Rotor de reacció

Un rotor de reacció és un rotor d’helicòpter que gira per efecte de la reacció en sentit contrari a la sortida de gasos a alta velocitat a l’extrem de les pales. Aquesta rotació és semblant a la que experimenta una eolípila,[1] una roda de focs artificials o alguns dispositius giratoris per a regar la gespa. (Tercera llei de Newton: acció-reacció).

Helicòpter Djinn 108 CDL .
L’aire ejectat fa moure la palleta per reacció. Un rotor de reacció, "tip jet", funciona de la mateixa manera.

Per no tenir arbre de transmissió, un rotor per reacció no produeix cap parell de reacció sobre l’helicòpter i hom pot prescindir del rotor de cua .

Descripció física del rotor de reaccióModifica

Les palesModifica

 
Tovera del Djinn

Una pala d’un rotor de reacció és molt semblant exteriorment a una pala d’un rotor convencional d’helicòpter. La diferència principal és que ha de ser parcialment buida per a permetre el pas d’aire, gasos o combustible cap a l’extrem.

  • En el cas d’emprar un sistema de gasos calents (vegeu més avall) el materials de la pala han de poder resistir la temperatura. Molts materials compostos moderns tenen límits de temperatura bastant baixos.

L’element que es munta a l’extrem de cada pala (simple tovera, motor, ...etc) acostuma a tenir una massa (pes) considerable. Més alt, si més no, que un extrem de pala convencional.

L’eixModifica

Per a precisar es considerarà a partir d’ara, en aquest article, que l’eix del rotor és una peça de forma sensiblement cilíndrica que no gira sobre el seu propi eix. Pot tenir altres moviments de gir parcial amb efecte sobre el control de l’helicòpter. El rotor en funcionament gira sobre l’eix amb un sistema adequat de rodolaments.

Tipus de rotors de reaccióModifica

El principi del rotor per reacció es basa en produir gasos a alta velocitat a l’extrem de les pales. Segons els elements emprats, els rotors de reacció poden classificar-se en tipus diferents.

Rotors per aire comprimitModifica

 
Motor Turbomeca Palouste. Vegeu la sortida d'aire comprimit, derivat de la secció de compressió del motor.

A partir d’aire comprimit produït en un compressor (mogut per un motor), l’aire és conduït a l’extrem de la pala (passant per l’interior d’aquesta) i accelerat en una tovera d’expansió. Aquesta tovera transforma la pressió en velocitat i fa que l’aire sigui ejectat tangencialment a la circumferència de gir del rotor.

  • Pel fet que el motor de l’helicòpter està muntat fix sobre el mateix helicòpter i l’eix del rotor (en un helicòpter de rotor convencional cal parlar d’arbre motor i no pas eix) s’ha de poder moure caldrà emprar un conducte de l’aire comprimit flexible, que absorbeixi els desplaçaments motor/eix.
  • Com que hi ha moviment relatiu entre l’eix i el rotor (quan aquest darrer està en moviment) cal que hi hagi una junta adequada entre el rotor i l’eix.

Rotors per gasos de combustióModifica

El motor de l’helicòpter dirigeix part dels gasos de combustió a les pales i, per l’interior d’aquestes, cap a l’extrem. Una tovera els expansiona i accelera, com en el cas anterior.

  • També és possible que els gasos ejectats siguin una barreja d’aire comprimit i gasos de la combustió del motor.

Rotors amb motors d’hèlix a l’extrem de les palesModifica

En aquest cas la reacció és indirecta. Els “gas ejectat” és el cabal d’aire que impulsen les hèlices.

Rotors a base de coetsModifica

Quan l’element motor és un coet. Com en el cas de la roda de focs artificials.

  • El coet pot ser amb propergols sòlids, amb una durada molt limitada.
  • El coet pot ser amb propergols en fase líquida o gasosa, injectats adequadament en la cambra de combustió. Els gasos ejectats són els que es produeixen en la combustió.

Rotors a base de motors de reaccióModifica

Característiques de vol dels helicòpters amb rotor de reaccióModifica

  • Avantatges: Supressió del rotor de cua, estabilitat en el vol, absència de vibracions.
  • Inconvenients: consum de combustible elevat, soroll, dificultat per a passar a l’autorotació en cas de falla dels motors.[2][3]

HistòriaModifica

 
Esquema animat d´un generador de gas de pistons lliures del tipus Pescara amb la seva turbina de gas.
  • El filòsof austríac Ludwig Wittgenstein va investigar el sistema de rotor per reacció mentre estudiava enginyeria aeronàutica a la Manchester University.
  • En els anys 20 del segle passat l’italià V.Isacco va construir helicòpters amb motors de combustió interna de pistons que movien hèlices perpendiculars a la tangent de la trajectòria del rotor. I va pensar de substituir-los per motors de reacció en el futur.[4]
  • Segons Christian Pescara, fill de Raul Pateras Pescara, el seu pare havia patentat a Espanya (patent del 21 de febrer de 1920) i al Regne Unit ( patent n. 159.223) un dispositiu de rotor de reacció mogut per aire comprimit. En aquell cas es tractava de dos rotors coaxials que giraven per l’ejecció d’aire per l’extrem de les pales.[5]

El problema no resolt del conjunt motor-compressor el va portar a inventar el motor de pistons lliures Pescara. Les primeres proves es feren a Barcelona, en un racó de la fàbrica Nacional Pescara ubicada al carrer Badal de Sants.[6]

  • En el decurs de la Segona Guerra Mundial, l’alemany Friedrich von Doblhoff va investigar la possibilitat de rotors amb estatoreactors a l’extrem de les pales. El primer helicòpter construït amb aquest sistema fou el WNF 342 V1 l’any 1943.[7][8]
  • Després de la guerra dos prototipus del WNF 342 acabaren en mans americanes i Doblhoff va passar a treballar a la companyia McDonnell Douglas. La McDonnell Douglas va fabricar el model McDonnell XV-1.
  • August Stephan fou l’enginyer que va projectar els estatoreactors del model anterior. I fou contractat ler la companyia britànica Fairey Aviation, que va fabricar els helicòpters Fairey Jet Gyrodyne i Fairey Rotodyne. Els primers vols foren el 1954 i 1957 respectivament.
  • Un pioner dels rotors de reacció fou Eugene Michael Gluhareff .

Models d’helicòpter amb rotor de reaccióModifica

 
XH-26 Jet Jeep
 
El Hiller YH-32 Hornet fou un dels primers helicòpters amb rotor per reacció.
 
McDonnell XV-1
 
JK-1 Trzmiel
 
Mil V-7 VVS
 
VFW H-3E Sprinter
  • 1956: Percival P.74.[9]
  • 1951: American Helicopter XH-26 Jet Jeep (model XA-8 per al seu fabricant)
  • Hiller YH-32 Hornet. Primer vol el 1950. S’envolava bé però amb un comportament mediocre. No va aconseguir el certificat de vol per culpa d'un comportament en autorotació deficient ("high autorotation sink rate; about 3500fpm"). Velocitat de caiguda en autorotació massa elevada. De l'ordre de 3500 peus per minut.[10][11]
  • Mil V-7 – Un projecte soviètic.[12][13]
  • Fairey Jet Gyrodyne – Model experimental de la companyia Rotodyne. Primer vol el 1954.
  • Fairey Rotodyne – Primer vol el 1957. Helicòpter per a 48 passatgers. Projecte cancel·lat per soroll excessiu.[14][15][16][17]
  • Fairey Ultra-light Helicopter – Primer vol el 1955. Prototipus militar únic. No hi va haver comandes ni fons per a la recerca.
  • Fiat 7002 – Primer vol el 1961. Un únic prototipus fou construït.[18][19][20][21]
  • Focke-Wulf Fw Triebflügel - Disseny alemany de la Segona Guerra Mundial. No fou construït.
  • McDonnell XV-1. Fou un model experimental d’un autogir que podia envolar-se i aterrar com un helicòpter, mitjançant un rotor de reacció que funcionava a voluntat del pilot. La velocitat era alta (322 km/h) però la tecnologia era complexa i no justificava els guanys. A més, el soroll es va considerar excessiu. El primer vol fou el 1954. Dues unitats foren construïdes.[10] * Hughes XH-17 Flying crane - Era una mena de grua voladora que emprava el rotor de major diàmetre (en un helicòpter) de tots els temps. El projecte fou cancel·lat per un consum excessiu de combustible que limitava el radi d’acció a uns 50 km.[22]
  • NHI H-3 Kolibrie (Nederlandse Helikopter Industrie) Se’n varen construir unes 11 unitats.[23][24][25]
  • Rotary Rocket Roton ATV
  • Sud-Ouest Ariel – Primer vol el 1947. Tres prototipus construïts.
  • Sud-Ouest 1221 Djinn – Primer vol el 1953. El rotor era accionat per aire comprimit, generat per una turbina de reacció Turbomeca. El Djinn fou l’únic model que fou fabricat industrialment, amb un nombre d’unitats significatiu (178 en total).[7][26][27]
    • El nom de Djinn val tant com geni. El Djinn fou un helicòpter de dos seients propulsat per un turbomotor Turbomeca de 240 CV. El motor es muntava darrere dels seients en posició longitudinal i centrada. L’aire comprimit es derivava des del conjunt de rodes compressores axials mitjançant un conducte inclinat fins a l’eix del rotor. Tot i que la temperatura era d’uns 160 graus C, es considerava “aire fred” a efectes tècnics. Des de l’eix buit anava cap a l’extrem de les pales. Més concretament, l’aire es dirigia cap a la tovera (perpendicular a l’eix de la pala i tangencial a la circumferència de gir del rotor). Allí hom hi injectava combustible. La mateixa tovera actuava com a cambra de combustió, fent les funcions d’un estatoreactor (estalviant el pes i el volum d’un veritable estatoreactor).
    • L’estructura era de tubs d’acer soldats, amb una cabina reduïda i uns instruments de vol mínims. Darrere de la cabina hi havia el motor.
    • El Djinn tenia un timó en el camí dels gasos d’escapament. Dos estabilitzadors verticals, a l’extrem de dues barres de l’estructura (separades, paral·leles, horitzontals i orientades longitudinalment) completaven es sistema estabilitzador aerodinàmic.
  • JK-1 Trzmiel Prototipus polonés d’helicòpter d’un seient.[28]
  • VFW-Fokker H3 (1969). La companyia VFW-Fokker va construir dues unitats del model VFW-Fokker H3 Sprinter ( D-9543 i D-9544). Disposaven d’un motor únic i d’un rotor per reacció. Podien envolar-se després de rodar 85 metres i pujar a 490 metres per minut. Les proves demostraren que el sistema no era del tot adequat per a helicòpters d’aquestes dimensions (3persones: 1 pilot i 2 passatgers).

Els dos prototipus es conserven. Un en una col·lecció privada i l’altre al museu Hubschrauber Museum, de Bückeburg.[29][30][31][32]

  • Especificacions:
    • Diàmetre del rotor: 28,5 ft
    • Motor: Turbina Allison 250-C18
    • Càrrega útil: 270 Kg
    • Càrrega màxima: 968 Kg
    • Velocitat màxima: 250 Km/h
    • Sostre de vol: 4000 m d’altitud

Altres models i dissenyadorsModifica

  • Innosuisse SwissCopter (DragonFly DF1). El video de referència mostra proves de vol realitzades l'any 2009, amb motors coet de H2-O2. Cada motor produeix 45 Kp de força.[34]

Bruno NaglerModifica

Bruno Nagler fou un enginyer austríac responsable de nombrosos projectes relacionats amb l'aviació i els helicòpters. A la seva mort, esdevinguda el 1979, el seu darrer helicòpter no va tenir continuïtat.

  • 1929. Raoul Hafner i Bruno Nagler dissenyaren i construïren un helicòpter d’un seient. Les dues variants ( RI i RII) disposaven d’un rotor simple i dues ales fixes.[35]
  • 1932. Nagler i Hafner construïren a Anglaterra diversos models d'helicòpter (RII, .[36]
  • 1934. A Anglaterra, Nagler i Hafner fan un prototipus d'un autogiro/helicòpter anomenat Helicogyro.
  • Durant la Segona Guerra Mundial Bruno Nagler va formar la companyia Nagler-Rolz Flugzeugbau, juntament amb Franz Rolz. Patrocinada per govern alemany havia de investigar helicòpters d’un seient.
  • 1964. Vertigyro Co. Aquesta companyia va experimentar amb 3 models d’autogiro que podien envolar-se i aterrar verticalment, convertits en helicòpters mercès als rotors de reacció que ejectaven aire comprimit.[37]

Les característiques dels models foren les següents:

  • VG-1. DIÀMETRE DE ROTOR: 36 ft. PES EN BUIT: 1.330 lb. PES TOTAL: 1.600 lb. SEIENTS: 1.[38]
  • VG-2. DIÀMETRE DE ROTOR: 36 ft. PES EN BUIT: 1.050 lb. PES TOTAL: 1.630 lb. SEIENTS: 2 ½ (2 i mig; sic)
  • VG-4: DIÀMETRE DE ROTOR: 40,5 ft. PES EN BUIT: 1.400 lb. PES TOTAL: 2.600 lb. POTÈNCIA: 230 hp. SEIENTS 4.
  • 1970. Funda Vertidynamics Corporation.[36]
  • 1987? Voljet.[39] Disseny de Bruno Nagler.
    • El Voljet 585 fou presentat en un article de la revista Popular Mechanics, el 1987. Es tracta d’un helicòpter amb rotor de reacció per ejecció d’aire comprimit. Les característiques (segons la revista de referència) són les següents:
    • Motor: Turbina de gas Pratt&Whitney PT6C-60
    • Compressor: D’una etapa
    • Temperatura de l’aire: 300º C a l’entrada de la pala; 200 °C a la sortida
    • Soroll declarat: Menor que en un helicòpter convencional (!/?)
    • Autorotació: Comportament excel·lent segons declaracions
    • Video de 13 minuts amb proves de vol i explicacions.[40]

Vegeu tambéModifica

VideosModifica

ReferènciesModifica

  1. Video de una eolípila en acció.
  2. S. Newman. Foundations of Helicopter Flight. Elsevier, 7 abril 1994, p. 22–. ISBN 978-0-08-092854-8. 
  3. AN ANALYSIS OF THE AUTOROTATIVE PERFORMANCE OF A HELICOPTER POWERED BY ROTOR-TIP JET UNITS By Alfred Gessow
  4. Mike Phipp. Wessex Aviation Industry. Amberley Publishing Limited, 17 octubre 2013, p. 1953–. ISBN 978-1-4456-2436-5. 
  5. La vie extraordinaire du Marquis Raùl Pateras-Pescara de Castelluccio (1890-1966) par CHRISTIAN de PESCARA
  6. Marcos Ordóñez. Beberse la vida: Ava Gardner en España. Penguin Random House Grupo Editorial España, 16 novembre 2011, p. 138–. ISBN 978-84-03-13087-6. 
  7. 7,0 7,1 Walter Boyne. How the Helicopter Changed Modern Warfar. Pelican Publishing Company, Inc., 4 març 2011, p. 98–. ISBN 978-1-58980-700-6. 
  8. Ernst Heinrich Hirschel; Horst Prem; Gero Madelung Aeronautical Research in Germany: From Lilienthal until Today. Springer Science & Business Media, 6 desembre 2012, p. 304–. ISBN 978-3-642-18484-0. 
  9. Aviastar. Hunting Percival P.74. 1956.
  10. 10,0 10,1 Harold Skaarup. Washington Warbird Survivors 2002: A Handbook on where to find them. iUniverse, 22 febrer 2002, p. 92–. ISBN 978-1-4620-4793-2. 
  11. The American Helicopter.
  12. Simpson, R.W.. Airlife's helicopters and rotorcraft. Shrewsbury: Airlife, 1998. ISBN 978-1853109683. 
  13. Gunston, Bill. The Osprey Encyclopaedia of Russian Aircraft 1875–1995. Londres: Osprey, 1995, p. 235. ISBN 1-85532-405-9. 
  14. Aviastar. AVIASTAR. Fairey "Rotodyne".1957
  15. The Fairey Rotodyne: An Idea Whose Time Has Come – Again? Dr. Bruce H. Charnov
  16. Multivariable PI Control for Tip-Jet Reaction Drive Systems
  17. Fairey Rotodyne Eurocopter's X3 - Son of Rotodyne? by Graham Warwick
  18. AVIASTAR. FIAT 7002. 1961.
  19. Alluminio. Soc. Editrice Alluminio, 1958. 
  20. Rivista aeronautica. Association Culturale Aeronautica., juliol 1962. 
  21. Aviation Week, Including Space Technology. McGraw-Hill Publishing Company, abril 1958. 
  22. Ray Prouty. Helicopter Aerodynamics Volume I. Lulu.com, 2009, p. 525–. ISBN 978-0-557-08991-8. 
  23. Frederick Thomas Jane. Jane's All the World's Aircraft. McGraw-Hill, 1962. 
  24. Air Pictorial. Air League of the British Empire, 1959. 
  25. AVIASTAR. NHI H-3 "Kolibri".1956
  26. Stanley S. McGowen. Helicopters: An Illustrated History of Their Impact. ABC-CLIO, 2005, p. 74–. ISBN 978-1-85109-468-4. 
  27. Video Air News - Swiss Alps - Jet Helicopter 1955
  28. Frederick Thomas Jane. IHS Jane's All the World's Aircraft. Sampson Low, Marston & Company, 1959. 
  29. Flying Magazine, August 1971, p. 44–. ISSN 00154806. 
  30. VFW-Fokker H3 Sprinter helicopter
  31. Avistar. VFW-Fokker H-5 . 1969.
  32. Aviastar.VFW H-3 "Sprinter". 1969.
  33. «US Patent#: US3093962A», 18-06-1963. [Consulta: 28 febrer 2014].
  34. Dragonfly DF1 test rocket tip-jet H2O2
  35. Gordon J. Leishman. Principles of Helicopter Aerodynamics with CD Extra. Cambridge University Press, 24 April 2006, p. 20–. ISBN 978-0-521-85860-1. 
  36. 36,0 36,1 Bill Gunston. World Encyclopaedia of Aircraft Manufacturers: From the Pioneers to the Present Day. Naval Institute Press, 1993. ISBN 978-1-55750-939-0. 
  37. Vertigyro: INGENIOUS COMBINATION OF HELICOPTER AND AUTOGYRO PRINCIPLES.
  38. Flying Magazine, August 1953, p. 39–. ISSN 00154806. 
  39. Hearst Magazines. Popular Mechanics. Hearst Magazines, febrer 1987, p. 84–. ISSN 00324558. 
  40. Voljet Air Pressure Jet Helicopter