domingo, 24 de mayo de 2015

¿Podría volar una aeronave del tipo ciclogiro?

Cuando era un crío, recuerdo que cuando llegaba el periodo estival y nos íbamos de vacaciones a la playa, mi padre siempre nos compraba un juguete de tipo "volador", como cometas o discos volantes del tipo frisbee. Un año (creo que era a comienzos de los 70) nos compró un modelo de avión/cometa que se sostenía en el aire por medio de unas alas rotatorias y al que manteníamos bajo control por medio de una especie de caña de pescar, con carrete incluido para poder recoger el aparato. Era algo parecido a la ilustración que encontré en Internet y que se representa a la izquierda.

El cuerpo del avión estaba mejor acabado en blanco y las alas eran plateadas, pero de la misma forma que la de la ilustración. En la distancia era espectacular, la cometa/avión casi parecía real y los destellos y el ruido de sus alas plateadas llamaban la atención de muchos bañistas. Siempre me había preguntado como se sostenía aquello en el aire si no era una cometa al uso. Algunos años después cuando leía sobre aerodinámica en antiguas revistas de Popular Mechanics me topé con los famoso ciclogiros (Cyclogyro en inglés).

El ciclogiro (también conocido como cyclocopter), es un diseño de aeronave que utiliza rotores cicloidales que consisten en superficies que giran alrededor de un eje horizontal y generan fuerzas de sustentación que sirven tanto para la elevación como para el empuje. Son capaces de efectuar despegues y aterrizajes verticales y en su día se pensó que su vuelo podría ser mejor que el de un helicóptero en términos de rendimiento, eliminando muchos de sus inconvenientes. Aunque se construyeron una serie de ciclogiros en la década de 1930, ninguno fue reconocido por haber volado con éxito hasta hace bien poco (2011). El ciclogiro no debe de ser confundido con los aviones tipo Flettner, utilizando cilindros y el efecto Magnus, que ya comentamos aquí

El ala del ciclogiro se asemeja a una rueda de paletas como las de una noria. No existen alas y los estabilizadores de cola podrían también ser reemplazados por estas paletas giratorias. Las paletas que actúan a modo de superficies de sustentación varían el ángulo de ataque (AoA), que se puede ajustar de manera conjunta o colectiva (por medio de un anillo de control que actúa todas las paletas) o de forma individual continuamente por medio de un sistema de control mientras se mueven alrededor del eje del rotor. En la ilustración inferior se muestra un disco que se mueve gracias a un motor. Perpendicularmente al disco van montadas las palas que en realidad son perfiles aerodinámicos. Todas las palas giran cuando el disco lo hace. La particularidad es que gracias a algún sistema de engranajes, levas, ejes, piñones o cualquier otro que podamos imaginar, cada una de las superficies aerodinámicas puede variar el angulo de incidencia a nuestro gusto. Si no existe angulo de incidencia o angulo de ataque, entonces no se produce sustentación.


En los años 20 y 30 a veces se les llamó jocosamente batidoras de huevos o batidoras de claras, por su parecido con ese utensilio de cocina. En la ilustración inferior se puede ver uno de estos batidores de claras.

 

En vuelo normal hacia adelante a las superficies de sustentación se les da un angulo de ataque ligeramente positivo en la parte superior y delantera del arco que describen al rotar. Este cambio de angulo en estas posiciones del giro produce elevación y empuje hacia adelante. Si se les da un angulo de ataque menor o negativo en la parte inferior, y se encuentran "planas" (AoA cero) en el resto del círculo, no producen ninguna fuerza en otras direcciones. El  AoA se puede ajustar para cambiar el perfil de empuje, permitiendo que el ciclogiro pueda desplazarse en cualquier dirección. El empuje diferencial entre las dos partes de elementos giratorios  (lo que serían las alas a uno y otro lado del fuselaje en un avión convencional) se puede utilizar para hacer girar a la aeronave alrededor de su eje vertical, aunque las superficies de cola convencionales se suelen usar generalmente para no aumentar la complejidad del aparato.

En la siguiente ilustración animada se puede apreciar como cambian los ángulos de ataque a medida que se produce el giro completo.

File:Cyclogyro-Mechanics.gif


Animación de la mecánica de las alas ciclogiro.

El aire y el agua son fluidos y por lo tanto lo que funciona en uno de ellos es susceptible de funcionar de forma parecida en el otro. Haciendo un poco de investigación en la red me encontré con esta página que habla de la misma aplicación a barcos de gran tonelaje y explñica perfectamente este dispositivo:
http://www.fondear.org/infonautic/barco/Motores_Helices/Cicloidal/Cicloidal.htm

Un poco de historia

Los primeros diseños ya aparecieron a comienzos del siglo XX. Poco después del primer vuelo de los hermanos Wright. Como ya comentaba hace algunos días en este blog, yo soy un firme defensor de una teoría antropológica que viene a decir algo así como: "Cuando con el paso del tiempo y el avance de la tecnología un invento o descubrimiento se puede hacer posible, este se torna inevitable"...vamos, que todo es cuestión de tiempo. Así pues, "aquellos chalados en sus locos cacharros" empezaron a producir toda clase de armatostes, como el que se puede ver a continuación:

El Samoljot de Sverchkov, St-Peterburg, 1909

Este aparato fue llamado "Samoljot", pero también se le conocía por "ortóptero de rueda giratoria". Su diseño se acerca al ciclogiro, pero es difícil de clasificar con precisión. Tenía tres superficies planas y un timón; el borde posterior de una de las superficies podría ser doblado, en sustitución de la superficie elevadora. Fue diseñado sólo para el despegue, ya que el tren de aterrizaje era lanzable. En realidad nunca llegó a volar.

Se suele citar a Jonathan Edward Caldwell por haber sido el primero en patentar el concepto, e inventar el término. Jonathan presentó una patente sobre el concepto que se concedió en 1927, pero de rápidamente abandonó la idea para centrarse en un diseño ornitóptero sin llegar a construir un ciclogiro. Se conocen varios intentos por construir un ciclogiro llevados a cabo sin exito por muchos otros diseñadores. El Schroeder S1 de 1930 es uno de los primers intentos erios por construir uun aparato grande que utilizara las "paletas" típicas del ciclogiro y que pudiera ser utilizado para generar impulso de vuelo hacia adelante. 


Adolf Rohrbach de Alemania diseñó una versión completa VTOL en 1933, que se desarrolló más tarde en los EE.UU. y contó con un fuselaje de "pez gordo" para mantener las alas bien lejos de la tierra. En esencia, tenía unas aletas o paletas oscilantes en una rueda giratoria con ángulos de ataque variables durante cada revolución para crear la elevación. Su montaje excéntrico en teoría podría producir cualquier combinación de fuerzas horizontales y verticales. No hay ningún registro de que esta criatura llegara alguna vez a volar.


Otro ejemplo temprano fue el realizado por la corporación de aviación Rahn en 1935, que utilizó dos alas mucho más grandes en lugar de una rueda de paletas múltiples. estaba impulsado por un motor de 240 CV sobrealimentado Wright Whirlwind. Era un monoplaza experimental Las "alas giratorias " tenían unos dos metros en cada lado y de acuerdo con el peso total del aparato teóricamente la aeronave podría haberse elevado. Se le calculaba una velocidad de 100 millas por hora en vuelo horizontal, pero se desconoce si alguna vez llegó a volar. 

en 1930 se desarrolló este prototipo, ya llamado ciclogiro:

Se esperaba que la rueda de paletas, llamada «hélice cicloidal", creará empuje y sustentación. El ciclogiro conocido como S-1 fue un monoplaza cabina descubierta con el motor de Henderson. Parecía un monoplano de ala alta convencional, excepto por las dos grandes ruedas de paletas en lugar de la hélice. Posiblemente las ruedas de paletas fueran capaces de levantar el morro en algún intento. En 1935 NACA llevó a cabo una serie de experimentos en túnel de viento sobre el concepto cyclogyro y encontró que la potencia necesaria para girar las ruedas era mucho mayor de lo esperado. Las herramientas teóricas de la época simplemente no eran útiles para la predicción de los perfiles de sustentación altamente asimétricos y los modelos enormemente simplificados que entonces utilizaron han variado muchísimo hoy en día.

Algunos proyectos antiguos:





Avances recientes

Según la teoría antropológica antes citada estaba claro que se producirían estos intentos. El problema es que la técnica no estaba desarrollada convenientemente por aquel entonces. Hoy en día con el uso de los nuevos materiales y la electrónica, se abre todo un mundo de posibilidades. El concepto se ha aplicado recientemente a diseños de vehículos aéreos no tripulados más pequeños, en los que la capacidad de vuelo estacionario sería particularmente útil. Varios de estos diseños han terminado por producir prototipos que realmente podían volar. En 2007 un equipo de la Universidad de Singapur construyó un modelo de cyclogyro, que aunque sólo ha volado cautivo, ha mostrado buenas cualidades. Su modelo fue un helicóptero modificado, con el rotor principal cambiado a dos rotores cicloidales lado a lado, cada uno con tres paletas perpendiculares al fuselaje.

Un equipo de la Universidad Politécnica del Noroeste en China construyó un Ciclogiro y lo probó en un vuelo libre. Este diseño utiliza dos rotores cicloidales para la generación eficiente de sustentación y pequeños y ruidosos rotores de morro y cola convencionales para estabilizar la aeronave y proporcionar un control de su posición horizontal direccional.



En diciembre de 2011 un equipo de la Universidad de Maryland ha construido y probado con éxito un micro Ciclocóptero, como se ve aquí. Su diseño no requiere un rotor de morro además del habitual rotor de cola.



Desarrollos futuros

Se tiende a una utilización creciente de la electrónica y los nuevos materiales, con estos elementos se puede mejorar el diseño del ciclogiro. Los problemas de estabilidad, son el mayor obstáculo con el que se enfrentan los nuevos diseños de ciclogiros. El segundo mayor problema sería de tipo estructural, ya que las palas al girara se doblan debido a las fuerzas centrífugas. De lo que se trata es de controlar el régimen de vuelo de forma segura por medio de algún tipo de ordenador del tipo Flight Control Computer (FCC), de los que equipan a aeronaves modernas. Con un programa de software que controle a las paletas moverse alrededor del eje horizontal a lo largo de la revolución de forma aerodinámicamente eficiente, obtendríamos un vehículo que además podría ser volado de forma económica.

Como ocurre casi siempre que escribo sobre algo de esto, me gusta hacerme una idea a base de bocetos de como sería uno de estos aviones en versión actual contando con una cabina de pilotaje moderna tipo EFIS, materiales ligeros de nueva generación y electrónica avanzada que pudiera controlar los rotores y los ángulos de ataque con precisión. Aquí está uno de ellos.



Como siempre me planteo preguntas para las cuales no tengo respuesta.

¿Cual es el peso de los rotores? ¿Que material sería el adecuado? ¿Donde se anclan los rotores y que parte del anclaje soportaría el peso de la aeronave?

Si se paran los rotores nos caemos, Esto no planea, no tiene alas ¿Un paracaídas interno lo podría solucionar? ¿Cuanta sustentación podrían generar estos rotores y con que largo? ¿Sería viable económicamente? ...y un sin fin más.

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