¿Por qué no se recomienda la autorrotación *vertical* en un helicóptero?

Cuando el motor falla en un helicóptero monomotor, puede autorrotar de regreso a tierra: cede energía potencial al reducir la altura para mantener el rotor girando, que luego continúa proporcionando sustentación. La autorrotación puede tener lugar directamente hacia abajo en vuelo vertical, pero la recomendación general es mantener la velocidad de avance, como un planeo de ala fija: la velocidad de descenso es mucho menor si hay velocidad de avance.

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Asociamos los helicópteros con el vuelo estacionario, pero este es un esfuerzo extenuante. Incluso un poco de velocidad de avance genera sustentación traslacional, lo que hace que sea mucho más fácil para el rotor generar sustentación:

• El flujo de entrada hacia adelante inclina el vector de sustentación hacia adelante, lo que reduce la resistencia inducida y el par de la pala y aumenta la sustentación. O dicho de otra manera: la corriente de aire ya está entrando y no necesita ser acelerada desde cero. El rotor ahora comienza a funcionar más como lo hace un ala fija.
• La corriente de aire a través del rotor experimenta menos interferencias del fuselaje.

El efecto de la velocidad de avance en la tasa de descenso de rotación automática se representa en un gráfico en este libro :

Volviendo a la autorrotación vertical: la corriente de aire vertical ascendente debe pasar por el rotor lo suficientemente rápido como para alcanzar el estado de molino de viento, de modo que se cree sustentación al desacelerar el aire que pasa a través de ella. Si calculamos el componente de sustentación por área de un rotor de rotación automática vertical, es comparable a un$C_D$valor de 1,1 a 1,2 referido al área del rotor. Según esta fuente :

• una placa plana tiene un$C_D$de 1.28
• un paracaídas tiene un$C_D$de 1.4.

Entonces, en el descenso vertical, el rotor giratorio automático es casi tan bueno como un paracaídas de la misma área, solo que el tamaño del paracaídas es un poco pequeño para la carga útil típica de un helicóptero, lo que resulta en velocidades de descenso vertical de entre 3600 y 6200 pies/min. A modo de comparación:

• Air France 447 cayó al suelo con una velocidad de descenso vertical de 10.000 ft/min.
• El avión del Capitán Sullenberger tardó cuatro minutos en llegar al Hudson con un planeo adecuado, desde 2060 pies de altitud = promedio de 500 pies/min.

Sin embargo, dos factores hacen que la autorrotación sea mucho más fácil de sobrevivir:

1. La velocidad de descenso se puede "acentuar" tirando del cíclico hacia atrás (intercambiando la velocidad de avance por más energía cinética del rotor) y luego acumularse justo antes del contacto con el suelo, ralentizando el rotor y aumentando la sustentación. El piloto solo tiene una oportunidad en esto.
2. La velocidad de descenso es mucho menor si la autorrotación se realiza a una velocidad de avance, siendo la mejor la velocidad de ascenso óptima.

Tenga en cuenta que en un descenso vertical no hay retroceso del cíclico, solo un aumento del colectivo, además de que la velocidad de descenso es mayor. Una velocidad más alta y menos medios para frenar, ¡eso no es recomendable!

Una nota al margen

¡El rotor del molino de viento no gira hacia el otro lado! El aire que entra desde abajo inclina el vector de sustentación hacia adelante, como en un planeador. Parte del disco del rotor es impulsado por las fuerzas aerodinámicas en la misma dirección que cuando aún funcionaba.

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Hay tres buenas razones para evitar la autorrotación vertical.

En primer lugar, es mucho más probable que la autorrotación vertical conduzca a una condición de anillo de vórtice en la que el aire que sale del disco del rotor vuelve a circular a través del disco del rotor. El aire recirculado en el anillo de vórtice limita la cantidad de flujo de aire/energía disponible para la conversión a la velocidad de rotación del disco del rotor, que es fundamental para completar con éxito esa parte de la maniobra de autorrotación esencial para la supervivencia (el arranque hasta el aterrizaje).

En segundo lugar, la velocidad de avance aumenta la cantidad de energía disponible para la conversión a la velocidad del disco del rotor.

En tercer lugar, la velocidad de avance permite que el impacto del aterrizaje se comparta entre diferentes arneses y amortiguadores del asiento, lo que reduce la carga en cualquier eje en particular.

Olvidando la TEORÍA... una autorrotación vertical ES posible y se puede lograr de manera segura. Para responder a esta pregunta que me hizo mi copiloto ese día en Vietnam, llevé nuestro H-Model Huey hasta 5000 pies y confirmé el vuelo estacionario. Bajé el colectivo y corté el acelerador para dividir las agujas y monitoreé las RPM del rotor para asegurar que no haya exceso de velocidad mientras mantengo el cíclico centrado para una verdadera vertical. Usé colectivo para estabilizar nuestra tasa de caída. Una vez satisfecho de que la maniobra era segura, me recuperé a unos 1000' empujando el cíclico hacia adelante y recuperando potencia.

No tuvimos problemas con la teoría del anillo de vórtice ni ninguna indicación de que esta maniobra fuera peligrosa. Si realmente hubiera tenido que bajarlo, habría iniciado un aspecto cíclico hacia adelante para realizar un ensanchamiento estándar y bajar una vez por debajo de los 1,000 'que elegí. En la escuela de vuelo del ejército en la década de 1960, practicamos todos los aspectos posibles de las autorrotaciones SIEMPRE hasta el suelo SIN recuperación de energía a 50' tonterías. Personalmente, creo que es irresponsable y una locura no entrenar a un piloto de helicóptero para autos de contacto total con el suelo. ¿Qué? ¿Va a aparecer Dios de repente y ayudar en los últimos 50 minutos más o menos?

Los SIMS NO son un sustituto aceptable de la práctica real. Hicimos autos suspendidos, autos corridos, autos de 180° y 360°, autos de desaceleración a toda velocidad, pero mi favorito de todos los tiempos se llamaba "Spot Autos". El IP escogió un lugar en la pista, generalmente uno de los números, e inicié un auto desde la altitud y la velocidad del patrón en el rumbo de la pista, observando mi ángulo de planeo pronunciado a través de la burbuja de la barbilla.

Manteniendo el colectivo bajo y usando solo cíclico, encendí el helicóptero hasta casi detenerlo en seco, monitoreando de cerca las rpm del rotor y tirando del colectivo cuando era necesario para evitar el exceso de velocidad. Cyclic fue empujado hacia adelante para comenzar de nuevo el descenso maravillosamente rápido - oh wee - pudimos obtener al menos dos y, a veces, tres bengalas en el camino hacia abajo - la última se detuvo justo en el número elegido y tiró de lo que era en esencia un vuelo estacionario automático a tierra.

¡Siempre completamos todos nuestros autos hasta el suelo con todas estas maniobras y fueron realmente DIVERTIDAS de hacer! Nuestra IP definió la experiencia y la competencia e hizo un excelente trabajo al inculcar esas mismas características en todos nosotros, sabiendo que hacia donde nos dirigíamos necesitaríamos todas las ventajas de capacitación que pudiéramos manejar. Mis dos centavos (1.955 horas de vuelo en helicóptero de combate en Vietnam slicks and guns).

Hay que considerar la potencia requerida por el helicóptero en vuelo, representada por la curva roja en el gráfico.

La línea azul es la potencia proporcionada por el rotor en autorrotación. Como puedes ver a velocidad aerodinámica cero la potencia requerida es mucho mayor que a 50, 60 o 70 nudos. Por lo tanto, su déficit de energía también será mucho mayor a velocidad aerodinámica cero, lo que resultará en una mayor velocidad de descenso.

Otra de las ventajas que otorga la velocidad es la capacidad de hacer flare (pasos 3-4 en el perfil de vuelo recomendado por la FAA). Durante el enderezamiento, utiliza la energía cinética proporcionada por la velocidad de avance para reducir su descenso. Con velocidad aerodinámica cero, pierde por completo esta posibilidad, la única posibilidad de reducir la velocidad de descenso restante será aumentar el colectivo (y lo más probable es que no sea suficiente para evitar un aterrizaje muy duro).

Una tercera razón sería que para el piloto es más fácil juzgar la altura sobre el suelo si hay algo de velocidad de avance, y también el helicóptero es más estable direccionalmente.

En pocas palabras, el rango de velocidad aerodinámica preferido para la rotación automática es el sombreado en verde en el gráfico, entre la velocidad de potencia mínima y la velocidad de mejor rango. Hay situaciones en las que se utiliza el rango amarillo (área confinada, algunos procedimientos de autorrotación nocturna), pero de todos modos esta área no se extiende por debajo de los 30 nudos.

Durante la autorrotación, la velocidad de avance se usa para controlar la velocidad de la cabeza del rotor. En automático, el motor está desconectado (en caso de falla del rotor de cola) o simplemente muerto, por lo que no se puede usar para controlar la velocidad del rotor.

En un descenso vertical, la cabeza del rotor eventualmente alcanzará una velocidad excesiva debido al aire que pasa por las palas, y las palas del rotor se apartarán de la aeronave. No está bien.

El aire que golpea las palas desde el vuelo hacia adelante se usa para inducir arrastre en las palas del rotor, ralentizándolas. Cuanto más rápido avanza el helicóptero, mayor es la resistencia.

Entonces, el piloto, en automático, usa la velocidad aerodinámica de avance para controlar la velocidad del rotor. Si la velocidad de la cabeza del rotor aumenta demasiado, baje un poco el morro para ganar velocidad y reducir la velocidad del rotor. Si la cabeza del rotor comienza a disminuir la velocidad, reduzca la velocidad de avance para permitir que la cabeza del rotor aumente la velocidad.

El vuelo hacia adelante también ayuda a maniobrar el helicóptero al elegir un punto de toma de contacto, pero principalmente se utiliza para mantener la velocidad del rotor en verde.

Cada helicóptero tiene una velocidad de vuelo hacia adelante de autorrotación ideal, que debería mantener la velocidad de la cabeza del rotor en verde. En un Bell JetRanger, creo que ronda los 60 nudos, aunque esta es una guía general, no absoluta.

Teóricamente, uno podría aumentar el paso de la pala a un cabezal que gasta demasiado para reducir su velocidad, pero el vuelo hacia adelante es una forma más precisa de hacerlo y evita el riesgo de reducir demasiado la velocidad del cabezal sin darse cuenta.

El control de rpm del rotor es colectivo. No hay anillo de vórtice en autorrotación... ya que el aire fluye en la dirección incorrecta. La autorrotación vertical es posible pero arriesgada ya que el exceso de energía es limitado, mayor energía con la velocidad del aire, por lo que tiene más energía para la bengala, permite márgenes de error durante las bengalas. y puede elegir su área de aterrizaje, volar a ella y, obviamente, verla con anticipación.

Hay muchas respuestas incorrectas en este hilo, pero quiero abordar una que cualquier piloto de helicóptero calificado debería poder responder (que, a juzgar por las respuestas en este hilo, puede no ser tan cierto como espero) y es:

NO SE PUEDE OBTENER EL ESTADO DE ANILLO VORTEX EN UNA AUTOROTACIÓN

Las tres cosas que necesita para VRS o "Conciliación con poder" (definición FAA) son:

• Tasa de descenso superior a 300 fpm
• Velocidad inferior a ETL
• POTENCIA APLICADA

Obviamente, si el motor se ha parado, no se puede aplicar potencia.

Dicho esto, todavía tiene energía almacenada en el helicóptero en forma de energía potencial (en altitud sobre el nivel del suelo) y energía cinética (en la velocidad aerodinámica del helicóptero). La energía cinética aumenta exponencialmente con la velocidad aerodinámica, es decir, si duplica su velocidad aerodinámica (por ejemplo, de 30 a 60 nudos), triplica la cantidad de energía cinética que puede usar para mantener las RPM del rotor en la llamarada (que necesitará mucho para detener la velocidad). de descenso y velocidad de avance antes de aterrizar)

Si no tiene velocidad aerodinámica, tiene una velocidad de descenso más alta en el automóvil y menos energía para detener esa velocidad de descenso antes del aterrizaje.

Las respuestas a estas preguntas y más se pueden encontrar en el Manual de vuelo en helicóptero, que se puede descargar gratis del sitio web de la FAA.

-Piloto Comercial FAA RW y CFI-I