Como voam os helicópteros? (A Aerodinâmica Explicada)

A ideia do helicóptero existe desde o século ^XV , quando Leonardo da Vinci esboçou o diagrama de um “parafuso aéreo”. Projetos teóricos adicionais foram concebidos ao longo dos séculos seguintes, mas os helicópteros funcionais de primeira geração não foram construídos até o início de 1900, por volta da Primeira Guerra Mundial.

Esses primeiros modelos eram instáveis ​​e não confiáveis. Somente em 1939 é que Igor Sikorsky finalmente produziu o primeiro helicóptero verdadeiramente funcional e prático – o VS-300.

Se projetar e produzir helicópteros foi difícil, aprender como eles voam também pode ser um desafio. A aerodinâmica das aeronaves de asa fixa faz sentido. É bastante fácil ver e entender como um aerofólio plano e fixo movendo-se pelo ar na direção do deslocamento gera sustentação.

Todos nós podemos simular isso simplesmente colocando a mão para fora da janela de um carro em movimento e ajustando o ângulo da palma da mão em relação ao chão.

Os helicópteros são mais complexos. Não é tão simples visualizar como as pequenas hélices estreitas e giratórias de um helicóptero geram sustentação suficiente para impulsionar a aeronave para o céu, muito menos como as aeronaves com rotor conseguem se mover para cima e para baixo, para a esquerda e para a direita, para frente e para trás.

Se você está pronto para aprender, fique por aqui, pois hoje estamos desmistificando a aerodinâmica do voo de helicóptero. Também responderemos algumas de suas perguntas mais urgentes sobre helicópteros.

Vamos começar.

Quais forças são usadas em um helicóptero?

Começaremos com o básico. Assim como os aviões de asa fixa, as três forças aerodinâmicas que afetam os helicópteros são:

• Elevador
• Impulso
• Arrastar

Empuxo e arrasto são forças opostas, enquanto a sustentação é oposta pela gravidade. Veja como a sustentação, o empuxo e o arrasto são gerados pelos helicópteros.

Elevador

Em um helicóptero, a sustentação é gerada pelo fluxo de ar que se move através das pás giratórias do rotor. Os aviões de asa fixa devem se mover pela pista para gerar sustentação, mas os helicópteros geram sustentação enquanto permanecem estacionários com as pás do rotor principal e o rotor de cauda girando.

Impulso

Aviões de asa fixa produzem impulso diretamente por meio de seus motores. Os helicópteros, por outro lado, convertem a sustentação em empuxo quando a inclinação do rotor principal altera o vetor de sustentação (mais sobre isso mais tarde).

Arrastar

Tal como acontece com os aviões de asa fixa, o fluxo de ar através do corpo do helicóptero produz arrasto durante o vôo.

Controles de helicóptero versus controles de avião

Os helicópteros têm acelerador como os aviões de asa fixa, junto com pedais (embora sejam usados ​​para o rotor de cauda em vez do leme), mas os helicópteros têm outros controles que são diferentes dos aviões. Os controles cíclicos e coletivos são exclusivos das aeronaves rotativas.

Controle Coletivo

A alavanca coletiva do lado esquerdo do piloto controla o passo dos rotores principais. Ajustes de passo iguais são feitos coletivamente para todas as lâminas ao mesmo tempo (daí o nome).

Os ajustes de inclinação do rotor principal são usados ​​para mover o helicóptero verticalmente para cima e para baixo. Quando a inclinação aumenta, o helicóptero sobe. Uma diminuição no passo do rotor principal permite que o helicóptero desça.

O controle coletivo está ligado à potência do motor, uma vez que o aumento do passo requer maior potência do motor para manter a velocidade do rotor.

Controle Cíclico

Os movimentos do helicóptero para frente, para trás e de um lado para o outro são controlados com o manípulo de controle cíclico (um joystick posicionado entre as pernas do piloto). Assim como o coletivo, o controle cíclico também ajusta o passo das pás do rotor principal, mas em vez de ajustes simultâneos, as entradas do controle cíclico são feitas para cada pá no mesmo ponto do seu ciclo.

Pedais

Em vez de controlar o leme, os pedais de um helicóptero controlam a inclinação do rotor de cauda. O ângulo de inclinação padrão do rotor de cauda é definido para compensar a tendência natural de rotação para a direita do helicóptero.

Pressionar o pedal direito desloca o nariz do helicóptero para a direita e a cauda para a esquerda, enquanto pressionar o pedal esquerdo move o nariz para a esquerda e a cauda para a direita.

Como os helicópteros decolam?

Enquanto os aviões de asa fixa precisam taxiar em uma pista para ganhar velocidade e sustentação suficientes para a decolagem, os helicópteros geram sustentação para a decolagem graças ao fluxo de ar que se move sobre as pás do rotor giratório enquanto o helicóptero fica no solo.

Para decolar, os pilotos de helicóptero abrem o acelerador para aumentar a velocidade do rotor. As pás do rotor principal giram até que sua rotação atinja uma velocidade suficiente para gerar sustentação.

Uma vez que o rotor principal está gerando sustentação, o piloto lentamente puxa o coletivo para alterar simultaneamente o passo de todas as pás do rotor.

À medida que a entrada coletiva aumenta o torque do rotor, o piloto pressiona o pedal esquerdo e usa o rotor de cauda para contrabalançar e compensar o torque.

Quando a sustentação gerada pelo rotor principal excede o peso do helicóptero, a nave se eleva verticalmente no ar e faz a transição para pairar.

Nota: O rotor de cauda do helicóptero é muito importante para o vôo controlado. O rotor de cauda funciona como uma hélice para compensar o torque gerado pela força oposta do motor.

O rotor de cauda mantém o helicóptero reto e evita que ele gire fora de controle na direção oposta do rotor principal. Também pode ser usado para girar e dirigir o helicóptero, gerando movimento de guinada.

Fluxo de ar pairando

Quando os helicópteros estão pairando estacionários sem vento, o fluxo de ar e o manuseio mudam dependendo de quão próximos eles estão do solo e se estão dentro ou fora do efeito solo.

Se os helicópteros estiverem pairando dentro de um diâmetro de rotor da superfície, eles estarão em efeito solo. No efeito solo, o fluxo de ar vertical que desce pelos rotores atinge o solo e é empurrado para fora. Pequenos vórtices nas pontas das asas também são gerados.

Quando fora do efeito solo, o fluxo de ar vertical continua descendo. Sem o movimento para fora do fluxo de ar descendente, os vórtices das pontas das asas não são perturbados e ficam maiores do que seriam se você estivesse no efeito solo. Os vórtices maiores nas pontas das asas diminuem a sustentação.

Do ponto de vista prático, isso significa que os helicópteros têm mais sustentação quando estão pairando dentro do efeito solo do que quando estão fora do efeito solo. À medida que um piloto decola, ele precisa usar o coletivo para aumentar a inclinação e compensar a diminuição da sustentação, caso contrário a aeronave afundará ao sair do efeito solo.

Como voam os helicópteros?

Assim que o helicóptero decola, o piloto faz a transição de um vôo pairado para um vôo direcional (para frente, para trás e lateralmente) usando entradas cíclicas para inclinar o rotor. A inclinação do rotor cria sustentação desequilibrada e, portanto, empuxo.

A alavanca cíclica é empurrada na direção de deslocamento pretendida, fazendo com que as pás do rotor se inclinem mais para baixo nessa direção. O aumento do ângulo de ataque gera sustentação na direção oposta, e a sustentação desequilibrada permite que o helicóptero se mova na direção lateral.

Princípios Únicos de Aerodinâmica de Helicópteros

Se você estudou forças aerodinâmicas básicas, descobrirá que muitos dos princípios aerodinâmicos do vôo de asa fixa também se aplicam a helicópteros, embora as aeronaves com rotor também tenham alguns princípios únicos.

Dissimetria de Elevação

Quando um avião de asa fixa está em vôo reto e nivelado, o fluxo de ar é o mesmo em ambas as asas. Este fluxo de ar igual produz sustentação simétrica.

Quando se trata de aerodinâmica de helicóptero, as pás giram em círculo à medida que a aeronave se move para frente, e há pás avançando (movendo-se na direção do vôo) e pás do rotor recuando (afastando-se da direção do vôo).

As pás que avançam apresentam maior fluxo de ar e as pás que recuam diminuem o fluxo de ar. Este fluxo de ar incomparável causa uma incompatibilidade na geração de sustentação, daí uma dissimetria de sustentação . Os helicópteros compensam a dissimetria de sustentação usando designs de oscilação de pás e técnicas de embandeiramento cíclico.

Precessão Giroscópica

Os efeitos da precessão giroscópica são causados ​​pela rotação, portanto a precessão giroscópica não se aplica a aeronaves de asa fixa. Para pilotos de helicóptero, a precessão giroscópica significa que os efeitos de qualquer entrada feita ocorrerão 90 graus depois.

Por exemplo, quando um piloto de asa fixa faz movimentos de controle para levantar o nariz da aeronave, o nariz sobe e as asas permanecem niveladas.

Se um piloto de helicóptero levantar o nariz enquanto a pá do rotor estiver na posição para frente, o aumento da inclinação será expresso 90 graus depois como um aumento da inclinação no lado esquerdo da aeronave, o que causará um rolamento para a direita.

Efeito de fluxo transversal

O efeito de fluxo transversal é um fenômeno específico do helicóptero que ocorre quando a direção do fluxo de ar muda de vertical para horizontal. À medida que um helicóptero começa a transição de um voo pairado estacionário para um vôo para frente, ele experimenta um movimento de rolamento para a direita e leves vibrações causadas pelo efeito de fluxo transversal.

Durante o vôo pairado, a maior parte do fluxo de ar através dos rotores é vertical, enquanto durante o vôo para frente, a maior parte do fluxo de ar é horizontal. Isso significa que, à medida que um helicóptero passa de pairar para voar, a direção do fluxo de ar muda e gera fluxo transversal.

A 10-20 nós de velocidade no ar, o fluxo de ar é mais horizontal na metade dianteira dos rotores e mais vertical na metade traseira. A metade frontal das pás tem mais sustentação do que a metade traseira.

Como já abordamos, devido à precessão giroscópica, o aumento e a diminuição da sustentação são expressos 90 graus após ocorrerem. Isso significa que, à medida que os pilotos fazem a transição de um vôo pairado para um vôo para frente, eles sentirão um giro para a direita e precisarão aplicar um comando cíclico para a esquerda para compensar.

Elevação Translacional Eficaz

À medida que um helicóptero passa de um estado estacionário para um vôo para frente, ele o faz gerando sustentação translacional. A sustentação translacional efetiva ocorre quando o sistema do rotor principal ultrapassa totalmente os vórtices das pontas das asas e o helicóptero está operando em um ambiente de ar limpo.

Nesta fase, o fluxo de ar completou a transição da vertical para a horizontal e os pequenos vórtices nas pontas das asas gerados ocorrem atrás do sistema do rotor.

A sustentação translacional efetiva é gerada primeiro em velocidades entre 16 e 24 nós. O nariz vai querer se inclinar durante a transição para a sustentação translacional, e o piloto terá que compensar por uma entrada de controle cíclico para frente.

Diferença entre helicópteros e aviões

Aviões e helicópteros são máquinas voadoras comuns, mas, como compartilhamos, eles têm algumas diferenças importantes.

Aqui está uma visão geral rápida:

• O empuxo é gerado por um motor ou hélice em um avião e pelo passo da pá do rotor principal em um helicóptero.
• Os helicópteros possuem controles coletivos e cíclicos que os aviões não possuem.
• Os pilotos de helicóptero necessitam de mais entradas de controle para manter a estabilidade da aeronave.
• Os helicópteros podem decolar e pousar em espaços apertados sem pistas.
• Os helicópteros podem se mover lateralmente e subir e descer verticalmente.
• Os helicópteros podem pairar no local.
• No caso de falha do motor, um avião de asa fixa tentaria planar para pousar enquanto um helicóptero usaria a autorrotação para tentar pousar.

Perguntas frequentes sobre helicópteros

Finalmente, como prometido, aqui estão algumas respostas rápidas para tudo o que você queria saber sobre helicópteros.

Quão alto voam os helicópteros?

O voo de helicóptero mais alto do mundo foi de 42.000 pés em um AS 350 B2 Squirrel . O Squirrel é um caso atípico, já que a maioria dos helicópteros voam em torno de 5.000 pés e até mesmo helicópteros de alto desempenho geralmente ficam a 10.000 pés.

As altitudes máximas dos helicópteros são mais baixas do que as das aeronaves de asa fixa porque, à medida que o ar fica mais rarefeito, o passo das pás do rotor precisa ser aumentado para compensar.

Há um limite de ajuste de inclinação que pode ser feito devido ao design da pá, e quando a inclinação não pode mais ser ajustada, o helicóptero não consegue gerar sustentação.

Quão longe os helicópteros podem voar?

O voo de helicóptero mais longo registrado foi uma viagem de 2.213 milhas realizada em um Hughes YOH-6 Cayuse. O helicóptero de maior alcance atualmente em vôo é o Bell Boeing V-22 Osprey, com alcance de 2.230 milhas.

Ao contrário dos aviões de asa fixa, os helicópteros não são construídos para voos prolongados e o alcance médio de um helicóptero está próximo de 200-800 milhas, dependendo do tamanho e tipo de helicóptero.

Quão rápido os helicópteros podem voar?

O helicóptero mais rápido do mundo é o Eurocopter X3, com velocidade máxima de 295 milhas por hora (255 nós). Por outro lado, o helicóptero militar mais rápido é o Chinook CH-47F, de 195 milhas por hora (170 nós).

O Airbus H155 é outro helicóptero rápido para civis, com velocidade máxima de 200 milhas por hora (174 nós). A velocidade média dos helicópteros varia de 150 a 200 milhas por hora.

Você pode aprender mais sobre helicópteros e se tornar um piloto:

• Como adquirir uma licença de helicóptero (passo a passo)

• Como se tornar um piloto de helicóptero (guia passo a passo)

• Efeito solo: aprendendo a usá-lo a seu favor

• Asa Fixa vs Asa Rotativa: Vantagens e Desvantagens

• Diferenças entre helicóptero e avião: segurança, velocidade, facilidade de voar

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