Vés al contingut

Hèlix (aeronàutica)

De la Viquipèdia, l'enciclopèdia lliure
Les hèlixs d'un avió de transport militar C-130J Super Hercules

En aeronàutica, una hèlix d'avió, també anomenada hélice,[1] converteix el moviment rotatori d'un motor o una altra font d'energia en un corrent d'escapament que empeny l'hèlix cap endavant o cap enrere. Comprèn un eix giratori accionat per motor, al qual s'uneixen diverses pales de secció aerodinàmica radial de manera que tot el conjunt gira al voltant d'un eix longitudinal. El pas de les pales pot ser fix, variable manualment a unes poques posicions establertes o del tipus de "velocitat constant" variable automàticament.

L'hèlix s'acobla a l'eix de transmissió de la font d'energia directament o mitjançant un engranatge reductor. Les hèlixs poden estar fetes de fusta, metall o materials compostos.

Les hèlixs només són útils a velocitats de l'aire subsòniques, generalment per sota d'uns 480 770 mph (1,275 km/h) km/h), tot i que l'avió experimental equipat amb hèlix McDonnell XF-88B va aconseguir una velocitat de Mach 1,01 en picat, amb una eficiència d'hèlix del 78%.

Història

[modifica]
Un taketombo japonès decorat helicòpter de bambú

Les primeres referències de vol vertical provenen de la Xina. Des de cap al 400 aC,[2] els nens xinesos han jugat amb joguines voladores de bambú.[3][4] Aquest helicòpter de bambú es fa girar fent rodar un pal unit a un rotor entre les mans. El gir crea sustentació i la joguina vola quan es deixa anar.[2] El llibre taoista del segle IV dC Baopuzi de Ge Hong (抱朴子 "Mestre que abraça la simplicitat") descriu algunes de les idees inherents als avions d'ala rotatòria.[5]

Dissenys similars a la joguina d'helicòpter xinesa van aparèixer en pintures renaixentistes i altres obres.

No va ser fins a principis de la dècada del 1480, quan Leonardo da Vinci va crear un disseny per a una màquina que es podria descriure com una "hélice aèria", que es va fer cap avenç registrat cap al vol vertical. Les seves notes suggerien que va construir petits models voladors, però no hi havia indicis de cap disposició per aturar el rotor perquè no fes girar l'aeronau.[6][7] A mesura que el coneixement científic augmentava i es feia més acceptat, l'home va continuar perseguint la idea del vol vertical. Molts d'aquests models i màquines posteriors s'assemblarien més a l'antiga baldufa voladora de bambú amb ales giratòries, que no pas a la hélice de Leonardo.

El cargol aeri de Leonardo

El juliol de 1754, el rus Mikhaïl Lomonosov havia desenvolupat un petit coaxial modelat a partir de la baldufa xinesa però impulsat per un dispositiu de ressort enrotllat[8] i ho va demostrar a l'Acadèmia Russa de les Ciències. Era impulsat per una molla i es va suggerir com a mètode per elevar instruments meteorològics. El 1783, Christian de Launoy i el seu mecànic, Bienvenu, van utilitzar una versió coaxial de la baldufa xinesa en un model que consistia en plomes de vol de gall dindi contrarotants[8] com a pales del rotor, i el 1784 ho van demostrar a l'Acadèmia Francesa de les Ciències. Jean Baptiste Marie Meusnier va descriure un dirigible presentat el 1783. Els dibuixos representen un dirigible 260-peu-long (79 m) envoltant aerodinàmic amb globus interns que es podien utilitzar per regular la sustentació. El dirigible va ser dissenyat per ser impulsat per tres hèlixs. El 1784, Jean-Pierre Blanchard va muntar una hèlix manual a un globus, el primer mitjà de propulsió registrat transportat a l'aire. Sir George Cayley, influenciat per una fascinació infantil per la baldufa xinesa, va desenvolupar un model de plomes, similar al de Launoy i Bienvenu, però impulsat per bandes elàstiques. A finals de segle, havia progressat fins a utilitzar làmines d'estany per a les pales del rotor i molles per a la potència. Els seus escrits sobre els seus experiments i models serien influents en els futurs pioners de l'aviació.[9]

Un prototip de doble hèlix creat per Mikhaïl Lomonosov, 1754

William Bland va enviar dissenys per al seu "Dirigible Atmòtic" a la Gran Exposició celebrada a Londres el 1851, on es va exposar una maqueta. Es tractava d'un globus allargat amb una màquina de vapor que accionava dues hèlixs bessones suspeses a sota. Alphonse Pénaud va desenvolupar joguines d'helicòpter amb rotor coaxial el 1870, també impulsades per bandes elàstiques. El 1872 Dupuy de Lomé va llançar un gran globus navegable, que era impulsat per una gran hèlix girada per vuit homes. Hiram Maxim va construir una embarcació que pesava 3.5 long tons (3.6 t), amb un 110 peus (34 m) envergadura que estava propulsada per dos 360 CV (270 kW) motors de vapor que accionaven dues hèlixs. El 1894, la seva màquina va ser provada amb rails superiors per evitar que s'elevés. La prova va demostrar que tenia prou sustentació per enlairar-se. Una de les joguines de Pénaud, regalada pel seu pare, va inspirar els germans Wright a perseguir el somni de volar. La forma de perfil aerodinàmic retorçat d'una hèlix d'avió va ser iniciada pels germans Wright. Mentre que alguns enginyers anteriors havien intentat modelar hèlixs d'aire en hèlixs marines, els germans Wright es van adonar que una hèlix és essencialment el mateix que una ala, i van poder utilitzar dades dels seus experiments anteriors al túnel de vent en ales, introduint un gir al llarg de la longitud de les pales. Això era necessari per mantenir un angle d'atac més uniforme de la pala al llarg de la seva longitud.[10] Les pales de la seva hèlix original tenien una eficiència d'aproximadament el 82%, en comparació amb el 90% d'una hèlix d'aviació general petita moderna (2010), la McCauley de 3 pales utilitzada en un avió Beechcraft Bonanza. Roper[11] cita un 90% per a una hèlix per a una aeronau de propulsió humana.

La caoba va ser la fusta preferida per a les hèlixs durant la Primera Guerra Mundial, però l'escassetat en temps de guerra va fomentar l'ús de noguera, roure, cirerer i freixe. Alberto Santos Dumont va ser un altre pioner, havent dissenyat hèlixs abans dels germans Wright per als seus dirigibles. Va aplicar els coneixements adquirits amb les experiències amb dirigibles per fer una hèlix amb un eix d'acer i pales d'alumini per al seu biplà 14 bis el 1906. Alguns dels seus dissenys utilitzaven una làmina d'alumini doblegada per a les pales, creant així una forma de perfil aerodinàmic. Estaven molt corbades, i això, juntament amb l'absència de gir longitudinal, les feia menys eficients que les hèlixs Wright. Tot i així, aquest va ser potser el primer ús de l'alumini en la construcció d'una hélice. Originalment, un perfil aerodinàmic giratori darrere de l'avió, que l'empeny, s'anomenava hèlix, mentre que un que tirava des de davant era un tractor.[12] Més tard, es va adoptar el terme «empenta» per al dispositiu muntat a la part posterior en contrast amb la configuració del tractor, i ambdós van passar a anomenar-se «hèlixs» o «hélices». La comprensió de l'aerodinàmica de les hèlixs de baixa velocitat era força completa a la dècada del 1920, però els requisits posteriors per gestionar més potència en un diàmetre més petit han fet que el problema sigui més complex.

Un treballador fabricant hèlixs durant la Guerra Mundial Jo

La recerca sobre hèlixs per al Comitè Assessor Nacional d'Aeronàutica (NACA) va ser dirigida per William F. Durand des del 1916. Els paràmetres mesurats incloïen l'eficiència de l'hèlix, l'empenta desenvolupada i la potència absorbida. Tot i que una hèlix es pot provar en un túnel de vent, el seu rendiment en vol lliure pot ser diferent. Al Laboratori Aeronàutic Memorial Langley, EP Leslie va utilitzar Vought VE-7 amb motors Wright E-4 per obtenir dades sobre vol lliure, mentre que Durand va utilitzar una mida reduïda, amb forma similar, per a dades del túnel de vent. Els seus resultats es van publicar el 1926 com a informe NACA núm. 220.

Teoria i disseny

[modifica]
Una hèlix Hamilton Standard 568F de 6 pales, girant a 1200 rpm, en un avió de curta distància ATR 72. La velocitat de la seva turbina motriu és de 20.000 rpm.

Lowry cita una eficiència de l'hèlix d'aproximadament el 73,5% en creuer per a un Cessna 172. Això es deriva del seu "enfocament Bootstrap" per analitzar el rendiment d'avions lleugers d'aviació general que utilitzen hèlixs de pas fix o velocitat constant. L'eficiència de l'hèlix està influenciada per l'angle d'atac (α). Això es defineix com α = Φ - θ,[13] on θ és l'angle de l'hèlix (l'angle entre la velocitat relativa resultant i la direcció de rotació de la pala) i Φ és l'angle de pas de la pala. Els angles de pas i hèlix molt petits donen un bon rendiment contra la resistència però proporcionen poca empenta, mentre que els angles més grans tenen l'efecte contrari. El millor angle d'hèlix és quan la pala actua com una ala produint molta més sustentació que resistència. Tanmateix, "sustentació i resistència" és només una manera d'expressar la força aerodinàmica sobre les pales. Per explicar el rendiment de l'avió i del motor, la mateixa força s'expressa de manera lleugerament diferent en termes d'empenta i parell motor ja que la potència requerida de l'hèlix és l'empenta. L'empenta i el parell motor són la base de la definició de l'eficiència de l'hèlix, tal com es mostra a continuació. La relació d'avanç d'una hèlix és similar a l'angle d'atac d'una ala.

L'eficiència d'una hèlix es determina per[14]

Les hèlixs són similars en secció de perfil aerodinàmic a una ala de baixa resistència i, per tant, funcionen malament quan es troben a un angle d'atac diferent del seu òptim. Per tant, la majoria de les hèlixs utilitzen un mecanisme de pas variable per alterar l'angle de pas de les pales a mesura que canvien la velocitat del motor i la velocitat de l'aeronau.

Un mariner revisa l'hèlix d'un aerolliscador Landing Craft Air Cushion

Una altra consideració és el nombre i la forma de les pales utilitzades. Augmentar la relació d'aspecte de les pales redueix la resistència aerodinàmica, però la quantitat d'empenta produïda depèn de l'àrea de la pales, de manera que l'ús de pales d'aspecte alt pot resultar en un diàmetre excessiu de l'hèlix. Un altre equilibri és que l'ús d'un nombre menor de pales redueix els efectes d'interferència entre les pales, però tenir una àrea de pales suficient per transmetre la potència disponible dins d'un diàmetre establert significa que cal un compromís. Augmentar el nombre de pales també disminueix la quantitat de treball que ha de realitzar cada pale, limitant el nombre de Mach local, un límit de rendiment significatiu en les hèlixs. El rendiment d'una hèlix pateix quan el flux transònic apareix per primera vegada a les puntes de les pales. Com que la velocitat relativa de l'aire en qualsevol secció d'una hèlix és una suma vectorial de la velocitat de l'aeronau i la velocitat tangencial deguda a la rotació, el flux sobre la punta de la pala assolirà la velocitat transònica molt abans que l'aeronau. Quan el flux d'aire sobre la punta de la pala arriba a la seva velocitat crítica, la resistència aerodinàmica i el parell augmenten ràpidament i es formen ones de xoc creant un fort augment del soroll. Per tant, les aeronaus amb hèlixs convencionals no solen volar més ràpid que Mach 0,6. Hi ha hagut avions d'hèlix que han arribat fins al rang de Mach 0,8, però la baixa eficiència de l'hèlix a aquesta velocitat fa que aquestes aplicacions siguin rares.

Gir de la fulla

[modifica]
Canvis en l'angle de la pala de l'hèlix des del buix fins a la punta.

La punta d'una pala d'hèlix viatja més ràpid que el cub. Per tant, cal que la pala estigui girada per disminuir gradualment l'angle d'atac de la pala i, per tant, produir una sustentació uniforme des del cub fins a la punta. L'angle d'incidència més gran, o el pas més alt, es troba al cub, mentre que l'angle d'incidència més petit o el pas més petit es troba a la punta. Una pala d'hèlix dissenyada amb el mateix angle d'incidència al llarg de tota la seva longitud seria ineficient perquè a mesura que la velocitat de l'aire augmenta en vol, la part propera al cub tindria un AOA negatiu mentre que la punta de la pala quedaria estancada.[15]

Alta velocitat

S'han fet esforços per desenvolupar hèlixs i ventiladors d'hèlix per a avions a altes velocitats subsòniques. La "solució" és similar a la del disseny d'ala transònica. S'utilitzen seccions primes de pales i les pales es mouen cap enrere en forma de cimitarra (hèlix de cimitarra) d'una manera similar a la rotació de l'ala, per tal de retardar l'aparició de les ones de xoc a mesura que les puntes de les pales s'acosten a la velocitat del so. La velocitat relativa màxima es manté tan baixa com sigui possible mitjançant un control acurat del pas per permetre que les pales tinguin angles d'hèlix grans. S'utilitzen més pales per reduir el treball per pala i, per tant, la força de circulació. S'utilitzen hèlixs contrarotants. Les hèlixs dissenyades són més eficients que els turboventiladors i la seva velocitat de creuer (Mach 0,7-0,85) és adequada per a avions de passatgers, però el soroll generat és extremadament alt (vegeu l'Antonov An-70 i el Tupolev Tu-95 per a exemples d'aquest disseny).

Física

[modifica]

Les forces que actuen sobre les pales de l'hèlix d'una aeronau inclouen les següents. Algunes d'aquestes forces es poden organitzar per contrarestar-se entre si, reduint les tensions mecàniques generals imposades.[16]

Pas variable

[modifica]

L'objectiu de variar l'angle de pas és mantenir un angle d'atac òptim per a les pales de l'hèlix, donant la màxima eficiència durant tot el règim de vol. Això redueix el consum de combustible. Només maximitzant l'eficiència de l'hèlix a altes velocitats es pot aconseguir la velocitat més alta possible. L'angle d'atac efectiu disminueix a mesura que augmenta la velocitat de l'aire, per la qual cosa es requereix un pas més gruixut a altes velocitats.

El requisit de variació de pas es demostra pel rendiment de l'hèlix durant la competició del Trofeu Schneider el 1931. L'hèlix de pas fix utilitzada per Fairey Aviation Company es va estancar parcialment en l'enlairament i va arribar als 160 mph (260 km/h) fins a una velocitat màxima de 407.5 mph (655,8 km/h). El rang de velocitats molt ampli es va aconseguir perquè no s'aplicaven alguns dels requisits habituals per al rendiment de les aeronaus. No hi va haver cap compromís en l'eficiència de la velocitat màxima, la distància d'enlairament no es va limitar a la longitud de pista disponible i no hi havia cap requisit d'ascens.

Les pales de pas variable utilitzades al Tupolev Tu-95 el propulsen a una velocitat que supera el màxim que abans es considerava possible per a un avió amb hèlix[17] utilitzant un pas excepcionalment gruixut.[18]

Vista retallada d'una hèlix Hamilton Standard . Aquest tipus d'hèlix de velocitat constant es va utilitzar en molts caces, bombarders i avions de transport americans de la Segona Guerra Mundial.

Els primers ajustos de control de to eren operats per pilot, ja fos amb un petit nombre de posicions preestablertes o variables contínuament.[19]

El mecanisme més simple és l'hèlix ajustable a terra, que es pot ajustar a terra, però que en realitat és una hèlix de pas fix un cop a l'aire. L'hèlix VP de "dues velocitats" accionada per ressort s'ajusta a gir precís per a l'enlairament i després s'activa a gir gros un cop en creuer, i l'hèlix roman grossa durant la resta del vol.

Ploma

[modifica]
Hèlix amb plomes al turbohèlix forabord TP400 d'un Airbus A400M

En la majoria d'hèlixs de pas variable, les pales es poden girar paral·lelament al flux d'aire per aturar la rotació de l'hèlix i reduir la resistència quan el motor falla o s'apaga deliberadament. Això s'anomena "feathering", un terme manllevat del rem. En avions monomotor, ja sigui un planador motoritzat o un avió amb turbina, l'efecte és augmentar la distància de planeig. En un avió multimotor, el "feathering" de l'hèlix amb un motor inoperatiu redueix la resistència i ajuda a l'aeronau a mantenir la velocitat i l'altitud amb els motors operatius. El "feathering" també evita el "windmilling", el gir dels components del motor per la rotació de l'hèlix forçada pel corrent d'aire; el "windmilling" pot danyar el motor, iniciar un incendi o causar danys estructurals a l'aeronau.

Pas invers

[modifica]

Les hèlixs d'alguns avions poden funcionar amb un angle de pas de les pales negatiu i, per tant, invertir l'empenta de l'hèlix. Això es coneix com a pas beta. L'empenta inversa s'utilitza per ajudar a frenar l'avió després de l'aterratge i és particularment avantatjosa quan s'aterra en una pista mullada, ja que la frenada de les rodes es veu reduïda. En alguns casos, el pas invers permet que l'avió rodi enrere; això és particularment útil per treure els hidroavions de molls confinats.

Contrarotació

[modifica]
Hèlixs contrarotatòries

Les hèlixs contrarotatòries s'utilitzen de vegades en avions bimotor i multimotor amb motors muntats a l'ala. Aquestes hèlixs giren en direccions oposades a la seva contrapart a l'altra ala per equilibrar els efectes del parell i del factor p. De vegades s'anomenen hèlixs "manuals", ja que hi ha versions esquerranes i dretanes de cada hèlix.

Contrarotació

[modifica]

Una hèlix contrarotant o contrahèlix col·loca dues hèlixs contrarotants en eixos de transmissió concèntrics de manera que una es troba immediatament "aigües avall" de l'altra hèlix. Això proporciona els avantatges de les hèlixs contrarotants per a un sol motor. L'hèlix davantera proporciona la major part de l'empenta, mentre que l'hèlix posterior també recupera l'energia perduda en el moviment de remolí de l'aire a la estela de l'hèlix. La contrarotació també augmenta la capacitat d'una hèlix per absorbir potència d'un motor determinat, sense augmentar el diàmetre de l'hèlix. Tanmateix, el cost, la complexitat, el pes i el soroll afegits del sistema poques vegades el fan que valgui la pena i només s'utilitza en tipus d'alt rendiment on el rendiment final és més important que l'eficiència.

Referències

[modifica]
  1. ↑ Beaumont, R.A.; Aeronautical Engineering, Odhams, 1942, Chapter 13, "Airscrews".
  2. 1 2 Leishman, J. Gordon. Principles of Helicopter Aerodynamics. Cambridge aerospace series, 18. Cambridge: Cambridge University Press, 2006. ISBN 978-0-521-85860-1. «A History of Helicopter Flight». Arxivat de l'original el 2014-07-13. [Consulta: 15 juliol 2014]. Web extract
  3. ↑ Taking Flight: Inventing the Aerial Age, from Antiquity Through the First World War (en anglès). Oxford University Press, 8 May 2003, p. 22–23. ISBN 978-0-19-516035-2.
  4. ↑ Goebel, Greg. «"The Invention Of The Helicopter."». Arxivat de l'original el June 29, 2011. [Consulta: 11 novembre 2008]. Vectorsite.net. Retrieved: 11 November 2008
  5. ↑ Fay, John. «Pioneers, Evolution of the Rotary Wing Aircraft». Arxivat de l'original el 2006-11-07. [Consulta: 21 març 2007]. "Helicopter Pioneers – Evolution of Rotary Wing Aircraft." Helicopter History Site. Retrieved: 28 November 2007
  6. ↑ Rumerman, Judy. «Early Helicopter Technology». Arxivat de l'original el 2014-02-20. [Consulta: 2 febrer 2014]. "Early Helicopter Technology." Centennial of Flight Commission, 2003. Retrieved 12 December 2010
  7. ↑ Pilotfriend.com «Leonardo da Vinci's Helical Air Screw». Arxivat de l'original el 2015-09-24. [Consulta: 7 febrer 2015]. "Leonardo da Vinci's Helical Air Screw." Pilotfriend.com. Retrieved 12 December 2010
  8. 1 2 Leishman, J. Gordon (2006). Principles of Helicopter Aerodynamics. Cambridge University Press. p. 8. ISBN 0-521-85860-7
  9. ↑ Rumerman, Judy. «Early Helicopter Technology». Arxivat de l'original el 2014-02-20. [Consulta: 2 febrer 2014]. "Early Helicopter Technology." Centennial of Flight Commission, 2003. Retrieved 12 December 2010
  10. ↑ «Sears–Haack body» (en anglès). [Consulta: 14 desembre 2025].
  11. ↑ Palaniappan, Karthik (2004). "Bodies having Minimum Pressure Drag in Supersonic Flow – Investigating Nonlinear Effects" a 22nd Applied Aerodynamics Conference and Exhibit., Antony Jameson [Consulta: 16 setembre 2010] 
  12. ↑ «[https://apps.dtic.mil/sti/tr/pdf/ADA381136.pdf NATIONAL ADVISORY COMMITTEE FOR AERONAUTICS]» (en anglès). [Consulta: 14 desembre 2025].
  13. ↑ Kundu, Ajoy. Aircraft Design (en anglès). Cambridge University Press, 2010, p. 346. ISBN 978-0521885164.
  14. ↑ Prof. Z. S. Spakovszky Arxivat 2012-06-28 a Wayback Machine.. "11.7.4.3 Efficiency Arxivat 2015-02-26 a Wayback Machine." MIT turbines, 2002. Thermodynamics and Propulsion, main page Arxivat 2010-02-17 a Wayback Machine.
  15. ↑ Pilot's Handbook of Aeronautical Knowledge (en anglès). Federal Aviation Administration, 2016-08-24, p. 7–4 – 7–5.
  16. ↑ Beaumont, R.A.; Aeronautical Engineering, Odhams, 1942, Chapter 13, "Airscrews".
  17. ↑ Anderson, John D. Jr.. Fundamentals of aerodynamics (en anglès). 2a edició. Nova York: McGraw-Hill, 1991, p. 492, 573. ISBN 0-07-001679-8.
  18. ↑ Sears, W. R. (1947). On projectiles of minimum wave drag. Quarterly of Applied Mathematics, 4(4), 361-366.
  19. ↑ Beaumont, R.A.; Aeronautical Engineering, Odhams, 1942, Chapter 13, "Airscrews".
Obtingut de «https://ca.wikipedia.org/w/index.php?title=Hèlix_(aeronàutica)&oldid=37229624»