Análisis del rendimiento y consumo de potencia en helicópteros

Componentes del Consumo de Potencia

El consumo de potencia de un helicóptero se puede descomponer en varios factores:

1. Potencia inducida: Asociada a la aceleración de la corriente de aire.
2. Potencia potencial: Asociada a la variación de la energía potencial del helicóptero al ascender o descender.
3. Potencia de fuselaje: Potencia adicional consumida por el rotor principal debido a la generación de tracción considerando la resistencia del fuselaje.
4. Potencia de perfil: Consumo asociado a los perfiles de las palas, considerando los coeficientes de par C_Q0 y de resistencia C_H0.

Donde k es el factor de corrección de pérdidas de punta de pala y K es el factor de corrección asociado a la existencia de velocidades longitudinales a lo largo de la pala.

Optimización del Vuelo

Máxima Autonomía

Suponiendo que la masa del helicóptero y el consumo específico no varían durante el vuelo de crucero, la máxima autonomía en vuelo horizontal requiere:

1. Una velocidad horizontal (V_h) mucho mayor que 1.
2. Maximizar la relación masa de combustible (M_f) / consumo específico (c_e) * Potencia (P_m(V_h)), lo que implica minimizar la potencia requerida por el rotor principal (P_rp).
3. Derivar la expresión (P_rp/P_io) / (V_h/V_io) e igualarla a cero para obtener la velocidad de máxima autonomía y, por ende, la potencia y la autonomía máxima.

Máximo Alcance

Para maximizar el alcance, se debe maximizar el producto de la velocidad horizontal (V_h) por el tiempo de vuelo. Esto implica minimizar la relación P_rp/V_h. Derivando la expresión (P_rp/V_h) / (V_h/V_io) e igualándola a cero, se obtiene la velocidad, potencia y alcance máximos.

Máxima Velocidad de Vuelo

La máxima velocidad de vuelo se determina por la máxima potencia continua del motor (P_mc). Sustituyendo P_rp = P_mc/η_m en la curva de potencia, se obtiene la velocidad máxima.

Máxima Velocidad Ascensional

Se calcula considerando que la velocidad inducida, el consumo de potencia del fuselaje y el término parasitario del rotor no varían: (P_mc/(η_mP_io)) – (P_rp(V_h)/P_io) = ΔP/P_io = V_v/V_io. Si V_h es máxima, V_v será la máxima velocidad ascensional.

Efecto Suelo

El efecto suelo se define como la disminución de potencia necesaria para el vuelo cuando el helicóptero vuela cerca de una superficie, manteniendo la tracción constante. Ocurre cuando la altura de vuelo es del orden del radio del rotor. La presencia de la superficie modifica la estructura de la estela, creando una nueva condición de contorno (velocidad normal a la superficie nula). El efecto suelo influye en el rendimiento del helicóptero, especialmente en despegues y aterrizajes, y se cuantifica como K_g = V_iog/V_io, donde K_g > 1.

Procedimiento de Despegue con Fallo de Motor

El despegue se realiza en varias fases:

1. Despegue vertical (0-5-10 pies): Se utiliza el efecto suelo para minimizar la potencia con los n motores funcionando a potencia de despegue (limitada a 5 minutos).
2. Incremento de velocidad y fallo de motor (Punto 1): Se incrementa la velocidad hasta el punto 1, donde se simula un fallo de motor. Se decide si continuar el vuelo o aterrizar.
3. Ascenso con n-1 motores (Punto 1-2): Si se continúa, se aplica un incremento de potencia (ΔP) con los n-1 motores restantes a potencia máxima de urgencia, superando un obstáculo de 35 pies hasta alcanzar la velocidad segura de despegue 1 (V_SD1).
4. Ascenso a 200 pies (Punto 2-3): Se asciende a 200 pies (punto 3) a una velocidad ascensional de 100 pies/minuto, manteniendo V_SD1 y la potencia máxima de urgencia (tiempo máximo: 2.5 minutos desde el punto 1).
5. Vuelo a nivel a 200 pies (Punto 3-4): Se mantiene el vuelo a nivel a 200 pies con n-1 motores a potencia intermedia de urgencia, acelerando hasta la velocidad segura de despegue 2 (V_SD2).
6. Ascenso a 1000 pies (Punto 4-5): Se asciende a 1000 pies (punto 5) a 150 pies/minuto, manteniendo V_SD2.
7. Transición a velocidad de mínima potencia (Punto 5-6): Se acelera hasta la velocidad de mínima potencia (V_y) y se mantiene hasta alcanzar la altura de vuelo deseada (tiempo máximo de 3 a 6: 30 minutos).
8. Vuelo de crucero (Punto 6+): Se utiliza la potencia máxima continua (P_mc) de los n-1 motores.