Hélices I

Así como el ala del avión es una herramienta especializada en producir sustentación, la hélice es otra herramienta muy especializada, que el hombre desarrolló para poder producir propulsión o empuje. La forma de la hélice, al igual que la forma del ala, se ha ido refinando con el tiempo de forma que esta se adapte de la forma más eficiente al medio en el que trabaja (en nuestro caso el aire). La palabra hélice procede del latín helix, -ĭcis, la cual a su vez procede del griego ἕλιξ, -ικος, que significa espiral o rosca. Este dispositivo mecánico está formado por un conjunto de elementos denominados palas o álabes, montados de forma concéntrica. Al girar las palas trazan un movimiento rotativo en un plano. Las palas no son placas planas, sino que tienen una forma curva, sobresaliendo del plano en el que giran, y obteniendo así en cada lado una diferencia de distancias entre el principio y el fin de la pala. Provocando una diferencia de velocidades entre el fluido de una cara y de la otra. Según el principio de Bernoulli esta diferencia de velocidades conlleva una diferencia de presiones , y por lo tanto aparece una fuerza perpendicular al plano de rotación de las palas hacia la zona de menos presión. Esta fuerza es la que se conoce como fuerza propulsora de una aeronave.

Breve historia del invento

Aunque pueda parecer mentira, el principio de funcionamiento de la hélice (al igual que el de la propulsión a chorro) fue conocido hace ya mucho tiempo. Existe una teoría antropológica, con la que estoy muy de acuerdo, en la que se establece que la inteligencia del hombre primitivo era exactamente igual que la del hombre moderno. La diferencia entre aquellos hombres y nosotros es que ellos no disponían de la tecnología de la que disfrutamos hoy en día. El taketombo (en japonés 竹とんぼ), también llamado Bamboo Dragonfly (literalmente en ambos casos se traduciría al castellano por “libélula de bambú”) es un tradicional juguete japonés para niños de 8 años. En inglés también se lo llama bamboo-copter (es decir, "bambucóptero" o "helicóptero de bambú"). Fue originado de China y se cree que data del año 400 a.c. El modelo más común consta de una hélice a la que hay fijado un palillo de forma cilíndrica. Para hacerlo volar se hace rodar éste último por las palmas de las manos, al tiempo que éstas se frotan una a la otra. Esto hace girar la hélice a gran velocidad, lo que propulsa al aparato unos metros.

La hélice se "enrosca" en el aire o el agua de la misma forma que un sacacorchos lo hace en los tapones de las botellas. El principio por el cual un sistema helicoidal se "enrosca" en un medio ya fue estudiado por los griegos. El famoso tornillo de Arquímedes es precisamente una máquina gravimétrica helicoidal utilizada para la elevación de agua, harina, cereales o material excavado. Fue inventado en el siglo III a. C. por el sabio griego, del que recibe su nombre, aunque existen hipótesis de que ya era utilizado en el Antiguo Egipto. Se basa en un tornillo que se hace girar dentro de un cilindro hueco, situado sobre un plano inclinado, y que permite elevar el cuerpo o fluido situado por debajo del eje de giro. Desde su invención hasta ahora se ha empleado para el bombeo. También es llamado tornillo sin fin por su circuito infinito.

Este principio del tornillo/hélice fue aplicado también por el famoso artista y arquitecto Leonardo Da Vinci para la creación del tornillo aéreo creado hacia el siglo XV. En esta ocasión el resultado no fue el esperado sencillamente porque el aparato era muy pesado. A pesar de todo, este sistema fue la base de lo que luego llegaría a ser un helicóptero. Las hélices convierten la potencia que proporciona el motor en empuje. Dicho empuje se crea mediante la aceleración de una columna de aire. Incluso las hélices de madera más antiguas utilizadas por los hermanos Wright eran auténticas maravillas de la eficiencia y el ingenio. Aunque ha habido muchas innovaciones en el diseño de la hélice durante el último siglo, los fundamentos se mantienen sin cambios. Los hermanos Wright fueron los primeros que se dieron cuenta de que para desarrollaron las primeras palas de la hélice verdaderamente eficaces debían desechar la idea (muy común en el momento) de que la hélice debe tener la forma de un tornillo. En su lugar, previeron una hélice diseñada como un ala de avión con un ligero retorcimiento que era capaz de generar empuje.

La madera fue esencial en los primeros tiempos. Las primeras hélices que se construyeron para los primeros aviones fueron confeccionadas con madera. En el vídeo se puede ver el proceso de construcción de este tipo de hélices. Son hélices de paso fijo que giraban más rápido cuantas más revoluciones ofrecía el motor.

Las hélices de madera se construyen a base de capas pegadas unas con otras. Algunos modelos primigenios tenían refuerzos a base de telas o incluso chapas de metal remachadas. Prácticamente se han usado todos los tipos imaginables de madera que existen en un momento u otro. Ello fue debido al desconocimiento general sobre la resistencia de estos materiales a las torsiones y resto de fuerzas implicadas en el movimiento helicoidal y la producción del empuje. Todavía hoy en día se sigue utilizando algún tipo de madera para construir hélices para aviones ligeros, donde el material compuesto puede resultar más caro.

 En general, la caoba era en los primeros tiempos el material más utilizado en la construcción de hélices de madera. Esto es así quizás porque este tipo de madera era ya muy conocido en cuanto a sus propiedades de resistencia por haber sido el material del que estaban hechos los muebles en aquellas épocas. La caoba es ligera, estable, fácil de trabajar, tiene un patrón de grano uniforme y es razonablemente fuerte. El nogal es similar, aunque tal vez más fuerte, y se utiliza también como la caoba para producir muebles. Alrededor de 1915, el roble se convirtió en el material de elección para las hélices de la casa Paragon. En Estados Unidos destacó en 1917 la compañía Hartzell, que era una empresa maderera especializada en nogal. Otras variedades de maderas duras, como el abeto, se utilizaron en la fabricación de la hélice antes de 1920 y si se investiga un poco se pueden encontrar ejemplos de casi todos los tipos de madera. Con el tiempo el roble, con su gran dureza, se convirtió en la madera favorita de casi todos los fabricantes.

Las hélices de paso fijo dieron lugar con el tiempo a las de paso variable.  Este tipo de hélice posee unas palas pueden girar alrededor de su eje largo para cambiar su ángulo de ataque. Si dicho ángulo se puede situar en valores negativos, la hélice también puede crear una inversión de empuje para el frenado o la marcha atrás sin necesidad de cambiar la dirección de rotación del eje. Una hélice con paso variable puede tener una eficiencia casi constante en una amplia gama de velocidades.

Este es posiblemente el mejor diseño de hélice de paso variable que se haya construido. Los ingenieros de Hamilton consiguieron un diseño altamente fiable y de fácil mantenimiento. Este modelo poseía una conexión auxiliar de aceite que podía abanderar la hélice en pleno vuelo. Ello le dio a los aviones multimotor un enorme factor de seguridad. La hélice Hamilton Standard se utilizó en la mayoría de los cazas, bombarderos y aviones de transporte estadounidenses de la Segunda Guerra Mundial.

Estos fundamentos del diseño de la hélice han cambiado poco en el último siglo. La alteración del paso de la hélice, la forma, los materiales de que están hechas, o la adición de más palas en la hélice permite ganancias y mejoras en velocidad, frecuencia de operación, reducción de ruido, eficiencia de trepada, etc. pero la física básica sigue siendo la misma. A juicio de los expertos estos son los hitos que mejor muestran el desarrollo de esta herramienta.

1. Palas de aleación de aluminio. A medida que la potencia del motor aumentó durante el período de entreguerras, las hélices de madera demostraron ser insuficientes para cumplir los nuevos requisitos de la hélice. Las palas de aleación de aluminio eran mucho más fáciles de reparar, tenía una resistencia superior y un comportamiento mucho mejor. Podrían girar a velocidades más altas y podrían ser almacenadas indefinidamente. Este material permitió para la siguiente gran innovación en el diseño de la hélice, que fue el advenimiento de palas separadas y desmontables
2. Hélices de velocidad constante. Las hélices metálicas ayudaron a marcar el comienzo de la era de la hélice de paso variable o de velocidad constante, lo que pudo lograrse gracias a las palas desmontables y la adopción de un sistema de gobierno hidráulico en vez de un sistema de regulación mecánico. El resultado era una pala de hélice que variaba su ángulo - o pitch - mientras que aún en el aire podía seguir usando un sistema de contrapesos.
3. Palas múltiples. Mientras hélices con una sola pala eran la norma en los primeros días de la aviación, hoy vemos muy frecuentemente hélices dotadas desde 2 a 6 palas o más. Esto es así porque la eficiencia de un avión en particular depende de muchos factores incluyendo la potencia del motor, el rango de RPM de operación de la hélice, las limitaciones de las dimensiones (el diámetro), los requisitos de rendimiento de la aeronaves, los requisitos de ruido, y otros. A medida que aumenta la potencia, se añaden palas adicionales para poder utilizar eficientemente el aumento de potencia. PAra alcanzar una alta eficiencia en las hélices modernas se requiere que estas vayan muy rápido. Con velocidad de punta de pala cercana a la velocidad del sonido.
4. Palas de materiales compuestos. Entre los avances recientes más grandes en el campo de la eficiencia destaca la introducción de estos materiales. La hélice ha aumentado el número de palas y además se han realizado en Kevlar o fibra de carbono, que es más duradero y fácil de reparar que las hélices de madera. Debido a la naturaleza de este material se han vuelto también más eficientes. Por ejemplo, la hélice Hartzell Trailblazer ofrece en un mismo avión un aumento de rendimiento mayor del 10% en la fase de ascenso y una reducción del 12% en la distancia de despegue con peso máximo.
5. Diseño de punta de pala curvado/angulado. El diseño de la curvatura de la punta permite un diámetro de la hélice más grande, lo que aumenta el empuje al despegue y ascenso sin aumentar el ruido. El diseño de punta de pala con estas características ya se conocía hace mucho tiempo. Ya entonces se especulaba con el incremento de la eficiencia en las palas (estamos hablando del año 1943), por aquel entonces la producción de este tipo de hélices tenía un costo prohibitivo reservado solo para aviones militares, por ello este tipo de hélices no se llegaron a ver antes en los cielos.

Como hemos visto, a pesar de que la teoría de la hélice apenas ha cambiado, con el tiempo las hélices continuaron mejorando mucho. Mejores materiales hacen que sean más livianas y más resistentes. Las hélices de paso variable y controlable o gobernadas por sistemas hidráulicos las hizo más versátiles y el rendimiento de la aeronave mejoró con su uso. Se adaptaron para poder ser movidas por muchos tipos de motores diferentes. Debajo se puede ver una hélice movida por un motor con compresor y turbina.

En el siguiente post nos meteremos con la teoría de la hélice desde el punto de vista del piloto (o sea, en plan sencillo).