¿Hay helicópteros a gran escala capaces de sostener un vuelo invertido?

Antecedentes

Soy un entusiasta de la aviación modelo y realmente disfruto viendo hasta dónde la gente puede llevar los límites de las acrobacias aéreas. Los modelos de aviones pueden superar los límites mucho más allá de la escala real debido a su pequeño tamaño. Entiendo que esto solo es posible porque los modelos son pequeños* para que puedan soportar fuerzas que matarían a los ocupantes de una nave tripulada. Además, los modelos de aviones suelen tener una potencia superior en comparación con los aviones a escala real.

Por ejemplo, no tengo un modelo de avión que no sea capaz de ascender 30 grados, y es bastante común que los modelos de aviones acrobáticos tengan relaciones de empuje a peso superiores a 1,5:1 o incluso 2:1.

Pregunta

Cuando vi por primera vez algunos de los modelos de helicópteros que eran capaces de hacer , me quedé impresionado. Habiendo visto también algunas acrobacias aéreas en helicóptero a gran escala ( demostración de Red Bull ), me he estado preguntando de qué son capaces los helicópteros a gran escala.

En la demostración de Red Bull, parecía que el helicóptero podría usar algún colectivo negativo (o al menos neutral) mientras rodaba, sin embargo, no parecía que tendría suficiente para mantener un vuelo estacionario invertido. Esto me hizo preguntarme: ¿ha habido un helicóptero a gran escala capaz de mantener un vuelo invertido o un vuelo estacionario invertido (que requiere aún más potencia)? Si no lo ha hecho, ¿sería posible construir un helicóptero que sea capaz de hacerlo?

Nota

Solo me pregunto sobre la posibilidad técnica de crear una máquina capaz de esta maniobra. Para el alcance de esta pregunta, ignore los obstáculos regulatorios, legales y económicos que deberían superarse para intentar tal hazaña (sin mencionar encontrar un piloto dispuesto a intentarlo).

Además, solo estoy preguntando sobre el vuelo invertido a gran escala. Entiendo que la física se interponga en el camino muy rápido si alguien intentara diseñar un helicóptero a escala real capaz de hacer todos los modelos de acrobacias aéreas.

*Algunos modelos de aviones y helicópteros pueden tener más del 35 % de escala completa, pero aún así es pequeño en comparación con los aviones a escala completa.

Creo que el AH-64 puede girar 360° sin velocidad de avance, perdiendo altitud en el proceso. O lo he visto o es una ilusión. Sin embargo, no puedo encontrar ninguna evidencia en Youtube. Me encantaría que alguien me corrija o publique evidencia en video, me he estado preguntando qué he visto durante años.
Tenga en cuenta que los diseños no se escalan con la misma potencia de su tamaño lineal. No es solo la muerte de ocupantes lo que preocupa. No importa los trucos acrobáticos, un modelo de avión fielmente escalado probablemente sería destrozado por el más aburrido de los intentos de volar.

Respuestas (1)

No existe un helicóptero real capaz de realizar un vuelo invertido sostenido y, desde luego, tampoco de flotar invertido.

La razón simple es que no hay necesidad operativa de hacerlo.

¿Es teóricamente posible? Sí, pero tienes muchos problemas de ingeniería que superar. Además de los sistemas invertidos de combustible y aceite, la cabeza del rotor será mucho más compleja de lo necesario.

Cuando vuela normalmente, el fuselaje cuelga efectivamente como un péndulo debajo del rotor con una tuerca grande (bueno, es más complejo que eso) que sujeta el rotor al cubo del eje del rotor. El rotor tira del fuselaje hacia arriba.

Para volar invertido, el rotor debe poder empujar el fuselaje hacia arriba, por lo que el centro tendría que estar diseñado para aplicar y resistir las fuerzas adecuadas en ambas direcciones.

Luego, los manguitos giratorios de las palas y las bisagras asociadas deben diseñarse de modo que las palas puedan tener un paso negativo (visto desde la actitud normal) en todo el rango. A su vez, esto significa que el mecanismo colectivo debe diseñarse de manera que sea posible configurar el paso positivo y negativo según se requiera.

Las palas también tendrían que ser más rígidas, para que no se conicen excesivamente y entren en contacto con el fuselaje. Esto agregaría más fuerzas a las articulaciones de la cabeza que necesitarían ser fortalecidas.

Finalmente, debe "revertir" los controles cíclicos para que la presión colectiva esperada, cíclica hacia atrás; nariz arriba; reducir la velocidad; funciona en sentido contrario.

Probablemente no he considerado otros factores.

Todo ello añadiría una complejidad y un peso importantes que, dado que no existe el requisito de vuelo invertido, no se producirán.

Por cierto, la potencia requerida para volar o flotar invertido sería la misma que para un vuelo normal. No hay una razón intrínseca por la que el vuelo invertido necesite más potencia: las palas que giran a cierta velocidad, con un ángulo de ataque particular, generarán la misma cantidad de sustentación sin importar en qué dirección estén apuntando.

La razón por la que los modelos de helicópteros pueden hacer esto es que la relación entre el peso del rotor y el peso del fuselaje es mucho más baja que la de un helicóptero real y, por lo tanto, requiere mucha menos energía para producir la sustentación requerida, y los modelos tienen mucho más mayor relación potencia/peso.

La razón por la que los helicópteros reales pueden ir invertidos durante un corto tiempo en maniobras acrobáticas es porque el impulso en el fuselaje se está alejando del rotor para contrarrestar el vector de sustentación que apunta hacia arriba, hacia el fuselaje. Considere un bucle exterior, lo que sería imposible, ya que el impulso del fuselaje y el vector de sustentación se combinarían.

Debería poder demostrar esto en un modelo con una cabeza rígida de diseño normal. Agregue un poco de lastre (seguro) en el fuselaje hasta que deba acelerar en efecto suelo para ganar elevación traslacional para poder salir. ¡Ahora trata de volar invertido!

Eso es más o menos lo que pensé. La falta de necesidad combinada con la ingeniería adicional requerida significa que simplemente no sucederá.
Con respecto a su punto sobre el poder, ¿estaría en lo correcto al suponer que las palas tienen un perfil aerodinámico simétrico si producen la misma cantidad de 'ascensor' positivo o negativo para un ángulo de ataque dado?
@ jdkorv11 No necesariamente, aunque muchas cuchillas son simétricas. Si no, todo lo que necesita hacer es aumentar el ángulo de ataque. Recuerde que se necesita potencia para superar la resistencia, que es una función de la cantidad de sustentación que se produce. Para producir la misma cantidad de sustentación desde cualquier perfil aerodinámico, se necesita la misma cantidad de potencia, independientemente de hacia dónde apunte el vector de sustentación. Imagina una cuchilla estacionaria. Puedes hacer que el ángulo de ataque (cabeceo) sea lo que quieras sin potencia ya que sin velocidad = sin sustentación = sin arrastre.
Gracias por aclararlo. Estaba operando bajo la suposición de que el rotor estaba a gran velocidad y recibía la potencia necesaria para mantener el vuelo. Debería haber dicho eso. Además, ¿los helicópteros suelen ser capaces de proporcionar algún colectivo negativo? Supongo que sí, pero eso es solo una suposición.
@ jdkorv11 No que yo sepa. Todos los tipos que he volado tienen un ligero cabeceo positivo cuando el colectivo está completamente abajo para controlar las RPM del rotor en autorrotación. La capacidad de generar un paso negativo sin la cabeza más fuerte y las palas más rígidas que menciono en la respuesta aumentaría las posibilidades de que un rotor golpee.
Gracias por la información. Si bien me siento bastante cómodo con los modelos, no conozco los desafíos que enfrentan los helicópteros a gran escala. Por ejemplo, los modelos generalmente no necesitan preocuparse por las huelgas del rotor, por lo que nunca antes había pensado en eso como un problema. Además, los modelos acrobáticos a menudo permitirán tanto colectivo negativo como positivo, por eso me preguntaba acerca de la escala completa.
@jdkorv11 De nada.
El argumento del péndulo no funciona. En un péndulo, la fuerza en la bisagra debe ser siempre hacia arriba, pero el ascensor se inclina con el rotor y eso se inclina con el fuselaje. Los giroaviones no son estables y un CoG más alto o más bajo no lo cambia (como no cambia la estabilidad de balanceo en aviones de ala fija).
Siento que la parte sobre "La gravedad intentará tirar del fuselaje hacia abajo y hacia los lados, el péndulo intentará balancearse hacia abajo" podría estar sufriendo algo similar a la falacia del cohete del péndulo .
Entonces, ¿cómo filmaron la escena cerca del final de Escape to Witch Mountain ? Esto fue en 1975, mucho antes de los efectos CGI.
@JDługosz No tengo idea, sería mejor que le preguntaras a los cineastas. A menos que esté sugiriendo que debido a que CGI no existía, el helicóptero debe haber volado boca abajo, en cuyo caso le preguntaría cómo lograron que la camioneta volara. O cualquier otro número de efectos especiales utilizados. Por cierto, el primer uso de CGI en películas fue en 1973 y se utilizaron muchas técnicas antes de eso, como el mate y la composición.
@JanHudec En realidad, lo hace. Empecé a escribir algunos comentarios bastante largos explicando por qué, pero simplemente obstruyó las cosas, así que simplemente eliminaré el párrafo. Creo que he hecho un trabajo razonablemente bueno al explicar por qué los helicópteros no vuelan invertidos. El CofG vertical ciertamente afecta la estabilidad de balanceo, simplemente no es relevante en un ala fija ya que no es posible mover el CofG significativamente, verticalmente, lejos del centro aerodinámico. que es aproximadamente donde están las alas. En un helicóptero, el CofG está significativamente por debajo del centro aerodinámico, al menos cuando no está invertido :)
@Simon, sí, es complicado (para los aviones de ala fija, también importa el deslizamiento ; no importa solo para rodar). De todos modos, todas las otras razones que diste son buenas.
@ user2357112, sí, lo hace. Pero luego se vuelve más complicado, porque cuando el avión comienza a volar de lado, aparecerá otra fuerza aerodinámica que ahora podrá crear torque. Así que en realidad hay algún efecto, pero no se puede explicar con péndulos.
No creo que el cíclico necesite modificaciones: un piloto podría ser entrenado para manejar un vuelo invertido. Y supongo que tendremos que convencer a algún temerario para que modifique un helicóptero; tal como yo lo veo, solo hay consideraciones prácticas, sin limitaciones fundamentales.
@user2357112: La falacia del péndulo es la idea de que montar el generador de sustentación sobre el CdG conducirá a una estabilidad de actitud pasiva . Esto es falso; no importa si el rotor está por encima o por debajo de la nave, necesita un control activo de la dirección de sustentación para lograr un vuelo estable. En un helicóptero eso es lo que proporciona el cíclico. Aún así, sin embargo, necesita un control más rápido y/o más preciso para poder equilibrar su embarcación sobre el punto de elevación que el que necesita para colgar de él. Eso es más fácil de proporcionar para los cohetes porque no se espera que se mantengan suspendidos de todos modos.
"Considere un bucle exterior, lo que sería imposible, ya que el impulso del fuselaje y el vector de sustentación se combinarían". Según esa lógica, los bucles externos también deberían ser imposibles para los aviones de ala fija.
La mayoría de los helicópteros de tamaño completo pueden aplicar algún colectivo negativo; esto es necesario para poder autorrotar en caso de corte de energía (que se espera que todos los helicópteros puedan hacer para obtener la certificación de vuelo). Tener suficiente colectivo negativo (junto con todos los demás factores) para volar o flotar invertido es otra cosa completamente diferente.
En ese entonces escribí que no hay péndulo, pero eso no es del todo cierto. El fuselaje cuelga debajo del rotor casi exactamente como un péndulo. El rotor se inclina ajustando las fuerzas aerodinámicas que crea, pero el fuselaje puede girar debajo de él. Esto todavía no aporta estabilidad por las razones antes mencionadas, pero crearía una inestabilidad adicional en vuelo invertido. De hecho, algunos diseños tienen un problema, llamado choque del mástil , ya con una carga positiva baja.
¿Hay helicópteros a gran escala capaces de sostener un vuelo invertido?
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