¿Por qué los helicópteros de tres palas son relativamente raros?

Los helicópteros de tres palas no son raros. Muchos pequeños helicópteros europeos son de tres palas:

• Eurocopter Fennec

• Eurocóptero AS355

• Eurocopter Écureuil

• PZL SW-4

• Kamov Ka-226 : es coaxial, pero aún así... Kamov ha utilizado principalmente tres palas para sus helicópteros coaxiales.

• La mayoría de los primeros helicópteros pequeños de Mil Design Bureau también tenían tres palas, en lugar de dos o cuatro.

Los helicópteros Eurocopter muestran un patrón. Se desarrollan uno a partir del otro y trazan su linaje desde Aérospatiale Alouette II , III y Aérospatiale Gazelle , todos con tres palas.

La mayoría de los helicópteros estadounidenses más pequeños tienen rotores oscilantes, que por defecto son de dos palas. Este ha sido el caso desde Bell 47 hasta Bell UH-1 Iroquois . Aquí nuevamente, el sistema de transmisión del UH-1 fue un desarrollo del Bell 47. Nuevamente, si estás en los EE. UU. (o para entrenar en general), verás Robinsons , por lo que parece que casi no hay helicópteros de tres palas. (con Schweizer 300 siendo una excepción).

Hay ventajas y desventajas en tener diferente número de cuchillas. En general, cuanto menos, mejor . Paga por más elevación, rendimiento y (generalmente) menos ruido con complejidad mecánica y menos eficiencia. Es una compensación.

Tres frente a cuatro palas muestra una clara diferencia geográfica, debido a la disponibilidad de los ingenieros y su diferente experiencia.

Al igual que con las hélices , el número de palas en el rotor de un helicóptero depende de la carga del disco . Los helicópteros ligeros se salen con la suya con menos palas. La complejidad y las pérdidas aumentan con el número de palas, por lo que los diseñadores de helicópteros intentan instalar la menor cantidad de palas posible. Sin embargo, esto daría como resultado diámetros de rotor enormes para helicópteros pesados. Hay razones para mantener el diámetro pequeño:

• Cargas de raíz de pala debido a fuerzas centrífugas
• Velocidad de punta: la pala que avanza experimentará efectos transsónicos antes si el helicóptero vuela en crucero cuanto más grande sea el rotor. Esto limitará la velocidad máxima de vuelo.
• Cuchilla doblada en el suelo. La hoja debe ser lo suficientemente rígida para despejar la cola cuando el rotor gira.

Ahora comparemos algunos helicópteros. Usé los datos técnicos en la página de Wikipedia vinculada y dividí la masa máxima de despegue por el área del disco del rotor:

1. Sud Aviation Aloutette II : rotor de 2 palas. Carga del disco 19,6 kg/m². Carga de disco por hoja: 9,8 kg/m².
2. Campana 205/UH-1D . Rotor de 2 palas. Carga del disco 25,6 kg/m². Carga de disco por hoja: 12,8 kg/m².
3. Aérospatiale AS-350 Écureuil : rotor de 3 palas. Carga del disco 25,07 kg/m². Carga de disco por hoja: 8,36 kg/m².
4. Bell 412 : rotor de 4 palas. Carga del disco 34,6 kg/m². Carga de disco por hoja: 8,65 kg/m².
5. Sikorsky S-65 / CH-53 : Rotor de 6 palas. Carga del disco 50,2 kg/m². Carga de disco por hoja: 8,37 kg/m².
6. Mil Mi-26 : rotor de 8 palas. Carga del disco 69,6 kg/m². Carga de disco por hoja: 8,7 kg/m².

Supongo que ya ves la tendencia. El UH-1D es el extraño, pero también se destaca debido a su cuerda de hoja inusualmente alta. Normalmente, la carga ideal por hoja parece estar entre 8 y 9 kg/m², y se considera aceptable un poco más si permite que el diseñador se salga con la suya con solo 2 hojas.

No existe ninguna conspiración para suprimir los rotores de tres palas. Es el compromiso general entre el rendimiento y la eficiencia lo que determina el número de palas en el rotor de un helicóptero, y el factor principal es la masa.

Si bien las respuestas anteriores tienen algunos puntos correctos, pasan por alto los puntos fundamentales de la estructura y función de las diferencias del cubo del rotor en los rotores de dos y cuatro palas frente a los rotores de tres palas. Ambos tienen problemas de seguridad que tienen matices, y la diferencia puede cambiar la misión de un helicóptero determinado.

Los rotores de dos y cuatro palas son probablemente cubos de rotor semirrígidos que están en voladizo sobre un pasador fijo. Eso les permite moverse libremente hacia arriba y hacia abajo a través de la rotación que se produce por las fuerzas de adelanto y atraso. La limitación para estos cubos de rotor es que casi no tienen tolerancia a las fuerzas G negativas porque las G negativas provocan golpes en el mástil y daños en el fuselaje en el aire. Los empujones tienen que ser muy sutiles. Esto requiere un entrenamiento especial específico para SFAR 73 .

Los rotores de tres palas tienen una cabeza de rotor totalmente articulada, lo que evita que el mástil golpee, por lo que tiene una mayor agilidad y puede manejar carga externa. Estos rotores manejan las fuerzas de adelanto y atraso a través de bisagras en la base de la pala del rotor, lo que permite que la pala se mueva hacia adelante y hacia atrás en relación con la dirección de rotación a lo largo de la revolución. La principal preocupación de seguridad en estos helicópteros es aterrizar con demasiada fuerza o desequilibrar las palas desequilibradas. Si lo hacen, las fuerzas giroscópicas reaccionan a través de la estructura del avión, y si el helicóptero todavía está tocando el suelo, esa parte que toca el suelo se convierte en el punto de pivote alrededor del cual actúan las fuerzas giroscópicas de la estructura del avión volteando el helicóptero sobre ese punto de pivote. Esto es más probable en los helicópteros de tres palas con patines en lugar de tren de aterrizaje. Los patines tienen amortiguadores esencialmente para evitar sacudidas, pero si tocan fondo o son planos, las fuerzas los atraviesan de manera desigual. Los helicópteros con tren de aterrizaje con ruedas tienen menos problemas con eso. Aquí hay un buen recurso sobrecabezales de rotor completamente articulados .

Por encima de 4 palas es cuando los helicópteros buscan reducir el ruido, equilibrar el rendimiento (tanto la capacidad de elevación como la agilidad) y la estabilidad; y mantener las frecuencias fuera del PIO piloto y las frecuencias de factores humanos se convierten en problemas mayores.

Además de las razones indicadas en las otras respuestas, todavía hay un poco más sobre el tema. A menudo, la cantidad de palas incorporadas en un diseño de rotor depende de la carga de la pala/disco, el transporte de carga, la velocidad y el rendimiento. Muchas veces, el número de palas depende de la vibración, la calidad de marcha y el ruido.

En el caso de los sistemas de 3 álabes, la vibración y el ruido del rotor tienen múltiplos de 3/rev, 6/rev, 9/rev. Los sistemas de 2 y 4 hojas tienen múltiplos de 2/rev, 4,rev, 8/rev, 12/rev. Los sistemas con números impares rara vez exhiben submúltiplos lo suficientemente grandes como para ser motivo de preocupación, mientras que los sistemas con números pares pueden cubrir el espectro. Piense en 5 contra 6 cuchillas. Los MD500 de 5 palas están casi a la par con la calidad de conducción de un ala fija cuando se ajustan correctamente.

Por otro lado, toma el Bell 214/214ST. Un gran ejemplo de 2 palas. Incluso con suspensión de viga nodal para mitigar 2/rev, estas bestias se conducen muy duro y solo se pueden ajustar para vuelo estacionario y una velocidad nominal de crucero.

En cuanto al tema del ruido. A finales de los años 80, el Departamento de Bomberos del Condado de Los Ángeles, en contra del buen juicio de los pilotos, recibió la orden de cambiar el Bell 205A-1 de 2 palas simplemente por el ruido. Posteriormente compraron Bell 412 de 4 palas, cuyos números de rendimiento, en papel, se afirmaron que eran iguales, si no marginalmente mejores. Los pilotos siempre prefirieron las características de rendimiento de los sistemas de 2 palas. He estado en muchos despegues brutos máximos con LACO Fire desde el helipuerto de Barton, en barcos de 2 y 4 palas. El briefing previo al despegue en el 412 de 4 palas no estuvo exento de referencias a la posibilidad de tener que decapar la carga durante el levantamiento traslacional.