Autogiro - Juan de la cierva by zeeyk

AUTOGIRO Juan de la cierva

Índice El inventor: Juan de la Cierva ....................................................................2 Funcionamiento ........................................................................................5 Evolución histórica ....................................................................................9 Especificaciones técnicas ........................................................................15 Bibliografía ...............................................................................................17

El Autogiro

El Inventor: Juan de la Cierva Juan de la Cierva nació el 21 de Septiembre de 1895, en Murcia. Su padre era un prestigioso abogado y empresario conservero, que participó también en política. Ya desde pequeño se podía observar su gran afición por la mecánica y la aviación, en sus construcciones a escala de maquetas de planeadores y finalmente ingresó en 1913 en la Escuela de Ingenieros de Canales, Caminos y

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Puertos de Madrid. Para aquel entonces ya había construido su primer aeroplano, el cual fue probado por un prestigioso piloto francés, Jean Maurais. Durante sus estudios diseñó otros aeroplanos que le dieron un gran prestigio en la comunidad aérea española, ganándole grandes simpatías y un decidido apoyo que le sería de gran utilidad en el futuro. Finaliza los estudios universitarios en 1919, con el número 26 de su promoción, aunque nunca llegaría a ejercer la profesión. Por aquellos años Juan de la Cierva tenía ya un gran dominio de las matemáticas aplicadas y su interés científico le dirigió hacia la búsqueda de una forma radicalmente diferente de volar. La intención básica era eliminar el peligro de la pérdida de velocidad que hacía de los aeroplanos unas máquinas solo manejables por pilotos profesionales.

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En su época ya se habían imaginado otros dos tipos de máquinas voladoras: el ornitóptero, una máquina voladora más pesada que el aire que consigue la fuerza sustentadora mediante alas batientes, como los pájaros; y el helicóptero, el cual consiguen la sustentación mediante una hélice de eje vertical. Pero ambos presentaban grandes problemas al llevarlos a la práctica debido a su complejidad mecánica y aerodinámica. El resultado fue algo así como una mezcla entre los ya existentes, a la cual llamó autogiro. El empuje lo producía una hélice de eje horizontal, como en los aeroplanos, mientras que la sustentación se conseguía con una hélice de eje vertical, de forma parecida al helicóptero, pero sin la necesidad de que un motor la moviera ya que esta se movía sola con el paso del aire. En 1920 obtiene la primera y fundamental patente, que sería ampliada y mejorada con nuevas patentes en años sucesivos, e inicia los primeros ensayos en Getafe, con el primer modelo denominado C.1, de 350 Kg de peso, y utilizando un fuselaje de un avión antiguo de la Primera Guerra Mundial. En 1923 registra la marca «Autogiro»: «para distinguir aparatos voladores y en especial, aeroplanos de alas giratorias». A lo largo de su vida llegó a desarrollar otros once autogiros más, perfeccionándolos con cada nuevo modelo. Muere el 9 de diciembre de 1936 en Croydon, Reino Unido. Desde el año 2001 el Ministerio de Educación y Ciencia de España otorga el “Premio Nacional de Investigación Juan de la Cierva” dedicado a la transferencia de tecnología. El objetivo de los Premios Nacionales de Investigación es el reconocimiento de los

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méritos de los científicos o investigadores españoles que realizan «una gran labor destacada en campos científicos de relevancia internacional, y que contribuyan al avance de la ciencia, al mejor conocimiento del hombre y su convivencia, a la transferencia de tecnología y al progreso de la Humanidad». Además del premio nacional de investigación que lleva su nombre, en 2004 el Ministerio de Educación y Ciencia de España inició un programa de contratación de investigadores doctores bajo el nombre de “Programa Juan de la Cierva”, gracias al cual centenares de investigadores españoles y extranjeros desarrollan su actividad.

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Funcionamiento Se trata de una máquina para volar, análoga a los aviones y a los helicópteros, pero con características diferenciadas de éstos aparatos. Los primeros autogiros no son iguales a los actuales en su totalidad, pero en su fundamento sigue siendo el mismo. Explicaré el funcionamiento por partes: En primer lugar, el autogiro consta de un bastidor, con ruedas para poder circular sobre el suelo, en el cual se sitúan un motor y una hélice de eje horizontal que impulsan el aire hacia atrás, y que debido al efecto de acción-‐reacción hace que el aparato avance hacia delante, del mismo modo que ocurre con los aeroplanos. Los primero llevaban montada esta hélice en la parte frontal pero actualmente esta es montada detrás del conductor. Esto le permite poder desplazarse hacia adelante tanto en el aire como por tierra. El bastidor también consta de una cola trasera con unas pequeñas alas a cada lado en el extremo, para conseguir una mayor estabilidad y de una pala vertical o dos con la capacidad de girar hacia los lados y permitir así desviar el aire que atraviesa la nave hacia el lado que se quiere girar. Al principio eran totalmente rectas, pero con la colocación de la hélice motora en la parte trasera han

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adquirido una forma rara que se adapta para dejar un espacio en el que gira dicha hélice. En muchos de los autogiros actuales, la cola trasera sale prácticamente de la base. Pero con esto solo se consigue desplazar el aparato en un plano horizontal, y el verdadero objetivo era hacerlo volar. Es aquí donde entra el verdadero ingenio de Juan de la Cierva: la hélice superior. En la parte superior del bastidor se sitúa también detrás del piloto un rotor de eje vertical en el que giran unas hélices de mayor tamaño que las anteriores. Estas hélices no son movidas por ningún motor, giran de forma loca, ahora bien, esto no significa que su funcionamiento no esté controlado. La función de estas palas es análoga a la de las alas de cualquier avión: generar la fuerza de sustentación necesaria para mantener a la máquina en vuelo, pero su funcionamiento es totalmente diferente. Cuando la palas giran a mucha velocidad la superficie que inicialmente tenían las palas se ve aumentada hasta la de un círculo de radio la longitud de la pala, y además las palas no solo giran creando ese círculo, sino que además tienen unos grados de inclinación con respecto al eje de giro que permiten desviar ese aire de entrada frontal hacia abajo aumentando así la fuerza de sustentación.

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También cabe destacar que el disco que forman las palas debe presentar su cara inferior hacia delante para que el aire las pueda mover, ya que si no pasaría a través de estas sin producir ningún efecto. En el primer modelo de autogiro que se creo, este también disponía de un par de alas delanteras para un mejor planeo por el aire, pero con el progreso de las pruebas, se llegó a la conclusión de que no hacía sino desestabilizarlo al volar. Con respecto a la cabina, se sigue un poco en la línea de lo inicial. La mayoría de los autogiros actuales llevan un habitáculo para el conductor y en algunos casos otro para un acompañante situado detrás del primero, pero casi siempre sin ninguna cubierta superior, dejando que el aire incida directamente sobre el piloto. Esto se debe a que los autogiros no alcanzan velocidades muy altas, y que no pueden llegar a dar la vuelta, es más, su grado de inclinación es muy bajo: lo justo para girar. Esto lo convierte en uno de los aparatos más seguros a la hora de volar, ya que puede ir a velocidades muy lentas sin perder sustentación y a que ante la pérdida de empuje en la hélice principal, el autogiro puede ser aterrizado como si tuera un planeador, puesto que aún sin combustible, el rotor superior no cesa en su giro.

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En los autogiros más modernos, también se pueden encontrar cabinas cerradas totalmente e incluso de dos pasajeros en primera fila. En definitiva, el funcionamiento en su conjunto queda como sigue: Se conecta el motor de empuje, y si el viento no es muy fuerte, con el freno de las ruedas echado, se le da un par de vueltas al rotor superior para que coja inercia facilitando así el despegue. Se suelta el freno y el autogiro avanza hacia delante, el viento relativo del aire al pasar la máquina hace que el rotor gire cada vez más rápido y en unos pocos metros éste empieza a elevarse. Una vez en el aire se puede desconectar el motor y planear. Lo más complicado es el aterrizaje, ya que una vez cerca del suelo una corriente de viento puede hacer que debido a su poco peso, se tambalee y vuelque.

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Evolución Histórica Una idea importante en el desarrollo inicial del Autogiro fue la del rotor único o compensado, pues el uso de dos rotores efectuado hasta el momento se había revelado como desestabilizador. Para ello, fue necesario realizar un detallado estudio teórico para determinar una forma de pala cuya planta, perfiles y distribución del ángulo de paso de las distintas secciones dieran como resultado una resultante aerodinámica centrada. Los ensayos de esta idea se vieron obstaculizados momentáneamente por dificultades económicas del inventor (pues al no trabajar en empleo remunerado, era su padre quien le financiaba) solucionadas en primer lugar con la venta de su coche. Durante 1921 y 1922 se probaron los modelos C.2 y C.3, que se revelaron un tanto inestables en el vuelo, lo que ocasionó numerosos C.2

fallos y accidentes de pequeña importancia. La solución encontrada

C.3

por la Cierva a estos problemas fue el utilizar palas flexibles, mediante el uso de una articulación de batimiento. La Cierva determinó esta solución no por ensayos

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experimentales, sino por un complejo análisis matemático del problema aerodinámico referente a la sustentación del aparato. Los primeros ensayos del modelo C.4 construido conforme a los nuevos principios

fueron

nuevamente

infructuosos. Para su definitiva resolución, la Cierva realizó una completa serie de ensayos en el túnel

C.4

de viento de circuito cerrado del aeródromo de Cuatro Vientos (obra de Emilio Herrera), por aquel entonces el mejor de Europa. El nuevo aparato corregido se probó exitosamente en Enero de 1924, y alcanzó una velocidad máxima de 100 Km/h, bastante modesta, pero reveladora de las posibilidades del Autogiro, que ya había superado las pruebas de insensibilidad a la pérdida de velocidad (era capaz de volar correctamente a muy bajas velocidades) y de poder tomar tierra verticalmente. En este estado de desarrollo, el Autogiro no despegaba verticalmente sino que necesitaba de una breve carrera, muy inferior a la de un aeroplano. Estos éxitos despiertan el interés tanto español como extranjero en el nuevo aparato, publicándose los primeros artículos en revistas extranjeras. Con el paso de los años, la Cierva iría probando sucesivos modelos de Autogiro (hasta el C.40), con significativas variaciones: diversos fuselajes, diferentes perfiles de las palas, aumento de la potencia del motor (hasta 420 CV), aumento del peso (hasta más de 2200 Kg), distintos trenes de aterrizaje, diversas mecánicas de mando y mecanismos de lanzamiento del rotor, etc., que mejorarían en gran medida las

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prestaciones de altitud (hasta casi 6000 metros), aterrizaje vertical, eliminación de vibraciones y ruido, máxima velocidad horizontal (eterno punto débil del Autogiro: hasta 230 Km/h), imposibilidad de entrar en pérdida, estabilidad inherente, distancia alcanzada en vuelos continuos (más de 500 Km), despegue vertical (reduciendo la carrera de despegue), velocidad ascensional (hasta 10 m/s) y mínima velocidad horizontal. Hay que resaltar que el Autogiro nunca llegó a exhibir la cualidad de vuelo estacionario característica de un helicóptero.

Reconstrucción a ordenador del modelo C.30

El excelente comportamiento del Autogiro a bajas velocidades fue confirmado por las pruebas realizadas con un modelo a escala en el túnel de viento de Cuatro Vientos, con la obtención de una más que satisfactoria curva polar (representación del coeficiente de sustentación en función del coeficiente de resistencia al avance). Sin embargo, con el tiempo, algunas conclusiones de dichas pruebas se revelaron inadecuadas, prueba de la dificultad de la experimentación con modelos a escala en aerodinámica, algo que entonces no era bien comprendido.

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Los ensayos durante el resto del año 1924 se vieron dificultados por la carencia de pilotos (éstos estaban sirviendo en la guerra de Marruecos). La exposición del Autogiro en la Exposición Internacional de Aeronáutica de París dio lugar a los primeros contactos con el extranjero: Ministerio del Aire británico, la empresa inglesa Vickers de aviación, el ingeniero francés Lapère, la Aeronáutica Militar francesa, el US Air Army Service, el empresario estadounidense de aviación Harold F. Pitcairn y otros, que fructificaron en las

C.40

primeras licencias de fabricación en el extranjero bajo supervisión del inventor. Los tanteos de la Cierva para encontrar fuera de España gobiernos y fabricantes interesados en su invento, y su decisión final de establecer en Inglaterra la base de sus futuras actividades, han sido objeto, inevitablemente, de fuerte crítica en nuestro país. En relación con este asunto se emitieron entonces opiniones que en sus versiones extremas pueden resumirse en dos afirmaciones opuestas. Según la primera, el mérito del invento no fue reconocido en España y, en consecuencia, la Cierva no recibió en su patria la ayuda necesaria. Según la segunda, la ayuda oficial prestada a la Cierva aquí era adecuada y el inventor fue «desleal» al recurrir a otros países. La primera afirmación no es exacta, porque la Cierva contó casi en todo momento con el apoyo (modesto, eso sí) que le brindó la Aviación Militar y el reducido grupo de personas calificadas que comprendieron la importancia de su invento. La ayuda oficial fue bastante adecuada para las posibilidades de nuestro país, pero lo esencial es que

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en Inglaterra la Cierva encontraría hombres con dinero dispuestos a invertir en el Autogiro. En aquel entonces, y también un tanto ahora, las inversiones de capital español en investigación y desarrollo se consideraban extravagantes, lo que obligó a la Cierva a establecerse finalmente en aquel país en el que encontraba el ambiente más propicio para desarrollar sus ideas. En 1925 se realizan los primeros ensayos y exhibiciones del Autogiro en Inglaterra, que resultaron convincentes a los escépticos pilotos ingleses, sorprendidos de la facilidad de pilotaje del aparato: «para pilotar el Autogiro, no hace falta habilidad alguna». La aparición en escena del Autogiro había producido una natural alarma entre los fabricantes de aeroplanos, y tuvo como consecuencia inmediata el paralizar por un momento y posteriormente reorientar la investigación y desarrollo de helicópteros. Prueba del interés internacional de la Cierva constituyen las patentes en Gran Bretaña, Francia y Estados Unidos que a partir de este momento tuvo buen cuidado en obtener puntualmente conforme se obtenían nuevos desarrollos y mejoras. En 1926, y con un capital de 125.000 libras esterlinas, se constituye en Londres la «Cierva Autogiro Company, Ltd». El esquema general consistía en establecer una compañía para adquirir los derechos de las patentes del Autogiro de la Cierva, y negociar la venta de licencias a gobiernos y constructores, así como crear eventualmente compañías en otros países para explotar bajo licencia las patentes. Para España, el inventor se reservaba personalmente los derechos de las patentes del Autogiro. Esto le permitiría ceder licencias gratuitamente a Aviación Militar, en agradecimiento de la ayuda recibida.

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En 1926 se vuela con éxito, con el propio la Cierva como pasajero, el primer Autogiro biplaza. Era la primera vez que el inventor volaba en el aparato de su invención. En este año se inician también los contactos con el ingeniero alemán Otto Reder, quien posteriormente se uniría a la Cierva en su interés por los desarrollos teóricos en el Autogiro, más que en las pruebas y ensayos, así como en el profundo estudio de la dinámica del aparato. Aún no se disponía de una base teórica suficientemente potente que sirviera para calcular las actuaciones y la influencia de los diversos parámetros aerodinámicos y mecánicos del Autogiro. El modelo C.19 fue el primero en ser comercializado para su venta, en Inglaterra, pero su relativa inmadurez y alto precio ocasionaron un claro fracaso comercial. En 1930 se inició la producción en los Estados Unidos del modelo PCA-‐2,

C.19

con una potencia de 300 CV, que alcanzó un satisfactorio nivel de ventas, con una dinámica campaña publicitaria al estilo estadounidense (anuncios de cine, exhibiciones sorprendentes, travesía transcontinental, rescate de aviadores accidentados, uso en la Antártida, despegue y aterrizaje en azoteas de edificios, viaje a México y Cuba, aterrizaje sobre la cima de la pirámide maya de Chichen Itzá, ...). En España, la venta privada del Autogiro se redujo a un único aparato, adquirido por un conocido marqués sevillano, quien lo exhibió numerosas veces en Tablada, Sanlúcar la Mayor, e incluso en El Rocío.

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Especificaciones técnicas Hay Muchos tipos diferentes de autogiros hoy en día y en la construcción de cada uno de ellos se emplean materiales y técnicas diferentes, pero más o menos todos se encuentran en una línea que abarca aquello que es mejor en relación calidad precio. Antiguamente la estructura del autogiro era íntegramente de madera, salvo los motores y las hélices que eran de acero. Actualmente lo común para un autogiro deportivo son las siguientes especificaciones: Suele ser monoplaza y ligero (Unos 130 Kg.) y carga con un piloto de hasta 120 Kg. (Pilotos de mayor peso pueden usar rotores de mayor diámetro y/o mayor potencia en su motor). Los biplaza suelen pesar unos 250 Kg. en vacío. Suele ser de tubo de aleación de aluminio 6061-‐T6 o acero cromolideno 4130 ó inox de sección cuadrada. Está impulsado por un motor de entre 40 y 100 Hp para los monoplazas y entre 80 y 160 Hp para las máquinas biplaza. Típicamente un autogiro monoplaza usa un motor Rotax de 50 a 65 Hp y un biplaza uno de 100 o 115 CV. Tiene un diámetro de rotor de unos 7 Mts. (Monoplaza) y 9 Mts. (Biplaza).Los rotores suelen ser de aluminio. También hay rotores de madera y PRFV (Plástico Reforzado con Fibra de Vidrio) ó combinaciones de estos materiales. Por lo general tiene un rotor de tipo vaivén (Seesaw Rotor), de dos palas (rotor semirrígido). El paso fijo del rotor suele estar determinado por el diseñador, habitualmente entre 0 y 3 grados.

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Un detalle importante, es el empuje estático del motor. Es necesario que el grupo moto propulsor (Motor/Hélice) genere un empuje del 50% del peso del aparato como mínimo. La velocidad de vuelo en crucero es del orden de los 120 Km/h. Con la utilización de carenados aerodinámicos y motores más potentes, de elevado empuje estático se obtienen velocidades mayores, de unos 160 Km/h pero el autogiro se vuelve muy sensible a los comandos y fatigoso de mantener en rumbo. Con ciertas correcciones; como el uso de rotores pequeños y el balanceo cordal del rotor entre otras cosas, se puede optimizar la máquina para velocidades más altas, pero entonces, deja de ser adecuada para el vuelo lento. La principal ventaja del autogiro es su capacidad para volar despacio y aterrizar casi en cualquier sitio.

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Bibliografía Internet: http://www.amigosdelautogiro.org http://es.wikipedia.org/wiki/Juan_de_la_Cierva http://es.wikipedia.org/wiki/Autogiro http://www.tecnologias.us http://magnigyro.es http://docs.google.com http://www.autogiro.es http://www.airbet.net

Imágenes Google Links de interés: http://www.youtube.com/watch?v=ySrGRld1vaU&feature=player_embed ded http://www.youtube.com/watch?v=FbY6TJWtSNA

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