¿Por qué la nariz del helicóptero baja cuando el cíclico se presiona hacia adelante (en un vuelo estacionario)?

Creo que podría estar confundido por lo que hacen las bisagras. En el ejemplo que muestra, la bisagra oscilante, que solo está presente en los rotores de 2 palas, hace que ambas palas se inclinen, o "tambaleen" o suban, juntas. No es posible que ambas palas suban o bajen durante el funcionamiento normal. La bisagra de pluma no es realmente una bisagra en absoluto. Es un cojinete en el manguito de la hoja que permite cambiar el ángulo de inclinación de la hoja, causado por la posición del plato oscilante, al girar la hoja dentro de su manguito.

Considere un helicóptero flotando en una situación sin viento, simplemente porque agregar viento complica innecesariamente la explicación. También supondré un rotor giratorio en sentido contrario a las agujas del reloj. Simplemente invierta la explicación de un rotor en el sentido de las agujas del reloj.

El vector de empuje total del rotor es vertical, perpendicular al eje central del disco. Tiene una componente horizontal cero, por lo que no se aplica fuerza longitudinal o lateralmente al helicóptero y permanece en una posición fija.

Cuando empuja el cíclico hacia adelante, el paso de la pala en la posición más a la izquierda aumenta, lo que aumenta el ángulo de ataque y, por lo tanto, la sustentación. Debido a la precesión , la hoja sube por la parte posterior del disco y cae por la parte delantera, inclinando todo el disco hacia adelante.

El vector de empuje total permanece perpendicular al disco y dado que el disco está inclinado con respecto al fuselaje, ahora se compone de componentes horizontales y verticales. Es la componente horizontal la que acelera el helicóptero en la dirección de la inclinación.

Entonces hay una fuerza (elevación) que levanta la parte trasera del disco y baja la parte delantera. Esta fuerza se transmite a través del eje de transmisión del rotor rígido y empuja la nariz hacia abajo y tira de la cola hacia arriba. Otra forma de pensar en esto es que está aplicando una fuerza en la parte superior de una palanca, el eje de transmisión, que está por encima del centro de gravedad y, por lo tanto, hace que el fuselaje gire en cabeceo. El helicóptero continuará acelerando hasta que la resistencia adicional sea igual a la componente horizontal.

Los helicópteros también emplean estabilizadores horizontales que producen sustentación para empujar la cola hacia abajo al aumentar la velocidad del aire, de modo que se reduce el cabeceo del morro hacia abajo en crucero.

Por lo tanto, empujar la palanca hacia adelante y mantenerla en alguna actitud (al volar en VFR, se selecciona una velocidad adoptando la actitud de morro hacia abajo para esa velocidad que se aprende con la experiencia y la práctica, seguida de un pequeño ajuste para alcanzar la velocidad deseada) hará que la nariz cabecear hacia abajo y que la aeronave acelere hasta alcanzar la velocidad ajustada.

Por la misma razón, usted es empujado hacia atrás en su asiento cuando presiona el acelerador en su automóvil, pero la velocidad aún no ha aumentado significativamente. También conocida como aceleración horizontal. Tan pronto como el plano del rotor se inclina hacia adelante, aplica un empuje hacia adelante que crea una aceleración hacia adelante. El resto del vehículo cuelga debajo del rotor, por lo que su masa de inercia retrasa su movimiento y hace que se balancee hacia atrás. El ángulo es la arcotangente de la aceleración horizontal dividida por la vertical (es decir, la gravedad, 9,8 m/s^2 o 32 pies/s^2).

La pregunta no mencionó una condición de desplazamiento, y debería haberlo hecho. Se responde en parte por:

• Aceleración hacia adelante, que de hecho hunde el morro hacia abajo.
• Velocidad de avance, que hace que el morro se hunda a medida que aumenta la velocidad aerodinámica debido a la resistencia aerodinámica. Un efecto insignificante en el vuelo estacionario.

Pero hay una causa mucho más directa de la inclinación del fuselaje en el vuelo estacionario, que en su mayoría se pasa por alto en los paneles de discusión: el momento de bisagra del rotor. Desviar el cíclico hace que la trayectoria de la punta del rotor se desvíe debido al aleteo. La inclinación del fuselaje se usa como señal de retroalimentación para la entrada cíclica, mediante el uso del desplazamiento de la bisagra del rotor.

Las palas giratorias están sujetas a fuerzas centrífugas, que tiran del cubo del rotor en el plano de desviación del rotor. Tan pronto como el plano del rotor cambie como resultado de la entrada de la palanca cíclica, el momento de bisagra del rotor resultante cambiará el ángulo del fuselaje en consecuencia, proporcionando la señal de retroalimentación deseada.

Un rotor oscilante como el del Bell 212 y el R-22 no produce este momento mecánico de bisagra del rotor. En vuelo, un helicóptero está suspendido de su rotor, con el centro de gravedad debajo del centro de sustentación, a menos que el rotor pueda aplicar un momento de bisagra al fuselaje. Con un centro de gravedad hacia atrás y sin desplazamiento de bisagra, podría ocurrir lo siguiente:

El helicóptero ha despegado verticalmente, el morro inclinado hacia arriba primero y se ingresó el avance cíclico. Si el rotor tuviera una bisagra desplazada, el fuselaje se inclinaría hacia adelante, pero con una bisagra oscilante como en la pregunta, no hay una fuerza centrífuga que actúe sobre el cubo, y la posición del fuselaje ahora depende solo de la ubicación del CoG. El ángulo de morro hacia arriba ha consumido parte de la útil inclinación hacia adelante de la palanca cíclica. La visibilidad está impedida. La inclinación del fuselaje no proporciona retroalimentación directa de la posición cíclica.

Afortunadamente, existe un momento de bisagra del rotor aerodinámico, creado por la aerodinámica del aleteo. La imagen es de Helicopter Performance, Stability and Control de Raymond Prouty. Muestra que al principio, el rotor actúa como un giroscopio y permanece en su plano. Pero el aleteo de la hoja se refiere al eje, y el ángulo de ataque de la hoja de la mano derecha aumenta, la hoja de la mano izquierda disminuye. Entonces, el rotor aleteará hasta que quede perpendicular al eje. Con rotores oscilantes, existe un acoplamiento aerodinámico indirecto entre el fuselaje y el eje del rotor. Esto proporciona las mismas señales que la solución de compensación de bisagra pero a un ritmo más lento.

No hay dibujos extravagantes para acompañar esto, pero...

Cuando el cíclico se empuja hacia adelante, es lo mismo que empujar hacia adelante la palanca de mando de un avión. La nariz caerá. En el caso del helicóptero, cae porque el paso de las palas principales se altera solo en una parte de su arco, lo que resulta en una elevación en la parte trasera y un empuje hacia abajo en la parte delantera.

Una cosa que hace que un helicóptero sea diferente de un avión de ala fija es que obtiene propulsión hacia adelante al dirigir la sustentación desde el disco del rotor ligeramente hacia adelante en lugar de hacia arriba como en un vuelo estacionario puro. Entonces, para salir del vuelo estacionario, uno baja el morro para obtener propulsión y aceleración hacia adelante, y agrega potencia y paso general del rotor (colectivo) para contrarrestar la pérdida de sustentación vertical pura al inclinarse hacia adelante.

El helicóptero avanza hasta que alcanza la velocidad suficiente para que el flujo de aire de la velocidad de avance sobre el disco giratorio del rotor produzca sustentación (el disco giratorio ahora actúa como un ala), y el helicóptero entra en lo que se conoce como modo de vuelo hacia adelante: ahora vuela en una manera similar a un avión de ala fija. Se necesita mucha menos energía para mantener un helicóptero en vuelo hacia adelante que en vuelo estacionario, porque el flujo de aire de vuelo hacia adelante sobre el disco del rotor produce sustentación, en lugar de usar la tracción del rotor (impulsada completamente por el motor) para producir toda la sustentación.

Sin embargo, el ave aún depende de la sustentación hacia adelante del disco del rotor para obtener la propulsión hacia adelante en lugar de la propulsión hacia adelante directa a través de una hélice como se usa en los aviones de ala fija. Entonces, en vuelo hacia adelante, el disco del rotor se inclina ligeramente hacia adelante para proporcionar la propulsión.