¿Cuáles son las limitaciones para agregar alas con motores a un helicóptero?

Un diseño británico muy prometedor de la década de 1950 utilizó tanto un rotor a baja velocidad como un ala convencional a alta velocidad para la creación de sustentación. Este fue el Fairey Rotodyne , un prototipo de autobús volador para conectar lugares remotos con un avión VTOL. Su rotor estaba propulsado por un chorro de punta y quemaba una mezcla de combustible y aire comprimido extraído de dos turbopropulsores Napier Eland montados en las alas. Después del despegue, se cambió la potencia a las hélices y se descargó el rotor para minimizar su arrastre a alta velocidad. De esta forma, ambos medios de creación de elevación podrían optimizarse para su dominio de velocidad.

Notarás que el ala es inusualmente pequeña mientras que el rotor es inusualmente grande. Esto permitió que ambos funcionaran con mayor eficiencia que las alas o los rotores, que están diseñados para funcionar en todo el rango de velocidades. Sin embargo, la combinación de los dos pesa más que un rotor o un ala, lo que redujo la posible carga útil del Rotodyne. Ninguno de los dos estaba destinado a plegarse porque eso habría aumentado aún más el peso.

_{Fairey Rotodyne ( fuente de la imagen, colección de Ed Coates)}

Al final, fue el vacilante apoyo del gobierno británico más que cualquier problema técnico lo que limitó al Rotodyne a un solo prototipo.

Hoy en día, la solución más prometedora parece ser un rotor coaxial con una fuente de empuje independiente; ya sea una hélice o motores a reacción . El rotor coaxial se ralentiza a alta velocidad de vuelo para mantener los números de Mach de punta por debajo de 0,9 y la asimetría de elevación de los helicópteros convencionales no es un problema para un diseño de rotor coaxial, lo que permite velocidades de vuelo mucho más altas.

Doblar un ala no ayudaría mucho: cuando no se necesita el ala (que es a baja velocidad), su arrastre por fricción es bajo. Por otro lado, plegar el rotor tiene más sentido, pero hasta ahora se limita a un helicóptero en tierra para reducir su espacio de almacenamiento en los portaaviones. El plegado en vuelo sólo ha sido estudiado conceptualmente .

_{Ilustración 1B de la solicitud de patente estadounidense 2015/0474290 A1 de Bell Helicopter Textron Inc.}

El V-22 Osprey está bastante cerca de lo que describes. Las conexiones de los rotores al fuselaje son, de hecho, alas. Durante el despegue, es un helicóptero, y durante el vuelo, es un avión de ala fija. En lugar de una caja de cambios, optaron por motores rotativos.

El proyecto estuvo plagado de sobrecostos,

Sus costos de producción [del V-22] son ​​considerablemente mayores que los de los helicópteros con capacidad equivalente, específicamente, aproximadamente el doble que los del CH-53E, que tiene una mayor carga útil y la capacidad de transportar equipo pesado que el V-22 no puede. ... una unidad Osprey costaría alrededor de $ 60 millones para producir y $ 35 millones para el helicóptero equivalente.

— Michael E. O'Hanlon, 2002.

Otro avión similar a su idea es el F-35B. En lugar de rotores plegables, tiene un ventilador de elevación que se conecta al motor principal cuando es necesario. Este avión también estuvo plagado de sobrecostos.

La dura realidad en ingeniería no es que las cosas sean imposibles, sino que son extremadamente costosas y al combinar múltiples funciones en un solo fuselaje, siempre tendrá que encontrar un compromiso entre cualquiera de las dos funciones. Tanto el F-35B como el V-22 son aviones muy pesados ​​debido a la complejidad de la ingeniería y, como tales, pueden transportar menos carga útil que los conceptos más dedicados. Sin embargo, esto se considera aceptable porque a la Marina de los EE. UU. le gusta que sus aviones sean extremadamente versátiles.

También está la cuestión de la demanda. Durante décadas, ha existido la idea de que los aviones deben ser lo más versátiles posible, pero aún está por verse si este será el caso en el futuro. Su concepto puede ser capaz de viajar más rápido y cargas útiles más altas que el V-22 (cuyos rotores son demasiado pequeños para levantar objetos pesados ​​y demasiado grandes para volar rápido), pero la verdadera pregunta es si el peso adicional debido a la complejidad de este concepto compensar la ganancia teórica de rendimiento.

Finalmente una observación técnica. La parte más difícil es la transición del vuelo hacia adelante al vuelo estacionario. Las palas del rotor son muy agitadas, por lo que la forma en que logrará desplegarlas durante el vuelo hacia adelante (cuando las fuerzas centrífugas aún no las enderezaron y cuando el vector de sustentación puede estar en cualquier dirección a menos que pueda controlar cuidadosamente su orientación) sigue siendo un gran problema de ingeniería. desafío, especialmente si desea mantener bajo el peso de la aeronave.

la caja de cambios desconecta las palas del helicóptero y estas se pliegan y se alojan en el fuselaje

Detener el rotor es la parte difícil. Las palas del rotor no son demasiado rígidas y dependen de la fuerza centrífuga para mantenerlas rectas en un vuelo normal. La mayoría de las palas tienen bisagras y se pueden mover libremente. Justo antes de que el rotor se detuviera, habría palas que se movían lentamente apuntando hacia adelante. A menos que estuviera perfectamente alineado, el flujo de aire de más de 100 mph lo doblaría sobre el cubo.

En las pruebas en las que el rotor simplemente se desaceleró un poco, esto se ve como fluctuaciones muy grandes en la elevación de la pala con el ángulo de ataque.

Se investigó mucho sobre los diseños de rotores detenidos, generalmente con rotores de baja relación de aspecto que parecían más alas, pero no creo que volaran nunca.

Un híbrido que me gusta bastante involucraba un ala solo en el lado de la pala que se retiraba y una cola que se elevaba para contrarrestar la tendencia de cabeceo hacia arriba con la velocidad de una pala que aleteaba. No estoy seguro de por qué eso nunca se ha usado.