Helicópteros
Princípios de vôo e operação
Não semelhante a uma aeronave de asa fixa, o aerofólio principal do helicóptero é o conjunto de lâminas rotativas (rotor) montado no topo da fuselagem sobre um eixo articulado (mastro) ligado ao motor do veículo e aos comandos de vôo. Em comparação com os aviões, a cauda de um helicóptero é um pouco alongada e o leme menor; a cauda é equipada com um pequeno rotor antigo (rotor de cauda). O trem de aterragem por vezes consiste num par de patins em vez de conjuntos de rodas.
Encyclopædia Britannica, Inc.
© Open University (A Britannica Publishing Partner)Veja todos os vídeos deste artigo
O facto de o helicóptero obter a sua potência de elevação por meio de um aerofólio rotativo (o rotor) complica muito os factores que afectam o seu voo, pois não só o rotor gira como também se move para cima e para baixo num movimento de flapping e é afectado pelo movimento horizontal ou vertical do próprio helicóptero. Ao contrário dos aerofólios habituais das aeronaves, os aerofólios de rotor de helicóptero são normalmente simétricos. A linha de cordas de um rotor, como a linha de cordas de uma asa, é uma linha imaginária desenhada da borda dianteira para a borda traseira do aerofólio.
O vento relativo é a direção do vento em relação ao aerofólio. Num avião, a trajectória de voo da asa é fixa em relação ao seu voo para a frente; num helicóptero, a trajectória de voo do rotor avança para a frente (para o nariz do helicóptero) e depois para trás (para a cauda do helicóptero) no processo do seu movimento circular. O vento relativo é sempre considerado como estando em paralelo e em direção oposta à trajetória do vôo. Ao considerar o vôo do helicóptero, o vento relativo pode ser afetado pela rotação das pás, pelo movimento horizontal do helicóptero, pelo bater das pás do rotor, e pela velocidade e direção do vento. Em vôo, o vento relativo é uma combinação da rotação da pá do rotor e do movimento do helicóptero.
Como uma hélice, o rotor tem um ângulo de inclinação, que é o ângulo entre o plano horizontal de rotação do disco do rotor e a linha de cordas do aerofólio. O piloto utiliza o controle de passo coletivo e cíclico (ver abaixo) para variar este ângulo de passo. Em uma aeronave de asa fixa, o ângulo de ataque (o ângulo da asa em relação ao vento relativo) é importante para determinar a elevação. O mesmo é verdade num helicóptero, onde o ângulo de ataque é o ângulo em que o vento relativo encontra a linha das cordas da pá do rotor.
Angulo de ataque e ângulo de inclinação são duas condições distintas. Variar o ângulo de inclinação de uma pá de rotor altera o seu ângulo de ataque e, portanto, a sua elevação. Um ângulo de inclinação mais alto (até o ponto de paralisação) aumentará a elevação; um ângulo de inclinação mais baixo diminuirá a elevação. Pás individuais de um rotor têm seus ângulos de inclinação ajustados individualmente.
Velocidade do motor também controla a elevação – quanto maior a rotação por minuto (rpm), maior a elevação. Entretanto, o piloto geralmente tentará manter uma rotação constante do rotor e mudará a força de elevação variando o ângulo de ataque.
Como nas aeronaves de asa fixa, a densidade do ar (o resultado da temperatura, umidade e pressão do ar) afeta o desempenho do helicóptero. Quanto maior a densidade, mais elevação será gerada; quanto menor a densidade, menos elevação será gerada. Assim como nas aeronaves de asa fixa, uma mudança na elevação também resulta em uma mudança no arrasto. Quando a elevação é aumentada aumentando o ângulo de inclinação e, portanto, o ângulo de ataque, o arrasto aumentará e diminuirá a rotação do rotor. Uma potência adicional será então necessária para sustentar uma rotação desejada. Assim, enquanto um helicóptero é afetado como uma aeronave convencional pelas forças de elevação, empuxo, peso e resistência, seu modo de vôo induz efeitos adicionais.
Em um helicóptero, as forças totais de elevação e empuxo geradas pelo rotor são exercidas perpendicularmente ao seu plano de rotação. Quando um helicóptero paira sem vento, o plano de rotação do rotor (o plano da ponta do caminho) é paralelo ao solo, e a soma do peso e das forças de arrasto é exatamente equilibrada pela soma das forças de impulso e elevação. Em vôo vertical, os componentes de peso e arrasto são combinados em um único vetor que é direcionado diretamente para baixo; os componentes de elevação e empuxo são combinados em um único vetor que é direcionado diretamente para cima. Para conseguir um voo frontal em um helicóptero, o plano de rotação do rotor é inclinado para frente. (Deve-se entender que o mastro do rotor do helicóptero não inclina, mas sim as pás individuais do rotor dentro do plano de rotação têm seu ângulo de inclinação variado). Para vôo lateral, o plano de rotação do rotor é inclinado na direção desejada. Para voo para trás, o plano de rotação do rotor é inclinado para trás.
Encyclopædia Britannica, Inc.
Porque o rotor é alimentado, há uma reação de torque igual e oposta, que tende a girar a fuselagem em uma direção oposta à do rotor. Este torque é compensado pelo rotor de cauda (rotor antigo) localizado no final da fuselagem. O piloto controla o impulso do rotor de cauda por meio de pedais, neutralizando o torque conforme necessário.
Existem outras forças atuando sobre um helicóptero que não são encontradas em uma aeronave convencional. Estas incluem o efeito giroscópico de precessão do rotor – isto é, a dissimetria de elevação criada pelo movimento de avanço do helicóptero, resultando em que a lâmina de avanço tenha mais elevação e a lâmina de recuo menos. Isto ocorre porque a lâmina que avança tem uma velocidade combinada da velocidade da lâmina e a velocidade do helicóptero em vôo para frente, enquanto a lâmina que retrocede tem a diferença entre a velocidade da lâmina e a velocidade do helicóptero. Esta diferença na velocidade causa uma diferença na velocidade de elevação – a lâmina que avança está se movendo mais rápido e, portanto, está gerando mais elevação. Se não for controlada, isso resultaria no rolamento do helicóptero. No entanto, a diferença de elevação é compensada pelo bater das pás e pelas penas cíclicas (alterando o ângulo de inclinação). Como as pás são fixadas a um cubo de rotor por dobradiças horizontais de abas, que permitem seu movimento em um plano vertical, o avanço das abas das pás sobe, diminuindo seu ângulo de ataque, enquanto as abas das pás recuam para baixo, aumentando seu ângulo de ataque. Esta combinação de efeitos iguala a elevação. (As lâminas também são fixadas ao cubo por uma dobradiça vertical, o que permite que cada lâmina se mova para frente e para trás no plano de rotação. A dobradiça vertical amortece a vibração e absorve o efeito da aceleração ou desaceleração). Além disso, em vôo para frente, a posição do controle do passo cíclico causa um efeito semelhante, contribuindo para a equalização da elevação.
Outras forças que actuam sobre os helicópteros incluem o coning, o efeito de flexão para cima nas pás causado pela força centrífuga; efeito Coriolis, a aceleração ou desaceleração das pás causada pelo movimento de flapping que as aproxima (aceleração) ou as afasta (desaceleração) do eixo de rotação; e deriva, a tendência do impulso do rotor de cauda para mover o helicóptero em vôo de pausa.