Como voam os helicópteros? (A Aerodinâmica Explicada)

A ideia para o helicóptero existe desde o século XV, quando Leonardo da Vinci desenhou seu diagrama de um "parafuso aéreo". Projetos teóricos adicionais foram concebidos ao longo dos séculos seguintes, mas os helicópteros operacionais de primeira geração não foram construídos até o início dos anos 1900, por volta da Primeira Guerra Mundial.

Esses modelos iniciais eram instáveis e pouco confiáveis. Não foi antes de 1939 que 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 asa fixa, um aerofólio plano se movendo pelo ar na direção do deslocamento gera sustentação.

Todos 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 e estreitas pás giratórias de um helicóptero geram sustentação suficiente para impulsionar a aeronave para os céus, muito menos como aeronaves de rotor conseguem movimentos verticais 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 de suas perguntas mais urgentes sobre helicópteros.

Vamos começar.

Quais forças são usadas em um helicóptero?

Começaremos com o básico. Assim como as aeronaves 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 a sustentação, o empuxo e o 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. As 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

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

Arrasto

Assim como nas aeronaves de asa fixa, o fluxo de ar sobre o corpo do helicóptero produz arrasto durante o voo.

Controles do helicóptero versus controles do avião

Os helicópteros têm um acelerador como os aviões de asa fixa, juntamente com pedais (embora estes 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 de aeronaves rotativas.

Controle Coletivo

A alavanca coletiva no lado esquerdo do piloto controla o passo dos rotores principais. Ajustes de passo iguais são feitos coletivamente em todas as pás ao mesmo tempo (daí o nome).

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

O controle coletivo está ligado à potência do motor, pois o aumento do passo requer um aumento da potência do motor para manter a velocidade do rotor.

Controle Cíclico

Os movimentos para frente, para trás e laterais do helicóptero são controlados com a alavanca 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 de controle cíclico são feitas em cada pá no mesmo ponto de 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 move 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 suas pás do rotor giratórias 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 estiver gerando sustentação, o piloto puxa lentamente a alavanca coletiva 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 contra-atacar e compensar o torque.

Quando a sustentação gerada pelo rotor principal excede o peso do helicóptero, a aeronave levanta verticalmente no ar e faz a transição para um voo pairado.

Nota: O rotor de cauda do helicóptero é muito importante para o 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 evita que ele gire 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 voo pairado

Quando os helicópteros estão em um voo pairado estacionário sem vento, o fluxo de ar e o manuseio mudam dependendo da sua proximidade com o solo e se estão dentro ou fora do efeito solo.

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

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 você estivesse 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. À medida que 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 de um voo pairado para um 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 da viagem, fazendo com que as pás do rotor se inclinem 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.

No que diz respeito à aerodinâmica dos helicópteros, as pás giram em círculo enquanto a aeronave avança, e há pás avançando (movendo-se na direção do voo) e pás do rotor recuando (movendo-se para longe da direção do voo).

As pás que avançam experimentam um aumento do fluxo de ar e as pás que recuam têm um fluxo de ar diminuído. Este fluxo de ar incompatível causa uma incompatibilidade na geração de sustentação, daí uma dissimetria de sustentação. Os helicópteros compensam a dissimetria de sustentação usando projetos de batimento das pás 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 levantar o nariz enquanto a pá do rotor está na posição dianteira, o aumento do passo será expresso 90 graus depois como um aumento do passo no lado esquerdo da aeronave, o que causará uma rolagem 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. Quando um helicóptero começa 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 um 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 um voo, a direção do fluxo de ar muda e gera fluxo transversal.

A 10-20 nós de velocidade aerodinâmica, 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 expressos 90 graus após ocorrerem. Isso significa que, à medida que os pilotos fazem a transição de um voo pairado para um voo para frente, eles sentirão uma rolagem 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 um voo para frente, ele o faz gerando sustentação translacional. A sustentação translacional efetiva ocorre quando o sistema do rotor principal ultrapassa 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 16-24 nós. O nariz quererá inclinar-se para cima durante a transição para a sustentação translacional, e o piloto tem que compensar com uma entrada de controle cíclica 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 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 têm controles coletivos e cíclicos que os aviões não têm.
• Pilotos de helicóptero exigem 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.
• No caso de falha do motor, uma aeronave 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 que os helicópteros voam?

O voo de helicóptero mais alto do mundo foi de 42.000 pés em um AS 350 B2 Squirrel. O Squirrel, porém, é uma exceção, já que a maioria dos helicópteros voa em torno 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 do que as das aeronaves de asa fixa porque, à medida que o ar rarefeito, o passo das pás do rotor precisa ser aumentado para compensar.

Só é possível fazer um certo ajuste de passo devido ao design das pás, e quando o passo não pode mais ser ajustado, o helicóptero não consegue gerar sustentação.

Qual a distância que 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 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 estendidos e o alcance médio de um helicóptero está mais próximo de 200 a 800 milhas, dependendo do tamanho e tipo de helicóptero.

Qual a velocidade que os helicópteros podem voar?

O helicóptero mais rápido do mundo é o Eurocopter X3, com uma velocidade máxima de 475 km/h (255 nós). Em contraste, o helicóptero militar mais rápido é o Chinook CH-47F, com 314 km/h (170 nós).

O Airbus H155 é outro helicóptero rápido para civis, com uma velocidade máxima de 322 km/h (174 nós). A velocidade média para helicópteros varia de 240 a 320 km/h.

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
• Helicóptero vs Avião: Diferenças, Segurança, Velocidade e Facilidade de Voo

Se você está interessado em se tornar um piloto de helicóptero ou estudar mais sobre como os helicópteros funcionam, recomendamos uma cópia do ASA Student Pilot Kit. Este kit inclui um guia definitivo que cobre teoria de voo, aerodinâmica, sistemas, desempenho, manobras, emergências e muito mais. É a base para o exame de conhecimento da FAA e permanece um excelente recurso de atualização e manual de referência para pilotos de helicóptero certificados.

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É a sua vez

Você é piloto de helicóptero ou estudante? Qual foi a parte mais desafiadora de aprender a pilotar uma aeronave de rotor versus uma de asa fixa? Compartilhe o que você mais gosta em pilotar helicópteros ou por que você gostaria de experimentar uma aeronave de rotor se você atualmente opera uma aeronave de asa fixa. Adoraríamos ouvir sua opinião.

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