¿Por qué los helicópteros no utilizan ruedas de reacción para contrarrestar el rotor principal?

Question

Como dice el título principal. Me estoy preguntando sobre los helicópteros. El rotor de cola es una pieza vulnerable y clave, especialmente en los helicópteros militares. Sé que algunos helicópteros utilizan en cambio dos rotores principales (por ejemplo el KA-50).

¿Por qué no utilizar una rueda de reacción? El motor principal podría alimentar la rueda, y ésta podría colocarse en una zona blindada y menos vulnerable a la munición de fragmentación. ¿Es porque cualquier rueda de reacción sería prohibitivamente grande?

Answer 1

Se trata de un dispositivo (en los helicópteros, el ventilador de cola, que proporciona un empuje horizontal) que contrarresta el par de torsión que el aire circundante ejerce sobre el rotor principal (y, por tanto, sobre el helicóptero) cuando éste es arrastrado por el aire.

Usted propone, en cambio, impartir un par opuesto a través de una rueda de reacción. Eso sí impartiría un par opuesto durante cortos periodos de tiempo . Sin embargo, no se obtiene un par motor al hacer girar una rueda de reacción a velocidad angular constante, sino al cambiando y acelerando esa velocidad angular.

Ahora, el par de torsión impartido al helicóptero por el aire a través del rotor principal es constante, o al menos su dirección es más o menos constante. Por lo tanto, para contrarrestar ese par, la rueda de reacción tendría que acelerado de manera uniforme e indefinida. Es evidente que esto es imposible desde el punto de vista de la ingeniería.

También se puede pensar en esto desde una conservación del momento angular, sin pensar en el origen de los pares. El aire imparte un impulso angular constante al helicóptero. Por lo tanto, el momento angular del sistema del helicóptero debe aumentar constantemente (a menos que haya un par de torsión contrario del ventilador de cola). Así que, o bien ese momento angular es el giro del cuerpo del helicóptero (que es lo que estamos tratando de evitar) o el de la rueda de reacción, cuyo momento angular debe estar aumentando constantemente bajo la acción del impulso angular al sistema.

Answer 2

Esto es realmente una pregunta de ingeniería, imo, pero me gusta la física aplicada.

Existe una alternativa a las ruedas de reacción, es decir, propulsores en la parte trasera que permiten a la máquina acercarse a los árboles, a las líneas eléctricas y, en general, operar con la mayor seguridad posible en espacios reducidos.

Además, muchos modelos de helicópteros utilizan rotores traseros canalizados, como el que se muestra a continuación.

Para contrarrestar el peso de la máquina, y el par del rotor principal del helicóptero, la rueda de reacción, como estoy seguro de que sabes, tendría que ser muy pesada, o tener una velocidad angular seria, para lograr un momento angular suficiente y desempeñar un papel útil de restauración de la estabilidad.

La prueba de fuego para el diseño de un helicóptero es, en mi opinión, si los militares incorporan las ideas. Si no lo hacen, probablemente haya un inconveniente que impida seguir investigando.

EDIT Las otras respuestas sobre la aceleración de la rueda de reacción explican más o menos la línea anterior, no es sólo un inconveniente Es imposible ponerlo en práctica. Debería investigar más sobre la mecánica de las ruedas de reacción antes de responder. C'est la vie. FIN DE EDICIÓN

Answer 3

En cuanto a las leyes de la física, podrías hacerlo si cada cierto tiempo utilizas el momento angular almacenado en el volante para invertir rápidamente la dirección del rotor principal y luego empezar a acumular momento angular en la otra dirección.

Desventajas: Vaya, ¿por dónde empezar? Se necesitan palas de rotor simétricas, y por lo tanto probablemente menos eficientes, y una disposición más compleja del plato oscilante. Se necesita un eje principal y unos accesorios de las palas que puedan transferir pares insanos al rotor durante la maniobra de inversión. Se necesitan disposiciones complejas para que el motor ejerza un par finamente controlado sobre el volante en una amplia gama de velocidades. Y será un viaje muy emocionante si la elevación desaparece durante medio segundo de vez en cuando mientras el rotor invierte.

Answer 4

Me parece una idea muy interesante, pero evidentemente, habría que utilizar la rueda como giroscopio . El simple hecho de hacer girar una rueda coaxial al rotor no lograría en absoluto el objetivo, ya que elaborado por Rod Vance .

Lo que tendrías que hacer en su lugar es montar la rueda verticalmente . La rueda giraría a una velocidad constante alta. Ahora, el rotor genera un par motor en dirección perpendicular al momento angular del giroscopio. Debido a la forma en que se suma el momento angular, el resultado sería un movimiento no tanto en guiñada, sino en cabeceo/rodamiento dirección. Se podría decir ahora que esto sólo sustituye un problema por otro, pero no del todo: a diferencia de la guiñada, se puede contrarrestar el cabeceo y el balanceo sólo con el rotor principal, mediante el uso de cíclico .

Sin embargo, eso no sería suficiente: para "transferir" realmente el par entre las direcciones, es necesario cambiar el eje de rotación de la rueda. En otras palabras, el helicóptero seguiría girando, pero más despacio. Para algunos propósitos, esto podría estar bien, al menos en un helicóptero teledirigido. Pero para la mayoría de las aplicaciones, se necesitaría un mecanismo de cardán para cambiar el eje de la rueda sin hacer girar el cuerpo del helicóptero. Esto complicaría bastante la construcción.

Es muy probable que todo esto no sea práctico, pero sin duda sería interesante probar este concepto con un dron de juguete.

Answer 5

No es posible utilizar una rueda de reacción o cualquier otro medio para resistir el par de torsión por la energía almacenada en un giroscopio como se ha mencionado anteriormente. Un mecanismo como una rueda giratoria o rueda volante funcionaría en base a su inercia angular, J, que es directamente proporcional a su masa y la cantidad de par que puede guardar y entregar no es nealmente suficiente para contrarrestar el par del rotor principal ni siquiera por unos segundos para una masa de digamos 100 libras de rueda que es carga muerta. Es necesario acelerar continuamente porque su par disponible ya se ha gastado para contrarrestar el rotor. Muy pronto se llega a velocidades angulares que están más allá de cualquier tecnología razonable.

Utilicemos la hélice de una Cessna 172 como ejemplo de rueda de reacción. Pesa aproximadamente 50 libras y tiene un diámetro de 72 pulgadas (el radio está relacionado exponencialmente con J). En el despegue o durante algunas maniobras acelera de 500 rpm a 2500 rpm en un par de segundos y es de esperar un gran par con el que hay que lidiar. Es cierto que hay una cierta cantidad de par, pero incluso para mí, como piloto que debería anticiparlo, no siento mucho nada. Sólo oigo el rugido del motor al acelerar.

El ventilador de cola tiene una confianza fácilmente controlable con un pequeño coste de energía y se puede acoplar a una caja de cambios automática para que funcione sin problemas con los controles de cabeceo y guiñada, y proporciona cierta inercia de autoequilibrio.