STEM Aviation Lesson 2-3: Helicopter Flight Controls and Surfaces
Summary
TLDREn esta lección sobre el control de vuelo de helicópteros, se introducen los conceptos básicos de cómo estas aeronaves maniobran en el aire. A diferencia de los aviones de ala fija, los helicópteros utilizan un sistema de rotores para generar tanto la fuerza de elevación como la de empuje. Se explican los tres controles principales: control de torque, control colectivo y control cíclico, que permiten rotar y mover el helicóptero en varias direcciones. Se destacan la complejidad de coordinar estos controles y los desafíos asociados con el aprendizaje del vuelo estacionario.
Takeaways
- 🚁 Los helicópteros se mueven en las mismas tres dimensiones que los aviones, pero utilizan diferentes mecanismos para controlar el vuelo.
- 🛠️ Los helicópteros tienen un sistema de rotor principal que genera la fuerza de elevación y empuje, en lugar de alas fijas como los aviones.
- 🔄 El control del helicóptero se logra a través de tres mecanismos principales: control de par, control colectivo y control cíclico.
- ⚙️ El rotor de cola se utiliza para contrarrestar el par de rotación creado por el rotor principal, permitiendo que el helicóptero mantenga su dirección.
- 🔁 Los pedales de anti-torque controlan el giro del helicóptero en torno a su eje vertical (eje Y), permitiendo que gire hacia la izquierda o la derecha.
- 🎛️ El control colectivo ajusta el ángulo de las palas del rotor principal simultáneamente, controlando la elevación del helicóptero a lo largo del eje Y.
- 📐 El control cíclico ajusta el ángulo de las palas del rotor de manera independiente en cada rotación, permitiendo inclinar el disco del rotor y mover el helicóptero en la dirección deseada.
- ⏫ Elevar la palanca colectiva aumenta la elevación del helicóptero, mientras que bajarla disminuye la elevación.
- 📏 Mover el control cíclico hacia adelante inclina el disco del rotor hacia adelante, generando vuelo hacia adelante y requiere ajustar el control colectivo para mantener la altitud.
- 🤹 Volar un helicóptero requiere coordinación cuidadosa entre todos los controles para mantener un vuelo estable, lo que lo hace más difícil de manejar en comparación con aviones de ala fija.
Q & A
¿Qué diferencia principal existe entre un helicóptero y una aeronave de ala fija?
-La diferencia principal es que en un helicóptero, tanto la fuerza de elevación como la fuerza de empuje se generan mediante las mismas palas rotativas, mientras que en una aeronave de ala fija, la elevación y el empuje son generados por componentes diferentes: las alas para la elevación y los motores para el empuje.
¿Cómo contrarresta un helicóptero el torque generado por el rotor principal?
-El helicóptero usa un rotor de cola, que es un pequeño propulsor montado en la cola, para contrarrestar el torque generado por el rotor principal. El ángulo de las palas del rotor de cola puede ajustarse para equilibrar el torque y mantener la dirección del helicóptero.
¿Qué papel juegan los pedales anti-torque en el control de un helicóptero?
-Los pedales anti-torque permiten al piloto controlar la dirección en la que apunta la nariz del helicóptero, ajustando el ángulo de las palas del rotor de cola. Al presionar el pedal derecho, se aumenta el ángulo de las palas, haciendo que el helicóptero gire hacia la derecha. Al presionar el pedal izquierdo, se reduce el ángulo y el helicóptero gira hacia la izquierda.
¿Qué es el 'disco del rotor' en un helicóptero?
-El 'disco del rotor' es el área en la que operan las palas del rotor principal. Al rotar las palas, generan una fuerza aerodinámica hacia arriba que eleva al helicóptero. La inclinación del disco del rotor también permite que el helicóptero se mueva en varias direcciones.
¿Cómo funciona el control colectivo en un helicóptero?
-El control colectivo, ubicado a la izquierda del piloto, ajusta el ángulo de las palas del rotor principal de manera simultánea, permitiendo que el helicóptero ascienda o descienda. Al levantar el control colectivo, se aumenta el ángulo de todas las palas, incrementando la elevación. Al bajarlo, se reduce la elevación.
¿Cómo afecta el control cíclico al movimiento del helicóptero?
-El control cíclico permite inclinar el disco del rotor en diferentes direcciones, lo que genera movimiento hacia adelante, hacia atrás o lateralmente. Esto se logra cambiando el ángulo de las palas de manera individual mientras giran, lo que altera la cantidad de sustentación generada en diferentes partes del ciclo de rotación.
¿Qué sucede cuando el piloto mueve el control cíclico hacia adelante?
-Cuando el piloto mueve el control cíclico hacia adelante, inclina el disco del rotor hacia adelante. Esto disminuye la elevación en la parte frontal y la aumenta en la parte trasera, lo que hace que el helicóptero avance.
¿Cómo se realiza una maniobra de retroceso en un helicóptero?
-Para moverse hacia atrás, el piloto mueve el control cíclico hacia atrás, inclinando el disco del rotor hacia atrás. Esto aumenta la elevación en la parte frontal y la disminuye en la parte trasera, lo que hace que el helicóptero se desplace hacia atrás.
¿Qué sucede al mover el control cíclico hacia la izquierda?
-Al mover el control cíclico hacia la izquierda, el disco del rotor se inclina hacia la izquierda, disminuyendo la sustentación en ese lado y aumentando la sustentación en el lado derecho, lo que hace que el helicóptero se mueva hacia la izquierda.
¿Cómo se coordinan los controles de un helicóptero durante el vuelo?
-Durante el vuelo, los controles del helicóptero, como el control colectivo, el cíclico y los pedales anti-torque, deben ser coordinados cuidadosamente. El cíclico controla la dirección del movimiento, el colectivo regula la elevación y los pedales ajustan la dirección de la nariz del helicóptero. La coordinación precisa de estos controles es esencial para mantener un vuelo estable.
Outlines
🚁 Introducción a los conceptos básicos de control de vuelo en helicópteros
Este párrafo introduce los conceptos básicos de control de vuelo en helicópteros, comparándolos con los aviones. Mientras que ambos se mueven en las mismas tres dimensiones, los helicópteros logran sus maniobras de forma diferente. También se menciona que esta lección proporciona una visión general de las operaciones de helicópteros, aunque hay más aspectos involucrados que no se abordan en este nivel. Se repasan brevemente los movimientos en tres dimensiones de un avión y los controles que permiten estos movimientos, destacando que los helicópteros también se mueven en estos ejes pero sin las superficies de control tradicionales de los aviones.
⚙️ El control de torque en helicópteros con rotor principal único
Este párrafo detalla cómo los helicópteros con un solo rotor principal generan un efecto de torque que debe ser contrarrestado. El rotor principal genera un torque hacia la izquierda (visto desde arriba), que hace que el fuselaje gire en la dirección opuesta (hacia la derecha) según la tercera ley de Newton. Para evitar esta rotación no deseada, se utiliza un rotor de cola que genera empuje horizontal y controla la dirección. Este rotor permite al piloto controlar la dirección del helicóptero a través de los pedales anti-torque, lo que ayuda a mantener un rumbo constante o a rotar el helicóptero.
🔄 Movimiento de la hélice de cola y control del torque
En este párrafo se explica cómo el piloto puede controlar la rotación del helicóptero utilizando los pedales anti-torque. Al presionar el pedal derecho, el paso de las palas del rotor de cola aumenta, generando un torque mayor que hace que el helicóptero gire a la derecha. Al presionar el pedal izquierdo, el paso del rotor de cola disminuye, lo que permite que el torque del rotor principal prevalezca y haga girar el helicóptero hacia la izquierda. Además, se menciona cómo estos controles varían en helicópteros con hélices de rotación inversa, como en los modelos franceses o rusos.
🚁 El concepto del disco del rotor y la influencia en el movimiento del helicóptero
Este párrafo introduce el concepto del disco del rotor, el área que cubren las palas del rotor principal cuando giran. La flexión de las palas hacia arriba genera una fuerza de elevación que permite al helicóptero moverse a lo largo del eje Y (vertical) y en el plano XZ (horizontal). También se describe el mecanismo del mástil central y la placa oscilante, que permite variar el ángulo de paso de las palas para controlar el movimiento del helicóptero. Esta estructura permite al helicóptero ascender o descender a medida que la placa oscilante se eleva o desciende.
⬆️ Control colectivo para ascenso y descenso
Aquí se explica el control colectivo, que cambia el ángulo de paso de todas las palas del rotor principal simultáneamente. Este control permite que el helicóptero ascienda o descienda modificando la elevación generada por el rotor. Cuando el ángulo de paso aumenta, el helicóptero asciende, y cuando disminuye, desciende. Si el helicóptero está inclinado, este control también puede generar movimiento horizontal en el plano XZ.
🔄 Control cíclico para movimiento direccional
Este párrafo describe el control cíclico, que permite al helicóptero moverse en direcciones específicas dentro del plano XZ inclinando el disco del rotor. A diferencia del control colectivo, que afecta todas las palas de manera uniforme, el control cíclico cambia el ángulo de paso de las palas de manera individual en su ciclo de rotación. Esto inclina el disco del rotor, lo que produce fuerzas que mueven el helicóptero hacia adelante, atrás o hacia los lados.
➡️ Movimiento hacia adelante y coordinación de controles
Este párrafo se centra en cómo se logra el movimiento hacia adelante en un helicóptero mediante el uso del control cíclico. Al inclinar el disco del rotor hacia adelante, el helicóptero se desplaza en esa dirección. Sin embargo, también se requiere ajustar el control colectivo para evitar perder altitud. De esta manera, los movimientos hacia adelante, atrás y los laterales requieren la coordinación precisa de los controles colectivos y cíclicos para mantener la altitud y dirección deseadas.
🔄 Movimiento lateral izquierdo y control anti-torque
En este párrafo se detalla cómo el helicóptero se mueve hacia la izquierda usando el control cíclico, inclinando el disco del rotor hacia ese lado. También se requiere ajustar el control anti-torque para evitar que el helicóptero gire de manera no deseada. Cuando el disco del rotor se inclina a la izquierda, el helicóptero tiende a perder altitud, lo que requiere un aumento en el control colectivo para compensar esta pérdida.
↔️ Movimiento lateral derecho y coordinación de controles
Este párrafo aborda el movimiento hacia la derecha. Al mover el control cíclico hacia la derecha, el disco del rotor se inclina en esa dirección, lo que provoca que el helicóptero se desplace hacia la derecha. Nuevamente, se menciona la importancia de coordinar el control cíclico con el colectivo para evitar perder altitud durante el movimiento lateral. También se debe ajustar el control anti-torque para estabilizar el giro del helicóptero en dirección al movimiento.
🎯 Compleja coordinación de controles en vuelo de helicóptero
Este último párrafo destaca la complejidad de la coordinación de los controles para lograr un vuelo estable en helicóptero. Los pilotos deben ajustar constantemente el control cíclico, colectivo y anti-torque para mantener la dirección, altitud y movimiento deseados. Esta necesidad de coordinación constante hace que volar un helicóptero sea desafiante, especialmente para principiantes. Finalmente, se menciona que aprender a mantener el helicóptero en modo de estacionario o ‘hovering’ es otra habilidad que requiere práctica adicional.
Mindmap
Keywords
💡Helicóptero
💡Rotor principal
💡Control de paso colectivo
💡Control cíclico
💡Rotor de cola
💡Disco del rotor
💡Eje Y (vertical)
💡Eje XZ (plano horizontal)
💡Pedales anti-torque
💡Placa oscilante
Highlights
Introduction to basic concepts of flight control in helicopters or rotary-wing aircraft.
Helicopters move in the same three dimensions as airplanes but achieve maneuvers differently.
A helicopter's main rotor system generates both lift and thrust, unlike fixed-wing aircraft where lift and thrust are generated by different components.
A counter torque control system is essential to counteract the torque effect caused by the rotation of the main rotor.
Anti-torque is achieved using a tail rotor that develops thrust in the horizontal direction, countering the helicopter's body rotation.
Yaw control is provided by anti-torque pedals, which adjust the pitch of the tail rotor blades.
The rotor disk is the area where the helicopter's main blades rotate, playing a critical role in the helicopter's ability to move along the y-axis and within the XZ plane.
The swashplate, a central component, allows control over the individual rotor blade pitch and affects the rotor disk’s tilt for directional movement.
The collective control changes the pitch angle of all rotor blades simultaneously, enabling the helicopter to climb or descend.
Cyclic control tilts the rotor disk by changing the pitch angle of individual rotor blades at different points in their rotation, moving the helicopter in specific directions.
Forward motion of the helicopter is achieved by tilting the rotor disk forward, which requires coordination between cyclic and collective controls to maintain altitude.
To move backward, the rotor disk tilts backward, and similarly, coordination of cyclic and collective controls is required to maintain stable flight.
Lateral movement to the left or right is controlled by tilting the rotor disk in the desired direction, with an increase in collective control needed to maintain altitude.
The helicopter's anti-torque control adjusts the nose direction during lateral movements to ensure stable flight.
All controls in a helicopter—cyclic, collective, and anti-torque—must be carefully coordinated to maintain steady flight, making helicopter piloting complex.
Transcripts
in section 2 of the stem instructional
program we are discussing how aircraft
are controlled in flight in this lesson
we will be introducing you to the basic
concepts of flight control in
helicopters or rotary winged aircraft
well helicopters move in the same three
dimensions that an airplane does it
accomplished this these maneuvers quite
differently
this lesson will provide you with the
basics of helicopter operations there is
significantly more involved than can be
presented at this level
as was introduced in lesson 1 to this
section
an aircraft moves in three dimensions
that we modeled using a
three-dimensional graph with an X Y and
z-axis basic aircraft controls allow an
airplane to rotate around the y axis or
perform a yaw maneuver using a rudder
located on the vertical tail to rotate
around the x axis or pitch using
elevators located on the horizontal tail
and to rotate around the z axis or roll
using ailerons located on the wings of
the aircraft
helicopter moves in these three planes
just as an airplane does but without
many of the traditional flight surfaces
it might be easier to understand these
controls if we looked at direction of
motion in addition to rotations more
specifically we will look at rotation
around and motion along the Y or
vertical axis and motion within the XZ
plane
a helicopter is classified as a rotary
wing aircraft in other words a
helicopter does have wings but the wings
rotate around a central hub or hubs a
helicopters main rotor or rotor system
is the combination of several rotary
wings or rotor blades and a control
system that generates the aerodynamic
lift force that supports the weight of
the helicopter and the thrust that
counteracts aerodynamic drag and forward
flight the main difference between a
helicopter and a fixed-wing aircraft is
the fact that both the lifting force and
the thrust or horizontal force in a
helicopter are generated by the same
rotating blades directional and
rotational motion of a helicopter is
accomplished through three control
mechanisms a counter torque control
collective control and cyclic control
which will be introduced in this lesson
with a single main rotor helicopter
their creation of torque as the engine
turns the rotor blades creates a torque
effect when viewed from above the vast
majority of helicopter rotors turn
counterclockwise creating a
counterclockwise torque by Newton's
third law of motion that torque causes
the body of the helicopter to rotate in
the opposite direction of the rotor
motion or in a clockwise direction to
eliminate this rotation some sort of
anti torque control must be developed to
allow the helicopter to maintain its
heading and to provide yaw control this
is accomplished through a variable pitch
anti-torque rotor or tail rotor the tail
rotor is a small propeller mounted so
that it rotates vertically or near
vertically at the end of the tail of a
traditional single rotor helicopter the
tail rotors position allows it to
develop thrust in a horizontal direction
as it is placed at a distance from the
center of rotation of the main blades it
produces a torque or rotational motion
one of the functions of the tail rotor
is to counter the torque effect created
by the main rotor tail rotors are
simpler than main rotors since they
require only collective changes in pitch
to vary thrust
the pitch of the tail rotor blades is
adjustable by the pilot via the
anti-torque pedals these pedals provide
directional control by allowing the
pilot to maintain a constant heading or
to rotate the helicopter around its
vertical or y-axis changing the
direction of the craft is pointed the
anti-torque pedals are located in the
same place as the rudder pedals in an
airplane and serve a similar purpose
they control the direction that the nose
of the aircraft points as the main rotor
is constantly producing torque the tail
rotor blades must be set at a pitch
angle greater than zero to counteract
this torque when the rotor torque and
the counter torque produced by the tail
rotor are equal helicopter maintains a
constant heading to rotate the
helicopter to the right the pilot would
depress the right anti-torque pedal
which would increase the pitch of the
tail rotors by increasing the pitch of
the tail rotor blades the torque
generated by the tail is larger than
needed to counteract the torque made by
the main rotor by Newton's second law of
motion the helicopter will rotate in the
direction of the larger torque which is
produced by the tail rotor or in this
case rotate in a clockwise direction or
turn to the right to rotate the
helicopter to the left the pilot would
depress the left anti-torque pedal which
would decrease the pitch of the tail
rotors by decreasing the pitch of the
tail rotor blades the torque generated
by the tail is smaller than needed to
counteract the torque made by the main
rotor again by Newton's second law of
motion the helicopter will rotate in the
direction of the larger torque which is
now the torque caused by the main rotor
and rotate in a counterclockwise
direction or turn to the left
depressing the anti torque pedal on the
right
increases the pitch of the tail rotor
blades and depressing the pedal on the
left
decreases the pitch of the tail rotor
blades
this increases or decreases tail rotor
thrust and makes the nose yaw in the
direction of the applied pedal it should
be noted that the maiden rotor blades in
French and Russian helicopters rotate in
a clockwise direction so work in Reverse
as far as an increase in decrease in
pitch or concern but in all helicopters
the left pedals turn the helicopter left
and right pedals turn it right to begin
to understand how motion along the y
axis and motion in the XZ plane is
accomplished in a helicopter we need to
look at a concept called the rotor disk
the rotor disk is the area in which the
main rotors operate as the main blades
rotate they push the air in the rotor
disk downward the opposite force by
Newton's third law of motion action
reaction is an upward force on the
helicopter itself this upward force
causes the rotor blades to flex or bend
upward which changes the location and in
some conditions the tilt of the rotor
disk the helicopter uses this rotor disk
motion and tilting to move along the y
axis and within the X Z plane the main
drive of a helicopter is developed
through a central mast the central mass
transmits power from the engine through
a transmission to the rotors located
around the central mass is a device
called a swash plate the mast runs
upwards through the center of the swash
plate the swash plate is actually made
of two concentric disks or plates the
top or rotating plate moves with a mass
and is connected to the rotor blades by
connecting tubes one tube per blade the
rotating plate is also connected to the
individual plates through links that
allow the tubes to change the pitch of
the individual rotor blades the bottom
portion of the swash plate does not
rotate the non-rotating plate is
connected to links that are manipulated
by pilot controls specifically the
collar
active and cyclic controls by use of
these controls the swashplate can shift
vertically and a tilt through shifting
and tilting the non rotating plate
controls the rotating plate which in
turn controls the individual blade pitch
the collective pitch control or
collective lever is located on the left
side of the pilot's seat and looks
rather like an old-fashioned handbrake
in a car it is used to enable the
helicopter to move along the y axis or
to climb and descend the collective
changes the pitch angle of all the main
rotor blades collectively or all at the
same time and is independent of their
position in the rotation raising the
collective lever causes the swash plate
to move upward this upward motion causes
the connecting tubes to increase the
pitch of all the rotor blades increasing
lift which causes the helicopter to
climb lowering the collective lever
causes the swash plate to move downward
which causes the connection rods to
reduce the pitch of the rotor blades the
rotor disc is lowered and the lift
provided by the rotor decreases when the
lifting force is less than the weight of
the helicopter the helicopter descends
therefore if a collective input is made
all the blades change equally and as a
result the helicopter increases or
decreases as total lifts derive from the
rotor in level flight this would cause a
climb or descent if the helicopter is
not level an additional motion is
produced if the rotor disc were tilted
forward backward or to the left or right
the blades would still produce a force
perpendicular to the rotor disc as the
rotor disc is now tilted we must
separate the force into two parts the
first force is the one that opposes the
acceleration of gravity or pulls the
helicopter upward the second force acts
perpendicular to the upward force
by Newton's second law of motion this
force would cause the helicopter to
accelerate in the direction of that
force or move within the XZ plane to
produce this tilting is the function of
the cyclic control the cyclic control
commonly called the cyclic stick or just
cyclic is similar in appearance on most
helicopters to a joystick from a
conventional aircraft it is usually
located between the pilots legs but on
some helicopters it is a central pillar
that either pilot can manipulate
the control is called the cyclic because
it changes the pitch angle of the
individual rotor blades as they rotate
around the mast remember for collective
motion the pitch on all of the blades is
changed together and the whole rotor
disk moves upward or downward to tilt
the helicopter forward and backward or
sideways requires that controls alter
the angle of attack of the main rotor
blades individually during rotation
creating differing amounts of lift force
at different points in the cycle as the
pitch angle changes and more lift is
generated the blades flex upward for
cyclic control the result is to tip the
rotor disk in a particular direction
causing the helicopter to move in that
direction to produce forward flight a
helicopters flight controls behave
somewhat differently than those in a
fixed-wing aircraft moving the cyclic
forward causes the swash plate to tip
forward this causes the connecting rods
to increase the pitch of the rotor
blades as they move toward the rear of
the helicopter and decrease pitch as
they move toward the front
this action tilts the rotor disc to the
front with minimum lift toward the nose
and maximum lift toward the tail of the
helicopter when the rotor disc rotates
forward it produces a force acting
toward the front of the aircraft it also
makes the nose pitch down thus losing
altitude but increasing the rotor disk
tilt and increases forward acceleration
a corresponding increase in collective
control would be required to keep the
helicopter from losing altitude
coordinating these two inputs forward
collective plus increased cyclic causes
airspeed changes while maintaining a
constant altitude moving the cyclic
backwards causes the swash plate to tilt
toward the rear of the helicopter
this causes the connecting rods to
decrease the pitch of the rotor blades
as they move toward the rear of the
helicopter and increase pitch as they
move toward the front
this action tilts the rotor disc to the
rear with a maximum lift toward the nose
and minimum lifts toward the tail of the
helicopter when the rotor disc rotates
backward it produces a force acting
toward the rear of the aircraft it also
makes the nose pitch up which increases
the rotor disk tilt and increases
rearward acceleration a corresponding
increase in collective control would be
required to keep the helicopter from
losing altitude as it moves backwards
to make the helicopter move to the left
the pilot would move the cyclic control
to the left moving the cyclic to the
left causes the swash plate to tilt to
the left
this causes the connecting rods to
decrease the pitch of the rotor blades
as they move toward the left side of the
helicopter an increased pitch as they
move toward the right
this action tilts the rotor disc to the
left with maximum lift toward the right
side and minimum lift toward the left
side of the helicopter when the rotor
disc rotates to the left it produces a
force also acting toward the left it
also makes the helicopter roll to the
left thus losing altitude but increasing
the rotor disk tilt and increases
acceleration to the left again a
corresponding increase in collected
control would be required to keep the
helicopter from losing altitude to
coordinate a left-hand turn the anti
torque control must be added to move the
nose of the helicopter in that direction
to make the helicopter move to the right
the pilot would move the cyclic control
to the right moving the cyclic to the
right causes the swash plate to tilt to
the right
this causes the connecting rods to
decrease pitch of the rotor blades as
they move toward the right side of the
helicopter and increase pitch as they
move toward the left this action tilts
the rotor disc to the right with maximum
lift toward the left side and minimum
lift toward the right side of the
helicopter when the rotor disc rotates
to the right it produces a force also
acting to the right it also makes the
helicopter roll to the right increasing
rotor disk tilt and increasing
acceleration to the right again a
corresponding increase in collective
control would be required to keep the
helicopter from losing altitude to
coordinate a left-hand turn the anti
torque control must be added to move the
nose of the helicopter in that direction
this same use of the cyclic and
collective can cause the helicopter to
move in any direction
coupled with the anti-torque system the
helicopter has a wide range of motions
not possible in a traditional fixed-wing
aircraft all the controls need to be
carefully coordinated to make steady
flight possible it is this constant
requirement for careful coordination
which makes flying a helicopter
difficult at least in the beginning then
of course there's learning how to hover
but that is another matter
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