¿Por qué algunos helicópteros tienen el rotor de cola montado más alto que el brazo de cola?

He estado pensando mucho sobre esta pregunta, cómo responderla y, de hecho, si responderla o no, ya que la pregunta en sí es buena pero raya en "demasiado amplia".

La respuesta de aeroalias es buena pero no ofrece ningún "por qué". El diseño del rotor de cola también es un tema endiabladamente complejo y, como la mayoría de las cosas en la aviación, es el resultado de muchos compromisos e interdependencias.

Como ejemplo de lo complejo que es, hay dos "biblias" de dinámica de helicópteros de Ray Prouty y Walter Wagtendonk. Ninguno de ellos explica completamente los rotores de cola y, de hecho, Prouty a menudo dice "por razones que no entiendo". Si Prouty no entiende algo, entonces usted está en una apuesta segura para decir que la mayoría de los pilotos de helicópteros tampoco lo entienden. Necesitas un doctorado en Física para diseñar helicópteros, no necesitas un doctorado para volar uno.

Así que esto es desde la comprensión de un piloto sin el doctorado. Omitiré cualquier mención de en qué dirección gira el rotor principal y en qué lado está montado el rotor de cola, ya que complicará innecesariamente lo ya complejo. También asumo un helicóptero genérico "estándar" con un solo rotor principal y estabilizadores verticales y horizontales. Por supuesto, hay diseños que se desvían de esto, pero para cubrir todos los escenarios se necesitaría un libro, no una respuesta sobre SE.

Estoy ignorando deliberadamente un montón de otras dependencias como "¿la hoja de avance del rotor de cola está en la parte delantera o trasera?"; "¿es un tractor o un rotor de cola empujador?"; las interacciones entre el lavado descendente del rotor principal y los vórtices y el viento y lo que sucede en situaciones de alta tasa de guiñada (giros rápidos del pedal) y vuelo lateral. Sí, el diseño del rotor de cola es probablemente el tema más complejo en la dinámica de helicópteros.

Como saben, el rotor de cola contrarresta el par aplicado al fuselaje por la rotación del rotor principal. Dado que el rotor de cola genera sustentación en el eje horizontal, también produce una fuerza que moverá el helicóptero por el suelo (deriva del rotor de cola).

Para compensar esto, el disco del rotor está equipado de manera que se incline en la dirección de este movimiento para introducir una componente horizontal de sustentación que se opone a la deriva del rotor de cola y mantiene el helicóptero estable en el vuelo estacionario. Si no está preparado para hacer esto con el cíclico neutral, entonces el piloto inconscientemente mantendrá un pequeño cíclico lateral para mantener un vuelo estacionario constante. Es subconsciente porque no mantienes la actitud y la posición posicionando el cíclico. Posicionas el cíclico para mantener actitud y posición.

Así que ahora tenemos dos componentes de empuje horizontal, uno del rotor principal y otro del rotor de cola. Ahora todas las fuerzas actúan alrededor del centro de gravedad, y es desde allí que se miden todas las aceleraciones del avión para moverlo. Por lo tanto, si los centros de estas dos fuerzas no están alineados con respecto al CdG, es decir, a la misma distancia vertical del CdG, entonces se crea un "par" rodante entre ellos y el fuselaje rodará hasta que las fuerzas opuestas sean iguales y opuestas. . Esta es la razón por la que muchos helicópteros planean con un patín bajo.

A medida que la aeronave entra en vuelo de crucero, el estabilizador vertical compensa cada vez más el par del rotor principal, por lo que la potencia requerida por el rotor de cola y el ángulo de ataque necesario para compensar el par se reducen, por lo tanto, la fuerza del par de balanceo se reduce y la cubierta del fuselaje rodará. de vuelta hacia el nivel. El estabilizador horizontal también genera sustentación que contrarresta aún más el balanceo, de modo que en crucero, está usando poco o ningún pedal.

Este es nuestro principal compromiso. Si los componentes horizontales de los vectores de sustentación no están alineados entre sí, acepta una plataforma irregular en el vuelo estacionario. Si el diseño exige largos períodos de vuelo estacionario (trabajo policial, búsqueda y rescate, etc.), entonces es probable que su diseño sea que ambos centros estén alineados y por encima del CdG (el vector de empuje del rotor principal siempre debe estar por encima del CdG debido a el motor y la caja de cambios del rotor principal). Supongo que el Apache tiene el rotor de cola montado alto para alinear los centros y proporcionar una plataforma nivelada y estable que tiene sentido en una plataforma de armas diseñada para flotar durante largos períodos.

Si observa un modelo en el que los vectores del rotor de cola y del rotor principal no están centrados, por ejemplo, el R22, entonces, de hecho, flotan con un patín significativamente más bajo que el otro. Esto también tiene el efecto de agregar un par de pies a la altura segura de vuelo estacionario, ya que atrapar el patín en el suelo mientras gira o se mueve hacia los lados es casi seguro que genera Bad Days ^(TM) .

La compensación es que colocar ese rotor en la parte superior de la aleta requiere una caja de engranajes y un eje de transmisión adicionales en la base de la aleta, lo que agrega peso, complejidad y requisitos de mantenimiento. No es una preocupación para Apache; ciertamente es para el R22.

¿Por qué el Comanche monta el rotor de cola tan bajo, al final de la pluma? Bueno, no estoy al tanto de las decisiones de diseño y no puedo encontrar ninguna referencia autorizada a ellas, así que estoy usando conjeturas, que espero sean conjeturas informadas.

Un objetivo de diseño del Comanche que no está presente en casi ningún otro helicóptero es el sigilo.

Las palas del rotor son excelentes objetivos de RADAR, especialmente el rotor de cola. Sus palas relativamente cortas que giran a alta velocidad y se quedan a la intemperie proporcionan muchos retornos de RADAR fuertes. No hay mucho que pueda hacer con el rotor principal, excepto en los perfiles y materiales de las palas (cuyos detalles espero que estén clasificados), pero al montar el rotor de cola más cerca del cuerpo principal al final de la pluma y en un Fenestron , esos Los retornos de RADAR se reducirán significativamente.

Los flujos de aire del rotor de cola también ayudarán a perturbar y enfriar los gases de escape del motor al soplarlos hacia los lados y mezclarlos más rápidamente con la atmósfera ambiental más fría. Si observa detenidamente, verá que el rotor de cola está montado directamente detrás de los escapes. Además, supongo que las cajas de engranajes del rotor de cola son buenas fuentes de calor, por lo que quitar una (montando el rotor de cola bajo) también contribuye al sigilo. El beneficio adicional de montar en un fenestrón es proteger el rotor de cola de los golpes de los árboles, etc., siempre una preocupación en la siesta del vuelo de la Tierra.

Debido a que el rotor de cola está montado tan bajo, hay un fuerte par rodante y, de hecho, el Comanche voló muy bajo.

^{( Fuente )}

Para reducir esta tendencia, el rotor de cola se inclina (todo esto de memoria) unos 20 grados, lo que reduce la componente del vector de empuje horizontal y produce alrededor de 1000 libras de sustentación a través de la componente vertical, lo que compensa la tendencia de cola baja producida por tener el TR debajo. el CdG. Ese estabilizador horizontal dual alto también producirá sustentación para mantener la cola levantada en el crucero a medida que se reduce la potencia del TR.

De Peter Kämpf:

La inclinación de 20° de toda la vertical también elimina un potente reflector RADAR. Volando bajo, una cola perfectamente vertical devolvería la radiación orientada horizontalmente, mientras que el ángulo de 20° permite que un lado refleje la energía del RADAR hacia el suelo y el otro hacia el espacio.

Hay mucho más en todo esto, pero como digo, realmente necesita un libro para comenzar a abordar completamente todos los factores, pero con suerte, esta respuesta recorre las principales líneas de pensamiento.

Hay múltiples consideraciones que deben tenerse en cuenta al determinar la ubicación del cubo del rotor de cola en relación con el plano del rotor principal. Una consideración importante es cómo afecta el empuje del rotor de cola: cuanto menor sea el empuje requerido (en una posición más alta o más baja), menor será la penalización de peso, ya que se reducen los requisitos de solidez y tamaño.

Si nos atenemos a esta consideración, en general, el cubo del rotor de cola debe estar ubicado en el plano de rotación del rotor principal. de la Guía de diseño del rotor de cola :

Para minimizar el paso colectivo y la solidez requeridos para una maniobra de guiñada determinada, para minimizar las excursiones del pedal del timón durante un giro estacionario y para minimizar los requisitos de potencia, el cubo del rotor de cola debe ubicarse en el plano de rotación del rotor principal y debe ubicarse a popa y tan cerca del rotor principal como lo permitan las limitaciones prácticas.

Pero esto es solo una parte de la historia, hay otras consideraciones aquí:

• Debe tenerse en cuenta la interacción entre el rotor de cola y el principal, lo que puede cambiar la ubicación del rotor de cola.

• Si va a tener rotores de cola no convencionales como el Fenestron, el rotor de cola generalmente tiene que sentarse en el brazo de cola en lugar de la aleta.

• Tenerlos en el mismo plano generalmente significa montar el rotor de cola alto en la aleta vertical, lo que aumenta la penalización por peso: debe tener una aleta vertical reforzada junto con una caja de cambios adicional y un mecanismo de conducción; se convierte en una compensación: ¿en qué punto vale la pena tener el rotor de cola en la aleta vertical por el peso adicional? En el caso de helicópteros pequeños, esto significaría que es mejor tener el rotor de cola en el brazo de cola en lugar de una aleta vertical, aunque no existe una regla estricta.

• La ubicación del rotor de cola puede afectar la actitud de vuelo: si el cubo del rotor de cola no está a lo largo del centro de gravedad, hay una ligera tendencia a balancearse, lo que debe corregirse aplicando un cíclico lateral, lo que significa que el helicóptero vuela un poco inclinado. .

• Hay otras consideraciones: mantener el rotor de cola bajo puede aumentar las posibilidades de daños debido a los desechos, mientras que mantenerlo en la aleta incurrirá en una penalización de mantenimiento.

Entonces, al final, esto es una compensación.

Raymond Prouty fue el diseñador del rotor de cola Apache AH-64 (su primera imagen). En la fase de prediseño, el AH-64 tenía una cola en T como en tu foto del Comanche, y más tarde en la configuración final de tu foto. En este documento (detrás de un muro de pago, lo siento) menciona que el vuelo hacia el lado izquierdo fue más suave y el balanceo holandés se hizo más estable cuando se levantó el rotor de cola durante la fase de desarrollo de la prueba de vuelo, consideraciones puramente aerodinámicas.

En la segunda imagen, el Comanche muestra una cola en T y un rotor de cola en un Fenestron: el rotor de cola y el estabilizador horizontal han cambiado de ubicación. Ubicar el rotor de cola en un fenestrón tiene varias ventajas: la aleta vertical no bloquea el empuje y está protegida del flujo externo y la estela del rotor en vuelo hacia adelante. Un ventilador en la aleta solo es posible a la altura de la pluma de cola, por lo que si se elige este diseño, la altura sigue automáticamente.

Elevar el rotor de cola complica el enlace mecánico y, por lo tanto, se asocia con mayores pérdidas de potencia, pero esto no figura como una característica dominante de diseño previo en los dos libros de referencia que tengo. Las consideraciones aerodinámicas parecen tener más peso aquí: interferencia con el rotor principal en vuelo estacionario, vuelo lateral y vuelo hacia adelante. Con los helicópteros militares, los requisitos operativos para el golpe de cola también influyen en la ubicación del rotor de cola.

La ubicación del rotor de cola también afecta el ajuste lateral en el vuelo estacionario, según el tipo de rotor principal que se aplique. De Helicopter Performance, Stability and Control de Raymond Prouty:

Como puede ver, solo el rotor oscilante con el rotor de cola a la altura del principal flota horizontalmente. Pero flotar con un patín abajo no parece ser un gran problema.