¿Es posible la autorrotación desde un arranque de 0 rpm a gran altura?

Estoy trabajando en un recinto que debe ser expulsado de un cohete en el apogeo (10,000') y caer a una altitud objetivo a una velocidad de descenso inferior a 20 pies/s antes de liberar su carga útil. La idea es tener rotores coaxiales con control de paso colectivo que se desplieguen y giren automáticamente para ralentizar el descenso del recinto y la carga útil.

Mi pregunta es cómo puedo iniciar la autorrotación con palas que tienen un momento angular esencial cero, y ¿existen consideraciones especiales para el uso de rotores coaxiales?

Respuestas (2)

Regrese a los días de cohetes de Estes. Existe toda una clase de cohetes de competición conocidos como "heliroc" o helicóptero de recuperación. Estos ascienden como un cohete convencional, en una trayectoria vertical (más o menos) y con aletas estabilizadas; en (o cerca) del apogeo, liberan un rotor de alguna manera y el rotor comienza a girar espontáneamente, a menudo dando una velocidad de descenso más baja que un paracaídas.

Vaya aún más atrás: mire las semillas de arce (también conocidas como llaves de arce). Giran automáticamente de manera tan eficiente que entrarán en una rotación estable y una tasa de caída constante (baja) en tan solo una longitud de caída de pala (sin embargo, tienen una carga alar muy baja).

Entonces, sí, es posible que un disco de rotor comience espontáneamente la autorrotación desde una condición de arranque totalmente detenida. La Madre Naturaleza lo hace miles de millones de veces cada otoño, y los escolares lo hacen miles de veces cada año.

Sí, esto funcionará con un rotor coaxial, si puede evitar que los rotores interfieran entre sí durante el despliegue (por ejemplo, frenándolos hasta que se desplieguen por completo). Sin embargo, dado que no hay un par de reacción de los rotores autorrotativos de rueda libre, no hay razón para tener rotores coaxiales. Es mucho más sencillo usar un timón ordinario para el control de guiñada que un colectivo diferencial, y tendrá la mitad de piezas para cabeceo y balanceo.

¿Se necesitan consideraciones especiales para los rotores coaxiales?
Eso depende de cómo despliegues los rotores. Si están doblados a lo largo del eje de rotación (es decir, la bisagra de la aleta está doblada) y pueden desplegarse simultáneamente para evitar que un rotor interfiera con el otro, no debería importar. Por cierto, ¿sabes que no hay reacción de torsión durante la autorrotación? Eso hace que los rotores coaxiales sean una complicación innecesaria.
La idea actual es tener las palas plegadas "hacia abajo" a lo largo del eje de rotación. La razón por la que estaba considerando los rotores coaxiales es que uno de nuestros objetivos de diseño es generar energía eléctrica durante el descenso. Si no me equivoco, un solo rotor conectado a un motor tendría par. ¿Puedo usar un solo rotor y paletas para evitar que la caja gire?
Extraer energía del rotor para la generación eléctrica producirá un arrastre de torsión (dirección opuesta a la reacción de torsión), por lo que necesitará algún medio para compensar la torsión. Las paletas tendrían que ser grandes, ya que su velocidad es baja. Podría ser más ligero ponerle un rotor de cola impulsado por rotor. La configuración del despliegue se deja como ejercicio... ;)

...cómo puedo iniciar la autorrotación con palas que tienen un momento angular cero esencial...

Usando el control de paso colectivo mencionado en OP. En el momento de la liberación, las palas deben alinearse con la corriente libre como una hélice en bandera, y luego ajustarse gradualmente con la disminución del AoA de las palas a medida que el rotor se acelera.

...¿existen consideraciones especiales para el uso de rotores coaxiales?

Sí, los rotores coaxiales complican enormemente todos los esfuerzos de diseño. Ambos rotores tendrían que tener control de paso de pala, un eje de pala debe montarse dentro del otro que gira en sentido contrario, etc. Es mucho más sencillo usar un solo rotor más grande, ya que no se requiere compensación de guiñada durante la autorrotación.

Tenga en cuenta que en la autorrotación vertical, un rotor tiene un coeficiente de arrastre ligeramente más bajo que una placa plana de igual área, que tiene un coeficiente de arrastre más bajo que un paracaídas. Como se menciona en esta respuesta.

¡Gracias por el consejo! Un objetivo de diseño que no mencioné en el OP es la generación de energía durante el descenso. Mantener el par neto = 0 es la razón por la que estaba buscando rotores coaxiales en primer lugar. Si tuviera que ir con un solo rotor, ¿existen métodos para proporcionar un contra-torque como paletas (sin incluir un rotor de cola), y 4 palas tendrían ventajas sobre 2 palas? Nuevamente, agradezco su aporte y agradecería las fuentes de autoeducación si las conoce.
Está bien. Cuando falla el rotor de cola de un helicóptero de un solo rotor, el motor está en ralentí y el helicóptero gira automáticamente de regreso a tierra: la rotación automática provoca un par de eje cercano a cero. Lo que también significa que se puede usar un par de eje cero para la generación de energía... Tenga en cuenta que este tipo de autorrotación genera una elevación de la pala que ralentiza la desaceleración de la gravedad. Si una hélice es solo un molino de viento, crea un par de torsión en el eje y no tiene sustentación, y de hecho requiere una compensación de guiñada, a través de paletas ajustables simples, por ejemplo.
Un buen libro para la autoeducación es Principios de aerodinámica de helicópteros de j. Gordon Leishman, con un capítulo sobre molinos de viento también.
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