FERNANDO ROSELLÓ nos explica lo que todo piloto de autogiro deberia saber en relación a la descarga del rotor, de como y por que sucede.
Gracias Fernando.
1.-
¿Qué pasa cuando se descarga un rotor en vuelo?
Pasan
dos cosas:
1.1.-
Pérdida de control de la aeronave.
Los
movimientos de palanca se y transmiten al rotor. Sin embargo el autogiro no
obedece al rotor, no lo sigue con los cambios de orientación, con lo que el
autogiro se convierte en un móvil con perfil balístico que el piloto ya no
puede controlar, ni en su actitud de vuelo, ni en su trayectoria.
2.2.-
Caída de las rpm del rotor.
Lo que
mantiene girando el rotor es la propia fuerza de sustentación que genera. Si la
anulamos ya no habrá fuerza autorrotativa y el rotor se irá frenando.
2.3.-
Puntos críticos.
2.3.1.-
La pérdida de control del autogiro es crítica sí se produce cerca del suelo,
porque el autogiro adoptará una trayectoria
curva que tenderá a terminar en un picado vertical o casi vertical
(curva de 0g´s). El impacto contra el suelo, de consecuencias siempre fatales,
ocurrirá antes de que se haya recuperado el control de la aeronave.
2.3.2.-
Si la descarga ocurre con altura suficiente, el curso de los acontecimientos va
a seguir una de las líneas de acción que se describen a continuación:
2.3.2.1.-
El tiempo que el autogiro está en situación de 0 g´s es tan pequeño que la
caída de rpm´s del rotor no es suficiente para alcanzar el régimen crítico de
no retorno[1].
El piloto recuperará el mando y si actúa correctamente podrá recuperar un
perfil de vuelo normal y continuar el vuelo.
2.3.2.2.-
El tiempo que el autogiro está en situación de 0 g´s es suficiente para que la
caída de rpm´s del rotor alcance o sobrepase el régimen crítico de no retorno.
En este caso cuando el rotor se recargue la ausencia de suficiente fuerza
centrífuga sobre las palas del rotor originará su flexión hasta el punto de
rotura generando la destrucción en vuelo del autogiro.
2.- ¿Cómo se puede descargar el rotor en
vuelo?
Descargar
el rotor significa reducir la sustentación a 0. En nuestros autogiros eso solo
se puede hacer disminuyendo el ángulo de ataque al que está sometido el disco
rotor. [2]
Y
ciertamente, para generar una situación de 0 g’s es necesario que el disco
rotor entero este trabajando con un ángulo de ataque muy próximo a 0 grados, o
incluso un poco menos. Esta situación puede alcanzarse por dos causas: una
fuerte cizalladura descendente o por la acción del piloto. Es decir el piloto
“puede mandar” una descarga bajando el rotor a una actitud plana o inferior a
plana respecto al viento relativo. Pero hay que darse cuenta de lo que
realmente significa ángulo de ataque del disco rotor.
2.1.-
Ángulo de ataque del disco rotor y velocidad de vuelo.
No siempre es igual de fácil el mandar un
ángulo de ataque 0 sobre nuestro rotor. Cuanto más rápido volemos, más fácil
es. La razón es que gracias a la inercia del autogiro (tanto mayor cuanto mayor
sea la velocidad) ante un empujón rápido de la palanca vamos a mantener una
trayectoria plana del disco rotor en la masa de aire ANTES de que el autogiro
empiece a descender. Porque en cuanto empiece a descender nos vamos a encontrar
con un ángulo de ataque positivo y la recarga inmediata del rotor. Esto ya nos da una idea de que NO es tan
fácil descargar el rotor. Es necesario una acción muy rápida de la palanca en
relación inversa con nuestra velocidad de traslación: a más velocidad con menos
velocidad de movimiento de la palanca lograremos los 0 grados de ángulo de
ataque. A menos velocidad requerirá cada vez mayor velocidad de movimiento de
la palanca. En vuelo muy lento o a velocidad casi 0 será muy difícil lograr una
descarga del rotor.
2.2.-
Ángulo de ataque del disco rotor, velocidad de vuelo y trayectoria de vuelo.
Vamos a
complicar esto un poquitín más añadiendo un factor muy importante: la
trayectoria de vuelo. Si volamos con mucha velocidad, vamos a lograr alcanzar
una situación de 0 g´s con una trayectoria de vuelo inicial (en los primeros
instantes, después será una curva de 0 g´s) idéntica. Es decir, si volamos muy
rápido en horizontal, lograremos meter el autogiro en 0 g´s con una trayectoria
inicial horizontal.
Si
partiendo de esa trayectoria horizontal inicial disminuimos la velocidad de
crucero lo suficiente, ya no podremos poner una situación de 0 g´s con una
trayectoria inicial horizontal, tendremos que picar más y más rápidamente que
en el caso anterior, y la situación de 0
g´s ocurrirá con una trayectoria inicial oblicua descendente.
Si
vamos al caso extremo de una velocidad
de traslación horizontal de 0 hay que señalar que el ángulo de ataque
inicial del disco rotor será de 90 grados y tendremos una velocidad inicial de descenso
vertical que podemos estimar en unos 1000 pies por minuto. Teóricamente aún es
posible establecer un ángulo de ataque de 0 grados sobre el rotor: empujando
muy bruscamente la palanca hasta situar el autogiro en un picado algo mayor que
la vertical.
Creo
que de esta manera queda fácilmente ilustrado por qué es más fácil descargar el
rotor en vuelo de crucero o a muy altas velocidades que en vuelo muy lento.
Desde un vuelo a velocidad 0, que implica un descenso vertical con el rotor
horizontal, tendré que adoptar un picado vertical para conseguirlo…
Si nos
movemos con velocidad horizontal, cuanto mayor sea mi velocidad obtendremos la
situación de 0 g´s con un picado cada vez menos abrupto.
Además
en vuelo no acelerado coordinado (sin virajes ni resbales) a mayor velocidad le
corresponden ángulos de ataque de rotor cada vez más pequeños (igual que un ala
fija). Por lo que estamos mucho más cerca del ángulo de ataque de 0º.
2.3.-
Ángulo de ataque del rotor y dirección de vuelo.
El
rotor es redondo, luego no tiene un borde de ataque físico fijo como las alas
fijas. Su ángulo de ataque está siempre en la dirección del viento relativo.
Esto introduce otra variable: si no nos desplazamos con el autogiro alineado
con la trayectoria de vuelo, es decir, si nuestro vuelo no es coordinado, podemos
obtener una situación de 0 g´s con alabeo en lugar de con profundidad.
Imaginemos un descenso vertical a velocidad 0. No necesitaremos picar hacia
adelante hasta obtener rápidamente un picado vertical, bastará con un
movimiento de palanca mucho más corto: alabear hacia un lado hasta obtener una
inclinación algo superior a 90 grados… Al rotor le da lo mismo: es redondo…
Pero al piloto NO le da lo mismo. Para picar hacia adelante tiene que vencer el
efecto amortiguador del estabilizador horizontal, cosa que no ocurre en alabeo.
Los rotores, además, no tienen ninguna amortiguación en alabeo (al contrario
que las alas fijas)[3].
Es mucho más fácil, si partimos de velocidad horizontal 0, meter una situación
de 0´gs con alabeo que con profundidad.
¿Y qué
pasará en un resbale?
En un
resbale agresivo la dirección del viento relativo es oblicua respecto al eje
longitudinal del fuselaje y de la palanca de mando, y esa es la dirección
relevante en el picado comandado por el piloto para alcanzar 0º ángulo de
ataque. Pero ahora hay otros factores: el estabilizador de cola ya no está (o
al menos no está donde debe) para oponerse a nuestros esfuerzos suicidas de
conseguir un ángulo de ataque de 0º. Además hay una serie de fuerzas aerodinámicas
actuando sobre el fuselaje que pueden hacerlo girar en el momento en que la
fuerza de sustentación generada por el rotor sea demasiado pequeña, aun antes
de llegar a 0 g’s, con la consiguiente pérdida de control.
2.4.-
Conclusión
El
máximo riesgo de alcanzar una situación de 0 g´s comandada por el piloto (se
requiere un movimiento de palanca pequeño) ocurre en vuelos a mucha velocidad
y/o en resbale. La situación potencialmente más peligrosa son los resbales muy
fuertes con mucha velocidad.
3.- La
recarga del rotor.
3.1.-
Régimen de rotación en la Recarga
Si nos
encontramos con una situación de descarga del rotor ocurrida a cierta altura
siempre llegará un momento en que el rotor se recargará, generando o bien la
continuación normal del vuelo autorrotativo a la destrucción del rotor en
vuelo. El factor diferencial más importante entre ambas situaciones es el
régimen de rotación del rotor. ¿Qué influye en el régimen de rotación de la
descarga?
3.1.1.-
Evidentemente el tiempo que dura la situación de descarga es el factor más
importante.
3.1.2.-
Otro factor que influye es el grado de descarga. Probablemente, así como no es
necesario llegar a 0 g´s para que se pierda el control del autogiro (como antes
se ha explicado) tampoco es necesario llegar a este límite para que la
desaceleración del rotor sea máxima. En una situación de 0 g´s pura la única
resistencia actuante sobre el rotor es la parásita. Pero con un ángulo de
ataque algo superior el rotor tendrá solo sector antirrotativo, por lo que a la
resistencia parásita habrá que sumar una cierta resistencia inducida que lo
frenará más rápidamente.
3.1.3.-
La inercia de las palas es otro elemento. Palas de mayor inercia tardarán más
en perder rpm. También tardarán más en recuperarlas después, por lo que no
podemos afirmar que esto sea bueno, aunque a priori lo parece.
3.1.4.-
Un último factor es la aerodinámica del rotor, aunque ésta es la misma para
todos los autogiros ulm ya que todos usan el mismo perfil de pala.
3.2.-
El régimen de rotación crítico
La idea
de que existe un régimen de rotación crítico es de gran ayuda pero no es del
todo cierta. Más que el régimen de rotación lo que importa es la relación entre
ese régimen de rotación y el régimen o velocidad a que se produce la recarga.
Dicho de otra manera puede ser que un régimen de rotación crítico Ra sea capaz de sobrevivir a una
velocidad de recarga L1 [4]y
sin embargo no pueda hacerlo a un régimen de recarga superior L2.
Lo que
sí está claro es que a cada régimen de rotación le corresponde una carga máxima
que el rotor puede soportar sin romperse. A velocidades de rotación normales esa
carga máxima es extremadamente superior a los 4500 Newtons (450 kg) requeridos
para un autogiro ulm a peso máximo. El problema es que cuando el régimen baja
de un cierto nivel lo que podrá soportar el rotor sin romperse va ser menos de
ese peso. Y a menos rpm, menor peso sustentable. Es necesario conocer cuál es
el máximo peso sustentable para cada rotor en función de su régimen de giro.
Por supuesto, se puede establecer una frontera de 500 kg y dar una cifra y un
valor absoluto a este parámetro. Mientras no bajemos de ese régimen nunca
tendremos problemas…
3.3.-
Ley de deceleración del rotor
Pero el
problema es que en caso de descarga no sabemos hasta donde vamos a bajar. Es
necesario saber también cuál es la ley de deceleración del rotor para diversas
situaciones de carga, pongamos de 0,5 a -0,5g´s.
3.4.-
Tiempo crítico de descarga.
Uniendo
estos dos parámetros, régimen de rotación crítico y ley de deceleración se
pueden obtener los tiempos críticos de situación de descarga máximos para el
posible peor caso. Y establecer una norma de cuál debería ser este tiempo
crítico mínimo para que un rotor concreto sea certificable.
Analizando
cuatro accidentes ocurridos por descarga del rotor se concluye que este tiempo
crítico ha sido nunca superior a 2 segundos.[5]
4.-
¿Qué podríamos hacer, con nuestros autogiros, para intentar salir de una
situación de descarga del rotor?
La
única cura real efectiva es la prevención. Una vez en la situación de descarga
el resultado es incierto y el piloto no tiene un control directo sobre la
situación. De entrada cualquier maniobra que nos haga sentir livianos en
nuestro asiento debe ser coartada inmediatamente aplicando todos los mandos que
posicionen al rotor en una actitud de mayor ángulo de ataque.
Esto
hay que hacerlo cuanto antes, y en este orden, pero sin brusquedades:
1.Centrar
palanca en alabeo.
2.
Palanca atrás
3.Centrar
pedales
4.En
autogiros estables con EH: Potencia al 90% o más.
5.Esperar.
Cuando el autogiro suba el morro:
1.Motor
a crucero.
2.Ajustar
velocidad con la palanca suavemente.
3.
Continuar el vuelo.
Si el
autogiro no llega a subir nunca el morro es que estamos muertos.
5.- La
Puesta en Batimiento
Bajo
este desafortunado nombre se conoce el fenómeno por el cual el rotor se pone a
oscilar violentamente hasta que termina golpeando en la cola del autogiro y/o
en la hélice. A veces conlleva el vuelco del autogiro hacia el lado en que gira
el rotor. Esta situación se da casi siempre en despegues en los que el rotor
está girando demasiado lento.
Incluyo
este tema aquí porque tiene cierta relación con la descarga del rotor, o mejor
dicho, con lo que pasa en la recarga.
5.1-
Qué es el Batimiento.
El
batimiento es el movimiento de la pala hacia arriba y hacia abajo alrededor de
la articulación de batimiento. La articulación de batimiento es una bisagra
situada horizontalmente en la raíz de la pala. En nuestros rotores el eje del
batimiento es el eje del balancín.
5.2-
Para qué sirve el batimiento
El
batimiento sirve para ecualizar la sustentación a ambos lados del rotor. Si
voláramos en un rotor sin eje de batimiento la pala que avanza tendría mucha
más velocidad que la que retrocede. Pero como su ángulo de ataque es el mismo
la sustentación de la pala que avanza sería mucho mayor que la que retrocede lo
que haría volcar el autogiro. O hacerle hacer toneles siempre hacia el lado de
giro del rotor. El poner el eje de batimiento permitimos que la pala que tiene
más sustentación suba libremente y la que tiene menos que baje. Eso varía al
ángulo de ataque de las palas: la que sube tiene menos ángulo de ataque y la
que baja más. De esta forma se equilibran las sustentaciones en todo el disco
rotor y conseguimos que la sustentación de cada pala siempre sea la misma,
independientemente de donde se encuentre en el disco del rotor. El resultado
final del batimiento es una inclinación del rotor hacia atrás (respecto de donde
viene el viento relativo). Está inclinación se denomina flap back.
5.3-
Batimiento y rpm del rotor.
Esto
funciona perfectamente al régimen de giro normal de un rotor. Pero hay tres
factores que afectan mucho al movimiento de batimiento.
5.3.1-
La velocidad de traslación
La
disimetría de sustentación se origina por la componente de la velocidad de
traslación en la dirección del plano del rotor, lo que se entiende por
velocidad horizontal. Si la velocidad horizontal es 0, como en un descenso
vertical NO HAY batimiento, ya que no habrá disimetría de velocidades en las
palas del rotor. A velocidad de traslación máxima la disimetría de velocidades
será máxima así como el batimiento. Sin embargo, la capacidad para batir del
rotor está limitada por el espacio real disponible para su movimiento de
batimiento y por el ángulo de ataque, tanto mayor como mayor sea la velocidad
de la pala que retrocede. Por tanto hay una velocidad máxima a partir de la
cual el batimiento ya no es capaz de compensar la diferencia de velocidades
entre el sector avanzante del rotor y el que retrocede. Normalmente este límite
se atribuye a la entrada en pérdida de la pala que retrocede. No obstante, en
nuestros autogiros se alcanza mucho antes el límite de espacio disponible para
el batimiento. Esto se nota en que se hace tope con la palanca hacia adelante y
ya no se puede picar más: no queda mando disponible para mover el rotor atrás,
porque todo el recorrido posible del rotor se está utilizando en el flap back.
5.3.2-
El régimen de rotación del rotor.
Hemos
visto que el origen del batimiento es compensar la disimetría de sustentación.
Podemos medir de una forma simple la disimetría de sustentación calculando la
velocidad de la punta de las palas del rotor y sumando esa velocidad a la punta
de la pala que avanza y restándosela a la punta de la pala que retrocede.
Supongamos que volamos a 100 km/h y que las puntas de nuestro rotor se mueven
en movimiento circular a 500 km/h. Obtendremos un valor de 600 km/h para la
pala que avanza y 400 km/h para la que retrocede. El valor de la disimetría de
velocidades es de 200 km/h. con respecto a la velocidad de la punta de la pala
que es 500 es de un 40%.
Si
incrementamos la velocidad de rotación a 1000 km/h vemos que siguiendo el mismo
razonamiento la disimetría de velocidad se reduce a un 20%.
Si
reducimos la velocidad de rotación a 250 km/h, entonces la disimetría de
velocidad alcanza una proporción del 80%
El
batimiento que va a hacer nuestro rotor va
a ser proporcional a esta disimetría de velocidad. Tendrá que batir
mucho más ampliamente para superar el 80% que para compensar el 20%.
Con
todo hay que tener en cuenta que la capacidad para batir del rotor está
limitada por el espacio real disponible.
5.3.3-
La fuerza de sustentación generada.
Cuanto
mayor sea la sustentación generada por el rotor mayor será la disimetría de
sustentación que tendrá que compensar el batimiento. Si reducimos la
sustentación a 0 ya no hay batimiento, porque no hay que compensar nada.
Ninguna pala subirá ni ninguna bajará. Si volando a una velocidad determinada
incrementamos el ángulo de ataque del rotor, el incremento puntual de
sustentación generará un incremento inicial del batimiento, que disminuirá a
continuación hasta un valor inferior al inicial cuando se alcance un nuevo
equilibrio a una velocidad inferior a la
original.
5.3.4- Conicidad del rotor
Una
cosa es el batimiento y otra la conicidad del rotor. Si nos fijamos un una sola
pala (y olvidamos que en nuestros rotores está rígidamente enganchada a la
otra), está claro que al aplicar una fuerza de sustentación sobre ella sin más.
La pala subiría su panta has la vertical. Esto no ocurre cuando el rotor está
girando gracias a que la fuerza centrífuga mantiene la pala muy tiesa, ya que
tira hacia fuera con un fuerza de entre 1,4 y 3 toneladas en condiciones
normales, dependiendo de la masa de las palas.
Así la
fuerza centrífuga restringe muy notablemente la tendencia de las palas a subir
su punta hasta arriba del todo. La situación que he descrito es la que
corresponde a un rotor articulado, pero los nuestros son semirrígidos. Es decir
cuelgan de un balancín que asegura el batimiento pero no pueden inclinarse
hacia arriba siguiendo el ángulo de conicidad predeterminado por la acción de
la sustentación y de la fuerza centrífuga. Pero aunque no puedan inclinarse
podéis estar seguros que lo hacen: se comban hacia arriba buscando esa
conicidad natural.
No
confundamos, por favor, conicidad con batimiento. La conicidad es ese ángulo de
combado de las palas hacia arriba que es constante esté la pala donde esté
(recordemos que la pala siempre genera la misma sustentación esté dondequiera
que esté en el rotor). El batimiento hace que el plano de giro del rotor se
incline hacia atrás (pero la conicidad sigue actuando hacia arriba en cada
pala).
5.3.5-
Conclusión
Volvamos
ahora a la puesta en batimiento. ¿Qué pasa si intentamos hacer despegar un
autogiro con vueltas de rotor demasiado bajas?
Primero
echamos el rotor todo atrás, digamos a 60 rpm y metemos toda la potencia. En
los primeros 2 ó 3 segundos no pasa nada, solo que el autogiro acelera mucho
más rápido que de costumbre. En el momento en la disimetría de velocidad llega a
valores del orden del 70% tenemos el problema de que el recorrido de batimiento
se hace insuficiente para compensar la disimetría de sustentación y empieza una
trepidación oscilatoria lado a lado que se va incrementando (seguimos
acelerando) y en menos de dos segundos la palanca nos estará golpeando las
piernas violentamente. Si no hacemos nada más volcaremos hacia el lado de giro
del rotor (el batimiento no puede compensar la disimetría de sustentación). Si,
cortando gases y poniendo palanca todo adelante, conseguimos parar el
autogiro antes de volcar habremos rotor
la hélice la deriva vertical de cola y las palas.
Si
hubiéramos iniciado la carrera con mucho menos palanca atrás posiblemente
habríamos conseguido que el rotor subiera de vueltas antes de llegar a esta
situación (menos sustentación equivale a menos disimetría). No lo intentéis, es
muy fácil cargarse el rotor…
Lo suyo
es despegar con el rotor bien prelanzado. Es lo más fácil y lo más seguro: más
rpm equivale a menos disimetría de sustentación. En autogiros cuyo prelanzador
no da para eso hay que afrontar el despegue regulando velocidad (muy baja al
principio) y ángulo de ataque del rotor (lo justo para que suba de vueltas. El
despegue en estos autogiros es más difícil y todo un arte.
5.3.6-
Batimiento, conicidad y recarga del rotor tras 0 g´s.
Todo
esto es lo que explica lo que va a pasar en la recarga del rotor. Si las
vueltas son suficientemente elevadas para que la conicidad y el batimiento no
sean problema el batimiento excesivo solo será una vibración más o menos fuerte
(hay casos reales en que han doblado las barras de control del rotor, aunque
han tenido suerte y han seguido volando).
Puede
que las vueltas sean suficientemente grandes para que la conicidad no sea un
grave problema, pero que sean a todas luces demasiado bajas para el batimiento.
El resultado será el impacto de las palas contra la cola/hélice.
Finalmente,
si las vueltas son muy bajas el ángulo de conicidad será tan brutal que
destruirá el rotor.
Palas
de un autogiro MT accidentado en Alemania en el curso de un resbale agresivo.
Se aprecia claramente el ángulo de flexión de las palas por conicidad (vueltas
muy bajas en la recarga).
[1] régimen crítico de no retorno:
Régimen mínimo de rotación del rotor por debajo del cual el autogiro no puede volar. Depende del peso,
densidad del aire e inercia de las palas.
[3] Amortiguación en alabeo: Efecto por el que un
avión presenta cada vez más resistencia a alabear cuanto mayor es el régimen o
velocidad con que está inclinando las alas. Lo aviones de gran envergadura
tienen mucha mayor amortiguación en alabeo que los de alas muy cortas. Los
rotores no tienen ninguna amortiguación en alabeo, lo que les hace mucho más
nerviosos de mando que los aviones.
[4] velocidad de recarga L: la
relación de variación de sustentación con el tiempo. Se podría medir en
Newtons/segundo.
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