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UAV Navigation en profundidad: Autorotación para helicópteros UAV

INTRODUCCION

 

1.   Una de las habilidades básicas y más importantes que cualquier piloto (humano) de helicóptero aprende y debe practicar regularmente es la capacidad de autorrotar de forma segura. Es decir, que en caso de fallo del motor o del rotor de cola, la aeronave pueda descender y aterrizar con seguridad bajo control. Aunque obviamente no hay tripulación humana, para los helicópteros no tripulados existe también el mismo requisito de reducir al mínimo (o incluso eliminar) cualquier peligro para las personas que se encuentra en tierra y también cualquier daño al UAV que pueda como consecuencia de ese fallo del motor o del rotor de cola.

 

 

¿QUÉ ES LA AUTORROTACIÓN?

 

2.   La autorrotación se define como un estado de vuelo en el que el sistema de rotor principal de un helicóptero o aeronave similar gira por la acción del aire que se desplaza hacia arriba a través del disco del rotor, como en el caso de un autogiro, en lugar de la potencia del motor que impulsa el rotor. Por lo tanto, la autorotación es análoga al vuelo de planeo de una aeronave de ala fija.
 


3.   En el vuelo normal de un helicóptero con motor, el aire es atraído hacia el sistema de rotor principal desde arriba y expulsado hacia abajo, pero durante la autorrotación, el aire se mueve hacia arriba en el sistema de rotor desde abajo a medida que el helicóptero desciende. La autorrotación es posible mecánicamente debido tanto a una unidad de giro libre, que permite que el rotor principal siga girando aunque el motor no esté en marcha, como a las fuerzas aerodinámicas del viento relativo que mantienen la velocidad del rotor.
 

 

AUTOPILOTOS Y AUTORROTACIÓN

 

4.   El piloto automático VECTOR de UAV Navigation es uno de los pocos autopilotos que tiene una capacidad de autorrotación completamente funcional. Esta capacidad se desarrolló como parte de los requisitos para un cliente de nivel 1 que utilizaba un helicóptero Enstrom 480B que pasó de ser una aeronave tripulada estándar a un UAV en 2017. La funcionalidad se ha seguido probando y demostrando en otros UAV más pequeños, incluido un helicóptero con motor de pistón y disco de rotor de 2 m de configuración convencional.

 

5.   La física de la autorrotación ('auto') es compleja. La siguiente descripción informal tiene por objeto dar una comprensión muy básica de las fuerzas implicadas.

 

FÍSICA DE LA AUTORROTACIÓN - LOS FUNDAMENTOS

 

6.   Podemos analizar el funcionamiento de las aspas de un rotor durante un viaje en coche, usando nuestro brazo como el ala simétrica de un avión. Si el ala apunta ligeramente hacia arriba mientras vuela por el aire, se eleva en parte porque hay una mayor presión de aire debajo que encima de ella. Saque la mano por la ventanilla de un coche que se mueva rápido. Pronto sentirá cómo funciona. Incline su mano un poco hacia arriba en la parte delantera e inmediatamente sentirá el levantamiento. En los helicópteros esto se llama cabeceo positivo y si inclina su mano hacia abajo (cabeceo negativo) obtendrá el efecto contrario.


 
7.   Sin embargo, si miramos más minuciosamente lo que está pasando aquí, hay otras fuerzas trabajando. Esta elevación no es gratuita, algo tiene que proporcionar la energía para el sistema y en una aeronave, esta es suministrada por el motor. Las turbinas eólicas trabajan al revés: el aire en movimiento, actuando sobre una "pala de rotor" con inclinación negativa, hace que las palas del rotor giren dando como resultado la producción de energía útil.


 
8.   Sin embargo, no basta con proporcionar una cantidad fija de inclinación negativa. Aunque se podría conservar una cierta cantidad de control cíclico, no sería eficiente y no daría lugar a un descenso controlado al suelo. Se requiere un mayor control de la actitud de la aeronave (incidencia al viento relativo) y de inclinación colectiva.


 
9.   Una pala que se mueve por el aire crea resistencia. La resistencia "tira" de la pala del rotor en la dirección de la "entrada" (la dirección desde la que el aire se aproxima a la pala del rotor). Cuando el helicóptero está en tierra con las palas girando, el aire se aproximará efectivamente a cada pala en forma horizontal, es decir, en ángulo recto al eje de rotación. Sin embargo, durante una autorrotación el helicóptero está descendiendo y, por lo tanto, el aire se aproxima realmente a la pala ligeramente desde abajo. Si la pala gira muy rápido, este ángulo tiende a ser poco profundo y, por el contrario, si la pala gira relativamente despacio, el ángulo es mayor (véase el diagrama 1).

 

Autorrotation Diagram 1

 

10.   También debemos considerar el hecho de que, a diferencia del ala de un avión, la pala del rotor gira en círculo y la punta gira mucho más rápido que la raíz. Esto implica que el ángulo de entrada variará a lo largo de la longitud de la pala. Este punto es crucial para la física de la autorrotación.


 
11.   La siguiente fuerza a considerar es la elevación que está en ángulo recto con la entrada (ver Diagrama 2). Obsérvese que la longitud de cada línea de fuerza tiene por objeto dar una idea de la fuerza relativa de esa fuerza, es decir, una línea corta representa una fuerza más débil que una larga. Estas líneas se conocen como vectores.

 

Autorrotation Diagram 2

 

12.   Los efectos de elevación y arrastre se combinan para formar la "fuerza aerodinámica resultante total", en otras palabras, el resultado de sumar estas dos fuerzas. Utilizando la inclinación positiva dentro de ciertos límites es posible que esta fuerza combinada esté delante del eje de rotación (como en el diagrama) y tenderá a impulsar la pala del rotor hacia delante. Si está detrás del eje de rotación tenderá a frenar las palas.


 
13.   El resultado es que un piloto humano, y también el autopiloto VECTOR, es capaz de fijar la inclinación colectiva y cíclica de las palas en un ángulo de ataque preciso y positivo en el que la raíz de la pala del rotor está en pérdida, pero la punta de la pala está siendo impulsada y generando elevación de la misma manera que si el motor estuviera todavía encendido y la sección media de la pala estuviera en un estado especial en el que está creando elevación y haciendo girar el rotor. Esto se representa en el diagrama 3.

 

Autorrotation Diagram 3

 

14.   En la parte de 'pérdida' de la pala (la raíz), el flujo de entrada está golpeando la pala en un ángulo bastante grande porque en este punto la pala del rotor no está girando muy rápido. Si observamos los vectores de fuerza, podemos ver que la elevación es pequeña y la resistencia es relativamente grande, por lo que en este punto las fuerzas tenderán a reducir la rotación de las palas. Esto se conoce como la región de pérdida.


 
15.   En la parte "impulsada" de la pala (punta de la pala) la pala se desplaza a una velocidad mucho mayor por el aire, la entrada se aproxima a la pala en un ángulo mucho menos profundo y, aunque hay mayor elevación, también hay mayor arrastre que resulta en una fuerza combinada que está detrás del eje de rotación, es decir, que tiende a frenar las palas. Esto se conoce como la región impulsada porque esta parte de la pala tiene que ser impulsada por el aire para mantenerla en rotación.


 
16.   En la parte impulsora de la pala, la entrada está en un ángulo que produce una buena elevación y que la elevación y la resistencia se combinan para producir una fuerza que está delante del eje de rotación, en otras palabras, impulsando los rotores. Esto se conoce como la región de impulsión.


 
17.   El punto clave es que la máxima eficiencia en la autorrotación se logra equilibrando las regiones impulsada e impulsora para producir el descenso más lento posible.


 
18.   Está claro que no basta con que el autopiloto siga aplicando inclinación positiva cuando se detecta una falla en el motor; la inclinación positiva hará que las aspas dejen de girar y el avión caerá como una piedra. Tampoco es suficiente que el autopiloto simplemente establezca un ángulo negativo muy alto de ataque; el helicóptero comenzará a descender muy rápidamente y el flujo de entrada será de un ángulo tan alto que toda la longitud de la pala estará en la "región de pérdida".

 

LAS DOS FASES DE AUTORROTACIÓN

 

19.   El uso de un piloto automático para realizar un descenso controlado de autorrotación puede dividirse en dos fases:
 


19.1.   Fase 1 - Autorotación.   Durante esta fase el autopiloto debe detectar el fallo del motor o de la transmisión y la consiguiente falta de potencia del rotor principal. Debe gestionar la inclinación colectiva, asegurando un equilibrio entre la velocidad de rotación y la elevación. Para ello, el UAV debe estar equipado con un sensor que informe de las revoluciones del rotor principal al autopiloto.
 
19.2.   Fase 2 - Bengala y aterrizaje.   A medida que el helicóptero se acerca al suelo es necesario que el autopiloto reduzca la velocidad de descenso para producir una velocidad de aterrizaje segura (la maniobra de "flare"). Para medir con precisión la distancia restante entre la aeronave y el suelo, se debe instalar en el UAV un altímetro de radar o láser o un dispositivo similar. La capacidad de la aeronave para realizar el flaretambién dependerá de la cantidad de energía almacenada en el disco del rotor, de ahí la necesidad de que el autopiloto gestione correctamente el descenso.


 
20.   Para obtener más información sobre la capacidad de autorrotación de VECTOR y para saber cómo se puede utilizar para mejorar la seguridad de la plataforma de los helicópteros no tripulados, no dude en ponerse en contacto con UAV Navigation.

 

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About

UAV Navigation is a privately-owned company that has specialized in the design of flight control solutions for Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) since 2004. It is used by a variety of Tier 1 aerospace manufacturers in a wide range of UAV - also known as Remotely Piloted Aircraft Systems (RPAS) or 'drones'. These include high-performance tactical unmanned planes, aerial targets, mini-UAVs and helicopters.