eso es lo que hace el varillaje). Cuando un extremo de la barra estabilizadora sube, la pala del rotor junto a él (45 grados detrás de él) se inclina a un paso más grueso (por lo que produce más sustentación); mientras tanto, el otro extremo de la barra estabilizadora baja y la pala del rotor junto a él (nuevamente 45 grados por detrás) se inclina a un paso más fino.
No tengo muy claro qué es el aleteo de las palas del rotor y cómo funciona, pero diría que las palas del rotor son capaces de moverse hacia arriba y hacia abajo, quizás, 5 grados. (Parece que esto no es por diseño, pero tal vez lo sea). Las cuchillas son libres de adelantarse y retrasarse; parecen tener alrededor de 90 grados de libertad para hacer esto. Por cierto, dado que las palas están unidas a la bisagra en el borde de ataque, ambas palas intentarán inclinarse hacia un paso más fino; la hoja que ya tiene un paso más grueso ejercerá una fuerza mayor que la otra hoja.
Por cierto, debo aclarar que la "tendencia a volar en círculos en el sentido de las agujas del reloj" no es una tendencia a guiñar; es una tendencia a moverse en círculos en el sentido de las agujas del reloj mientras se mantiene un rumbo constante. Editaré mi pregunta para aclarar eso.
Bien, entonces es un rotor de compensación de bisagra entonces. Pueden aplicar torque en el mástil.
centre of lift will align itself above the centre of gravity if left undisturbedEsto es lo que me confunde acerca de esta respuesta. Una vez que lo mantiene inclinado durante unos segundos, el centro de elevación se alinea con el centro de gravedad, pero no verticalmente. Estoy tratando de entender cómo se alinea verticalmente. Todos mis intentos de razonar caen en la falacia del péndulo. Parece que no puedo identificar la fuente de ningún momento de balanceo.
Y si el cuerpo experimenta arrastre, el momento de balanceo sería en la dirección opuesta a la de enderezarse verticalmente.
@0xDBFB7 Acabo de echar un vistazo rápido a ese estudio, pero la diferencia que veo es que el mecanismo cambia el CoG fuera de línea con el vector de elevación, produciendo un momento de balanceo. En el caso del OP, después de mantenerlo presionado durante unos segundos, el vector de elevación se vuelve a alinear con el CoG. Una vez que están alineados, no hay momento de balanceo. Una fuerza que es radial al centro de gravedad no produce un momento.
@TomMcW Tienes razón.
El comportamiento de "vuela en círculos sin cambiar de rumbo después de ser molestado" probablemente se deba a la precesión de la barra de equilibrio. Perturbe el fuselaje/eje del rotor, algo de esa perturbación se propaga a la barra de equilibrio; una vez que el cuerpo se ha enderezado, la barra de equilibrio continúa en un plano ligeramente inclinado y la ligera fuerza de enderezamiento del eje hace que se preceda.
"No puedo imaginar un vuelo en círculo sin cambiar de rumbo: el helicóptero volaría hacia atrás en la mitad del círculo". - Sí, eso es exactamente lo que hace.
¿Cómo se mantiene erguido este helicóptero RC?
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