EL PERFIL ALAR

El autogiro usa un perfil alar de tipo plano-convexo de doble curvatura (reflex), que se llama NACA 8H12, derivado del Clark Y. El Clark Y, que usó el Spirit of Saint Louis de Lindbergh en 1927 para cruzar el Océano Atlántico y es de uso muy común

en las hélices. Es un perfil antiguo de los años 20; desarrollado por el coronel Virgi- nius Evans Clark, que también era ingeniero, o mejor dicho, a pesar de ser militar (y tener que andar a caballo, gritar, tirar tiros y hacer todas esas cosas que hacen los militares), también era ingeniero.

En aviación, los perfiles se designan por un código de números y letras, que indican el grado de curvatura, el espesor máximo, flecha, ubicación del punto de máxima presión, etc., respecto a la cuerda.

Antiguamente las investigaciones de perfiles alares eran extremadamente empí- ricas y solo procuraban obtener hélices más eficientes y alas básicas. En aquellos tiempos, los investigadores como Gottingen y Clark, e incluso mucho antes los her- manos Wright; estudiaron los diversos diseños de ala para sus propias aplicaciones y los catalogaron con un número ó una letra a su antojo.

Luego, la NACA (antecesora de la NASA), encargó al experto en aerodinámica Max Munk, un exhaustivo estudio de las formas básicas y sus combinaciones, y el Señor Munk no resistió el mal del bronce y catalogó a este perfil como M7 (Por Munk N° 7), aunque después tuvo el tino necesario para poner orden en el caos y catalogó a los perfiles con una codificación de cuatro dígitos como el que nos ocupa.

A posteriori aparecieron estudios que abarcan perfiles para aplicaciones más específicas –por ejemplo, bajo rozamiento en una determinada velocidad–, cata- logados con cinco dígitos y luego los perfiles especializados para uso supersónico, hipersustentadores y álabes de turbinas efectuados hace relativamente poco tiempo, que fueron catalogados con seis dígitos.

El advenimiento de la era de los jets comerciales requirió el desarrollo de perfiles que permitieran la operación eficiente a velocidades en la vecindad de la del sonido (Mach .75 - .90), con bajos coeficientes de resistencia, que redujeron drásticamente el consumo de combustible y extendieron el alcance a destinos lejanos, con muy bajo costo. Precísamente, a esta familia de perfiles –los NACA de seis dígitos– se debe en gran medida la expansión que experimentaron los viajes en avión, poniéndolos al alcance de casi cualquier persona.

A propósito, acá en la Argentina, conocí un chiflado, que fabricó un avión ul- traliviano con vistas a su producción seriada. Cuando le pregunté acerca del perfil del ala, me contestó Fulano 18 (su apellido y un número). Como si los millares de perfiles catalogados por la NACA fueran poco para el. Me muero de ganas de poner el nombre y apellido de este señor, pero es un loco peligroso.

Volvamos a nuestro querido perfil NACA 8H12. La característica básica de este perfil plano-convexo, es que tiene una actitud de entrada en pérdida (stall) muy gra- dual y con un comportamiento predecible. Este perfil, inicia la sustentación con un ángulo de incidencia de -1,5 grados, medidos desde la parte plana del intradós. Los escolásticos, toman como referencia la cuerda aerodinámica media, ya que trabajan con perfiles complejos y consideran la forma en planta de la pala o ala –que puede ser otra que la rectangular, presentando ahusamiento y por lo tanto, cuerda varia- ble– y también la torsión geométrica (con ángulo de incidencia que va cambiando a través de la envergadura) y/o aerodinámica (con perfil que va variando). Para ellos

la sustentación empieza a -3° medidos desde la cuerda, pero nosotros vamos a refe- rirnos siempre a la sustentación a partir de un perfil apoyado en una mesa, es decir desde su cara plana –o casi plana–. Estrictamente, esto es válido solo para palas con perfiles plano-convexos sin torsión geométrica, pero para la mayoría de los casos prácticos, es una buena aproximación al problema sobre el banco de trabajo y –por cierto–, hace más llevadera la vida del constructor aficionado.

De manera que fijado a cero grados de incidencia desde la base (0°) el perfil 8H12 es fácil de arrancar a mano y ampliamente sustentador, ya que está a 1,5° de incidencia real.

Si el autogiro cuenta con un prerrotador o prelanzador (dispositivo mecánico, que envía al rotor algo de potencia del motor, para facilitar la prerrotación) se po- dría aplicar una incidencia un poco mayor. Mi autogiro trabaja con un grado (1°) de incidencia positiva. Incidencias elevadas permiten que el aparato sustente un poco más y que también vuele a menores velocidades mínimas, pero lo vuelve más perezoso de entrar en plena autorrotación.

Otra característica del perfil NACA 8H12, es que tiene su equilibrio casi en el punto de máximo espesor ubicado en el extremo delantero al 25% de la cuerda y que en ese punto (el cuarto delantero) se produce también el 75% de la sustentación. Por eso las palas del rotor van fijadas exactamente ahí, al balancín. Un poco más atrás, (al 27,8% para los detallistas) está el centro de presión.

Cuando un perfil tiene su centro de equilibrio y el de presión en el mismo lugar, en este caso en el 25% delantero de la cuerda, se lo llama un “perfil de momento cero” (zero moment airfoil) y su característica es la estabilidad estática indiferente y estabilidad dinámica nula.

Para un perfil dado, existe un punto cierto, respecto del cual el coeficiente de momentos es independiente del ángulo de incidencia, vale decir, tiene un valor constante. La existencia de este punto, llamado “centro aerodinámico”, fue demos- trada teoricamente por Richard Von Mises –físico estudioso de los fenómenos que rigen el vuelo– en 1920. También demostró que para los perfiles alares usuales, el centro aerodinámico cae en las proximidades del punto del cuarto delantero de la cuerda. Este hecho sugiere que es deseable elegir este punto del 25% de la cuerda, como el punto de referencia para los momentos de cabeceo (pitching moments) que desarrolla el perfil y también para sujetar las palas del rotor.

La condición precedente es casi una exigencia para su uso en helicópteros, debido a que si hay diferencias importantes entre el centro de equilibrio y el de presión, se manifiestan torsiones en el perfil, debido al gran alargamiento, que no pueden ser compensadas con tirantes internos como en el ala de un avión, ni usando materiales muy rígidos como las palas de las hélices.

Estas torsiones crean minúsculos cambios variables de incidencia, que determinan la aparición de una vibración de alta frecuencia llamada flutter, muy destructiva.

El pefil NACA 8H12 tiene la máxima sustentación a 10 grados medidos desde la cuerda y a 6 grados tiene la máxima eficiencia –mayor sustentación con el menor arrastre– (o dicho más rigurosamente, a este ángulo de ataque alcanza su máximo valor el cociente entre el coeficiente de sustentación y el coeficiente de resistencia

al avance, Cl/Cd o también L/D, del inglés Lift to Drag Ratio).

El perfil 8H 12, no es ideal para usar en helicópteros (aunque de hecho, la letra H dentro de la nomenclatura del perfil, significa que fue estudiado para helicópteros y se lo usa, pero dentro de menores excursiones de paso colectivo que el 0012 porque el punto de presión, se desplaza con el ángulo de ataque, modificando el equilibrio del conjunto y ocasionando vibraciones en ciertos ángulos de paso colectivo, en particular a elevadas velocidades). Tiene en contrapartida, una elevada sustentación y excelente capacidad de autorrotación, aunque en el autogiro se lo eligió por su carateristica de entrada en pérdida gradual.

En lugar de aquel, el helicóptero emplea el perfil NACA 0012 que es igual a dos de las partes superiores del perfil anterior unidas, formando un perfil simétrico tipo biconvexo. Este perfil sustenta bien a ángulos de unos 10 grados (medidos desde la cuerda, por ser un perfil biconvexo) y su punto de presión se mantiene en el lugar de máximo espesor (25% de la cuerda) dentro de ángulos de incidencia de bastante más amplitud.

Hoy día hay perfiles asimétricos mucho más específicos para helicópteros que combinan las cualidades de ambas formas.

No obstante las diferencias, hay helicópteros que vuelan con perfiles plano-con- vexos y autogiros que vuelan muy bien con palas de helicóptero descartadas.

Un detalle es que en un autogiro las palas solo oscilan a ambos lados mediante

Peso para balance cordal

“Rowing” unidireccional para soportar cargas centrífugas y de flexión

Espuma de poliuretano, densidad 70 Kg/m , como

material de forma

3 _{Laminado a 45 grados}

con tejido bidireccional para resistencia a la torsión Perfil asimétrico NACA 8-H-12. Mayor eficiencia en autorrotaciónConstrucción de las palas del rotor de l ATE-3 y JT-5

Construcción de las palas del rotor del JT-2

Perfil simétrico NACA 0012. Dos mitades idénticas, pegadas en el medio.

2.8. Dos rotores en corte: perfil NACA 0012, arriba, y NACA 8H12, abajo.

batimiento (flapping), sin esfuerzos torsionales. En un helicóptero, el paso cíclico le imprime al rotor grandes esfuerzos torsionales que debilitan la estructura de la pala y obligan a cambiarla o a repararla periódicamente. Entonces, en el autogiro se pueden usar palas desechadas durante el mantenimiento preventivo de un heli- cóptero, siempre que no tengan daños estructurales.

A mediados de los ’60 en los EE.UU. se usaban mucho las palas de los helicópteros Hughes 269, e incluso había balancines (hub bar) adecuados para retenerlas y téc- nicas de recorte de los extremos para aligerarlas de su contrapeso que era excesivo para algunos autogiros.

Hago mención a un detalle: los helicópteros suelen tener un poco de torsión nega- tiva en las palas; es decir que el extremo tiene menor paso que la raíz. En el autogiro, si se usa torsión, es en el sentido opuesto; es decir menor paso en la raíz y mayor en el extremo. Por esto, estas palas de helicóptero, al ser usadas en los autogiros, se colocaban invertidas –son simétricas– para aprovechar su torsión, lo que daba como resultado que debían girar en sentido horario –vistas desde abajo– que es al revés que lo que se estila en el mundo civilizado. Esto, como se imaginará, ocasionó más de un dolor de cabeza a los fabricantes de prelanzadores.

Los perfiles convencionales, de autogiro o helicóptero, pueden ser compensados para que reaccionen con brusquedad, haciendo que el peso recaiga en la parte trasera del perfil o con suavidad de manera inversa. Estos perfiles se llaman sub-compen- sados o sobre-compensados. Nosotros vamos a tratar siempre que nuestros rotores tengan su punto de equilibrio en el 25% delantero de la cuerda.

La cola del perfil, llamada borde de fuga, suele tener una aleta continua que abarca toda o la mitad externa de la pala; llamada “reflex”. Esta aleta está muy levemente levantada respecto a la cuerda y otorga una compensación para una característica del perfil 8H12, que es su tendencia a sumergirse de naríz a elevadas velocidades. Ha habido casos de helicópteros que se desplomaron hacia adelante por falta de réflex en sus rotores.

Debería saber, que la fuerza centrífuga que actúa sobre la raíz de las palas es del orden de varias toneladas. No dude que deben estar muy bien aseguradas al balan- cín. De hecho, es esta fuerza la que las pone tan rígidas en vuelo, cuando en tierra se las ve oscilar flojamente.

El rotor tiene un suave ángulo o diedro hacia arriba que se corresponde a la co- nicidad del disco rotor cuando actúan sobre él la fuerza centrífuga y el peso de la aeronave. Por ello, el balancín está ligeramente doblado, con los extremos hacia arriba, concordante a los ángulos que tomará el rotor durante el vuelo. Usualmente el balancín tiene una conicidad (conning angle) incorporada del orden de los 2 a 4 grados.

Por otra parte, el rotor bate a ambos lados sobre el bulón articulante, unos 6 grados, para compensar las diferencias de velocidad relativa del aire entre la pala que avanza y la que retrocede. Esto ocasiona una variación de ángulo de ataque de 1 a 3° para la pala que avanza y de 10 a 13° para la pala que retrocede, cuando el autogiro vuela a velocidades del orden de los 100 km/h. Si aumentamos mucho la velocidad, la pala que retrocede puede llegar a tomar ángulos de ataque por encima de los 16° (al aumentar el grado de batimiento para compensar la mayor diferencial

de velocidades de ambas palas) y entrará en perdida.

A este fenómeno se lo llama “pérdida de retroceso de alta velocidad” (retreating

blade stall) y solo puede ocurrir a velocidades que estan por encima de las que puede

volar su autogiro. No obstante, cuidado con las picadas.

Existe una disposición del bulón articulante (teeter bolt), llamada “Delta 3” (Delta

3 hinge), en la que en lugar de atravesar el bloque de elevación (teeter block) a 90°

respecto a las palas, lo hace con un desplazamiento angular del orden de los 15 a 30°. De esta forma, la pala que se eleva, adquiere menos ángulo de ataque y a la inversa la que baja. Esto compensa la actitud de batimiento de las palas, a costa de modificar el grado de precesión con que las órdenes del comando entran al rotor. La articulación Delta 3 se usa en muchos helicópteros modernos, en el rotor de cola, para poder mantenerlo cerca del botalón sin que al articular, ambos colisionen.

También es muy usada en los autogiros radiocontrolados. De hecho, la primera vez que escuché esta palabra, fue en un sitio de Internet referido a este hobby. Parece que al hacer un modelo, se entiende en profundidad el concepto del movimiento complejo del rotor que cuesta tanto comprender en los papeles, por lo que es común que los amigos que hacen sus aeromodelos experimenten artilugios como el Delta 3, que a los que volamos en máquinas reales ni se nos ocurriría ensayar –dejando de lado que romperse la crisma, es mucho peor que destruir un aeromodelo– por lindo que este sea. Más adelante hay un poco de información sobre aeromodelos de autogiro y un sitio de Internet específico.

Pero volvamos al batimiento de las palas, que se incrementa con la velocidad y a la onda de presión que aparece en forma gradual delante del borde de ataque de la pala, haciendo muy celoso el comando de cabeceo (pitch).

Bensen recomendaba hacer pasadas horizontales a altas velocidades e incrementar un poco la velocidad en cada pasada. Al sentir que el comando se volvía errático en actitud de cabecéo, recomendaba considerar ese punto, menos un 10% como VNE (velocidad de nunca exceder del inglés Velocity Never Exceeded) y colocar ahí una marca color rojo en el velocímetro… después de que el aparato haya sido inspeccio- nado por la FAA (Administración Federal de Aviación de los EE.UU.)

La oscilación que imprime el sistema de junta universal y articulación al rotor, tiene su epicentro un poco por arriba de donde está la base del disco rotor. Esta distancia, en inglés se llama undersling. Las palas al girar, son la generatriz de un círculo y la sustentación que producen está aplicada en un punto ubicado sobre una circunferencia de R = 0,7, es decir 0,7 del radio de la pala, que es donde el círculo se divide en dos sectores, externo e interno, de igual área. En este punto, debería caer una línea imaginaria que intersecte ambas palas con el bulón articulante.

Para ello, elevamos el bulón articulante desde la base de las palas unos 5 a 10 cm. (según el peso de la máquina y el diámetro y peso del rotor) mediante un bloque de aluminio llamado “bloque de elevación” (teeter block).