Hélice (aeronáutica)

En aeronáutica, una hélice de avión, también llamada hélice de aire, convierte el movimiento rotatorio de un motor u otra fuente de energía en una corriente de aire que empuja la hélice hacia adelante o hacia atrás. Está compuesta por un cubo giratorio accionado por energía, al que se unen varias palas de sección aerodinámica radial de manera que todo el conjunto gira alrededor de un eje longitudinal. El paso de las palas puede ser fijo, variable manualmente a unas pocas posiciones establecidas, o del tipo de "velocidad constante" variable automáticamente.

La hélice se conecta al eje de transmisión de la fuente de energía directamente o a través de un engranaje reductor. Las hélices pueden estar hechas de madera, metal o materiales compuestos.

Las hélices son más adecuadas para su uso a velocidades aerodinámicas subsónicas, generalmente por debajo de los 770 km/h (480 mph), aunque se alcanzaron velocidades supersónicas en el avión experimental equipado con hélice McDonnell XF-88B. Las velocidades supersónicas en la punta se utilizan en algunos aviones como el Tupolev Tu-95, que puede alcanzar los 925 km/h (575 mph).

Las primeras referencias sobre el vuelo vertical proceden de China. Desde el año 400 a. C., los niños chinos han jugado con juguetes voladores de bambú. Este helicóptero de bambú se hace girar haciendo rodar entre las manos un palo unido a un rotor. El giro crea sustentación y el juguete vuela cuando se suelta. El libro taoísta del siglo IV d. C. Baopuzi de Ge Hong (抱朴子 "Maestro que abraza la simplicidad") describe algunas de las ideas inherentes a los aviones de ala giratoria.

Diseños similares al helicóptero de juguete chino aparecieron en pinturas y otras obras del Renacimiento.

No fue hasta principios de la década de 1480, cuando Leonardo da Vinci creó un diseño para una máquina que podría describirse como un "tornillo aéreo", que se registró algún avance hacia el vuelo vertical. Sus notas sugerían que construyó pequeños modelos voladores, pero no había indicaciones de ninguna disposición para evitar que el rotor hiciera girar la nave. A medida que el conocimiento científico aumentó y fue más aceptado, el hombre continuó persiguiendo la idea del vuelo vertical. Muchos de estos modelos y máquinas posteriores se asemejarían más a la antigua peonza voladora de bambú con alas giratorias, en lugar del tornillo de Leonardo.

En julio de 1754, el ruso Mijail Lomonosov había desarrollado un pequeño aparato coaxial inspirado en la peonza china, pero accionado por un dispositivo de resorte enrollado, y lo había demostrado en la Academia Rusa de Ciencias. Funcionaba con un resorte y se sugirió como método para elevar instrumentos meteorológicos. En 1783, Christian de Launoy y su mecánico, Bienvenido, utilizaron una versión coaxial de la peonza china en un modelo que consistía en plumas de pavo contrarrotatorias como palas de rotor y, en 1784, lo demostraron en la Academia Francesa de Ciencias. Jean Baptiste Marie Meusnier presentó un dirigible en 1783. Los dibujos muestran una envoltura aerodinámica de 260 pies de largo (79 m) con globos internos que podrían usarse para regular la sustentación. El dirigible fue diseñado para ser impulsado por tres hélices. En 1784, Jean-Pierre Blanchard instaló una hélice accionada manualmente en un globo, el primer medio de propulsión registrado que se llevó a cabo en el aire. Sir George Cayley, influenciado por su fascinación infantil por las peonzas chinas, desarrolló un modelo de plumas, similar al de Launoy y Bienvenido, pero accionado por bandas elásticas. A finales de siglo, había avanzado hasta utilizar láminas de estaño para las palas del rotor y resortes para la energía. Sus escritos sobre sus experimentos y modelos influirían en los futuros pioneros de la aviación.

William Bland envió diseños para su "Dirigible atmosférico" a la Gran Exposición celebrada en Londres en 1851, donde se exhibió un modelo. Se trataba de un globo alargado con un motor de vapor que impulsaba dos hélices suspendidas debajo. Alphonse Pénaud desarrolló juguetes de helicópteros modelo con rotor coaxial en 1870, también impulsados por bandas de goma. En 1872, Dupuy de Lome lanzó un gran globo navegable, que era impulsado por una gran hélice girada por ocho hombres. Hiram Maxim construyó una nave que pesaba 3,5 toneladas largas (3,6 t), con una envergadura de 110 pies (34 m) que era impulsada por dos motores de vapor de 360 hp (270 kW) que impulsaban dos hélices. En 1894, su máquina fue probada con rieles superiores para evitar que se elevara. La prueba demostró que tenía suficiente sustentación para despegar. Uno de los juguetes de Pénaud, que les regaló su padre, inspiró a los hermanos Wright a perseguir el sueño de volar. Los hermanos Wright fueron pioneros en la forma de perfil aerodinámico retorcido de la hélice de un avión. Si bien algunos ingenieros anteriores habían intentado modelar hélices de aire sobre hélices marinas, los hermanos Wright se dieron cuenta de que una hélice es esencialmente lo mismo que un ala y pudieron usar datos de sus experimentos anteriores en túneles de viento sobre alas, introduciendo una torsión a lo largo de las palas. Esto era necesario para mantener un ángulo de ataque más uniforme de la pala a lo largo de su longitud. Las palas de su hélice original tenían una eficiencia de aproximadamente el 82%, en comparación con el 90% de una pequeña hélice de aviación general moderna (2010), la McCauley de 3 palas utilizada en un avión Beechcraft Bonanza. Roper cita un 90% para una hélice para un avión propulsado por humanos.

La caoba fue la madera preferida para las hélices durante la Primera Guerra Mundial, pero la escasez en tiempos de guerra alentó el uso de nogal, roble, cerezo y fresno. Alberto Santos Dumont fue otro pionero, ya que había diseñado hélices antes que los hermanos Wright para sus dirigibles. Aplicó el conocimiento que adquirió de sus experiencias con dirigibles para hacer una hélice con un eje de acero y palas de aluminio para su biplano 14 bis en 1906. Algunos de sus diseños usaban una hoja de aluminio doblada para las palas, creando así una forma aerodinámica. Estaban muy subcombadas, y esto, junto con la ausencia de torsión longitudinal, las hacía menos eficientes que las hélices Wright. Aun así, este fue quizás el primer uso de aluminio en la construcción de una hélice. Originalmente, un perfil aerodinámico giratorio detrás del avión, que lo empuja, se llamaba hélice, mientras que uno que tiraba desde el frente era tractor. Más tarde, el término "empujador" se utilizó para describir el diseño de hélices. Se adoptó el término "hélices" para el dispositivo montado en la parte trasera en contraste con la configuración del tractor y ambos comenzaron a denominarse "hélices" o "hélices de aire". La comprensión de la aerodinámica de las hélices de baja velocidad estaba bastante completa en la década de 1920, pero los requisitos posteriores para manejar más potencia en un diámetro más pequeño han hecho que el problema sea más complejo.

La investigación sobre hélices para el Comité Asesor Nacional de Aeronáutica (NACA) estuvo dirigida por William F. Durand desde 1916. Los parámetros medidos incluían la eficiencia de la hélice, el empuje desarrollado y la potencia absorbida. Si bien una hélice puede probarse en un túnel de viento, su rendimiento en vuelo libre puede variar. En el Laboratorio Aeronáutico Langley Memorial, E. P. Leslie utilizó Vought VE-7 con motores Wright E-4 para obtener datos sobre vuelo libre, mientras que Durand utilizó un tamaño reducido, con una forma similar, para los datos del túnel de viento. Sus resultados se publicaron en 1926 como el informe NACA n.° 220.

Lowry cita una eficiencia de la hélice de aproximadamente el 73,5% en crucero para un Cessna 172. Esto se deriva de su "enfoque Bootstrap" para analizar el rendimiento de aeronaves ligeras de aviación general que utilizan hélices de paso fijo o velocidad constante. La eficiencia de la hélice está influenciada por el ángulo de ataque (α). Esto se define como α = Φ - θ, donde θ es el ángulo de hélice (el ángulo entre la velocidad relativa resultante y la dirección de rotación de la pala) y Φ es el ángulo de paso de la pala. Los ángulos de paso y de hélice muy pequeños dan un buen rendimiento contra la resistencia pero proporcionan poco empuje, mientras que los ángulos más grandes tienen el efecto opuesto. El mejor ángulo de hélice es cuando la pala actúa como un ala produciendo mucha más sustentación que resistencia. Sin embargo, la "sustentación y resistencia" es solo una forma de expresar la fuerza aerodinámica sobre las palas. Para explicar el rendimiento de un avión y de un motor, la misma fuerza se expresa de forma ligeramente diferente en términos de empuje y par, ya que la potencia requerida de la hélice es el empuje. El empuje y el par son la base de la definición de la eficiencia de la hélice, como se muestra a continuación. La relación de avance de una hélice es similar al ángulo de ataque de un ala.

La eficiencia de una hélice está determinada por

${\displaystyle \eta ={\fc {\hbox{propulsive power out}{\hbox{shaft power {\hbox{\hbox{thrust}}} {\hbox{\hbox{axial speed}}}}} {\hbox{resistance torque}}}}\cdot {\hbox{rotational speed}}}}}}}}}}}}} {\cdot {\hbox{\hbox{\hbox{\hbox{y0}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} {\$

Las hélices son similares en su perfil aerodinámico a un ala de baja resistencia y, como tales, su funcionamiento es deficiente cuando se encuentran en un ángulo de ataque distinto al óptimo. Por lo tanto, la mayoría de las hélices utilizan un mecanismo de paso variable para alterar el ángulo de paso de las palas a medida que cambian la velocidad del motor y la velocidad de la aeronave.

Otra consideración es el número y la forma de las palas utilizadas. Aumentar la relación de aspecto de las palas reduce la resistencia, pero la cantidad de empuje producido depende del área de la pala, por lo que el uso de palas de gran aspecto puede dar como resultado un diámetro de hélice excesivo. Un equilibrio adicional es que el uso de un número menor de palas reduce los efectos de interferencia entre las palas, pero tener suficiente área de palas para transmitir la potencia disponible dentro de un diámetro determinado significa que se necesita un compromiso. Aumentar el número de palas también disminuye la cantidad de trabajo que cada pala debe realizar, lo que limita el número de Mach local, un límite de rendimiento significativo en las hélices. El rendimiento de una hélice sufre cuando el flujo transónico aparece por primera vez en las puntas de las palas. Como la velocidad relativa del aire en cualquier sección de una hélice es una suma vectorial de la velocidad de la aeronave y la velocidad tangencial debido a la rotación, el flujo sobre la punta de la pala alcanzará la velocidad transónica mucho antes que la aeronave. Cuando el flujo de aire sobre la punta de la pala alcanza su velocidad crítica, la resistencia al arrastre y al par aumentan rápidamente y se forman ondas de choque que crean un aumento brusco del ruido. Por lo tanto, los aviones con hélices convencionales no suelen volar a velocidades superiores a Mach 0,6. Ha habido aviones con hélices que han alcanzado velocidades de hasta Mach 0,8, pero la baja eficiencia de las hélices a esta velocidad hace que estas aplicaciones sean poco frecuentes.

La punta de una pala de hélice se desplaza más rápido que el eje. Por lo tanto, es necesario que la pala esté torcida para disminuir gradualmente el ángulo de ataque de la pala y, por lo tanto, producir una sustentación uniforme desde el eje hasta la punta. El mayor ángulo de incidencia, o el paso más alto, se encuentra en el eje, mientras que el menor ángulo de incidencia o el paso más pequeño se encuentra en la punta. Una pala de hélice diseñada con el mismo ángulo de incidencia en toda su longitud sería ineficiente porque, a medida que aumenta la velocidad del aire en vuelo, la parte cercana al eje tendría un AOA negativo, mientras que la punta de la pala se detendría.

Se han hecho esfuerzos para desarrollar hélices y ventiladores para aeronaves a altas velocidades subsónicas. El método es similar al del diseño de alas transónicas. Se utilizan secciones de palas delgadas y las palas están inclinadas hacia atrás en forma de cimitarra (hélice de cimitarra) de una manera similar a la flecha del ala, para retrasar la aparición de ondas de choque cuando las puntas de las palas se acercan a la velocidad del sonido. La velocidad relativa máxima se mantiene lo más baja posible mediante un control cuidadoso del paso para permitir que las palas tengan grandes ángulos de hélice. Se utiliza una gran cantidad de palas para reducir el trabajo por pala y, por lo tanto, la fuerza de circulación. Se utilizan hélices contrarrotativas. Las hélices diseñadas son más eficientes que los turboventiladores y su velocidad de crucero (Mach 0,7–0,85) es adecuada para aviones de pasajeros, pero el ruido generado es tremendo (ver el Antonov An-70 y el Tupolev Tu-95 como ejemplos de este tipo de diseño).

Las fuerzas que actúan sobre las palas de una hélice de avión incluyen las siguientes. Algunas de estas fuerzas pueden organizarse para contrarrestarse entre sí, reduciendo las tensiones mecánicas generales impuestas.

Doblado de empuje

Carga fuerte en las cuchillas, en reacción a la fuerza empujando el aire hacia atrás, actuar para doblar las cuchillas hacia adelante. Por lo tanto, a menudo rake hacia adelante, de tal manera que la fuerza centrífuga exterior de la rotación actúa para doblarlas hacia atrás, equilibrando así los efectos de la curvatura.

Retorno centrífugo y aerodinámico

Una fuerza de torsión centrífuga es experimentada por cualquier objeto giratorio asimétrico. En la hélice actúa para retorcer las cuchillas a un buen lanzamiento. Por lo tanto, el centro aerodinámico de presión generalmente se arregla para ser ligeramente hacia adelante de su central mecánica, creando un momento retorcido hacia el tono grueso y contrarrestar el momento centrífugo. Sin embargo, en una inmersión de alta velocidad, la fuerza aerodinámica puede cambiar significativamente y los momentos pueden desequilibrarse.

Centrífuga

La fuerza sentida por las cuchillas actuando para alejarlas del centro al girar. Puede ser arreglado para ayudar a contrarrestar la fuerza de curvatura de empuje, como se describe anteriormente.

Doblado Torque

La resistencia al aire que actúa contra las cuchillas, combinada con efectos inerciales, hace que las cuchillas de hélice se doblen de la dirección de la rotación.

Vibratorio

Muchos tipos de perturbaciones establecieron fuerzas vibratorias en cuchillas. Estos incluyen excitación aerodinámica mientras las cuchillas pasan cerca del ala y el fuselaje. Los motores de Piston introducen impulsos de par que pueden excitar modos vibratorios de las cuchillas y causar fallas de fatiga. Los impulsos de torque no están presentes cuando son impulsados por un motor de turbina de gas.

El propósito de variar el ángulo de paso es mantener un ángulo de ataque óptimo para las palas de la hélice, lo que proporciona la máxima eficiencia durante todo el régimen de vuelo. Esto reduce el consumo de combustible. Solo maximizando la eficiencia de la hélice a altas velocidades se puede lograr la mayor velocidad posible. El ángulo de ataque efectivo disminuye a medida que aumenta la velocidad aerodinámica, por lo que se requiere un paso más grueso a altas velocidades aerodinámicas.

La exigencia de variación de paso se demuestra en el rendimiento de la hélice durante la competición del Trofeo Schneider en 1931. La hélice de paso fijo de la Fairey Aviation Company utilizada se detuvo parcialmente en el despegue y alcanzó una velocidad máxima de 260 km/h (160 mph) hasta los 655,8 km/h (407,5 mph). El amplio rango de velocidad se logró porque no se cumplían algunos de los requisitos habituales para el rendimiento de las aeronaves. No se comprometió la eficiencia de la velocidad máxima, la distancia de despegue no se limitó a la longitud de pista disponible y no hubo requisitos de ascenso.

Las palas de paso variable utilizadas en el Tupolev Tu-95 lo impulsan a una velocidad superior a la máxima que se consideraba posible para un avión propulsado por hélice que utiliza un paso excepcionalmente grueso.

Los primeros controles de paso se operaban con un piloto, ya sea con un pequeño número de posiciones preestablecidas o con una variación continua.

El mecanismo más simple es la hélice ajustable desde el suelo, que puede ajustarse en tierra, pero que en realidad es una hélice de paso fijo una vez en el aire. La hélice VP de "dos velocidades" accionada por resorte se ajusta a velocidad fina para el despegue y luego se activa a velocidad gruesa una vez en crucero, permaneciendo así durante el resto del vuelo.

Después de la Primera Guerra Mundial, se desarrollaron hélices automáticas para mantener un ángulo de ataque óptimo. Esto se logró equilibrando el momento de torsión centrípeto en las palas y un conjunto de contrapesos contra un resorte y las fuerzas aerodinámicas en la pala. Las hélices automáticas tenían la ventaja de ser simples, livianas y no requerir control externo, pero era difícil igualar el rendimiento de una hélice en particular con el del motor del avión.

La hélice de paso variable más común es la hélice de velocidad constante. Esta se controla mediante una unidad de velocidad constante hidráulica (CSU). Ajusta automáticamente el paso de las palas para mantener una velocidad constante del motor para cualquier ajuste de control de potencia dado. Las hélices de velocidad constante permiten al piloto establecer una velocidad de rotación según la necesidad de máxima potencia del motor o máxima eficiencia, y un regulador de hélice actúa como un controlador de circuito cerrado para variar el ángulo de paso de la hélice según sea necesario para mantener la velocidad del motor seleccionada. En la mayoría de las aeronaves, este sistema es hidráulico, y el aceite del motor actúa como fluido hidráulico. Sin embargo, las hélices controladas eléctricamente se desarrollaron durante la Segunda Guerra Mundial y se usaron ampliamente en aeronaves militares, y recientemente han vuelto a usarse en aeronaves de fabricación casera.

Otro diseño es el V-Prop, que es autopropulsado y autónomo.

En la mayoría de las hélices de paso variable, las palas se pueden girar en paralelo al flujo de aire para detener la rotación de la hélice y reducir la resistencia cuando el motor falla o se apaga deliberadamente. Esto se llama emplumar, un término tomado del remo. En los aviones monomotor, ya sean planeadores motorizados o aviones con turbina, el efecto es aumentar la distancia de planeo. En un avión multimotor, emplumar la hélice en un motor inoperativo reduce la resistencia y ayuda al avión a mantener la velocidad y la altitud con los motores operativos. El emplumar también evita el giro de aspas, el giro de los componentes del motor por la rotación de la hélice forzada por la estela; el giro de aspas puede dañar el motor, provocar un incendio o causar daños estructurales al avión.

La mayoría de los sistemas de puesta en bandera para motores alternativos detectan una caída en la presión del aceite y mueven las palas hacia la posición de bandera, y requieren que el piloto tire del control de la hélice hacia atrás para desacoplar los pasadores de tope de paso alto antes de que el motor alcance las RPM de ralentí. Los sistemas de control de turbohélice suelen utilizar un sensor de par negativo en la caja de cambios de reducción, que mueve las palas hacia la posición de bandera cuando el motor ya no proporciona potencia a la hélice. Según el diseño, el piloto puede tener que pulsar un botón para anular los topes de paso alto y completar el proceso de puesta en bandera, o el proceso de puesta en bandera puede ser automático.

El emplumado accidental es peligroso y puede provocar una pérdida aerodinámica, como se vio, por ejemplo, en el vuelo 691 de Yeti Airlines, que se estrelló durante la aproximación debido a un emplumado accidental.

Las hélices de algunas aeronaves pueden funcionar con un ángulo de paso de pala negativo y, por lo tanto, invertir el empuje de la hélice. Esto se conoce como paso beta. El empuje inverso se utiliza para ayudar a reducir la velocidad de la aeronave después del aterrizaje y es particularmente ventajoso cuando se aterriza en una pista mojada, ya que el frenado de las ruedas sufre una menor efectividad. En algunos casos, el paso inverso permite que la aeronave se desplace en reversa, lo que es particularmente útil para sacar hidroaviones de muelles confinados.

Las hélices contrarrotativas se utilizan a veces en aviones bimotores y multimotores con motores montados en las alas. Estas hélices giran en direcciones opuestas a su contraparte en la otra ala para equilibrar los efectos del par y del factor p. A veces se las denomina hélices "de mano derecha" ya que hay versiones de mano izquierda y de mano derecha de cada hélice.

En general, las hélices de ambos motores de la mayoría de los aviones bimotores convencionales giran en el sentido de las agujas del reloj (visto desde la parte trasera del avión). Para eliminar el problema crítico del motor, las hélices contrarrotativas suelen girar "hacia adentro" hacia el fuselaje (en el sentido de las agujas del reloj en el motor izquierdo y en el sentido contrario a las agujas del reloj en el derecho); sin embargo, hay excepciones (especialmente durante la Segunda Guerra Mundial), como el P-38 Lightning, que giraba "hacia afuera" (en el sentido contrario a las agujas del reloj en el motor izquierdo y en el sentido de las agujas del reloj en el derecho) alejándose del fuselaje desde los años de la Segunda Guerra Mundial, y el Airbus A400, cuyos motores internos y externos giran en direcciones opuestas incluso en la misma ala.

Una hélice contrarrotante o contrahélice coloca dos hélices contrarrotantes sobre ejes de transmisión concéntricos de modo que una se asienta inmediatamente "corriente abajo" de la otra hélice. Esto proporciona los beneficios de las hélices contrarrotantes para un solo motor. La hélice delantera proporciona la mayor parte del empuje, mientras que la hélice trasera también recupera la energía perdida en el movimiento giratorio del aire en la estela de la hélice. La contrarrotación también aumenta la capacidad de una hélice para absorber potencia de un motor determinado, sin aumentar el diámetro de la hélice. Sin embargo, el costo adicional, la complejidad, el peso y el ruido del sistema rara vez lo hacen rentable y solo se utiliza en tipos de alto rendimiento donde el rendimiento final es más importante que la eficiencia.

Un ventilador es una hélice con un gran número de aspas. Por lo tanto, un ventilador produce mucho empuje para un diámetro determinado, pero la proximidad de las aspas significa que cada una afecta fuertemente al flujo alrededor de las otras. Si el flujo es supersónico, esta interferencia puede ser beneficiosa si el flujo se puede comprimir a través de una serie de ondas de choque en lugar de una sola. Al colocar el ventilador dentro de un conducto con forma, se pueden crear patrones de flujo específicos según la velocidad de vuelo y el rendimiento del motor. A medida que el aire ingresa al conducto, su velocidad se reduce mientras que su presión y temperatura aumentan. Si el avión está a una velocidad subsónica alta, esto crea dos ventajas: el aire ingresa al ventilador a una velocidad de Mach menor; y la temperatura más alta aumenta la velocidad local del sonido. Si bien hay una pérdida de eficiencia ya que el ventilador está extrayendo un área más pequeña de la corriente libre y, por lo tanto, utilizando menos aire, esto se equilibra con el ventilador entubado que conserva la eficiencia a velocidades más altas donde la eficiencia de la hélice convencional sería deficiente. Un ventilador o hélice con conducto también tiene ciertas ventajas a velocidades más bajas, pero el conducto debe tener una forma diferente a la de uno para vuelos a mayor velocidad. Se absorbe más aire y, por lo tanto, el ventilador funciona con una eficiencia equivalente a una hélice más grande sin conducto. El conducto también reduce el ruido y, si se desprende una pala, el conducto ayudaría a contener el daño. Sin embargo, el conducto agrega peso, costo, complejidad y (hasta cierto punto) resistencia.

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