Rotor basculante
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Un tiltrotor es una aeronave que genera sustentación y propulsión por medio de uno o más rotores motorizados (a veces llamados proprotores) montados en ejes giratorios o góndolas generalmente en los extremos de un ala fija. Casi todos los rotores basculantes utilizan un diseño de rotor transversal, con unas pocas excepciones que utilizan otros diseños de rotores múltiples.
El diseño del rotor basculante combina la capacidad VTOL de un helicóptero con la velocidad y el alcance de un avión de ala fija convencional. Para el vuelo vertical, los rotores están inclinados para que el plano de rotación sea horizontal, generando sustentación de la misma manera que lo hace un rotor de helicóptero normal. A medida que la aeronave gana velocidad, los rotores se inclinan progresivamente hacia adelante y el plano de rotación finalmente se vuelve vertical. En este modo, los rotores proporcionan empuje como una hélice, y el perfil aerodinámico de las alas fijas se hace cargo de proporcionar sustentación a través del movimiento hacia adelante de toda la aeronave. Dado que los rotores se pueden configurar para que sean más eficientes para la propulsión (p. ej., con torsión de la punta de la raíz) y se evitan los problemas de pérdida de palas en retroceso de un helicóptero, el rotor basculante puede alcanzar velocidades de crucero y pesos de despegue más altos que los helicópteros.
Un avión con rotor basculante se diferencia de un ala basculante en que solo el rotor pivota en lugar de todo el ala. Este método compensa la eficiencia en el vuelo vertical por la eficiencia en las operaciones STOL/STOVL.
Historia
El primer trabajo en la dirección de un rotor basculante ('Convertible' francés) parece haberse originado ca. 1902 de los hermanos franco-suizos Henri y Armand Dufaux, del que obtuvieron una patente en febrero de 1904, e hicieron pública su obra en abril de 1905.
Las ideas concretas de construir aeronaves de despegue y aterrizaje vertical (VTOL) utilizando rotores similares a los de un helicóptero se impulsaron aún más en la década de 1930. El primer diseño que se asemeja a los rotores basculantes modernos fue patentado por George Lehberger en mayo de 1930, pero no desarrolló más el concepto. En la Segunda Guerra Mundial, Weserflug en Alemania ideó el concepto de su P.1003/1 alrededor de 1938, que se inclinaba hacia arriba con parte de las alas pero no con las alas completas, por lo que puede estar entre rotor basculante y planos de inclinación. Poco después se desarrolló un prototipo alemán, el Focke-Achgelis Fa 269, a partir de 1942, que se inclinaba hacia el suelo, pero nunca voló. Platt y LePage patentaron el PL-16, el primer avión de rotor basculante estadounidense. Sin embargo, la empresa cerró en agosto de 1946 por falta de capital.
Dos prototipos que lograron volar fueron el Transcendental Model 1-G de un asiento y el Transcendental Model 2 de dos asientos, cada uno propulsado por un solo motor alternativo. El desarrollo comenzó en el Modelo 1-G en 1947, aunque no voló hasta 1954. El Modelo 1-G voló durante aproximadamente un año hasta que se estrelló en la Bahía de Chesapeake el 20 de julio de 1955, destruyendo el prototipo de avión pero sin lesionar gravemente al piloto. El Modelo 2 fue desarrollado y voló poco después, pero la Fuerza Aérea de EE. UU. retiró los fondos a favor del Bell XV-3 y no voló mucho más allá de las pruebas de vuelo estacionario. El Transcendental 1-G es el primer avión de rotor basculante que ha volado y logrado la mayor parte de la transición de un helicóptero a un avión en vuelo (dentro de los 10 grados del vuelo horizontal real del avión).
Construido en 1953, el Bell XV-3 experimental voló hasta 1966, demostrando la solidez fundamental del concepto de rotor basculante y recopilando datos sobre las mejoras técnicas necesarias para futuros diseños.
Un desarrollo tecnológico relacionado es el tiltwing. Aunque dos diseños, el Canadair CL-84 Dynavert y el LTV XC-142, fueron éxitos técnicos, ninguno entró en producción debido a otros problemas. Los rotores basculantes generalmente tienen una mejor eficiencia de vuelo estacionario que los basculantes, pero menos que los helicópteros.
En 1968, Westland Aircraft exhibió sus propios diseños, una pequeña nave experimental (We 01C) y un transporte de 68 plazas We 028, en el SBAC Farnborough Airshow.
En 1972, con fondos de la NASA y el ejército de los EE. UU., Bell Helicopter Textron comenzó el desarrollo del XV-15, un avión de investigación bimotor con rotor basculante. Se construyeron dos aviones para probar el diseño del rotor basculante y explorar la envolvente de vuelo operativo para aplicaciones militares y civiles.
En 1981, utilizando la experiencia adquirida con los XV-3 y XV-15, Bell y Boeing Helicopters comenzaron a desarrollar el V-22 Osprey, un avión militar de rotor basculante de doble turboeje para la Fuerza Aérea y el Cuerpo de Marines de EE. UU.
Bell se asoció con Boeing para desarrollar un motor basculante comercial, pero Boeing se retiró en 1998 y Agusta ingresó por el Bell/Agusta BA609. Este avión fue redesignado como AW609 luego de la transferencia de la propiedad total a AgustaWestland en 2011. Bell también ha desarrollado un vehículo aéreo no tripulado (UAV) con rotor basculante, el TR918 Eagle Eye.
Rusia ha tenido algunos proyectos de rotor basculante, en su mayoría no tripulados, como el Mil Mi-30, y comenzó otro en 2015.
Alrededor de 2005-2010, Bell y Boeing se unieron nuevamente para realizar un estudio conceptual de un Quad TiltRotor (QTR) más grande para el programa Joint Heavy Lift (JHL) del Ejército de EE. UU. El QTR es una versión más grande de cuatro rotores del V-22 con dos juegos de alas en tándem de alas fijas y cuatro rotores basculantes.
En enero de 2013, la FAA definió las reglas de ruido de los rotores basculantes de EE. UU. para cumplir con las reglas de la OACI. Una certificación de ruido costará $588,000, lo mismo que para un helicóptero grande.
AgustaWestland dice que en 2013 volaron libremente un rotor basculante eléctrico tripulado llamado Proyecto Cero, con sus rotores dentro de la envergadura.
En 2013, el director ejecutivo de Bell Helicopter, John Garrison, respondió a la decisión de Boeing de elegir un socio de fuselaje diferente para los futuros requisitos de elevación del Ejército de EE. UU. indicando que Bell tomaría la iniciativa en el desarrollo del Bell V-280. Valor, con Lockheed Martin.
En 2014, el programa Clean Sky 2 (de la Unión Europea y la industria) otorgó a AgustaWestland y sus socios 328 millones de dólares para desarrollar un "motor basculante civil de última generación" diseño para el mercado en alta mar, con Critical Design Review cerca de finales de 2016. Los objetivos son secciones de alas inclinables, peso máximo de despegue de 11 toneladas métricas, asientos para 19 a 22 pasajeros, primer vuelo en 2021, una velocidad de crucero de 300 nudos, un velocidad máxima de 330 nudos, un techo de 25.000 pies y un alcance de 500 millas náuticas.
Consideraciones técnicas
Controles
En vuelo vertical, el rotor basculante utiliza controles muy similares a los de un helicóptero de rotor doble o tándem. La guiñada se controla inclinando sus rotores en direcciones opuestas. El balanceo se proporciona a través de la potencia diferencial o el empuje. El paso se proporciona a través de la inclinación cíclica o de la góndola de las palas del rotor. El movimiento vertical se controla con el paso de las palas del rotor convencional y una palanca de control colectivo de helicóptero convencional (como en el Bell/Agusta BA609) o un control único similar al control de un motor de ala fija llamado palanca de control de empuje (TCL) (como en el Bell/Agusta BA609). Bell-Boeing V-22 Osprey).
Problemas de velocidad y carga útil
La ventaja del rotor basculante es una velocidad significativamente mayor que la de un helicóptero. En un helicóptero, la velocidad máxima de avance está definida por la velocidad de giro del rotor; en algún momento, el helicóptero se moverá hacia adelante a la misma velocidad que el giro del lado del rotor que se mueve hacia atrás, de modo que ese lado del rotor vea una velocidad cero o negativa y comience a entrar en pérdida. Esto limita a los helicópteros modernos a velocidades de crucero de unos 150 nudos/277 km/h. Sin embargo, con el rotor basculante se evita este problema, porque los proprotores son perpendiculares al movimiento en las porciones de alta velocidad del régimen de vuelo (y por lo tanto no están sujetos a esta condición de flujo inverso), por lo que el rotor basculante tiene una velocidad máxima relativamente alta, sobre Se han demostrado 300 nudos/560 km/h en los dos tipos de rotores basculantes volados hasta ahora, y se alcanzan velocidades de crucero de 250 nudos/460 km/h.
Esta velocidad se logra un poco a expensas de la carga útil. Como resultado de esta carga útil reducida, algunos estiman que un rotor basculante no supera la eficiencia de transporte (velocidad por carga útil) de un helicóptero, mientras que otros concluyen lo contrario. Además, el sistema de propulsión del rotor basculante es más complejo que el de un helicóptero convencional debido a las grandes góndolas articuladas y al ala añadida; sin embargo, la mejora de la eficiencia de crucero y la mejora de la velocidad con respecto a los helicópteros es significativa en ciertos usos. La velocidad y, lo que es más importante, el beneficio en el tiempo de respuesta general es la principal virtud que buscan las fuerzas militares que utilizan el rotor basculante. Los rotores basculantes son inherentemente menos ruidosos en vuelo hacia adelante (modo avión) que los helicópteros. Se espera que esto, combinado con su mayor velocidad, mejore su utilidad en áreas pobladas para usos comerciales y reduzca la amenaza de detección para usos militares. Los rotores basculantes, sin embargo, suelen ser tan ruidosos como los helicópteros del mismo tamaño en vuelo estacionario. Las simulaciones de ruido para un rotor basculante para 90 pasajeros indican un ruido de crucero más bajo dentro de la cabina que un avión Bombardier Dash 8, aunque las vibraciones de baja frecuencia pueden ser más altas.
Los rotores basculantes también brindan una capacidad de altitud de crucero sustancialmente mayor que los helicópteros. Los rotores basculantes pueden alcanzar fácilmente 6000 m/20 000 pies o más, mientras que los helicópteros normalmente no superan los 3000 m/10 000 pies de altitud. Esta característica significará que algunos usos que se han considerado comúnmente solo para aeronaves de ala fija ahora se pueden admitir con rotores basculantes sin necesidad de una pista. Sin embargo, un inconveniente es que un rotor basculante sufre una carga útil considerablemente reducida cuando despega desde gran altura.
Mono rotor basculante
Un avión con un solo rotor basculante utiliza una hélice giratoria inclinable, o propulsor coaxial, para sustentación y propulsión. Para el vuelo vertical, el proprotor está inclinado para dirigir su empuje hacia abajo, proporcionando sustentación. En este modo de operación, la nave es esencialmente idéntica a un helicóptero. A medida que la nave gana velocidad, el propulsor coaxial se inclina lentamente hacia adelante y las palas finalmente se vuelven perpendiculares al suelo. En este modo, el ala proporciona la sustentación y la mayor eficiencia del ala ayuda al rotor basculante a alcanzar su alta velocidad. En este modo, la nave es esencialmente un avión turbohélice.
Un avión con rotor basculante mono es diferente de un rotor basculante convencional en el que los propulsores están montados en las puntas de las alas, en que el propulsor coaxial está montado en el fuselaje del avión. Como resultado de esta eficiencia estructural, un rotor basculante único supera la eficiencia de transporte (velocidad por carga útil) tanto de un helicóptero como de un rotor basculante convencional. Un estudio de diseño concluyó que si el rotor basculante mono pudiera realizarse técnicamente, tendría la mitad del tamaño, un tercio del peso y casi el doble de rápido que un helicóptero.
En vuelo vertical, el rotor basculante mono utiliza controles muy similares a los de un helicóptero coaxial, como el Kamov Ka-50. La guiñada se controla, por ejemplo, aumentando la sustentación en el proprotor superior mientras se reduce la sustentación en el proprotor inferior. El balanceo y el cabeceo se proporcionan a través del rotor cíclico. El movimiento vertical se controla con el paso de las palas del rotor convencional.
Lista de aviones de rotor basculante
- AgustaWestland AW609
- Proyecto AgustaWestland Zero
- Dinámica Americana AD-150
- Bello XV-3
- Bello XV-15
- Bell Eagle Eye
- Bell V-280 Valor
- Bell Boeing V-22 Osprey
- Curtiss-Wright X-19
- Focke-Achgelis Fa 269
- IAI Panther
- Modelo Transcendental 1-G
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