Fundamentos de la Aerodinámica en Hélices

La sesión, liderada por un docente e investigador de la PUCP y cofundador de Green Sports Lab, aborda los principios aerodinámicos de los perfiles alares y su aplicación en el diseño, simulación y operación de hélices para drones.

Geometría del Perfil Alar

• Estructura Base: El perfil alar es la sección transversal del ala o de la hélice (ala rotatoria). Sus componentes clave son el borde de ataque, el extra dos (superior), el intradós (inferior) y el borde de salida o fuga. La línea de cuerda conecta los extremos y la línea de curvatura media divide el perfil en áreas iguales. Su espesor y curvatura determinan el rendimiento en regímenes subsónicos, transónicos o supersónicos.

Simulación Virtual en XFLR5

• Análisis Gráfico: Mediante el software libre XFLR5 (derivado de XFOIL del MIT), se analizan perfiles paramétricos como los perfiles NACA de cuatro dígitos (ej. NACA 4415 y 2415). El programa funciona como un túnel de viento virtual para evaluar la distribución de presiones ($C_p$) y modelar coeficientes de sustentación ($C_L$), resistencia ($C_D$) y momentos de cabeceo.
• Variables Físicas: Las curvas evalúan el rendimiento según el ángulo de ataque ($\alpha$) —ángulo entre el vector de velocidad y la cuerda—, el número de Reynolds ($Re$) y el número de Mach ($M$). Se utiliza $M=0$ para representar flujos subsónicos incompresibles con densidad constante (típico en rangos inferiores a $M=0.3$).

Ingeniería de Hélices y Operación de Drones

• Dinámica de Rotación: Las hélices se definen por su diámetro y su paso (pitch). Al girar, la velocidad lineal aumenta hacia la punta, provocando variaciones cuadráticas de sustentación ($V^2$). Para balancear las fuerzas y evitar fracturas, las palas integran una torsión geométrica variable.
• Vuelo de Avance: El desplazamiento genera una disimetría de la sustentación entre la pala que avanza (suma velocidades) y la que retrocede (resta velocidades). Esto y las corrientes descendentes se compensan variando cíclicamente el ángulo de ataque para evitar la entrada en pérdida.
• Mecánica de Multirrotores: Los drones constan de motores, variadores ESC (control de corriente y voltaje), baterías, GPS y una controladora de vuelo que ejecuta trayectorias automáticas variando diferencialmente las velocidades de los motores.

‍