mandos de un helicoptero

8/13/2019 Mandos de Un Helicoptero

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Los mandos de un helicptero

Si bien los mandos de un avin son relativamente simples al igual que la posicin de sussuperficies de control (timones, alerones, ...), en el caso de un helicptero la cosa secomplica bastante.

Partamos de la base que el helicptero se encuentra en un vuelo estacionario. Es decir, elrotor principal gira a una cierta velocidad, suficiente para crear la sustentacin necesaria yvencer la fuerza del peso del propio modelo.

Cmo hacer ahora para que el modelo avance? Como sabis, al contrario que un avin, elhelicptero no posee una hlice en el morro que le impulse hacia delante. El truco es simple:Inclinando el rotor principal hacia adelante, la fuerza de sustentacin se inclina de la mismamanera creando una fuerza en el sentido de la inclinacin:

Y esto seguro que lo habris observado en algn vuelo de un helicptero. Al poco tiempo dedespegar del suelo, se inclina hacia adelante y comienza a acelerar para pasar al llamadovuelo de traslacin. En cambio, si quiere pasar del vuelo de traslacin al estacionario, baja lacola para que ocurra exactamente lo contrario, es decir que la componente horizontal de lafuerza de sustentacin se orienta hacia atrs frenando al helicptero:

Exactamente lo mismo ocurre lateralmente:


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Resumiendo, el helicptero es capaz inclinar el rotor a cualquier lado. Este es el mando quegeneralmente se tiene en el stick principal de la emisora (en los helicpteros tripulados, elpiloto maneja estas funciones con la palanca principal que est situada entre las piernas).Cuando empujamos el stick hacia delante, el helicptero se inclina hacia adelante. Lo mismohacia atrs y lateralmente.

La pregunta ahora es cmo hacer que el rotor se incline hacia el lado deseado. Estarespuesta ya no es tan simple. En los prximos dibujos se explicar el principio del platocclico de una forma simplificada. Este tipo de control del rotor es el mismo que en loshelicpteros reales.

El plato cclico

Imaginmonos un rotor simplificado con cuatro palas:

Las palas estn montadas sobre los ejes de palas de tal forma que puedan girar alrededor destos lo que permite cambiar la incidencia de las mismas. Para que las palas mantengan

todas la misma incidencia, estn unidas a unas varillas de transmisin -todas de la mismalongitud- que a su vez estn fijadas al plato cclico. Este est compuesto de un plato exteriorfijo y uno interior giratorio que estn unidos mediante un cojinete que permite el giro entreellos. En el plato exterior van fijadas las varillas de mando que vienen de los servos y en elplato interior que gira igual que el rotor se enganchan las varillas que controlan la incidenciade las palas. El plato cclico interior y las palas giran alrededor del eje principalsimultneamente. En este caso en contra del sentido de las agujas del reloj. Con estaconfiguracin, si comenzamos a girar el rotor alrededor del eje principal, las palas generarnuna sustentacin uniforme y equilibrada.

Para que el rotor se incline hacia algn lado ser necesario que en alguna parte de larotacin se produzca ms sustentacin que en otra, cosa que conseguiremos cambiandocclicamente la incidencia de las palas del rotor:


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Para ello se inclina el plato cclico (que de esto recibe su nombre). Miremos que pasadetalladamente: El plato cclico se inclina. La varilla azul se eleva empujando en la partedelantera de la pala azul causando un giro de sta alrededor del eje de palas obteniendo unamayor incidencia y a consecuencia mayor sustentacin. En el lado opuesto del plato cclicopasa exactamente lo contrario. Esta parte del plato baja, con lo que la varilla roja estira de la

parte delantera de la pala originando una incidencia negativa de la pala, que da lugar a unasustentacin negativa. En las otras dos palas esta inclinacin del plato cclico no tienerepercusin alguna, se quedan con la misma incidencia neutral.

As pues, la pala azul produce una fuerza orientada hacia arriba y la roja una a la inversa, esdecir hacia abajo, con lo que todo el conjunto tendera a inclinarse hacia la izquierda. (Losexpertos me disculpen en este momento, porque bien sabrn que esto, debido a efectos deinercia no es del todo cierto. Pero en este momento para simplificar el entendimiento lamecnica este fenmeno no se tiene en cuenta.)

Para que este desequilibrio de sustentacin se mantenga, el sentido de la inclinacin delplato cclico es constante, es decir en el caso del dibujo hacia la izquierda. Si giramos 90grados el rotor en contra del sentido de las agujas del reloj pasa lo siguiente:

Las varillas de las palas azul y roja pasan por el punto neutral del plato cclico con lo que suincidencia pasar a ser neutral. En cambio las palas verde y gris cambian su sustentacin dela misma forma como lo hicieran 90 grados antes las otras dos palas. Es decir que una palava cambiando su incidencia cclicamente: En el lado izquierdo tiene una incidencia negativa,a lo largo de los prximos 90 grados de giro del rotor va aumentando su incidencia hastaestar neutral, entre los 90 y 180 grados sigue aumentando la incidencia llegando al mximoa los 180 grados de giro en la parte derecha. Entre los 180 y 360 grados vuelve a disminuirprogresivamente la incidencia pasando por neutral a los 270 grados volviendo al punto departida a la izquierda con incidencia negativa. Y as cada pala en cada giro!

La inercia del sistema y su consecuencia

Como se indic un poco ms arriba, la incidencia de las palas y su efecto a lo largo de ungiro de rotor no son del todo correctas. Debido a que la pala no genera su mayor


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sustentacin exactamente en el segmento de la rotacin por la que est pasando en eseinstante, el rotor sufre la mayor influencia de la pala aproximadamente 90 grados ms tarde(muchos razonan esto con el efecto predecesor de un girscopo, pero no es cierto, essimplemente la pasividad del sistema). En otras palabras: Si inclinamos el plato cclico haciaadelante, en nuestro caso (sentido de giro del rotor en contra de las agujas del reloj) elhelicptero realmente se inclinara hacia la izquierda. Para solventar ese problema,simplemente se cambia la posicin de las varillas en el plato cclico por 90 grados, de talforma que en fondo las varillas vayan 90 grados adelantadas.

Obsrvese como las varillas estn unidas aqu adelantadas 90 grados. El grado de estapasividad a la reaccin depende de la configuracin y el tipo del cabezal del rotor. En losutilizados en el aeromodelismo son aproximadamente 90 grados. En helicpteros reales decabezales semirgidos como el del BO105/BK117 el ngulo es de aproximadamente 78grados.

Paso colectivo y paso fijo

Hemos visto que inclinando el plato cclico hacia un lado el rotor se inclinar al mismo lado,

con lo que podemos controlar las inclinaciones del helicptero y con ello el vuelo detraslacin. Llegados a este punto tenemos que diferenciar dos tipos de helicpteros. Los depaso fijo y paso colectivo. Los de paso fijo tienen palas que, al contrario de lo indicadoarriba, no se pueden girar alrededor de el eje de palas, nicamente el estabilizador es capazde girar.

Un detalle que se ve en el dibujo, es el uso de unos codos de transmisin que se ocupan deadelantar las varillas que recorren el plato cclico en los 90 grados necesarios mencionadosarriba para que el rotor se incline hacia el mismo lado que se inclina el plato cclico. En loshelicpteros de paso fijo el control de altura se consigue variando las revoluciones del rotor.Este mando se encuentra en el segundo stick de la emisora siendo la posicin inferior laequivalente de motor parado y la superior la de mximas revoluciones. Normalmente si el

stick est entre la posicin centrada y el tercio superior el helicptero se encuentra en vueloestacionario.


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En cambio en los helicpteros de paso variable es posible de cambiar la incidencia de todaslas palas a la vez subiendo o bajando el plato cclico.

Al contrario que en los helicpteros de paso fijo, en este tipo no se controla la altura delhelicptero mediante las revoluciones del motor, sino por el cambio de paso. Es decir que en

la emisora tendremos en el stick el mando de paso de rotor y no el acelerador del motor. Enlos helicpteros reales este mando se controla mediante una palanca situada al ladoizquierdo del piloto parecido a un freno de mano. Cuando el piloto eleva la palanca aumentael paso de las palas del rotor principal.

Sistemas de estabilizacin

Las descripciones del control de las palas del rotor principal por encima de estas lneas, norecogen sistemas de estabilizacin. La ms utilizada en aeromodelismo es la de Bell-Hiller.Generalmente se encuentran rotores de slo dos palas sustentadoras y un estabilizador condos palas pequeas que no generan sustentacin. Las palas sustentadoras y el estabilizadorestn unidos por un sistema de palancas mediante los cuales se transmiten las fuerzasestabilizadoras. El funcionamiento en concreto no se explicar aqu en este momento.

La funcin del rotor de cola

Cuando el rotor gira hacia un lado impulsado por el motor del helicptero genera unaresistencia, sea por aerodinmica o por inercia, que ocasiona un giro contrario del fuselajedel helicptero.

El rotor de cola sirve para parar este giro. Generalmente est impulsado por el mismo motorque impulsa el rotor principal mediante un engranaje desmultiplicador y un eje o una correadentada. El mayor o menor empuje de este rotor se controla -si est impulsado por el mismomotor del rotor principal- por el cambio de paso de las palas. Y con esto tenemos el ltimode los controles de un helicptero, que es la guiada o giro alrededor del eje vertical delmodelo. Este mando est situando normalmente en el segundo stick de la emisorahorizontalmente y comparable al timn de direccin de un avin. En el helicptero real este


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mando se controla -al igual que en los aviones- mediante dos pedales. Si el piloto aprieta elpedal izquierdo, el morro del helicptero girar hacia la izquierda y la cola detrs suyo a laderecha. Igualmente suceder si inclinamos el stick de la emisora a la izquierda.

Concentracin y coordinacin

El helicptero es un aparato que requiere plena atencin. nicamente ya por el hecho de quees por naturaleza inestable. Por muy bien ajustado que est, siempre hay que ir corrigiendopara mantenerlo en vuelo. Yo siempre lo comparo a mantener un palo en equilibrio verticalencima del dedo de la mano. Por otro lado, cuando pasamos de un vuelo estacionario a unode traslacin es necesario compensar con el paso la perdida de sustentacin por lainclinacin del rotor. El mando de cola (guiada) es un mando esencial que no podremospasar por alto como por ejemplo en un avin de alerones. Todos los mandos estn en accin.Por ejemplo para volar una curva es necesario primero estar en un vuelo de traslacin haciaadelante, inclinar el helicptero alrededor del eje longitudinal (como un avin o una moto),girarlo alrededor de su eje vertical con el rotor de cola, tirar un poco (mando traslacionalhacia atrs) pero sin pasarse para que no pierda velocidad el modelo y aumentar el pitch

para no perder altura.


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Inclinacin lateral de un helicptero en vueloestacionario

Seguro que lo habris observado alguna vez: Despegis el helicptero del suelo y cuando lotenis en vuelo estacionario delante de vosotros os dais cuenta que el fuselaje del modeloest inclinado lateralmente. Como muy tarde salta a la vista cuando se intenta aterrizarsuavemente: siempre un patn toca primero el suelo que el otro. Esto a qu es debido?

La explicacin es simple. La causante de esta inclinacin es la posicin del rotor de cola. Notiene nada que ver con fuerzas de precesin giroscpicas del rotor ni las misteriosas fuerzasde Coriolis. Echmosle un vistazo a la actuacin del rotor de cola:

Como bien es sabido, la fuerza del motor montado rgidamente sobre el chassis delhelicptero que impulsa el rotor, crea un antipar que produce un giro del fuselaje al sentidocontrario del rotor. El rotor de cola produce una fuerza opuesta en un extremo para que laorientacin del fuselaje se pueda mantener fija.

Con el fin de simplificar el diseo y la construccin del conjunto de cola, en la mayora de loshelicpteros RC, el rotor de cola se aloja en el extremo de un tubo recto que est montado auna cierta distancia por debajo del rotor principal. La distancia entre el plano del rotor y eltubo de cola est definida por el diseador del helicptero. ste necesita una distanciamnima de seguridad para que en una maniobra brusca las palas del rotor principal nochoquen contra el tubo de cola.

As, el centro del rotor de cola montado en el extremo del tubo de cola recto quedar pordebajo del plano del rotor principal. Esto tiene como efecto, que la fuerza del rotor de colaque crea el antipar no est alineada con la fuerza de par del rotor principal que tiene suorigen exactamente en el plano de rotor:


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Si nos imaginamos el fuselaje del helicptero libremente colgado debajo del rotor principal,veremos cmo la fuerza del rotor de cola no se encuentra en lnea con el plano del rotorprincipal, por lo que al actuar sobre el fuselaje, lo desva y produce la inclinacin de ste.

El nivel de desviacin depende de varios factores: El peso del fuselaje, la posicin del centrode gravedad, la distancia a la que est por debajo el rotor de cola y naturalmente de laintensidad de la fuerza que genera el rotor de cola ...y sta depende a su vez del tamao delrotor principal, el paso de las palas y las revoluciones por minuto a la que gira el rotorprincipal. Generalmente, cuanto ms pequeo sea el helicptero, ms se apreciar esteefecto. Por ejemplo en el Piccolo de Ikaruseste efecto es tan acusado, que el fabricanteincluso ha diseado los patines a diferentes alturas para disimularlo un poco y mejorar laestabilidad en el aterrizaje.

La solucin para evitar este efecto de inclinacin es bastante sencillo. Slo hace falta que elcentro del rotor de cola se encuentre en una altura con el plano del rotor principal, como porejemplo en el helicptero BO105:

Pero como ya coment ms arriba, la realizacin tcnica es bastante ms complicada. Senecesitan ms piezas, stas aumentan el peso del modelo y son fuentes adicionales deposibles fallos o imprecisiones en forma de holguras... En los helicpteros RC 'sport' seguroque no vale la pena. Esto slo ser algo para los especialistas en maquetas.
http://www.skytechnologies.net/piccolo/index.htmlhttp://www.skytechnologies.net/piccolo/index.html


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La dinmica del rotor

El secreto de un mando cclico preciso y un vuelo suave est en el perfecto equilibrado delrotor. Sin embargo se conocen dos tipos de equilibrado: el esttico y el dinmico. Dondeest la diferencia y cual es el idneo en que caso?

El rotor principal es la pieza central de cada helicptero. A fin de cuentas mantiene todo elaparato en el aire y mediante un complejo sistema de mandos permite que se pueda inclinara todos los lados. Las palas en giro representan una considerable masa en movimientocircular que est expuesta a una serie de fuerzas. Para entender la razn de un equilibradodinmico, primero tenemos que hacer una pequea excursin y analizar las cargas que sufreel rotor de un helicptero.

Como siempre nos miramos el tema desde el principio. El rotor situado encima del cuerpo delhelicptero genera mediante rotacin la suficiente fuerza de sustentacin como para vencerel peso de todo el aparato.

Si ahora sacamos una pala del sistema y analizamos qu fuerzas actan exactamentemientras se somete a rotacin, encontraremos las siguientes tres: 1.- La fuerza verticalhacia abajo que genera el propio peso de la pala, 2.- la fuerza opuesta hacia arriba, que es lafuerza de sustentacin y deber levantar todo el helicptero y 3.- finalmente la fuerzacentrfuga de la masa en rotacin que es la pala.

sta ltima, la fuerza centrfuga, es de largo la ms elevada de todas! La fuerza del propiopeso es la ms reducida y ser completamente absorbida por la de sustentacin, que apartedel peso de la pala deber levantar todo el modelo. Es decir que en todo caso, en unhelicptero en vuelo, habr una pareja de fuerzas que atacan la pala del rotor: Una haciaarriba que intentar levantar la pala y otra hacia afuera que intentara bajarla, o mejor dicho,alinearla a un ngulo recto con el eje de giro. Esto tiene como consecuencia, que el extremo
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exterior de la pala se elevar ms o menos por encima del centro del rotor siguiendo asi consu giro de rotacin la forma de un cono con la punta hacia abajo. Por ello el ngulo que seforma se denomina ngulo de cono.

El valor de este ngulo depende del nmero de revoluciones por minuto que gira el rotor, delpeso del modelo, del peso de las palas y del ngulo de paso de las palas. Y aunque parezcaque no, SIEMPRE hay un ngulo de cono. Esto es ley fsica!

En la siguiente imagen se puede apreciar en un Raptor 30 en vuelo estacionario, unas 1.600r.p.m. en el rotor principal, un peso de aproximadamente 2.900g y de 3 a 4 de pasopositivo en las palas.

El ngulo de cono disminuye con el tamao de los modelos. Porque? Principalmente porqueel nmero de revoluciones por minuto del rotor puede ser ms elevado. Esto es debido a que

el nmero de revoluciones est limitado por dos factores. Por un lado por la fuerza centrfugaque pueden soportar componentes como el portapalas, eje central, rodamientos, tornillos,etc., y por otro lado la velocidad de las puntas de las palas. Ambos factores incrementan conel aumento de revoluciones y tamao. Cuanto ms grande el rotor, ms pesadas las palas ymayor la velocidad de la punta de las palas debido a la mayor distancia que recorre la puntaen una circunferencia de mayor dimetro. En cambio, cuanto ms pequeo el rotor, a msrevoluciones por minuto lo podremos girar.

Esto se puede observar en las siguientes fotos: Si bien en el Dragonfly 35el ngulo de conocasi es inapreciable (pero est ah!)...
http://www.skytechnologies.net/dragonfly/index.htmlhttp://www.skytechnologies.net/dragonfly/index.html


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...en el helicptero real es muy acusado:

Pero qu tiene que ver ahora toda esta explicacin con el equilibrado dinmico o esttico?

Para eso es necesario hacer una excursin a la fsica. Analicemos la situacin concreta de lasiguiente imagen:

Fz: fuerza centrfuga (N)m: masa (kg)v: velocidad (m/s)r: radio (m)t: tiempo (s)

En este caso, en la pala izquierda el centro de gravedad est situado a 300mm del eje delrotor y el peso es de 170g. En la pala derecha el centro de gravedad est situado a 250mm yel peso de la pala es de 204g. Es decir, una pala pesa 170g y la otra 204g. Rpidamente


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tenderamos a pensar que este rotor no puede estar equilibrado, puesto que las palas tienenuna diferencia de peso de 34g. Sin embargo s lo est! Porque las distancias de los centrosde gravedad son diferentes y en este caso coinciden exactamente para que el sistema esten equilibrio.

Esto cuenta tanto para el equilibrio esttico (el rotor no gira) como el dinmico (el rotor est

en giro). Aunque parezca que la fuerza centrfuga debera de ser ms alta en la pala demayor peso, sta tambin tiene una dependencia de la distancia a la que se encuentra elcentro de gravedad del eje y en este caso tambin coincide.

Pero este caso slo es vlido si las palas se encuentran exactamente en ngulo recto con eleje central. Ahora es donde entra en juego el ngulo de cono explicado arriba... Si ahoradoblamos las palas hacia arriba debido a las cargas aerodinmicas, los diferentes centros degravedad se sitan a una altura diferente a lo largo del eje del rotor y esto es lo quefinalmente causar vibraciones:

En resumen, si queremos un rotor perfectamente equilibrado, deberemos hacer coincidir

tanto los pesos como los centros de gravedad de ambas palas. Por otro lado, como vimosarriba, cuanto ms pequeo el helicptero y ms altas las revoluciones del rotor principal,menos ngulo de cono y menos influencia de este desequilibrio. Es ms, la experiencia hademostrado que todo rotor que gira a ms de 2.000rpm la diferencia entre un equilibradodinmico y un esttico ya no es perceptible...

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