1 oções básicas sobre o helicóptero. No capítulo anterior foi explicado de um modo sumário os grandes problemas que os pioneiros da aviação tiveram no desenvolvimento de um aparelho prático com capacidade de descolagem/aterragem vertical e que pudesse pairar. Vamos agora analisar a aerodinâmica do rotor essencial não só para uma melhor compreensão dos problemas referidos como também entender como é que o rotor controla o helicóptero. 1.1 Geração de Propulsão O rotor tem então as seguintes funções: Gera a sustentação (L): a sustentação contraria o peso da aeronave e assim esta consegue voar. Gera a propulsão (T): a propulsão terá como componentes a sustentação e a força que permite ao aparelho deslocar-se na direcção pretendida. Controlo da atitude e posição: Orientando a propulsão da direcção requerida podemos também controlar os momentos aplicados na aeronave e assim controlar a sua atitude. Vamos introduzindo aqui o primeiro eixo de referência: O eixo longitudinal do aparelho a partir do qual é medido o ângulo azimutal com o valor zero na cauda do helicóptero. É segundo este eixo que vamos considerar a velocidade de avanço do helicóptero quando este tem velocidade horizontal, paralela ao chão. Com esta referência vamos dizer que a pá entre os ângulos azimutais =0 e =180 está a avançar e entre os ângulos azimutais =180 e =360 a pá está a recuar. Vamos dar uma especial atenção às posições =90 (a pá a avançar e perpendicular à fuselagem) e =270 (a pá a recuar e perpendicular à fuselagem) como vermos mais à frente. =180 =270 =90 Ângulo azimutal Eixo de Referência =0
Figura 1 Definição do ângulo azimutal Como já foi referido a geração da sustentação é conseguida através do movimento de rotação da pá que gera uma propulsão Assumindo agora que o rotor não se desloca no plano de rotação das pás (isto quer dizer que ou está a pairar ou tem um voo axial de subida ou descida e = 0) e se a pá tiver uma velocidade de rotação constante (que é normal acontecer nos rotores de helicópteros), a velocidade que um determinado perfil vê é exactamente a mesma independente da sua posição azimutal: =180 V(r) =270 =90 =0 Pá Velocidade de rotação das pás Ω Figura 2 Velocidade perpendicular ao bordo de ataque da pá na situação de voo axial E esta velocidade é proporcional à distância ao eixo de rotação: = 1 Em que é a distância ao eixo de rotação. Esta velocidade será máxima na ponta da pá onde toma o valor de: ( = )= = 2 Em que é o tamanho da pá. Esta situação é completamente alterada se o helicóptero tiver uma velocidade de avanço 0 na Erro! A origem da referência não foi encontrada.. Neste caso teríamos que adicionar a componente da velocidade de avanço perpendicular à pá se a pá estiver a avançar e subtrair esta componente se a pá estiver a recuar, podendo mesmo alterar o sentido do escoamento neste caso. Junto à zona da raiz da pá) a velocidade devido à rotação é pequena devido à pequena distância ao eixo de rotação. Ao subtrair, a esta pequena velocidade, a velocidade de avanço podemos ter uma velocidade negativa, ou seja há uma reversão do escoamento. Isto quer dizer que nesta zona (a sombreado na ) o escoamento processa-se do bordo de fuga para o bordo de ataque. Iremos provar que esta zona é uma zona circular, e esta zona será maior quanto maior for a velocidade de avanço e para a reduzir teríamos de aumentar a velocidade de rotação da pá. Com todas estas alterações podemos ver que a simetria que existia em voo axial foi completamente destruída e com isso a geração de sustentação da pá irá depender da sua posição
azimutal. A pá gera por isso mais sustentação quando está a avançar e menos quando está a recuar e se a pá estiver encastrada no veio do rotor será transmitido ao helicóptero um momento de rolamento. =180 =270 =90 Zona de reversão =0 Figura 3 Velocidade perpendicular à pá na situação de voo com velocidade de avanço 1.2 Movimento das pás Para impedir que este momento seja passado para a estrutura do helicóptero é permitido a pá subir e descer do seu plano de rotação, rodando em torno de um eixo (eixo de batimento). Assim a pá ao avançar gera mais sustentação e rodado em torno do eixo de batimento a ponta da pá irá elevar-se em relação ao plano de rotação. Quando a pá está a recuar gera menos sustentação e por isso a ponta da pá descer em relação ao plano de rotação. Eixo de alteração do ângulo de picada
Eixo de batimento Figura 4 Eixos de batimento e de alteração do ângulo de picada Para além de impedir a transmissão de momentos para a fuselagem podemos também controlar a assimetria da geração de sustentação da pá com a posição azimutal. A sustentação para além de depender da intensidade da velocidade perpendicular ao bordo de ataque depende também do seu ângulo relativo, vulgo ângulo de ataque. Este por sua vez depende do ângulo de picada da pá, ângulo de posição geométrica da pá. Mantendo todas as outras variáveis constantes e aumentando o ângulo de picada da pá vamos aumentar o ângulo de ataque e por isso aumentamos a sustentação. Utilizamos esta técnica na pá que está a recuar. Na pá que está a avançar, dado que gera mais sustentação vamos diminuir o ângulo de picada, diminuindo assim o ângulo de ataque. Dado que as velocidades perpendiculares ao bordo de ataque variam ciclicamente com o ângulo azimutal, logo a sustentação gerada também, a variação do ângulo de picada também terá que ter uma variação cíclica com valores mínimos na pá que está a avançar e valores máximos na pá que está a recuar. Velocidade de avanço ( ) relativamente à pá a avançar (ângulo de picada da pá pequeno) Sentido de rotação ( ) relativamente à pá a recuar (ângulo de picada da pá grande)
Figura 5 Diminuição do ângulo de picada da pá que avança (maiores velocidades relativas) e aumento para a pá que recua (menores velocidades relativas) para compensar a assimetria da geração de sustentação Com o movimento de batimento o centro de massa da pá vai-se aproximar e afastar do eixo de rotação. Se a velocidade de rotação se mantiver constante a velocidade linear do centro de massa vai variar com a posição azimutal. O mesmo irá acontecer à resistência aerodinâmica gerada no perfil. Estes dois factores irão impor esforços adicionais na raiz da pá. Para evitar estes esforços coloca-se mais uma dobradiça de maneira a que a pá se possa adiantar ou atrasar em relação à sua posição de equilíbrio, que seria perpendicular ao eixo de rotação. Eixo de rotação Dobradiça de atraso distanciada do eixo de rotação Ângulo de atraso Sentido da Rotação Figura 6 Definição de ângulo de atraso. Definimos assim três movimentos para a pá: Uma rotação segundo o eixo longitudinal da pá que permite alterar o ângulo de picada da mesma. Desta forma altera-se o ângulo de ataque o que leva à alteração das forças aerodinâmicas geradas. Uma rotação segundo um eixo perpendicular à pá, no plano de rotação, que permite à pá elevar-se ou baixar relativamente a esse plano. Chama-se a este movimento de batimento. Por último uma rotação segundo um eixo perpendicular ao plano de rotação que permite a pá atrasar-se ou adiantar-se em relação à sua posição normal. Chama-se a este movimento de atraso. Destes três movimentos só um é controlado pelo piloto: o de alteração do ângulo de picada. Os outros dois são a resposta natural da pá às condições impostas pelo deslocamento. A pá procura assim a sua posição de equilíbrio. Esta situação será estudada mais à frente. Para poder alterar o ângulo de picada o piloto faz inclinar o prato cíclico. Este está ligado a cada pá através de um braço ao bordo de ataque da pá, o que faz rodar a mesma no seu eixo longitudinal. De notar que se o prato cíclico for elevado (baixado) faz aumentar (diminuir) o ângulo de picada colectivamente (isto é independentemente da posição azimutal da pá). Se for inclinado na posição azimutal onde o prato é elevado a pá aumenta o seu ângulo de picada e na posição azimutal onde o prato baixo vai diminuir o ângulo de picada. Eixo de rotação Inclinação do prato cíclico
Prato cíclico Braço Figura 7 Prato cíclico Até agora só falamos sobre a aerodinâmica do rotor principal. Claro que para este poder rodar e gerar as forças aerodinâmicas necessárias ao voo do helicóptero é necessário fornecer um binário para pode vencer a resistência aerodinâmica assim como o atrito no veio. Como para cada acção há uma reacção se motor fornece um binário ao rotor haver um binário igual e oposto aplicado no motor. Dado que este está fixo à fuselagem esta rodará se nada for feito para contrariar esta reacção. Existem várias maneiras de contrariar esta reacção, já falados no capítulo anterior. A mais usual é a utilização de um rotor de cauda posicionado a 90º em relação ao rotor principal. A força criada por este rotor de cauda ira criar um momento em relação ao centro de massa do aparelho que cancela a reacção ao binário do rotor. Outra forma e de ter dois rotores iguais mas que giram em direcção opostas. Assim a reacção de um anula a reacção do outro. O posicionamento destes dois rotores pode variar consoante o fabricante. Podem ser sobrepostos (com o mesmos eixo de rotação), numa posição coaxial, ou separados em que os eixos de rotação estão distanciados normalmente posicionados no início e no fim da fuselagem. 1.3 Controlo do Helicóptero Tendo visto o movimento possível das pás assim como aquele que é controlado pelo piloto vamos agora ver como é possível ao piloto controlar o helicóptero. O primeiro comando será aquele de orienta o rotor de maneira a que a propulsão esteja orientada com a direcção de voo pretendida. Isto é feito com a manche que ligada ao prato cíclico, altera a posição desse e assim a inclinação do rotor. Ao inclinar o prato cíclico está-se a aumentar o ângulo de picada das pás para determinadas posições do ângulo azimutal e a diminuir noutras ou que faz com que o rotor entre em precessão e estabilize numa posição inclinada. Dado que a propulsão é dirigida, aproximadamente, numa direcção perpendicular ao plano das pás esta será também inclinada dando a componente horizontal a propulsão da direcção requerida.
Figura 8 Manche de um helicóptero que permite ao piloto controlar a direcção de voo. Foto do autor. Para o voo vertical tem que se aumentar ou diminuir o ângulo de picada de uma maneira uniforme independente da posição azimutal da pá. Assim ao aumentar o ângulo de picada gera-se mais propulsão, logo mais sustentação, e o helicóptero sobe. Para descer o procedimento é o oposto com a diminuição do ângulo de picada. Para este efeito o piloto utilizada uma alavanca posicionada no lado esquerdo do assento que permite subir ou descer o prato cíclico de uma maneira uniforme. Normalmente esta alavanca também tem o comando de potência fornecida ao rotor. Ao aumentar o ângulo de picada das pás estamos não só a aumentar a sustentação gerada mas também a resistência aerodinâmica. Para manter as pás a rodar com a mesma velocidade é necessário então fornecer um binário maior, ou seja fornecer uma potência maior. Em helicópteros mais modernos este procedimento é feito automaticamente sem intervenção do piloto.
Figura 9 Alavanca lateral (manche colectivo) que movimentando o prato cíclico de uma maneira uniforme faz aumentar (ou diminuir) o ângulo de picada das pás também de uma maneira uniforme. Foto do autor O terceiro comando disponível são os pedais que controlam o ângulo de picada das pás do rotor da cauda. Ao aumentar ou diminuir o ângulo de picada das pás do rotor da cauda estamos a alterar a sua propulsão. Dado que é esta propulsão que compensa o binário fornecido ao rotor principal, o helicóptero deixa de estar em equilíbrio e começa a rodar segundo um eixo vertical perpendicular à fuselagem (movimento de guinada). Nos helicópteros com dois rotores principais (co-axiais ou com os rotores separados) esta rotação é conseguida também com o accionamento dos pedais que faz com que o binário fornecido a ambos os rotores seja diferente. Essas diferença faz rodar o helicóptero no sentido requerido.
Figura 10 Pedais que permitem controlar o movimento de guinada do helicóptero. Foto do autor. 1.4 Problemas Aerodinâmicos Os problemas aerodinâmicos que o helicóptero encontra são muitos e variados. Ao contrário do avião cujas asas encontram sempre o mesmo escoamento, nas pás do helicóptero o escoamento depende não só da posição do elemento em relação ao eixo de rotação (quando mais afastado maior será a sua velocidade linear) como também da sua posição azimutal se houver movimento horizontal do helicóptero. O escoamento é por isso não uniforme e cíclico o que implica novos tipos de problemas. Enumerado alguns dos tipos de problemas aerodinâmicos encontrados num helicóptero podemos começar com as pás. Ao rodar a pá cria uma esteira ao longo de toda a pá e no seu extremo irá criar um vórtice. Este vórtice será convectado mas se a componente vertical da velocidade não for suficientemente grande este pode colidir com a pá que vem atrás. Esta colisão irá alterar o escoamento que por sua vez alterar a forças geradas o que provoca vibrações nas pás. Outro problema desta interacção pá-vórtice é a geração de ruído aerodinâmico. Outro problema aerodinâmico com as pás aparece com o movimento horizontal do helicóptero: a velocidade encontrada pela pá que está a avançar será a soma da velocidade de rotação com a velocidade de avanço. A velocidade de rotação é máxima na ponta da pá e se a velocidade de avanço for suficientemente grande pode originar problemas compressíveis nesta zona. Iremos ver mais à frente que para minorar este tipo de problemas as pás têm uma forma diferente na ponta da pá. Por outro lado na pá que está a recuar a velocidade de avanço é subtraída à velocidade de rotação. Isto leva, como vimos, a uma zona onde à reversão do escoamento (o sentido do escoamento é do bordo de fuga para o bordo de ataque). Vimos também que para o ângulo de picada é aumentado na pá que recua, mas se este aumento for exagerado o perfil pode entrar em perda.
Os problemas não se ficam por aqui. O rotor principal produz uma esteira que é convectada com o escoamento. Se o helicóptero estiver em voo axial esta esteira irá incidir sobre a fuselagem do helicóptero produzindo, entre outros factores, um aumento aparente do peso da aeronave devido a resistência aerodinâmica. Se o helicóptero tiver uma velocidade de avanço a esteira pode incidir na cauda do helicóptero onde estão posicionados que o rotor de cauda quer o estabilizador. Esta interacção esteira-elemento irá alterar completamente a aerodinâmica do elemento. E mantendo a atenção na cauda do helicóptero, o rotor de cauda está posicionado no estabilizador vertical e por isso há uma forte interacção entre o rotor e o estabilizador. De notar que esta interacção será diferente dependendo se a esteira do rotor incide cobre o estabilizador ou se pelo contrário é dirigida para longe do estabilizador. Este factor depende se o rotor é do tipo puxa ou empurra.