Como voam os helicópteros? (A Aerodinâmica Explicada)
A ideia para o helicóptero existe desde o século XV, quando Leonardo da Vinci esboçou seu diagrama de um "aeroparafuso". Projetos teóricos adicionais foram concebidos ao longo dos séculos seguintes, mas os helicópteros funcionais de primeira geração só foram construídos no início dos anos 1900, por volta da Primeira Guerra Mundial. Esses modelos iniciais eram instáveis e pouco confiáveis. Foi somente em 1939 que Igor Sikorsky finalmente produziu o primeiro helicóptero verdadeiramente funcional e prático, o VS-300.
A ideia para o helicóptero existe desde o século XV, quando Leonardo da Vinci esboçou seu diagrama de um “parafuso aéreo”. Designs teóricos adicionais foram concebidos ao longo dos séculos seguintes, mas os helicópteros funcionais de primeira geração só foram construídos no início dos anos 1900, por volta da Primeira Guerra Mundial.
Esses primeiros modelos eram instáveis e não confiáveis. Somente em 1939 Igor Sikorsky finalmente produziu o primeiro helicóptero verdadeiramente funcional e prático, o VS-300.
Se projetar e produzir helicópteros era difícil, aprender como eles voam também pode ser um desafio. A aerodinâmica de aeronaves de asa fixa faz sentido. É bastante fácil ver e entender como uma superfície plana fixa, um aerofólio 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 pás pequenas e estreitas de um helicóptero girando geram sustentação suficiente para impulsionar a aeronave para os céus, muito menos como uma aeronave de rotor consegue o movimento para cima e para baixo, para a esquerda e para a direita, para frente e para trás.
Se você está pronto para aprender, continue conosco, porque hoje vamos desmistificar a aerodinâmica do voo de helicóptero. Também responderemos a algumas das suas perguntas mais urgentes sobre helicópteros.
Vamos começar.
Que forças são usadas em um helicóptero?
Começaremos com o básico. Assim como nos aviões de asa fixa, as três forças aerodinâmicas que afetam os helicópteros são:
- Sustentação
- Empuxo
- Arrasto
Empuxo e arrasto são forças opostas, enquanto a sustentação é oposta pela gravidade. Veja como sustentação, empuxo e arrasto são gerados pelos helicópteros.
Sustentação
Em um helicóptero, a sustentação é gerada pelo fluxo de ar que se move através das pás giratórias do rotor. Aeronaves de asa fixa devem se mover pela pista para gerar sustentação, mas os helicópteros geram sustentação enquanto permanecem parados com suas pás do rotor principal e do rotor de cauda girando.
Empuxo
Aviões de asa fixa produzem empuxo diretamente através de seus motores. Helicópteros, por outro lado, convertem sustentação em empuxo quando a inclinação do rotor principal altera o vetor de sustentação (mais sobre isso adiante).
Arrasto
Assim como em aviões de asa fixa, o fluxo de ar através da fuselagem do helicóptero produz arrasto durante o voo.
Controles de helicóptero vs. controles de avião
Os helicópteros possuem um acelerador como os aviões de asa fixa, além de pedais (embora estes sejam usados para o rotor de cauda em vez do leme), mas os helicópteros possuem outros controles que são diferentes dos aviões. Os controles cíclico e coletivo são exclusivos de aeronaves de rotor.
Controle Coletivo
A alavanca coletiva, localizada no lado esquerdo do piloto, controla a inclinação das pás do rotor principal. Ajustes iguais de inclinação são feitos coletivamente em todas as pás 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 é aumentada, o helicóptero sobe. Uma diminuição na inclinação do rotor principal permite que o helicóptero desça.
O controle coletivo está ligado à potência do motor, pois um aumento na inclinação exige um aumento na potência do motor para manter a velocidade do rotor.
Controle Cíclico
Os movimentos para frente, para trás e laterais do helicóptero são controlados pelo manche cíclico (um joystick posicionado entre as pernas do piloto). Assim como o coletivo, o controle cíclico também ajusta a inclinação das pás do rotor principal, mas em vez de ajustes simultâneos, as entradas do controle cíclico são feitas em cada pá no mesmo ponto do seu ciclo.
Pedais
Em vez de controlar o leme, os pedais de um helicóptero controlam o passo do rotor de cauda. O ângulo de passo padrão do rotor de cauda é ajustado para compensar a tendência natural de rolagem 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 por 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 suas pás giratórias do rotor enquanto o helicóptero está no chão.
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.
Assim que o rotor principal gera sustentação, o piloto puxa lentamente o coletivo para mudar 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 contrariar e compensar o torque.
Quando a sustentação gerada pelo rotor principal excede o peso do helicóptero, a aeronave sobe verticalmente no ar e faz a transição para um voo pairado.
Nota: O rotor de cauda do helicóptero é muito importante para um voo 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 o impede de girar descontroladamente na direção oposta ao rotor principal. Ele também pode ser usado para girar e direcionar o helicóptero, gerando movimento de guinada.
Fluxo de Ar em um Paragem
Quando os helicópteros estão em voo pairado estacionário sem vento, o fluxo de ar e o manuseio mudam dependendo da proximidade do solo e se estão ou não em efeito solo.
Se os helicópteros estão pairando dentro de um diâmetro de rotor da superfície, eles estão em efeito solo. Em efeito solo, o fluxo de ar vertical que passa pelos rotores atinge o chão 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 reto para baixo. Sem o movimento para fora do fluxo de ar descendente, os vórtices nas pontas das asas não são perturbados e crescem mais do que se estivessem em 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. Quando um piloto decola, ele precisa usar o coletivo para aumentar o passo e compensar a diminuição da sustentação, caso contrário a aeronave afundará quando sair do efeito solo.
Como os helicópteros voam?
Uma vez que um helicóptero decola, o piloto faz a transição do voo pairado para o voo direcional (para frente, para trás e para os lados) usando entradas cíclicas para inclinar o rotor. A inclinação do rotor cria sustentação e, portanto, empuxo desequilibrados.
A alavanca cíclica é empurrada na direção pretendida do movimento, fazendo com que as pás do rotor inclinem-se mais nessa direção. O aumento do ângulo de ataque gera sustentação na direção oposta, e a sustentação desequilibrada permite que o helicóptero se mova em uma direção lateral.
Princípios Únicos da Aerodinâmica de Helicópteros
Se você estudou as forças aerodinâmicas básicas, descobrirá que muitos dos princípios aerodinâmicos do voo de asa fixa também se aplicam aos helicópteros, embora as aeronaves de rotor também tenham alguns princípios únicos.
Dissimetria de Sustentação
Quando uma aeronave de asa fixa está em voo 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 da aerodinâmica de helicópteros, as pás giram em círculo enquanto a aeronave se move para a frente, e há pás avançando (movendo-se na direção do voo) e pás recuando (movendo-se para longe da direção do voo).
As pás avançadas experimentam um aumento no fluxo de ar e as pás recuadas têm uma diminuição no fluxo de ar. Este fluxo de ar não correspondente causa uma discrepância na geração de sustentação, daí uma dissimetria de sustentação. Os helicópteros compensam a dissimetria de sustentação usando designs de batimento de pá e técnicas de enflechamento 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 entradas de controle para levantar o nariz da aeronave, o nariz sobe e as asas permanecem niveladas.
Se um piloto de helicóptero levanta o nariz enquanto a pá do rotor está na posição frontal, o aumento do passo será expresso 90 graus depois como um aumento do passo 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 de helicóptero que ocorre quando a direção do fluxo de ar muda de vertical para horizontal. À medida que um helicóptero começa a fazer a transição de um voo pairado estacionário para um voo para frente, ele experimenta um movimento de rolagem para a direita e leves vibrações causadas pelo efeito de fluxo transversal.
Em voo pairado, a maior parte do fluxo de ar através dos rotores é vertical, enquanto durante o voo para frente, a maior parte do fluxo de ar é horizontal. Isso significa que, à medida que um helicóptero passa de um voo pairado para o voo, a direção do fluxo de ar muda e gera fluxo transversal.
A 10-20 nós de velocidade do ar, o fluxo de ar é mais horizontal na metade dianteira dos rotores e mais vertical na metade traseira. A metade dianteira 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 ambos expressos 90 graus após ocorrerem. Isso significa que, à medida que os pilotos fazem a transição de um voo pairado para o voo para frente, eles sentirão um rolamento para a direita e precisarão aplicar uma entrada cíclica para a esquerda para compensar.
Sustentação Translacional Efetiva
À medida que um helicóptero se move de um voo pairado estacionário para o voo para frente, ele o faz gerando sustentação translacional. A sustentação translacional efetiva ocorre quando o sistema do rotor principal supera completamente os vórtices da ponta da asa e o helicóptero está operando em um ambiente de ar limpo.
Nesta fase, o fluxo de ar completou a transição de vertical para horizontal e os pequenos vórtices da ponta da asa que são gerados ocorrem na parte traseira do sistema do rotor.
A sustentação translacional efetiva é gerada pela primeira vez em velocidades entre 16 e 24 nós. O nariz tenderá a inclinar-se para cima durante a transição para a sustentação translacional, e o piloto precisa compensar com uma entrada de controle cíclico para a frente.
Diferença entre Helicópteros e Aviões
Aviões e helicópteros são máquinas voadoras comuns, mas, como compartilhamos, eles têm algumas diferenças importantes.
Aqui está uma rápida visão geral:
- 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 têm controles coletivos e cíclicos que os aviões não possuem.
- Os pilotos de helicóptero precisam 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 ascender e descer verticalmente.
- Os helicópteros podem pairar no lugar.
- Em 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.
Qual a altura máxima de voo dos helicópteros?
O voo de helicóptero mais alto do mundo foi de 42.000 pés em um AS 350 B2 Squirrel. No entanto, o Squirrel é uma exceção, pois a maioria dos helicópteros voa na faixa de 5.000 pés e até mesmo aeronaves de rotor de alto desempenho geralmente permanecem a 10.000 pés.
As altitudes máximas dos helicópteros são mais baixas que as das aeronaves de asa fixa porque, à medida que o ar rareia, o passo da pá do rotor precisa ser aumentado para compensar.
Há um limite para o ajuste de passo que pode ser feito devido ao design da pá, e quando o passo não pode mais ser ajustado, o helicóptero não consegue gerar sustentação.
Qual a distância máxima de voo dos helicópteros?
O voo de helicóptero mais longo registrado foi uma viagem de 2.213 milhas realizada em um Hughes YOH-6 Cayuse. O helicóptero com maior alcance atualmente em voo é o Bell Boeing V-22 Osprey, com um 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 mais próximo de 200-800 milhas, dependendo do tamanho e tipo do helicóptero.
Qual a velocidade máxima dos helicópteros?
O helicóptero mais rápido do mundo é o Eurocopter X3, com velocidade máxima de 295 milhas por hora (255 nós). Em contraste, o helicóptero militar mais rápido é o Chinook CH-47F, com 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:
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Como se Tornar um Piloto de Helicóptero (Guia Passo a Passo)
-
Diferenças entre Helicóptero e Avião: Segurança, Velocidade, Facilidade de Voo
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É a sua vez
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