En los helicópteros, ¿por qué no tener motores eléctricos que controlen el paso de las palas?

De mi pregunta relacionada surge esta idea de paso de pala controlado eléctricamente en helicópteros.

Los enlaces de control en los rotores de los helicópteros parecen ser bastante complejos. Esto seguramente genera mucha fricción, especialmente si se da cuenta de que las palas tienen que "aletear" hacia adelante y hacia atrás a medida que giran (para compensar el bloqueo de las palas en retirada y/o la disimetría de sustentación durante el vuelo hacia adelante). Por lo tanto, el plato cíclico y los enlaces seguramente deben sufrir mucha fricción.

Entonces, ¿por qué no reemplazar todo esto con motores eléctricos que controlan el paso de las palas? Serían pequeños, dentro de la varilla que conecta la pala con el cubo. No es necesario que ningún control de paso esté conectado mecánicamente a ninguna otra hoja, por lo que no hay fricción. Una computadora controlaría cuál debe ser el paso dado a la posición de la pala durante su rotación.

Esto no significa que el rotor principal deba ser accionado eléctricamente. Los motores turboeje pueden accionar mecánicamente los rotores principales de forma normal. Pero habría un generador eléctrico para los motores de paso de las palas. Nota: estoy bastante seguro de que ya hay un generador eléctrico en estos motores, ya que las computadoras, los radares y demás tienen que obtener su energía eléctrica de alguna parte.

El peso y la complejidad serían buenas razones: un servosistema eléctrico será al menos tan complejo como el sistema mecánico que se utiliza actualmente. ¿Cómo propone enviar energía eléctrica y señales a un grupo de actuadores que giran salvajemente en la cabeza del rotor?
¿Que problema estas tratando de resolver?
Tenga en cuenta que su premisa "seguramente incurre en mucha fricción" es incorrecta . Esta es solo una variedad 'rotacional' en un árbol de levas que puede encontrar en cualquier automóvil; de hecho, es una forma extremadamente eficiente de prescribir un cierto movimiento. La razón es que hay una película de aceite microscópica entre todos los componentes, lo que reduce la fricción a casi nada. Además, ¿sus actuadores no necesitan rodamientos también?
@Simon fricción y/o desgaste y rotura de los complejos enlaces del cubo que controlan el paso de las palas. Puede que no sea un problema importante, pero si es reducible, ¿por qué no? Al menos, esa era la pregunta. "Por qué no" parece haber sido respondido por ahora.
@sanchises Tomo con pinzas frases como "reduce los roces a casi nada". Estoy seguro de que hay lubricante entre todas las partes móviles, pero a menos que tenga una fuente que diga que casi no hay fricción cuando las palas se agitan hacia arriba y hacia abajo durante las altas RPM del vuelo en helicóptero, no puedo creerlo. Y, por supuesto, mis actuadores necesitan apoyo. Mi idea sería tener una parte móvil por hoja, más rodamientos, a diferencia de que ni siquiera puedo contar las partes móviles por hoja tradicional, entre las que se encuentran el plato cíclico y las barras de control.
No tengo idea de cuánta energía se pierde debido a la fricción en estas partes, pero estoy igualmente absolutamente convencido de que es un error de redondeo cuando se tiene en cuenta la energía perdida debido al arrastre en el sistema y la fricción en el motor y las cajas de cambios.
@Simon, tampoco estaría tan seguro de eso sin una fuente. La fricción/resistencia en un extremo se puede sentir en el otro extremo del motor, ya que todos se mueven entre sí. Es difícil separar la fricción aquí de la fricción allá cuando la resistencia en un extremo requiere que todo el motor empuje cada engranaje con más fuerza (para que cada engranaje también tenga más fricción) solo para superar la resistencia al final. Una vez más, las palas tienen que aletear 2 veces por rotación y los rotores tienen RPM bastante altas. Hacer todo eso con un plato cíclico "golpeando" las barras de control hacia arriba y hacia abajo me parece bastante intenso en fricción.
@ DrZ214 Entonces también pensaría que los motores de pistón son terriblemente ineficientes ya que deben estar subiendo y bajando. Y, por lo demás, que los trenes deben detenerse bruscamente al pasar por una curva. El simple hecho es que cambiar la dirección de algo no es realmente un problema, ya sea un tren de 10 toneladas que pasa por una curva o una pala de rotor que se agita hacia arriba y hacia abajo. Si no le cree a un estudiante de maestría en ingeniería mecánica, le aconsejo que pregunte en Mechanical Engineering SE por qué los árboles de levas no son tan malos como cree.
Solo quiero señalar que la mayoría de las turbinas eólicas funcionan de esta manera: los motores eléctricos en la raíz de cada pala proporcionan paso. Aunque son capaces de controlar las palas de forma independiente, generalmente colocan todas las palas juntas de forma colectiva, e incluso entonces estos motores son un problema de mantenimiento importante.
"...problema de mantenimiento significativo". Sin antecedentes reales sobre los detalles, esto fue lo que me vino a la cabeza tan pronto como leí la pregunta del título. Eso, junto con la seguridad/confiabilidad.

Respuestas (7)

¿Cómo se comunicaría con (y alimentaría) estos motores?

El rotor principal gira constantemente: los cables no funcionarán, se enrollarían alrededor del eje y se triturarían. Un anillo deslizante y escobillas ( como las que se usan en algunas hélices accionadas eléctricamente ) funcionarían, pero también se desgastarían rápidamente y requerirían un mantenimiento frecuente, ya que perder el control del paso de las palas del rotor principal de un helicóptero es una situación mucho más grave que perder el control de un motor fijo. paso de la hélice del avión de ala (creo que esto captura las consecuencias bastante bien ).
Debido a que el equilibrio de la velocidad del rotor es fundamental, los motores, escobillas, etc. deberán equilibrarse alrededor del cubo del rotor (ya sea duplicando el equipo, que también proporciona redundancia, o agregando un peso ficticio); el rotor comienza a vibrar y puede desmoronarse.

El motor también tendría que estar en constante movimiento : el plato cíclico ajusta el paso de las palas a través de los 360 grados completos de rotación , cambiando suavemente el paso de cada pala del rotor a medida que giran. Duplicar esto requeriría que los motores hicieran ajustes constantes a medida que el rotor gira, moviéndose y retrocediendo muy rápidamente). El nivel de precisión requerido y las fuerzas involucradas probablemente requerirían motores paso a paso de alto torque y se necesitaría algún tipo de sistema de control computarizado para impulsarlos y hacer los ajustes de inclinación de las palas necesarios a la "velocidad del rotor".


Hasta ahora, la solución motorizada ha agregado al menos un motor, un sistema de cepillo y anillo deslizante para comunicarse con él, y una computadora fly-by-wire para leer las posiciones de control de vuelo y ajustar adecuadamente el paso de la pala a través de 360 ​​grados de rotación (en sea ​​cual sea la velocidad a la que opera el rotor).
Eso ya es mucha complejidad y una probabilidad sustancialmente mayor de falla en comparación con la solución mecánica (relativamente) simple de un plato oscilante, y ni siquiera me estoy esforzando por pensar en los modos de falla (los ingenieros reales que diseñan estas cosas son mucho más paranoico, y probablemente podría imaginar todo tipo de escenarios de falla que eventualmente resultarían en que un helicóptero cayera al suelo).

Preferiría tener un enlace mecánico, diseñado, probado y probado durante millones de horas de vuelo, para que una cosa empuje a otra, que un nido de cables, computadoras y motores. +1
Además de los problemas mencionados anteriormente, el efecto de tener que moverse constantemente hacia adelante y hacia atrás a alta velocidad en cada rotación del rotor significaría que el motor complejo y más costoso se desgastaría tan rápido, si no más rápido, que las piezas mecánicas menos costosas. . La inversión de dirección es particularmente difícil en los motores eléctricos porque la bobina que está activa debe permanecer encendida durante más tiempo, lo que genera calor adicional en la bobina y el cepillo asociado. Y los motores tendrían que retroceder dos veces por cada rotación del motor.
No estoy seguro de dónde se suponía que apuntaba el primer video "captura bastante bien las consecuencias" ... parece ser un programa de ciencia ficción que no involucra un (n) helicóptero.
@Michael Escucha el diálogo. ("Oh dios, oh dios, todos vamos a morir").
How would you communicate with (and power) these motors?Ese es un gran punto en el que nunca pensé. Y oye, no traigas un gran espectáculo como Firefly a esto :-)

Porque sería demasiado complicado (y propenso a fallas) en comparación con el sistema actual y no ofrecería grandes ventajas.

Primero, a pesar de toda la complejidad de los controles superiores del helicóptero, el principio es bastante simple: alinee el plano del rotor con el plato oscilante (giratorio) e inclínelo (o levántelo) según los requisitos.

Controles superiores de helicóptero

Fuente: helistart.com

Este sistema se utiliza en casi todos los helicópteros y ha funcionado durante millones de horas de vuelo en una variedad de condiciones y ha demostrado su eficacia en una amplia gama de pesos de helicópteros.

Para poder sustituirlo, el sistema del motor eléctrico debe tener las siguientes características.

  • El motor eléctrico, si se usa, debe ser muy robusto, con una tasa de falla extremadamente baja, ya que (la falla de cualquiera) pondría en peligro la seguridad del vuelo. Además, debería poder generar cambios significativos en el par de forma rápida.
  • La fuente de alimentación del motor sería fundamental y lo único en lo que puedo pensar es en el sistema de anillos deslizantes. Esto requeriría una inspección frecuente ya que la fuente de alimentación (y la transmisión de señales) es absolutamente fundamental para el funcionamiento. La fuente de alimentación requerida haría que el sistema eléctrico del helicóptero fuera más pesado y complicado (debido a la redundancia).
  • Se deben desarrollar nuevos algoritmos de control y una computadora de vuelo (un sistema fly-by-wire) para este sistema, ya que es completamente incompatible con los actuales y no hay forma de transmitir directamente las entradas de control del piloto a las palas del rotor. se hace en la actualidad. No estoy seguro de si alguien va a desarrollar un sistema complicado (tiene que estar operativo en cada punto de la rotación del rotor ya que el paso varía constantemente) para reemplazar un sistema que ha estado funcionando bien.
  • Los componentes deben estar equilibrados (es decir, sus pesos deben estar equilibrados) en todas las pacas, ya que de lo contrario se producirían vibraciones.
  • El rotor tendría que estar articulado en algún punto de todos modos. Entonces la pregunta es cómo transmitir el movimiento giratorio desde el lado del buje al lado de la pala. Esto se puede hacer ya sea por

    • Enlace de paso, que es prácticamente lo mismo que un enlace mecánico, o
    • Transmisión de par a través de un eje giratorio.

En cualquier caso, el sistema debe ser capaz de flexionarse tanto en la dirección de arriba hacia abajo (debido al aleteo de la pala) o en la dirección de avance hacia atrás (debido al movimiento de avance y retroceso de la pala).

Un caso en el que los motores eléctricos se utilizan realmente para el control de paso es en el control de vibración activo, donde las palas de rotor individuales se controlan mediante actuadores piezoeléctricos para el control de vibración.

El control de paso del rotor que está describiendo requeriría fuerzas de control que son órdenes de magnitud superiores a las del sistema de control individual de palas utilizado y requeriría un sistema completamente nuevo. Incluso en este caso (donde los requisitos de energía son modestos), señala la Universidad de Southampton ,

la dependencia del control activo del suministro de energía externo puede limitar sus aplicaciones prácticas, particularmente en entornos hostiles, donde la energía es escasa o poco confiable, o donde no es práctico enrutar un suministro de energía.

Por lo tanto, el uso de motores eléctricos en realidad tendría el efecto de aumentar el costo, el peso y la complejidad de un sistema que ya funciona, lo que no es una buena idea en un sistema de avión (crítico).

Si bien su esquema es educativo, la declaración de que el nuevo sistema de control de tono requeriría fuerzas de control "órdenes de magnitud" por encima del sistema actual... simplemente parece incorrecta. Cualesquiera que sean las enormes fuerzas de control que resisten el aleteo de las palas, ya están superadas por el plato cíclico y los enlaces que tenemos hoy. Los motores eléctricos tendrían que superar la misma resistencia, y tal vez incluso un poco menos si se reduce la fricción. Entonces, a menos que haya algún tipo de brazo de palanca enorme escondido en las barras de control, agitar las cuchillas 2 veces por rotación requiere la misma fuerza (enorme), ya sea mecánica o eléctrica.
@ DrZ214 Creo que quiso decir que las fuerzas son órdenes de magnitud superiores a las del sistema de control de vibraciones que mencionó, no de los sistemas actuales de control de inclinación de las palas.
@ DrZ214 reirab es correcto. Estaba comparando las fuerzas de control requeridas para el control total del h/c con las requeridas en el control activo de vibraciones
@aeroalias está bien, dejaré estos comentarios aquí en caso de que alguien más haya pensado lo mismo.

Hice una pequeña búsqueda en la base de datos de la biblioteca de mi universidad y encontré un artículo de revisión. No estoy seguro si se puede acceder sin pagar.

Control de rotor activo para helicópteros: control de pala individual y diseños de rotor sin plato cíclico de Ch. Kessler. Enlace: http://dx.doi.org/10.1007/s13272-011-0001-0

Allí, extraje tres fuentes relevantes para su pregunta:

  1. Kretz, M.: Investigación en control multicíclico y activo de alas giratorias. Vertical 1(2), 95–105 (1976)
  2. Guinn, KF: Control individual de cuchillas independiente de un plato cíclico. J. AHS 27(3), 25–31 (1982)
  3. Arnold, UTP, Fuerst, D., Neuheuser, T., Bartels, R.: Desarrollo de un sistema de control de cuchillas principal e individual eléctrico integrado sin plato oscilante. En: 32nd ERF, Maastricht, Países Bajos, 12 al 14 de septiembre de 2006

Si tiene suerte, puede encontrar una manera de acceder a estos documentos; sin embargo, mi universidad no parecía tener suscripciones a las revistas relevantes (de cualquier manera, no estaban en la base de datos).

En todos estos trabajos, la principal motivación fue reducir las vibraciones causadas por efectos aeroelásticos. Esto significa que la interacción entre la elasticidad de las aspas y el flujo de aire provoca vibraciones no deseadas que no pueden ser resueltas por un plato cíclico, ya que un plato cíclico solo puede activar frecuencias en el número de álabes multiplicado por RPM. La fricción de la configuración del plato cíclico es de menor importancia.. Un plato cíclico es generalmente sólo un conjunto de cojinetes de bolas, que tienen la buena propiedad de que las fuerzas sobre ellos están siempre en ángulo recto, es decir, una fuerza centrípeta que no provoca pérdidas de energía. La única pérdida de energía se debe a la fricción de rodadura, que es extremadamente pequeña (encontré coeficientes de fricción de 0,005 en un artículo sobre lubricaciones) para rodamientos diseñados correctamente. En definitiva, muy poco en comparación con la enorme potencia necesaria para levantar un helicóptero.

Tenga en cuenta que los actuadores electrónicos no son particularmente eficientes en todas las situaciones. (Se revisó la siguiente parte para aclarar algunas confusiones:) Imagínese levantar una caja pesada de un estante alto. Aunque estrictamente hablando, estás haciendo un trabajo negativo en la caja, todavía te sientes cansado después porque tanto para los músculos humanos como para los actuadores eléctricos (simples), cuesta energía aplicar una fuerza. En otras palabras, un motor eléctrico también tiene que proporcionar el trabajo negativo en un sistema, a menos que haya sistemas de recuperación de energía integrados. En realidad, esto se propuso en un documento para superar los problemas de sobrecalentamiento. Además, para una fuerza constante (sin trabajo), todavía se necesita un flujo de corriente constante en un actuador electrónico.

Quizás sea mejor que cite a Kessler en su conclusión (abreviada):

El control individual de las palas puede aliviar muchos de los problemas típicos de los helicópteros:

• reducir la vibración de la cabina en un 80% o incluso más,

• reducir las cargas de los componentes y la potencia necesaria, [...]

Esa es la buena noticia. Y ahora lo malo: Han pasado unos 58 años de investigación y desarrollo sobre HHC e IBC. Y ningún helicóptero está equipado con tal sistema. [...] Pero incluso para los clientes puede ser difícil ver una ventaja de IBC y una recuperación. […] Un sistema IBC seguramente aumentaría el precio de compra.[...] Por otro lado, los diseños se vuelven cada vez más complejos, los conceptos sin plato cíclico son el final de esta complejidad. Debería cuestionarse si esto sigue siendo razonable. El consejo sería, ''dar un paso tras otro; no intentes hacer dos al mismo tiempo.''

Voté a favor tan pronto como vi todas esas referencias, aunque no pude acceder a ellas, porque eres el primero en citar algo en este hilo. Además, me explicaste el plato cíclico y su fricción de rodadura, pero ahora me gustaría saber más sobre el origen de esas vibraciones aeroelásticas. Sin embargo, su analogía sobre 2 formas de frenar un automóvil es incorrecta. Un automóvil de 1000 kg que se mueve a 30 m/s (67 mph) tiene una energía cinética de 450 kJ. Requerirá 450 kJ de energía para detenerlo. No importa si se trata de un freno de automóvil normal que convierte la energía cinética en un gran calor en las pastillas de freno...
...o un sistema regenerativo que "absorbe" energía cinética en un generador eléctrico y en baterías. Ambas formas necesitan una salida de 450 kJ. Una forma puede ser más fácil y más a prueba de fallas e incluso podría tener menos energía de arranque, si podemos usar ese término, pero en términos de energía, ninguno tiene "requisitos de energía: casi nada". Ambos tienen que hacer la misma salida de trabajo negativo para detener el automóvil.
@DrZ214 en un automóvil que frena, la mayor parte de su energía cinética se convierte en calor residual durante la fricción de los neumáticos contra la carretera, las pastillas de freno realizan un trabajo muy limitado en el sentido físico de la palabra.
@Peteris Esa es la primera vez que escucho eso. ¿Tiene una fuente o un enlace de lectura adicional? Me cuesta ver cómo las pastillas de freno pueden sobrecalentarse mientras que las ruedas de goma no parecen desgastarse tanto. Puedo estar equivocado, pero si lo que dices es cierto, parecería que toda la goma se vaporizaría antes de que las pastillas de freno empiecen a sufrir.
@DrZ214 en frenado fuerte convencional (sin ABS), las pastillas de freno fijarán la rueda para que no gire, y vería marcas de derrape en la carretera con la goma quitada. En frenadas bruscas con ABS, habría muchos intervalos separados de frenadas bruscas con marcas de derrape intercaladas con frenos soltados para que la rueda se adhiera al asfalto una vez más, aumentando la fricción. Durante esos momentos de frenado brusco, las pastillas de freno 'no funcionan' y no reciben más calor que las llantas de las ruedas o el eje del automóvil. Por supuesto, durante un frenado lento prolongado (es decir, al circular cuesta abajo), las pastillas de freno funcionan y se sobrecalientan.
@Peteris Dos cosas: su comentario está muy fuera de tema y, excepto en el caso de un bloqueo completo de las ruedas, es completamente incorrecto. Haré una pequeña edición para dejar un punto más claro.
Agradezco el esfuerzo pero sigo sin conectarme con tu analogía. Por supuesto, todavía te sientes cansado y, por supuesto, cuesta energía aplicar una fuerza. Sé que los motores eléctricos tienen que trabajar muy duro para aletear cada hoja 2 veces por rotación, pero del mismo modo, el plato cíclico también tiene que hacer el mismo trabajo. Ya sea mecánico o eléctrico, se debe realizar el mismo trabajo de batir las cuchillas. Entonces, para mí, parece que el costo de la energía no es el problema, ya que ambos sistemas tienen que agitar las aspas. Sin embargo, entiendo que mi idea sería el control activo, o la seguridad activa, en lugar de la seguridad pasiva...
...además, me acabo de dar cuenta de que durante la rotación automática, el aleteo de las palas sigue ocurriendo y el eje no se agarrota por eso ---así que tal vez la fricción del plato cíclico y los enlaces relacionados no es tan mala como parece.
@ DrZ214: cuando dice que el aleteo de la hoja todavía continúa, ¿quiere decir que el lanzamiento aún continúa? El aleteo de la pala es el movimiento hacia arriba y hacia abajo de la pala debido a las fuerzas aerodinámicas, la inercia y la precesión giroscópica. En un cubo de pala articulado, este movimiento se realiza en la bisagra cónica como en la imagen de su pregunta. Incluso en el caso del control de cabeceo eléctrico, habría que tener en cuenta el aleteo, la oscilación, el adelanto y el retraso. Sin embargo, el control de cabeceo tendría que operar a más de 2000 ciclos por minuto contra la inercia rotacional de las palas.
Una gran fuente de material de referencia es faa.gov/regulations_policies/handbooks_manuals/aviation/…

El desarrollo está en progreso, solo es cuestión de tiempo:

ingrese la descripción de la imagen aquí

Fuente: Los helicópteros son más silenciosos (traducción de Google)

Hola Steffen, ¡bienvenido a Aviation SE! Su respuesta es una contribución interesante para todos los que siguen el enlace, pero corre el riesgo de ser eliminada debido a nuestra preferencia por las respuestas que contienen más que solo enlaces. Considere escribir la esencia de la página vinculada en la respuesta (puede dejar el enlace) para que la respuesta valga incluso cuando la página vinculada se desconecte.
Este es un gran hallazgo, ¡por favor no lo elimine!
De acuerdo, perdón por la breve respuesta. De hecho, ZF Luftfahrttechnik GmbH de Alemania (algunas de las publicaciones citadas anteriormente provienen de ZF, por ejemplo, Kessler y Arnold) está trabajando en el desarrollo del control eléctrico individual de cuchillas sin plato cíclico durante varios años. Por lo que sé, fueron la primera empresa que trabajó en dichos actuadores. Sin embargo, se están realizando investigaciones similares en EE. UU. y China.

La mayor simplificación y ahorro de peso sería eliminar por completo todos los mecanismos mecánicos de paso y colectivo y utilizar controles activados eléctricamente para mover las aletas de control autoactivadas en el borde de salida de las palas para impulsar las alteraciones de paso de pala requeridas a la manera del Kaman K- Max intermesher: un helio muy exitoso con muchos años de servicio comprobado.

Hola John, bienvenido a Aviation.SE. Desafortunadamente, su respuesta no parece abordar directamente la pregunta, sino que parece promover la discusión. Esto no se considera bien aquí, ya que este no es un foro, sino un sitio de preguntas y respuestas. Sin embargo, le invitamos a quedarse, y tan pronto como tenga un poco más de experiencia sobre cómo funcionan las cosas aquí (y "reputación"), podrá unirse a nosotros en el chat, donde debates como este son más que bienvenidos. .
Esta respuesta podría mejorarse explicando el diseño entre mallas con más detalle. Tal como está, solo agrega un término a la discusión sin explicarlo. Como tal, correrá el riesgo de ser eliminado.
Puede agregar referencias para las personas que deseen más lecturas. Ayuda a aumentar la calidad de cada publicación en este sitio web.
Aunque estoy de acuerdo con otros en que la calidad de esta publicación necesita mejorar, voté para no eliminar esta porque creo que esta respuesta tiene algo de valor.
@PeterKämpf Noté 2 términos sin explicar: "Kaman K-Max entrelazador" y "aletas de control autoenergizantes en el borde de salida de las palas para impulsar el paso de pala requerido". Eso último me suena dudoso. Suena como una superficie de control que cambia el tono para cambiar el tono de la hoja. Para mí eso suena imposible o físicamente muy, muy ineficiente. Si ya tiene un servo eléctrico para cambiar el paso de una aleta, ¿por qué no cambiar todo el paso de la hoja de esa manera en lugar de una aleta en la hoja?
@DrZ214: La parte de autoenergización suena un poco dudosa, pero el resto es estándar. Al desviar la lengüeta de control, la hoja se aprieta en el ángulo de ataque correcto. Las palas de los helicópteros son sorprendentemente flexibles. Pero en uno todos estamos de acuerdo: la respuesta necesita más carne.

Los helicópteros certificados para IFR deben cumplir con los requisitos de 14 CFR Parte 27 Apéndice B , que especifica cierta estabilidad estática y dinámica que solo se puede lograr mediante el uso de sistemas eléctricos para controlar el sistema del rotor.

Hay una serie de diferentes tipos de sistemas que se utilizan para lograr esta certificación, y todos ellos utilizan actuadores eléctricos o electrohidráulicos para lograr la estabilidad.

Volé un avión que tenía un cambio de paso eléctrico sin frotar las partes, es decir, cambia por inducción eléctrica. Demasiado lento y demasiado complejo. Ni por asomo lo suficientemente rápido para usarlo en un helicóptero.

A veces hay un arte y una belleza especiales en los enlaces simples directos o impulsados ​​hidráulicamente. Especialmente cuando todo tenía que enviarse a través de un acoplamiento giratorio.