teoria do

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APOSTILA DE TEORIA DE VÔO HE
1º PERÍODO
Conceituação do Helicóptero
A sustentação dos aparelhos que voam é garantida por superfícies
perfiladas denominadas ASA, as asas de um helicóptero são as pás do seu
rotor.
PERFIL SUSTENTADOR
ASA
ROTOR
Sobre tal superfície perfilada que se desloca no ar com a velocidade V,
desenvolve-se um empuxo aerodinâmico vertical “Fn” dirigido para cima. É
esta força aerodinâmica que, oposta ao peso do aparelho, possibilita o vôo dos
“mais pesados do que o ar”.
A velocidade é então o elemento essencial que, sobre um perfil, produz
forças aerodinâmicas de sustentação.
2
Fn
Essa velocidade é obtida
em aviões pelo emprego de uma
hélice (ou uma turbina) que
propulsiona o aparelho na
velocidade “V” .
Fn
No helicóptero, a velocidade é
obtida pela rotação do
rotor
que
é
propulsionado
na
velocidade ωr
por
um motor, onde r é a
distância em que se
encontra o perfil em
Em resumo: para se manter no ar o avião deve ser animado por uma
velocidade “V” e o helicóptero pode dispensar essa velocidade já que sua asa
gira na velocidade “ωr”.
A asa giratória permite ao helicóptero voar
verticalmente (subir e descer) ou permanecer
imóvel (pairado) e, com ajuda dos comandos
que possibilitam inclinar o plano de rotação
do rotor, o vôo com deslocamento em todas
as direções, é a originalidade do helicóptero.
Fn = W
vôo pairado
Fn > W
vôo vertical ascendente
Fn < W
vôo vertical descendente
Portanto, um helicóptero voa segundo os mesmos princípios básicos que um
avião convencional. Forças aerodinâmicas necessárias para manter o vôo são
produzidas em suas asas (pás) quando o vento relativo passas sobre elas.
As pás do rotor, ou asas rotativas, é a estrutura que torna possível o vôo
dos helicópteros. A sua forma aerodinâmica produz força de sustentação
quando gira através do ar. As pás do helicóptero são desenhadas para
conseguir o máximo rendimento aerodinâmico.
3
O rotor garante também a
propulsão do helicóptero. Basta,
para
isso,
um
comando
apropriado para inclinar seu plano
de rotação. A sustentação Fn
decompõe-se em 2 forças:
• Fs – (força de sustentação que
equilibra o peso)
• T – (força de propulsão) que
equilibra o arrasto do aparelho
Fx e provoca a translação.
T
Arrasto D
W
Todas as aeronaves cuja sustentação é garantida por uma asa giratória
(rotor) constitui a família dos GIROAVIÃO.
Existem três tipos de GIROAVIÕES: O helicóptero, o autogiro e o
Giródino também conhecido como Ciclogiro.
PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DO AUTOGIRO:
Seu rotor gira livre em um eixo não
sendo acionado por ele. Um motopropulsor gera a tração necessária
para provocar a translação do
aparelho. Essa translação provoca a
rotação do rotor que, por sua vez,
garante a sustentação. É na
realidade, um avião cujas asas foram
substituídas por uma asa giratória.
Ele não pode voar nem verticalmente,
nem se sustentar em vôo pairado.
T
4
Princípio de funcionamento do girodino
Seu rotor, acionado por um motor,
assegura somente a sustentação. A
tração para criar o deslocamento à
frente é obtida por meio de um
grupo moto-propulsor. É possível
realizar vôo vertical.
Princípio de funcionamento do helicóptero
Como já demonstrado anteriormente, a velocidade rotacional faz com
que cada perfil aerodinâmico do rotor se desloque com a velocidade tangencial
ω r e a força de sustentação Fn fornecida pelo rotor é perpendicular ao plano
de rotação do mesmo.
Descrição do Helicóptero
É uma aeronave que tem a estrutura constituída dos seguintes
componentes: Rotores, grupo moto-propulsor e conjuntos mecânicos, estrutura
e trem de pouso e outros componentes (sistemas de combustível, sistema
hidráulico, etc). Sua performance depende diretamente da potência do motor e
das características aerodinâmicas do rotor principal.
ROTOR PRINCIPAL
ROTOR
DE
CAUDA
CUBO DO ROTOR
TRANSMISSÃO
MOTOR
CABINA
CONE DE CAUDA
TREM DE POUSO
CLASSIFICAÇÃO DOS HELICÓPTEROS:
AUTOGIRO:
5
Seu rotor gira livre sobre um eixo. Um grupo moto-propulsor gera a
tração necessária para provocar a translação do aparelho. Esta translação
provoca a rotação do rotor, que por sua vez assegura a sustentação.
O autogiro pode ser comparado a um avião, no qual a asa fixa foi
trocada por asas rotativas. Ele não voa verticalmente nem realiza vôo pairado.
GIRODINO:
Seu rotor, acionado por um motor, assegura somente a sustentação. A
tração para criar o deslocamento à frente é obtida por meio de um grupo
motopropulsor. É possível realizar vôo vertical.
HELICÓPTERO:
Com base nos componentes e na classificação mencionados, podemos
dizer que um helicóptero é uma máquina de voar, constituída por uma
estrutura, na qual são montados: uma cabina, um motor, rotores, transmissões
e os necessários comandos e sistemas.
Tudo isso agrupado representa um certo peso, o qual requer uma
necessária potência do motor para elevar o aparelho, ou melhor, para
conseguir sustentação. Se houver suficiente potência do motor e se o rotor for
capaz de transformar com sucesso essa potência para a performance
desejada, o peso certamente será levantado.
Daí concluirmos que, a performance do helicóptero para um dado
peso, pode ser limitada por dois fatores:
1. potência do motor;
inabilidade do rotor em transformar a potência do motor em performance.
COMPONENTES DE UM HELICÓPTERO
Antes de entrar no estudo do funcionamento do helicóptero, faz-se
necessário mostrar a arquitetura geral de um helicóptero convencional e
explicar a função dos seus principais componentes:
1- Rotores;
2- Grupo moto-propulsor e conjuntos mecânicos;
3- Estrutura e trem de pouso;
4- Outros Equipamentos (Sistema de Combustível; Sistema Elétrico;
Sistema Hidráulico)
A) OS ROTORES:
O rotor principal assegura a sustentação e a propulsão. Ele é
constituído de um certo número de pás, que podem ser consideradas
como asas de grande alongamento (razão de aspecto), animadas de
um movimento de rotação. Essas pás são presas à parte central do
rotor chamada de cubo do rotor.
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O rotor de cauda fornece a força necessária para anular o torque de
reação causado pelo rotor principal. O torque de reação do rotor
principal existe em contraposição ao torque gerado pelo motor pra
movimentá-lo.
B) GRUPO MOTO-PROPULSOR:
Um ou mais motores fornecem a potência mecânica ao rotor
principal, ao rotor de cauda e a outros equipamentos. Geralmente
são motores à turbina livre.
A velocidade de saída de uma turbina é da ordem de 20.000 rpm,
enquanto que a velocidade de um rotor principal é da ordem de 300
rpm.
A transmissão da potência do motor aos rotores necessita de um
redutor, chamado de Caixa de Transmissão Principal, que comporta
vários estágios de redução.
Em alguns helicópteros, uma embreagem centrífuga permite a
transmissão progressiva do torque do motor para os rotores durante
a partida.
Em outros essa função é feita por um sistema de roda livre que
também permite a rotação dos rotores mesmo sem o motor estar em
funcionamento.
Um sistema composto por árvores de transmissão e caixas de
transmissão assegura a redução e a mudança de ângulos para o
acionamento do rotor de cauda.
-
C) ESTRUTURA:
A estrutura compreende essencialmente:
a cabina, onde estão os comandos de vôo e os instrumentos de bordo, e
onde são transportados os pilotos, os passageiros e a carga.
-
a estrutura central, onde se localizam os principais conjuntos mecânicos.
-
a cauda, onde se localizam o rotor de cauda, a deriva vertical e a arfagem
com deslocamentos à frente.
-
o trem de pouso, tipo esqui ou com rodas.
D) OUTROS EQUIPAMENTOS:
Eles são, principalmente, os dispositivos de comando e de controle
de vôo e aqueles que são necessários para cumprir as funções que
lhes são destinadas (sistema hidráulico, sistema de combustível,
sistema elétrico etc.)
CLASSIFICAÇÃO QUANTO AS CONFIGURAÇÕES:
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Os helicópteros são classificados pelas suas configurações de
construção em 5 tipos principais e uma série de sub-classes.
1- ROTOR SIMPLES (monorotor):
•
Com um rotor de cauda, é o tipo mais comum nos dias
de hoje, chamado de tipo básico;
•
Vantagem - é a simplicidade e a economia em peso.
•
Desvantagem - é o perigo do R/C;
•
Componentes: Rotor Principal, Sistema de Controle,
Transmissão Principal, Sistema de Acionamento, Comandos e
Rotor de Cauda;
•
O acionamento do R/C consome em torno de 8 a 10% da
potência do motor, no vôo pairado e 3 a 4% no vôo em
deslocamento.
Sub-Classe: GIRÓDINO
•
Utiliza o rotor anti-torque na frente, para puxar a
máquina;
Vantagem
- maior eficiência operacional do R/P no vôo para
frente;
- diminui o arrasto parasita porque o rotor antitorque é montado numa armação relativamente
curta;
- evita a inclinação do rotor para frente.
Desvantagem – a potência requerida para contrariar o torque é
maior
2- ROTOR JATO:
rotor é acionado por unidades a jato, instaladas nas pontas das pás;
• não tem rotor anti-torque;
• controle direcional obtido por superfícies de comando, empregando o ar
jogado para baixo no vôo pairado ou pelo vento relativo no vôo para
frente;
• Vantagem
– máxima simplicidade;
• Desvantagem
– grande consumo de combustível.
OBS: o desenvolvimento desse tipo depende primariamente do
desenvolvimento do motor a jato, próprio para o mesmo,
com o menor tamanho possível.
3- ROTOR CO-AXIAL:
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• O torque é eliminado pela utilização de dois rotores superpostos e
girando em sentidos opostos;
• Os rotores podem não ter o mesmo diâmetro ou não girarem na mesma
velocidade, o importante é que ambos absorvam o mesmo torque;
Vantagem
– Ter todas as dimensões definidas no seu projeto.
Num rotor simples as dimensões dependem do
diâmetro do R/P e da utilização de potência do
motor, o que irá determinar o valor do anti-torque;
Desvantagem – Cabeças de rotores e controles mais complexos e
maior peso dos componentes.
4- ROTOR LADO A LADO:
- o deslocamento lateral dos rotores reduz a
Vantagem
potência requerida do motor para produzir
sustentação e deslocamento para frente.
- produz uma razão de aspecto semelhante às asas
de um avião, o que permite o nível de vôo com
um motor desligado, em um helicóptero multimotor..
- a potência necessária para manter um nível de
vôo com carga pesada é bem menor.
Desvantagens - tem uma alta resistência parasita.
- tem um alto peso estrutural.
- Tem um complexo sistema de eixos e
engrenagens.
OBS:
o SINCRÓPTERO (eixos laterais com rotores
sincronizados) é mais compacto e sacrifica uma parte de
sua eficiência em sustentação, por um ganho em
simplicidade de transmissão.
5- ROTOR EM TANDEM:
Vantagens
Desvantagens
- possibilidade de uma grande área de fuselagem
livre.
- grande possibilidade de variação do centro de
gravidade
- complexo sistema de eixos e engrenagens.
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- baixa eficiência de sustentação no vôo para
frente.
OBS: MULTI-ROTORES:
Três ou mais rotores:
Desvantagens
- Prejudicam a simplicidade de comandos.
- Nem sempre o controle para todas as direções é
feito pela simples atuação de um rotor em relação
aos outros.
- Em máquinas de muita largura, provoca um
arrasto parasita do ar para baixo, muito grande.
TIPOS DE ROTORES
Um rotor é constituído por um conjunto de pás (duas ou mais), as
quais são fixadas a um cubo. São três os tipos de rotores dos atuais
helicópteros.
ROTOR RÍGIDO: as pás, o cubo e mastro são rígidos entre si. Não tem
batimento nem avanço e recuo, tem apenas o movimento de mudança de
passo.
VANTAGENS
DESVANTAGENS
1. Construção simplificada pela 1. As raízes das pás estão sujeitas a
eliminação dos movimentos de altas cargas de flexão devido à sua
batimento e de avanço e recuo.
rigidez.
2.
Possui
maior
massa
e 2. Os rolamentos de perfilamento
consequentemente maior inércia.
estão sujeitos a altas cargas
centrífugas.
OBS: Os rotores rígidos tem sido utilizados em sistemas contra-rotativos onde
os efeitos giroscópicos se anulam.
ROTOR SEMI-RÍGIDO: é um rotor cujas pás são fixas a um cubo, o
qual é livre em batimento e mudança de passo. Por serem, as pás, fixas ao
cubo, elas não dependem da força centrífuga para sua rigidez.
VANTAGENS
1. Eliminação do movimento individual de batimento e de avanço e atraso,
simplificam a construção do rotor e sua manutenção.
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2. As cargas centrífugas nas pás são diminuídas porque a mudança do passo
não é feita individualmente e sim em conjunto.
3. Em virtude das pás serem fixas à cabeça do rotor, elas não dependem
inteiramente da força centrífuga para manter a sua rigidez.
4. O cubo do rotor semi-rígido é livre para oscilar, assim eliminando os
momentos de inclinação lateral.
5. O desequilíbrio geométrico provocado pela força de coriolis, ocorre em
altas velocidades e é corrigido pelo próprio formato da construção do rotor.
ROTOR ARTICULADO: são aqueles em que as pás são fixadas à cabeça
do rotor por dispositivos especiais que permitem o seu movimento em
torno dos três eixos. Podem executar os movimentos de batimento, avanço
e recuo e mudança de passo, individualmente ou em conjunto.
O desequilíbrio geométrico ou efeito de Coriolis, ocorre num rotor
articulado, quanto o plano gerado pela trajetória da ponta das pás não for
paralelo ao plano do cubo do rotor. O desequilíbrio geométrico impõe
movimento de flexão, independente, às pás do rotor.
Isso faz com que a pá que tenha maior batimento, tendo seu centro de
massa mais próximo ao eixo do plano de rotação aumente sua velocidade,
provocando o desequilíbrio geométrico, face ao efeito da força de Coriolis.
Isto é corrigido pelos amortecedores das pás, os quais mantém uma
igualdade de relação angular entre as mesmas.
VANTAGENS
DESVANTAGENS
1. O movimento individual de 1. A construção e a manutenção deste
batimento ajuda a compensar a tipo de rotor é bem mais complexa
dissimetria de sustentação.
pela incorporação de mais dois eixos
de movimento e pela necessidade de
amortecedores para compensar os
movimentos de avanço e atraso.
2. O movimento de batimento permite 2. Necessidade de batentes “dropp
que o disco de rotação seja inclinado stop” para limitar o movimento de
sem que o mastro se incline.
descida das pás com o rotor parado.
3. A articulação de batimento permite 3. Oscilação excessiva – as
ao rotor inclinar-se sem inclinar o articulações de arrasto, livres,
mastro.
permitem às pás do rotor oscilarem
excessivamente no plano de rotação.
4. A articulação de batimento diminui 4. O uso de amortecedores, no rotor,
a curvatura na raiz das pás, gerada apresentam vários problemas para sua
pelo coneamento.
manutenção: vazamentos, ajustagem e
efeitos provocados pelas variações
atmosféricas.
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5. O efeito de batimento individual
das pás diminui o efeito das rajadas.
OBS: esse tipo de rotor requer um mínimo de três pás que são normalmente
equipadas com amortecedores de avanço e recuo.
Trecking das pás: é o termo que indica a relação de equilíbrio
dinâmico das pás entre si. Esta relação existirá sempre que as
pontas das pás girarem no mesmo plano. O termo tracking
representa, na prática, o procedimento do mecânico para colocar as
pás nas condições satisfatórias de vôo.
12
1
TEORIA DE VÔO DE HELICÓPTERO
1. FORÇAS QUE ATUAM NO AVIÃO:
A) Forças Verticais -
Sustentação
Peso
Comandos de rolamento (aileron ou cíclico)
Comandos de arfagem (profundor ou cíclico)
B) Forças Horizontais - Tração
- Arrasto
- Comandos de guinada (leme de direção ou
rotor de cauda)
2. FORÇAS QUE ATUAM NO HELICÓPTERO:
13
Fatores que influem na sustentação:
a) Área da asa ou área da pá;
b) Forma ou perfil do aerofólio;
c) Ângulo de Ataque;
d) Velocidade;
e) Densidade
Área da asa ou da pá: as forças de sustentação e arrasto são
diretamente proporcionais a área da asa.
Forma ou perfil do aerofólio:
1. Vento Relativo:
Observe a figura ao lado: "V" é a velocidade do
helicóptero, "U" é a velocidade do vento relativo.
A velocidade resultante "VR" é igual a V+U.
O vento relativo sopra contra o deslocamento
do helicóptero.
Aqui "V" e "U" estão na mesma direção. "U" é
a velocidade do vento relativo agora soprando
na mesma direção do deslocamento do
helicóptero. A velocidade resultante "VR" é
igual a V-U.
2. Movimento do ar e pressão dinâmica:
O ar (como todos os gases) possui uma energia que se manifesta sob a
forma de pressão.
14
2. Movimento do ar e pressão dinâmica:
O ar (como todos os gases) possui uma energia que se manifesta sob a
forma de pressão.
• Pressão estática Pe: energia em expansão.
• Pressão dinâmica Pd: energia cinética do ar em movimento.
A soma dessas energias, representa a energia total (ou pressão total Pt).
•
•
AR EM REPOUSO = PRESSÃO ESTÁTICA (Ps)
AR EM MOVIMENTO = PRESSÃO TOTAL (Pt)
5. A resistência do ar:
Um corpo constitui um obstáculo para o
vento relativo impedindo ou dificultando seu
deslocamento. Esse esforço no sentido de impedir
o movimento representa a RESISTÊNCIA DO AR.
Diz-se que o ar opõe-se aos deslocamentos dos
corpos. Uma placa colocada perpendicularmente
na corrente (vento relativo) de ar freia e desvia a
massa de ar que nela bate.
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Os vetores representam a pressão estática
relativa.
Essa pressão é negativa na zona de depressão.
Examinemos tudo isso um pouco mais de perto:
• Na face dianteira da placa, onde a velocidade do ar dimninui, a energia
dinâmica é transformada em pressão estática. A pressão estática na face
dianteira é superior à pressão atmosférica. (Ps > Pa).
• Na face traseira da placa cria-se uma zona de vácuo relativo onde a
pressão dinâmica aumenta. A pressão dinâmica eleva-se e a pressão
estática diminui. (Ps < Pa). – DEPRESSÃO.
Então a placa é submetida a
uma pressão na face dianteira
que tende a empurrá-la e na
face traseira, há uma depressão
que tende a aspirá-la.
A resultante dessas forças de pressão é a resistência do ar.: R
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Se quantificarmos em
100% a resistência no caso
de uma placa circular, a
resistência não é mais do
que 50% para uma esfera
de mesmo diâmetro.
RESUMINDO =►
CONCLUSÃO: A resistência do ar é proporcional:
1) à massa específica do ar – φ;
2) ao quadrado da velocidade do ar – V²;
3) à superfície do corpo – S;
4) ao coeficiente “K” que leva em consideração a forma do corpo e seu
estado de superfície.
6. Como obter uma superfície sustentadora:
A resistência do ar é um mal necessário. Ela se opõe ao deslocamento
dos corpos (é aí que está o problema) e contém uma energia possível de
controlar e de dirigir.
R (ou Fr) = ½ φ v² . S. K
Não percamos de vista nossas
conclusões anteriores e
inclinemos a placa em relação ao
vento relativo Vr. Note sempre:
1) uma zona de pressão;
2) uma zona de depressão.
Mas a resultante R, que chamaremos a partir de agora Fr, (força
aerodinâmica resultante) é dirigida para cima.
17
Deslocamento do ar por um corpo esférico: aumento de pressão na face
anterior (a) e baixa
pressão na face posterior
(b)
Deslocamento do ar por um corpo oval: é eliminada a zona de baixa
pressão, a turbulência e o
arrasto.
Perfil assimétrico:
Perfil simétrico: a força de sustentação surge quando a direção do vento
relativo forma um “ângulo de ataque” com a
corda do aerofólio.
Ângulo de Ataque: Ângulo formado pela corda média do aerofólio e a
direção do vento relativo.
Centro de Pressão: - ponto de interseção da resultante aerodinâmica
com a corda.
- O aumento do ângulo de ataque nos perfis
assimétricos provoca o deslocamento para frente
do CP
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- Nos aerofólios simétricos CP é constante.
Ângulo em que a sustentação é nula:
Perfis assimétricos - ângulo de ataque negativo e ocorre
quando “R” é paralela ao vento
relativo.
Perfis simétricos – corda é paralela ao vento relativo
Velocidade: - a sustentação é proporcional ao quadrado da velocidade;
- portanto é impossível se voar nivelado, mantendo o
mesmo ângulo de ataque quando a velocidade é
aumentada.
EX: Uma aeronave a 200 Km/h terá 4 vezes mais
sustentação que um avião a 100 KM/h.
Densidade do ar: É a relação entre a massa e a unidade de volume.
A sustentação e o arrasto variam diretamente com a
densidade do ar.
Fatores que influem na densidade: - Temperatura
- Umidade
- Altitude
ALTITUDE EM TEMPERATURA
PRESSÃO
mts
°C
mm/hg
Nível do mar
152,4
304,8
1066,8
3048,0
6096,0
15
14
13
8,5
4,8
-24,6
760
746
733
668
523
349
1. PESO
Ação da aceleração da gravidade sobre um corpo –
DENSIDADE
UTM/mt cúbico
0,1249
0,1230
0,1213
0,1125
0,0923
0,0665
( W = Mg )
Fatores que influem no peso: - Latitude (menor nos polos/maior no
equador)
- Altitude (quanto mais alto menor)
2. TRAÇÃO:
É a força que vence o arrasto e impulsiona a aeronave para frente.
Nos helicópteros a TRAÇÃO é produzida pelo motor e pelo rotor
principal.
19
Se dá pela composição do peso com a força de sustentação.
O deslocamento horizontal do helicóptero faz surgir uma nova força no
sentido contrário ao deslocamento, o arrasto ou resistência ao avanço.
O arrasto aumenta com o quadrado da velocidade aerodinâmica, e
crescerá até se igualar à TRAÇAO, quando a velocidade se estabilizará.
(T = D)
Sustentação Translacional ou de Deslocamento: sustentação
resultante do aumento da velocidade de deslocamento devido a maior
velocidade do fluxo de ar através do disco do rotor.
VNE – limitada pela potência disponível
3. ARRASTO:
É a força que tende a freiar um corpo um corpo que se desloca no ar.
O ARRASTO varia com o quadrado da velocidade aerodinâmica e atua
sempre na mesma direção e sentido do vento relativo.
Fatores que influem no arrasto: são os mesmos que influem na
sustentação.
a) Área da asa ou área da pá;
b) Forma ou perfil do aerofólio;
c) Ângulo de Ataque;
d) Velocidade;
e) Densidade
Tipos de ARRASTO: Perfil – fricção do ar sobre a superfície da asa.
Induzido – resistência útil relativa a sustentação
ie. o trabalho que deve ser
despendido para se obter a
sustentação.
Parasita – fuselagem, trem de pouso etc.
4. FORÇAS CENTRÍFUGA e CENTRÍPEDA:
Quando um objeto se move em uma trajetória circular, a força
centrífuga age sobre ele, tendendo a afastá-lo do centro de rotação. Em
oposição
à
esta força, uma outra em sentido contrário atua puxando-o para o centro,
mantendo assim a trajetória circular.
20
Atuação da FORÇA CENTRÍFUGA no helicóptero: - Curvas
- Giro do Rotor
a)
CURVAS: A Força centrífuga será tão mais intensa quanto
maior for o ângulo de inclinação da curva.
n = fator de carga = L/W = 1/cosθ
. Em vôo retilíneo L = W
logo fator de carga L/W = 1
. Em curvas, paradas rápidas e recuperação de mergulhos a
carga suportada pelo rotor é aumentada pela ação da força
centrífuga.
. Ex: Um helicóptero com o peso de 1.800 lb, executando uma
curva nivelada de 30°, o peso suportado pelo rotor será de 2.700
lb.
n = 1/cos 30° = 1/ 0,869 = 1,15
se n = L/W →
L=n.W
L = 1,15 . 1.800 = 2070 lb
Fator de
Carga
b)
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
10 20 30 40 50 60 70 80 90
TORQUE OU CONJUGADO DE REAÇÃO:
. Quando um corpo é montado sobre um eixo e uma força é
aplicada, este corpo tenderá a girar.
. Quanto maior for a distância do eixo ao ponto de aplicação da
força, maior será essa tendência.
21
. TORQUE = Força
(momento)
x
Distância (braço da alavanca)
7- PRINCÍPIOS DE VÔO
VÔO PAIRADO
Partida: - um sistema de embreagem permite dar partida no motor sem
o mesmo sofrer a carga ou inércia das pás do rotor.
- as embreagens podem ser do tipo sapatas centrífugas, de
correias de fricção ou hidromecânicas.
- após a partida do motor o rotor é engrazado suavemente ao
motor por intermédio da embreagem. (helicópteros com
motor a turbina não possuem embreagem)
Vôo librado: com o rotor engrazado ao motor, ao ser levantada a
alavanca do passo coletivo, é aumentado o ângulo de
ataque das pás e, consequentemente, aumentada a
sustentação até a um ponto tal em que esta vença a ação
da gravidade e faça com que o helicóptero se eleve.
Atuação do coletivo: efeito conjugado com a manete para compensar
a queda da RPM, devido ao aumento de passo.
Compensação da deriva: em vôo pairado o disco e as estrelas ficam
paralelas ao solo. A rigor, todo o conjunto estará
ligeiramente inclinado para a esquerda a fim de compensar a
deriva do helicóptero para a direita, deriva essa causada pela
resultante dos momentos provocados pelo rotor principal e
rotor de cauda (compensação do torque)
Compensação do torque: comando de passo das pás do R/C pelos
pedais e acionamento do rotor.
VÔO EM VELOCIDADE
Composição de forças: sustentação e peso
Deslocamento para vante: inclinação do rotor para frente e
consequentemente do vetor de
sustentação.
22
EFEITOS AERODINÂMICOS
DISSIMETRIA DE SUSTENTAÇÃO:
I)
II)
III)
A pá avançada além da sua velocidade normal (RPM) de
rotação, gira no mesmo sentido do deslocamento do
helicóptero somando, portanto, à sua velocidade (tangencial),
a velocidade do helicóptero.
A pá recuada possui uma velocidade aerodinâmica menor,
pois gira em sentido oposto ao deslocamento do helicóptero
tendo, portanto, diminuída da sua velocidade (tangencial), a
velocidade do helicóptero.
Como a sustentação é função do quadrado da velocidade e
sendo a velocidade em A (pá avançada) maior do que em C
(pá recuada), a sustentação também será maior em A que em
C.
SOLUÇÃO DO PROBLEMA: (batimento, avanço e atraso, mudança de
passo), o que faz com que se altere a direção do vento relativo,
diminuindo o ângulo de ataque da pá que avança e aumentando o
ângulo de ataque da pá que recua.
ROTORES SEMI-RÍGIDOS: batimento para cima, diminuindo, assim, o
seu ângulo de ataque e área útil da pá, diminuindo, portanto, a
sustentação.
Com a elevação da pá que avança, a pá recuada abaixa,
aumentando a sua área útil e seu ângulo de ataque, aumentando
assim a sua sustentação.
Estes movimentos fazem com que se equilibre a
sustentação nas duas metades do disco do rotor.
ROTORES ARTICULADOS: o aumento de velocidade aerodinâmica na
pá avançada faz com que ela execute o batimento para cima,
diminuindo a sua área útil e o seu ângulo de ataque, diminuindo
assim a sua sustentação, igualando-a com a da pá recuada.
NOTA 1: esses movimentos das pás que compensam a dissimetria de
sustentação são provocados por reações aerodinâmicas e
independem do comando do piloto.
NOTA 2: A própria posição do cíclico para frente, nos vôos com
velocidade, ajuda a compensar a dissimetria de sustentação,
23
pois, diminui o ângulo de ataque da pá avançada e aumenta o
ângulo de ataque da pá recuada.
ROTORES DE CAUDA: Também devem possuir movimento de
batimento, para compensar a dissimetria de sustentação.
EFEITO DE SOLO
MAIOR EFEITO: metade do diâmetro do rotor (entre 10 a 15 pés)
Normalmente os helicópteros possuem tabelas para
cálculo de vôo pairado em altitude com e sem o efeito
de solo.
FATORES QUE INFLUENCIAM O EFEITO DE SOLO: qualidade do
terreno, capim alto, terreno inclinado , borda de
helipontos elevados etc.
SUSTENTAÇÃO DE DESLOCAMENTO:
- Função da velocidade de deslocamento ( acima de 15
nós) .
- Decolagem corrida
- Afundamento no início da decolagem
- Entre 40 e 60 mph a sustentação de deslocamento
aumenta permitindo menor potência requerida.
- Para velocidade acima de 60 mph o aumento do
arrasto provocará um aumento na potência requerida.
- Ventos fortes influem na sustentação de
deslocamento.
RESSONÂNCIA COM O SOLO
Violentas vibrações ocorridas durante o táxi, decolagem ou pouso.
24
CAUSA PRINCIPAIS: - rotores articulados
- amortecedores hidráulicos
- rodas pneumáticas
- pouso em locais não homologados
- desnivelamento do terreno.etc
COMO OCORRE: Quando o centro de massa do rotor é descentralizado,
isto pode ocorrer quando a relação angular entre as
pás for alterada.
SOLUÇÃO:
Pouca RPM – feche completamente a manete e reduza o passo
coletivo para mínimo e aplique o freio do rotor.
RPM suficiente – tirar imediatamente o helicóptero do solo e
tentar outro pous o, de preferência em terreno macio e
plano.
AUTO ROTAÇÃO
É a capacidade que têm as pás do rotor de continuar girando no
mesmo sentido e com a mesma velocidade em caso de falha de potência.
Desde que estejam em passo mínimo.
FLUXO DE AR PELO ROTOR: Nos vôos com potência o ar passa
através do rotor, de cima para baixo e nos vôos em autorotação o ar passa de baixo para cima e nesta situação o vento
relativo forma com a pá um grande ângulo de ataque e é
necessário que as pás estejam em passo mínimo , a fim de que
continuem girando.
MELHOR PLANEIO: 50 A 60 Kt
RAZÃO DE DESCIDA: 1.000 a 1.500 pés por minuto
RECUPERAÇÃO: Flare a 70 pés (veloc. 15 a 20 nós)
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POUSO: amortecido com o coletivo.
COMPOSIÇÃO AERODINÂMICA DO VÔO COM POTENCIA:
COMPOSIÇÃO AERODINÂMICA DO VÔO SEM POTÊNCIA
COMPOSIÇÃO AERODINÂMICA
ROTAÇÃO:
DO
VÔO
EM
AUTO-
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FORÇAS QUE ATUAM NO 1/3 EXTERNO DA PÁ
FORÇAS QUE ATUAM NOS 2/3 INTERNOS DA PÁ
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CURVA DE VELOCIDADE E ALTURA (curva do homem morto)
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Área A – impossível estabelecer um planeio em auto-rotação em caso de
falha do motor, devido a grande desaceleração do rotor
provocada pelo grande ângulo de ataque, baixa velocidade e
pouca altura para recuperação.
Área B – impossivel estabelecer um planeio em auto-rotação pela grande
desaceleração do motor. Um pouso nestas condições só seria
possível em área pavimentada e o contato com o solo seria a
grande velocidade (30 a 50 mph) pois, a pequena altura não
mermitiria maior redução de velocidade.
Área C – Impossível estabelecer um planeio em auto-rotação, pelas
mesmas razões citadas em B, sendo que seria impossível um
pouso mesmo em área pavimentada, pois, o contato com o solo
se daria a uma velocidade além dos limites permissíveis e de um
modo violento.
Área D – Área onde pode ser executado uma auto-rotação com segurança.
EFEITO GIROSCÓPICO:
EFEITO
PENDULAR:
tendência do eixo de se alinhar
perpendicularmente ao plano de rotação e viceversa.
EFEITO DE CONE:
EIXO DE ROTAÇÃO: linha imaginária em torno da qual o rotor gira.
EFEITO
DE
CORIOLIS
(ou
Geométrico):
Tipo de Rotor: Articulado
Desequilíbrio
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1. Distância do Centro de massa ao eixo de rotação
X
Velocidade de rotação
=
CONSTATANTE (para uma mesma RPM)
2. Quanto a pá sobe, no batimento para cima, a distância se torna
menor e a velocidade deve aumentar para manter a constante.
3. AVANÇO e RECUO da pá. (essa tendência é chamada efeito de
coriolis)
4. Esse movimento da pá é absorvido pelos amortecedores das pás.
(dampers)
Tipo de Rotor: Rígido e Semi-rígido
1. Nesses rotores as pás teriam que flexionar em virtude do efeito coriolis.
2. Resultado – diminuição da vida útil da pá.
3. Correção – fazer o plano do rotor coincidir com o centro de massa da
cabeça do rotor.
ESTÓIS
1. ESTOL DE POTÊNCIA:
Como ocorre:
a) Ocorre quando se tenta pairar o helicóptero fora do efeito de solo e a
potência disponível não é suficiente para manter a altura.
b) O helicóptero afunda na vertical, com uma razão de descida cada vez
maior, em virtude das pás estarem girando em uma camada de ar já
turbilhonado.
c) Grande ângulo de ataque devido ao afundamento.
Recuperação:
a) diminuir o passo das pás (diminuição da potência aplicada)
b) aumento da velocidade.
ANEIS DE VORTEX (vorticidade):
30
O ar que as pás empurram para baixo é o mesmo que está subindo
pelos lados, provocando um redemoinho ao longo de todo o contorno do
disco e no centro do rotor.
2.
ESTOL DE TURBILHONAMENTO: idêntico ao estol de potência,
ocorre quando, nas auto-rotações verticais, se aumenta bruscamente o
passo das pás, assim o ar sobre uma inversão momentânea de sentido,
ou seja, passa a fluir pelo rotor, de cima para baixo.
Recuperação:
Deslocamento para vante na recuperação da auto-rotação.
3. ESTOL DE PÁ (ou estol de ponta de pá):
a) Estol provocado pelo efeito aerodinâmico da dissimetria de
sustentação.
b) Apenas a pá que recua que estola – e devido a precessão giroscópica
provoca uma violenta cabrada do helicóptero
c) Com o aumento da velocidade, o ângulo de ataque da pá que recua
aumenta, chegando ao ângulo de estol.
d) Além disso ocorre inversão do fluxo de ar (do bordo de fuga para o
bordo de ataque) junto a raiz da pá.
Fatores que possibilitam um estol de pá:
a) Peso máximo;
b) Turbulência;
c) Altitude;
d) Baixa RPM;
e) Manobras bruscas; e
f) Principalmente velocidade.
Recuperação:
a) Diminuir a velocidade, diminuir o passo das pás e aumentar as RPM.
b) Os efeitos descritos acima, limitam a velocidade dos helicópteros e
poderiam ser atenuados se fosse aumentada a velocidade (RPM) do
rotor.
Porém, um aumento de RPM do rotor ocasiona efeito de
compressibilidade na ponta da pá avançada .
31
4. EFEITO DE COMPRESSIBILIDADE:
a) Quando a velocidade de escoamento do ar atinge velocidades
próximas a velocidade do som, o ar passa a ser considerado um fluido
compressível e o seu comportamento varia completamente.
b)
Vôo subsônico, as velocidades estão abaixo de mach 0.75.
Vôo transsônico as velocidades podem variar de mach 0,75 até 1,2.
Vôo supersônico as velocidades são superiores a mach 1.2
c)
Número Mach – relação entre a velocidade aerodinâmica da
aeronave e a velocidade do som naquelas mesmas condições.
Velocidade aerodinâmica
MACH = 
Velocidade do som
• Na atmosfera padrão a velocidade do som ao nível do mar é:
661 Kt .
• A velocidade do som aumenta com a temperatura a uma razão
de 2 pés/Seg para cada °C de aumento de temperatura.
d)
O efeito de compressibilidade limita a velocidade de todos os
helicópteros e se apresenta na ponta da pá que avança, quando o
helicóptero atinge altas velocidades.
e) Comportamento da velocidade do ar em um aerofólio:
Ex: O aerofólio abaixo está com a velocidade de 675 mph ao nível do
mar nas condições de atmosfera padrão. Como a velocidade aumenta
sobre a superfície dorsal do aerofólio, passando de 675 para 750 e
829 mph caindo logo a seguir para 675 mph, provoca uma grande
pressão diferencial, no limite entre as duas áreas de pressão,
formando a chamada onda normal de choque que causa uma
acentuada queda na sustentação e um grande aumento de arrasto,
levando o aerofólio ao estol.
Recuperação: assemelha-se à recuperação de um estol de pá e se faz
reduzindo-se a velocidade, diminuindo-se o passo coletivo e mantendo-se a
RPM do rotor.
32
LIMITAÇÕES DOS HELICÓPTEROS
I)
Não são permitidas manobras acrobáticas. (exceto para as aeronaves
projetadas para este fim, com rotor rígido);
II)
Os vôos pra trás e os vôos laterais, devem ser realizados em baixa
velocidade;
III)
A RPM do rotor é tão importante para o helicóptero, como a
velocidade o é para o avião. Se a RPM do rotor cair abaixo de um
determinado limite, a força centrífuga não será suficiente pra manter
as pás na horizontal e poderão se dobrar para cima. Da mesma forma
a RPM máxima do rotor deve ser respeitada, pois o aumento de força
centrífuga produzirá uma carga de algumas toneladas a mais na
cabeça do rotor, danificando-a;
IV)
Certas RPM do motor devem ser evitadas a fim de reduzir vibrações
causadas pelo ventilador;
V)
A velocidade máxima não deve ser ultrapassada em virtude da
possibilidade de estol da pá. A altitude densidade, o peso da
aeronave, a posição do CG, a RPM do rotor, turbulência, ângulo de
inclinação, manobras violentas são fatores que podem antecipar e
agravar o estol de pá .
VI)
Em caso de estol de pá, ocorrerá uma perda temporária de comandos
e também uma perda de altura antes que se consiga recuperar o estol.
Em caso de pá, leve o passo coletivo para mínimo e o cíclico um
pouco para trás para diminuir a velocidade. Uma boa regra em todos
os vôos com turbulência é: diminuir a velocidade e aumentar a RPM.
VII) As pás são balanceadas de tal maneira que a vibração é reduzida ao
mínimo; as vibrações causadas por pás fora de “tracking” são
sentidas na fuselagem.
33
VIBRAÇÕES
Todas as vibrações anormais devem ser sanadas e os pilotos devem
relatar com precisão os tipos de vibrações encontradas em vôo. As
vibrações mais comuns, podem ser divididas em três tipos:
a)
Vibrações de Baixa Freqüência – São fáceis de contar e correspondem
aproximadamente, a uma vibração por cada volta do rotor, são também
conhecidas como vibrações do tipo 1 por 1 (100 a 400 ciclos por min);
1 – Vertical: sacode o helicóptero de baixo para cima e vice-versa.
Aparece em todas as manobras e geralmente aumenta
com a velocidade.
Causa: pás do rotor principal fora de tracking.
2 – Lateral: sacode o helicóptero de um lado para outro, permanece
constante em diferentes velocidades.
Causa: Rotor principal desbalanceado.
b)
Vibrações de Freqüência Intermediária – Difícil de ser contada.
Correspondem aproximadamente a duas vibrações por cada volta do
rotor, são conhecidas também, por vibrações do tipo 2 por 1 (1000 a
2000 ciclos por minuto.
Lateral – sacode o helicóptero lateralmente, aparece entre 15 e 20
milhas por hora.
Causa: vibração normal, causada pela transição de vôo pairado para o
vôo com deslocamento e vice-versa.
c)
Vibrações de Alta Freqüência – Impossível de contar, se apresenta
como zumbido (acima de 2000 ciclos por minuto).
1 – Vibração sentida na fuselagem e nos pedais quando em vôo
pairado com vento cruzado.
Causa: vibração normal, provocada pelo batimento excessivo das pás do
rotor de cauda.
2 – Vibração sentida nos pedais em todas as manobras.
Causa: vibração anormal, geralmente provocada pelo balanceamento do
rotor de cauda, alinhamento ou empeno do eixo diretor de
cauda.
3 – Vibração sentida na fuselagem em todas as manobras,
diminuindo ou desaparecendo em auto-rotação.
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Causa: trepidação do motor ou do ventilador.
ESTABILIDADE
O QUE É ESTABILIDADE: é a resposta de um corpo quando perturbado
por uma força.
QUAIS OS TIPOS DE ESTABILIDADE? - Dinâmica e estática
Equilíbrio estático e dinâmico podem ser de 3 tipos:
Positivo: quando desviado de sua posição de equilíbrio retorna à posição
original.
Negativo: quando desviado de sua posição tende a se afastar cada vez
mais.
Neutro: quando desviado de sua posição não tem tendência alguma.
Estabilidade Dinâmica:
Neutra: quando um corpo continua oscilar em torno de um
ponto ou de uma linha de referência, com uma
amplitude constante após uma perturbação.
Positiva: quando após uma perturbação no seu equilíbrio as
oscilações diminuem de amplitude.
Negativa: quando após uma perturbação no seu equilíbrio as
oscilações tendem a aumentar.
Estabilidade do Helicóptero:
a) Estabilidade de um rotor articulado: com o aumento da
velocidade de deslocamento, a pá que avança fará um batimento
para cima, fazendo com que a sustentação se incline para trás,
fazendo surgir a força “A” que tende a desacelerar o
deslocamento, trazendo o rotor para a velocidade inicial.
b)
Estabilidade Pendular: o centro de pressão fica bem acima do
centro de gravidade e sendo assim, quando um deles é deslocado
de sua posição inicial, existe uma tendência para que o CG se
alinhe com o vetor da sustentação.
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Métodos para diminuir o efeito pendular:
•
Uso de rotores independentes de mastro;
•
Uso de barra estabilizadora e amortecedores
hidráulicos nas pás etc.
CONCEITOS COMPLEMENTARES
ENVERGADURA: distância máxima da raiz da pá do rotor até a ponta,
medida de centro a centro, em uma linha reta.
ALONGAMENTO: é a relação entre a envergadura/corda ou Razão de
Aspecto.
SOLIDEZ PARCIAL DE UM DISCO: é a razão existente entre a área da
pá de um rotor e a área total do disco.
SOLIDEZ TOTAL DE UM DISCO: razão existente entre a soma das
áreas das pás de um rotor e a área do seu disco.
RAZÃO DE CARGA: é a relação entre o peso bruto da aeronave e a área
do disco.
ÁREA ÚTIL DE SUSTENTAÇÃO: é a projeção do disco do rotor
principal sobre o solo ou um plano.
FLUTUAÇÃO: é a condição de vôo pairado próximo ao solo (IGE) In
Ground Effect. / (OGE) Out Ground Effect