¿Las puntas de los rotores de los helicópteros se vuelven supersónicas regularmente?

El "wop wop", generalmente conocido como blade slap, se escucha cuando la punta de la cuchilla atraviesa el vórtice creado por la anterior.

Se puede evitar. El régimen de vuelo más común cuando esto sucede es un descenso poco profundo pero con bastante potencia, por ejemplo, rápido y poco profundo. El vórtice comienza a moverse hacia abajo tan pronto como deja la punta de la pala, por lo que en un vuelo nivelado, la siguiente pala pasa sobre él. En un descenso poco profundo con un ángulo de paso alto, la siguiente hoja puede literalmente "golpear" el vórtice anterior. Los vórtices de las dos palas ahora interactúan y pueden causar un flujo supersónico transitorio local. Para evitarlo, simplemente baje el cabeceo para establecer un descenso más positivo o tire hacia atrás del cíclico para aumentar la carga del disco y aplanar la actitud.

Las puntas de las cuchillas no se vuelven supersónicas. De hecho, en casi todos los diseños de helicópteros, el rotor gira dentro de un rango muy estrecho de velocidades, normalmente entre el 90 % y el 110 % de la velocidad normal. En la mayoría de los regímenes de vuelo, el rotor gira al 100%, +/- un pequeño porcentaje, ya sea que esté ascendiendo, descendiendo o navegando. Solo durante la rotación automática y las maniobras agresivas, el rango varía en un 10 % o más. Depende del tipo de helicóptero, pero los límites absolutos serían algo así como 85% (tiempo de pánico, riesgo de pérdida total) y 115% (menor pánico, riesgo de daño a la máquina, especialmente en el eje de transmisión del rotor de cola).

En operaciones normales, y el diseño tiene como objetivo lograr esto, las puntas del rotor no se vuelven supersónicas ya que cuando lo hacen, hay una disminución repentina y grande en el rendimiento con más potencia requerida, mayores cargas en las palas, vibración y ruido.

Piensa en un helicóptero que vuela hacia delante. La pala que avanza en su posición más perpendicular experimenta un flujo de aire relativo que es igual (ignorando todo tipo de efectos secundarios menores) a la velocidad de avance más la velocidad de la pala. La pala en retirada está experimentando un flujo de aire relativo igual a la velocidad de la pala menos la velocidad del helicóptero.

Si las palas giran tan rápido que las puntas son supersónicas, entonces la parte principal que genera sustentación de la pala en retirada, los dos tercios exteriores del tramo, experimentaría una velocidad aerodinámica tan baja que, durante parte del tramo, incluso sería negativa, que las palas se atascarán provocando un giro catastrófico hacia ese lado. Es este fenómeno el que finalmente limita la velocidad de rotación de las palas y la velocidad máxima del helicóptero.

Veamos el R22 como ejemplo. Las siguientes cifras son aproximadas.

La velocidad de la punta del rotor es de aproximadamente 670 fps (pies por segundo). La velocidad del sonido a nivel del suelo en un día estándar es de unos 1100 fps. El R22 está volando cerca de VNE, digamos 100kts, que es alrededor de 170 fps.

La punta del lado de avance, en su punto más rápido, vuela por lo tanto en relación con el flujo de aire a 840 fps y en el lado de retirada, en su punto más lento, a 500 fps.

La longitud de la hoja es de aproximadamente 11 pies, por lo que la parte central de la hoja en el lado de retirada solo vuela a 190 fps (la mitad de 670 menos la velocidad del aire). Cuando llega a aproximadamente 4 pies de la raíz de la hoja, ahora son solo 50 fps y no mucho más, se convierte en cero y luego en negativo.

Recuerda que la sustentación es proporcional al cuadrado de la velocidad. Ahora puede ver la gran discrepancia entre la sustentación de cada lado a medida que aumenta la velocidad aerodinámica.

Para responder a su pregunta directamente, el R22 necesitaría volar a 530 fps para acercarse a la velocidad de punta supersónica, que equivale a unos 330 nudos, que no puede alcanzar ni cerca de alcanzar.

PD. El R22 POH habla en medidas imperiales. Cuando tenga algo de tiempo, reharé las cifras en el sistema métrico que yo, y la mayoría del mundo, preferimos.

El batido característico del rotor de un helicóptero es causado por la interacción entre los vórtices de las palas del rotor, en particular entre los vórtices del rotor principal y del rotor de cola. A medida que las ondas de choque de estos impulsos coinciden, crean armónicos poderosos (fuertes). Este efecto puede ocurrir a velocidades del rotor muy por debajo de las supersónicas.

La interacción del vórtice se puede reducir rodeando el rotor de cola (un rotor de cola más pequeño, de múltiples palas), más como un ventilador, con una cubierta. Tal instalación se llama fenestron ("ventana", y en realidad una marca comercial perteneciente a Eurocopter), ventilador con conductos o ventilador en aleta. Este desarrollo fue diseñado originalmente para mejorar la seguridad y el rendimiento.

Las modificaciones al rotor principal para reducir el impulso del vórtice generalmente sacrifican potencia o economía.

Sobre el tema de la velocidad supersónica, los helicópteros tienen una velocidad máxima teórica de 417 kph en modo de vuelo convencional debido al problema de que la pala que avanza alcanza una velocidad supersónica en un área demasiado grande y la pala que retrocede pierde sustentación abruptamente.

Alguien preguntó cómo solo una parte de la hoja podía ser supersónica mientras que la mayor parte de su longitud era subsónica. Esto se debe a que el movimiento es angular. Un punto en la parte exterior se mueve a través del aire mucho más rápido que un punto en la región interior, para cubrir el mismo ángulo en el mismo tiempo. Esta condición supersónica se alcanza antes en vuelo que en vuelo estacionario. Cuando la pala se mueve "hacia adelante", la velocidad del aire se suma a la velocidad de rotación de la pala que se mueve hacia adelante y se resta de la pala que se mueve hacia atrás. Una solución común para adaptarse a la diferencia de sustentación de las palas opuestas es articularlas en la raíz para permitir que la pala con una mayor velocidad aerodinámica aletee hacia arriba hasta cierto punto. Algunos diseños "rígidos" reemplazan la bisagra con una sección flexible.