En el movimiento hacia adelante del helicóptero, ¿cómo se cuida el momento de cabeceo hacia adelante?

Es una respuesta complicada, con muchos factores contribuyentes en una matriz multidimensional. En un helicóptero que vuela a velocidad de avance, existen varios factores de estabilidad estabilizadora y varios factores de desestabilización.

1. Antes de que el helicóptero pueda volar a gran velocidad, debe despegar en un vuelo estacionario.

   • El rotor proporciona la fuerza de sustentación para ascender.
   • La gravedad aplica fuerza descendente en el centro de gravedad.
   • El cubo del rotor está articulado; uno podría imaginarse el fuselaje colgando del cubo del rotor, como un péndulo.

   A partir de esta respuesta, trabajo propio.

   En esta situación, girando libremente, el CdG se movería directamente debajo del cubo del rotor sin volver a alinear el rotor: el helicóptero permanecería en su lugar y solo el fuselaje se inclinaría hasta que el CdG esté debajo del vector de sustentación. Hay un rango de posiciones de CdG horizontales permitidas, lo que daría como resultado un rango de ángulos de fuselaje al ascender en un vuelo estacionario recto. Por supuesto, si el centro de gravedad se elige excesivamente hacia adelante o hacia atrás, este escenario daría como resultado un ángulo de fuselaje imposible.

2. Pero la bisagra del cubo del rotor transfiere par, del rotor al mástil y viceversa. El fuselaje no puede colgar libremente debajo del cubo. De Prouty, Helicopter Performance, Stability and Control:, que describe el comportamiento en el vacío :

   

   El rotor oscilante en el vacío no tiene tendencia a alinear el rotor y el mástil perpendiculares entre sí, mientras que el rotor descentrado de bisagra muy común sí lo hace. Y en la atmósfera, el rotor oscilante también quiere alinear el mástil perpendicularmente a sí mismo a través del par del efecto de aleteo descrito aquí .

   Entonces, un helicóptero que despega en un vuelo estacionario con el rotor horizontal, alinea tanto el fuselaje como el rotor hasta que el CoG está debajo del vector de sustentación. Si el CoG no estaba exactamente debajo del centro del buje, la rotación del fuselaje inclina el vector de sustentación y el helicóptero comienza a desviarse, lo que debe compensarse con la entrada de palanca cíclica del piloto. Del Manual de vuelo de helicópteros de la FAA, Capítulo 7 Peso y equilibrio:

   CG ADELANTE DEL LÍMITE ADELANTE. Puede reconocer esta condición cuando llega a un vuelo estacionario después de un despegue vertical. El helicóptero tendrá una actitud de morro bajo y necesitará un desplazamiento excesivo hacia atrás del control cíclico para mantener el vuelo estacionario en condiciones sin viento.

   Tenga en cuenta que lo anterior significa que el rotor quiere alinearse con la inclinación hacia adelante del fuselaje, cuya tendencia debe compensarse con el cíclico hacia atrás.

3. Para volar hacia adelante, el piloto se mueve cíclicamente longitudinalmente hacia adelante, inclinando efectivamente el disco del rotor hacia adelante. Como se ve arriba, esto también inclina el fuselaje hacia adelante, moviendo el CdG a una nueva posición más hacia atrás; esto crea un momento de morro hacia arriba, que compensa el momento de morro hacia abajo del par de empuje/arrastre.

   Cuando el helicóptero aumenta la velocidad de avance, el aire empuja el fuselaje: hay una resistencia parásita. Esto quiere inclinar tanto el fuselaje como el rotor más hacia adelante.

4. A mayor velocidad aerodinámica, el aleteo del rotor proporciona un mayor par de morro hacia arriba: la pala que se mueve hacia adelante experimenta una mayor elevación a mayor velocidad y alcanza una posición de punta más alta cuando apunta hacia adelante. Como se explica en el punto 2 anterior, esto da como resultado un momento de morro hacia arriba del fuselaje debido al acoplamiento de bisagra entre el disco del rotor y el fuselaje.

5. El ángulo de trimado del helicóptero a la velocidad se puede influir aún más mediante la incorporación de una cola horizontal, que aplica un par de morro hacia arriba a la velocidad. La incidencia de la cola horizontal suele ser variable, con el fin de proporcionar una amplia gama de momentos de estabilización a velocidad de crucero, descenso de gran ángulo, etc.

   La cola horizontal en crucero generalmente tiene un ángulo de ataque negativo y está diseñada para hacer un uso óptimo de la corriente descendente del rotor sobre ella. Las colas horizontales no son necesarias, pero son muy deseables, para una estabilidad de velocidad cíclica positiva.

6. Pero una cola horizontal es ineficaz en el vuelo estacionario, y un rotor en la parte superior tiene una estabilidad de velocidad negativa, como se explica en esta respuesta , la razón principal de la inestabilidad en el vuelo estacionario de los helicópteros convencionales, que requieren constantes entradas de la palanca para mantener la posición.

En resumen, el momento de cabeceo con el morro hacia abajo a la velocidad de avance se compensa con:

• El ángulo de aleteo del disco del rotor.
• El momento de acoplamiento de la bisagra, ya sea desde el desplazamiento de la bisagra o desde el acoplamiento aerodinámico en el caso de un rotor oscilante. Este efecto quiere mantener el mástil del rotor alineado perpendicularmente al rotor.
• La cola horizontal.
• El rango horizontal utilizable de la ubicación del CoG.
• Y no mencionado anteriormente: en algunos casos ladeado del rotor de cola.

Supongamos que cuando el fuselaje del helicóptero está horizontal (nivel de patines), el CG está directamente debajo del mástil del rotor.

Para un problema de torque, somos libres de elegir cualquier punto de pivote arbitrario, al menos cuando la aceleración rotacional es cero y la carga G es uno, por lo que ninguna fuerza de inercia aparente adicional debido a la aceleración rotacional o la carga G actúa sobre el CG.

Si queremos averiguar cómo se equilibran las cosas en un vuelo estacionario o un vuelo de crucero en estado estable, puede simplificar las cosas tomar la parte superior del mástil del rotor, en lugar del CG del helicóptero, como el punto de pivote para el calculo de par

Tenga en cuenta que, en este caso, la inclinación del disco del rotor y la línea de empuje compensada resultante no ejercen un par sobre nuestro punto de pivote elegido, pero el vector de arrastre del fuselaje, que probablemente actúa cerca del centro de gravedad del fuselaje, sí ejerce un par sobre nuestro punto de giro. punto de pivote elegido. Los dos efectos están interconectados: en el crucero de estado estable, la compensación del vector de arrastre es la única razón por la que el disco del rotor debe inclinarse.

Suponga por el momento que existe una conexión completamente rígida entre el fuselaje, el mástil del rotor y el disco del rotor. En ese caso, si el disco del rotor se inclina, el fuselaje se inclina. El disco del rotor no puede inclinarse en relación con el fuselaje.

Suponga que el rotor mismo no tiene masa. Dibuje el triángulo vectorial de R (fuerza del rotor), L (componente de elevación o hacia arriba de la fuerza del rotor) y T (componente de empuje o avance de la fuerza del rotor), con ángulos rectos entre T y L, y R como la suma vectorial de T y L. Suponga que la fuerza neta resultante R actúa en la parte superior del mástil del motor y apunta exactamente en la misma dirección que la parte superior del mástil del rotor.

Suponga que toda la masa y toda la resistencia del helicóptero se concentran en el centro de gravedad del fuselaje. Dibuje el triángulo vectorial que representa W (peso), D (arrastre) y F (fuerza neta generada por el fuselaje) con ángulos rectos entre W y D, y con F como la suma vectorial de W y D. Este triángulo debe ser un triángulo geométricamente triángulo similar al anterior-- el asociado al rotor.

Esto significa que dadas todas estas suposiciones, la fuerza neta F generada por la combinación de Peso y Arrastre siempre está exactamente en línea con el mástil del rotor. Por lo tanto, los efectos combinados de Peso y Arrastre no generan par en la parte superior del mástil del rotor.

O para decirlo de otra manera, la fuerza neta R generada por el sistema de rotor está directamente en línea con el CG del fuselaje después de todo.

Esto también significa que, dadas todas estas suposiciones, aunque en realidad el sistema de disco del helicóptero es libre de pivotar hasta cierto punto con respecto al fuselaje del helicóptero, o viceversa, (ver ¿Por qué la nariz del helicóptero baja cuando se presiona el cíclico ? hacia adelante (en un vuelo estacionario)? para obtener más información), en un vuelo de crucero de estado estable no hay una tendencia inherente para que el fuselaje cuelgue en un ángulo diferente del disco del rotor de lo que sería si no hubiera flexibilidad en la conexión entre el fuselaje, mástil del rotor y sistema de disco del rotor.

Tenga en cuenta que si hubiera alguna tendencia a que el fuselaje colgara en algún ángulo que no fuera "cuadrado" con respecto al sistema del disco del rotor en vuelo de crucero, esto afectaría la posición de la palanca cíclica requerida para obtener cualquier par de paso neto determinado (o la ausencia del mismo). ) del disco del rotor, al igual que inclinar el sistema de palas del rotor hacia adelante o hacia atrás cuando el helicóptero está en reposo sobre el suelo cambia el ángulo cíclico de una pala con respecto a otra. Por ejemplo, si por alguna razón el fuselaje estuviera colgando recto hacia la tierra desde la parte superior del mástil del rotor, incluso en un crucero de alta velocidad, el sistema de palas del rotor (inclinado) generaría un par de cabeceo con el morro hacia arriba incluso con la palanca cíclica centrada.

Un efecto que podría hacer que el fuselaje no cuelgue "cuadrado" con el disco del rotor, sino algo más cerca de "abajo" hacia la tierra, sería si el vector de arrastre actúa sobre el centro de gravedad del fuselaje . Es probable que esto sea a menudo el caso en la realidad.

Toda esta pregunta se trata realmente de si el sistema de palas del rotor necesita generar un par de cabeceo con el morro hacia arriba en vuelo de crucero, para evitar que el helicóptero se mueva hacia abajo. La respuesta parece ser generalmente "no". Por supuesto, si tal par de paso fuera necesario, sería bastante simple posicionar el cíclico según sea necesario para crear dicho par.

Ahora, si preguntara qué sucede en el primer instante después de que usamos el cíclico para inclinar el disco del rotor hacia adelante en un vuelo estacionario, cuando el vector de velocidad aerodinámica hacia adelante y, por lo tanto, el vector de arrastre hacia atrás que actúa sobre el fuselaje aún no están establecidos, como la figura superior con el disco del rotor inclinado parece ilustrar; esa sería una pregunta completamente diferente.

Tenga en cuenta que nada de esto realmente aborda si el sistema es estable o no.

Se han hecho muchas suposiciones aquí, pero tal vez esta respuesta le brinde un punto de partida para analizar su problema.

El rotor principal a menudo proporciona un momento de cabeceo sobre el CG, opuesto al diagrama en el OP. Esto se debe a que está ubicado en una línea de estación más pequeña, adelante del CG (incluso después de tener en cuenta la inclinación).

El rotor principal se agita hacia adelante a gran velocidad, con su empuje inclinado hacia adelante. Sin embargo, el vector todavía se coloca y orienta a menudo para proporcionar un momento de cabeceo de morro hacia arriba sobre el CG.

El "momento de cubo" del rotor principal proporcionará un momento de cabeceo de morro hacia abajo.

El estabilizador horizontal en la cola generalmente proporcionará un gran momento de cabeceo de morro hacia arriba a gran velocidad.

Consulte este enlace para obtener dicha información.

En muchos sentidos, los helicópteros son aviones disfrazados.

Primero, dibujas el rotor con un leve diedro. Ahora dibuje el vector de sustentación para cada rotor y encontrará: ¡realmente intentará volver a colocar el avión en posición vertical (después de que la aceleración hacia adelante llegue a 0 (velocidad constante))! Incluso si el rotor fuera perfectamente recto, su fuerza de elevación no creará un par de cabeceo a menos que el centro de gravedad esté desplazado. (dibuje líneas de puntos para el resto del helicóptero también).

El centro de arrastre (visto desde el frente) también será un factor una vez que el helicóptero se esté moviendo. La corriente descendente del rotor en la cola también juega un papel.

Sin embargo, cabecear hacia adelante, sin aumentar la potencia, hará que el helicóptero se hunda porque la sustentación vertical es menor . El arrastre hacia arriba detrás del centro de gravedad hará que se incline hacia abajo como un avión.

Si te inclinas hacia adelante y agregas suficiente potencia para escalar, ¡puedes encontrar que la nariz se eleva! Entonces agrega lo suficiente para un vuelo nivelado.

El concepto de "cabeceo hacia adelante" y agregar "potencia" desde el vuelo estacionario es idéntico a la tasa de caída mínima V en comparación con el "mejor planeo" V en los aviones.

Tal vez un poco como esto: