Forças que atuam sobre um helicóptero

 FORÇAS QUE ATUAM SOBRE UM HELICÓPTERO

• Uma das diferenças entre um helicóptero e uma aeronave de asas fixas é a principal fonte de sustentação.

• A aeronave de asa fixa deduz sua sustentação da superfície de um aerofólio fixo, enquanto um helicóptero deriva sustentação de um aerofólio rotativo, denominado rotor. Helicópteros

• As aeronaves são classificadas de asa fixa ou de asa rotativa.

• A palavra helicóptero vem de uma palavra grega, significando “asa rotativa”.

FORÇAS QUE ATUAM SOBRE UM HELICÓPTERO

• Durante qualquer tipo de vôo horizontal ou vertical, existem quatro forças atuando na sustentação, no empuxo, no peso e no arrasto do helicóptero. Sustentação é a força requerida para suportar o peso do helicóptero.

• Empuxo é a força requerida para vencer o arrasto sobre a fuselagem e outros componentes do helicóptero. SUSTENTAÇÃO EMPUXO ARRASTO PESO COMPONENTES

• O HELICÓPTERO É UMA AERONAVE DE POUSO E DECOLAGEM NA VERTICAL • (VTOL – VERTICAL TAKEOFF AND LENDING) Utiliza aerofólios (pás) em rotação para obtenção de forças necessárias para sua sustentação, controle e direcionamento Seus sistemas de controle permitem alcançar diversos tipos de operações tais como vôo pairado, horizontal, vertical e auto rotação Principais Componentes Rotor principal:

• Responsável por fornecer propulsão, suporte e controlabilidade á aeronave Rotor de Cauda: Responsável por contrabalançar os efeitos de reação da fuselagem ao movimento de rotação das pás do rotor principal Principais Componentes Estabilizados Vertical e Horizontal:

• Contribuem para manter a aeronave na posição normal de vôo 1. Conjunto rotor principal (pás e cabeça do rotor) 2. Cabeça do rotor principal 3. Motor Turbo-eixo 4. Transmissão principal 5. Prato cíclico fixo e rotativo 6. Bielas de comando de passo 7. Entrada de ar do motor 8. Acoplamento motor- caixa de transmissão principal 9. Eixo de transmissão do rotor de cauda 10. Radiador de óleo da transmissão Vôo Pairado

• Durante vôo pairado, numa condição “sem vento”, o plano desenvolvido é horizontal, isto é, paralelo ao solo. Sustentação e empuxo agem em linha reta para cima; peso e arrasto agem retos para baixo.

• A soma das forças de sustentação e de empuxo tem que igualar a soma das forças do peso e empuxo, de forma a fazer o helicóptero pairar. Vôo Vertical

• Durante o vôo vertical, numa condição “sem vento”, as forças de sustentação e empuxo agem ambos verticalmente para cima.

• Peso e arrasto agem, ambos verticalmente, para baixo.

• Quando sustentação e empuxo se igualam ao peso e arrasto, o helicóptero paira; se a sustentação e o empuxo são menores que peso e arrasto, o helicóptero desce verticalmente; se sustentação e empuxo são maiores que peso e arrasto, o helicóptero sobe verticalmente. Vôo a Frente

• Em vôos para frente, o plano desenvolvido é inclinado para frente, dessa forma inclinando a força sustentação-empuxo para frente.

• Essa força resultante sustentação empuxo pode ser decomposta em duas componentes (sustentação atuando verticalmente, e empuxo atuando horizontalmente na direção do vôo).

• Além disso, para sustentação e empuxo, existe o peso, a força que atua para baixo, e o arrasto, a força que atua para trás, ou força retardadora de inércia e de resistência ao vento. Reto e Nivelado

• Em vôo reto e nivelado, vôo para frente desacelerado, a sustentação se iguala ao peso, e o empuxo se iguala ao arrasto (vôo reto e nivelado é o vôo com proa e altitude constantes).

• Se sustentação exceder o peso, o helicóptero sobe; se a sustentação for menor que o peso o helicóptero desce.

• Se o empuxo exceder o arrasto a velocidade do helicóptero aumenta; se o empuxo for reduzido, a velocidade diminui; em vôo lateral, o plano desenvolvido é inclinado lateralmente na direção do vôo, inclinando dessa forma o vetor sustentação- empuxo lateral total.

• Nesse caso, a componente sustentação, ou vertical, é ainda reto para cima, o peso reto para baixo; porém o componente aceleração, ou horizontal, agora atua lateralmente com o arrasto, atuando para o lado oposto. vôo para trás

• No vôo para trás, o plano desenvolvido é inclinado para trás, inclinando o vetor sustentação- empuxo, lateralmente.

• O componente do empuxo é para trás, e o componente arrasto, para frente, exatamente oposto ao vôo para frente.

• O componente de sustentação é reto para cima, e o do peso, reto para baixo. Torque

• A terceira lei de Newton estabelece que “para toda ação existe uma reação igual e oposta”.

• Como o rotor principal de um helicóptero gira em uma direção, a fuselagem tende a girar na direção oposta.

• Essa tendência que a fuselagem tem de girar, é denominada torque. Rotor de Cauda Torque Rotor de Cauda TORQUE

• Uma vez que o efeito do torque sobre a fuselagem é o resultado direto da potência do motor suprida para o rotor principal, qualquer mudança na potência do motor causará uma mudança correspondente no efeito do torque.

• Quanto maior a potência do motor , maior o efeito do torque. Uma vez que não haja potência do motor, sendo suprida para o rotor principal durante a autorotação, não haverá, também, reação de torque durante a auto- rotação. Precessão

• A centrifugação do rotor principal de um helicóptero atua como um giroscópio.

• Como tal, ele tem as propriedades da ação giroscópica, uma das quais, a precessão. Precessão

• Precessão giroscópica é a ação resultante ou deflexão de um objeto em centrifugação, quando uma força é aplicada a esse objeto.

• Essa ação ocorre aproximadamente a 90o na direção de rotação, em relação ao ponto onde a força é aplicada.

• Através do uso desse princípio, o plano desenvolvido de um rotor principal pode estar inclinado da horizontal.

• O movimento no controle cíclico de passo, num sistema de rotor de duas pás, aumenta o ângulo de ataque de uma das pás do rotor, resultando na aplicação de uma força de sustentação maior nesse ponto, no plano de rotação. Precessão Precessão

• Na medida em que cada pá passa pela posição de 90o à esquerda, ocorre o aumento máximo do ângulo de ataque.

• Na medida em que cada pá passa pela posição de 90o para a direita, ocorre a diminuição máxima no ângulo de ataque.

• A deflexão máxima ocorre 90o atrasada. • A deflexão máxima para cima na traseira, e a deflexão máxima para baixo na frente e o plano desenvolvido cai para a frente. Assimetria de sustentação

• A área dentro do plano desenvolvido por um rotor principal, é conhecida como área do disco ou disco do rotor.

• Quando pairando no ar, a sustentação criada pelas pás do rotor em todas as posições correspondentes em torno do disco é igual. Assimetria de sustentação

• A assimetria de sustentação é criada pelo vôo horizontal ou vento, durante o vôo pairado, e é a diferença entre a sustentação existente entre a metade da pá avançada da área do disco e a metade da pá retraída. Vento relativo Assimetria de sustentação Assimetria de sustentação

• Na R.P.M. normal de operação do rotor e velocidade zero, a velocidade de rotação da ponta da pá é aproximadamente 400 M.P.H.

• Quando pairando numa condição sem vento, a velocidade do vento relativo nas pontas das pás, e em qualquer ponto específico ao longo da pá, é a mesma através do plano desenvolvido (figura 13-36).

• Contudo, a velocidade é reduzida na medida em que esse ponto se move para posições mais próximas do cubo do rotor, conforme indicado na figura 13-36 pelos dois círculos internos. Assimetria de sustentação

• Na medida em que o helicóptero se desloca no vôo para frente, o vento relativo que passa por cada pá do rotor se torna uma combinação da velocidade de rotação do rotor e do movimento para frente, do helicóptero Assimetria de sustentação

• Conforme mostra a figura, a pá que avança tem a velocidade combinada da pá, mais a do helicóptero.

• No lado oposto, a velocidade da pá, que recua é a velocidade da pá menos a velocidade do helicóptero.

• É evidente que a sustentação na pá que avança, na metade do disco do rotor, será maior que a sustentação na metade da pá que recua, durante o vôo horizontal, ou quando pairando no vento. Assimetria de sustentação

• Devido à maior sustentação na pá que avança, o helicóptero tende à rolagem, a menos que alguma coisa seja feita para equalizar a sustentação durante o vôo horizontal, ou quando pairando no vento.

• Devido à maior sustentação na pá que avança, o helicóptero tende à rolagem, a menos que alguma coisa seja feita para equalizar a sustentação nas pás, em ambos os lados do helicóptero. AÇÃO REAÇÃO Dissimetria Deslocamento a frente Simetria Ângulo de batimento No sistema do rotor tripá, as pás são ligadas ao cubo do rotor pela articulação horizontal a qual permite que as pás se movam no plano vertical, ou seja para cima ou para baixo na medida em que elas giram Ângulo de batimento

• No vôo para frente, considerando que o passo da pá permanece constante, o aumento de sustentação na pá que avança, provoca o levantamento da pá, aumentando o ângulo de ataque, uma vez que o vento relativo irá mudar da direção horizontal para baixo.

• A redução da sustentação na pá que recua causará a queda da pá, aumentando o ângulo de ataque devido à troca do vento relativo, da direção horizontal para a direção para cima. Ângulo de batimento

• A combinação do ângulo de ataque reduzido na pá que avança e o ângulo de ataque aumentado na pá que recua pela ação do ângulo de batimento, tende a equalizar a sustentação sobre as duas metades do disco do rotor. Ângulo de batimento

• O deslocamento da pá para cima é conseqüência da força centrífuga, a qual tende a arrancar a pá do cubo e da força de sustentação que tende a levantar a pá sobre sua articulação.

• Na medida em que as pás sobem, elas deixam seu plano desenvolvido momentaneamente.

• Em conseqüência, a ponta da pá que está “batendo” deve percorrer uma distância maior. Ângulo de batimento

• Dessa forma, ela tem que atingir maior velocidade pôr uma fração de segundo, de forma a acompanhar as outras pás.

• A ação de batimento da pá, cria uma condição de desbalanceamento, resultando em vibração. Para evitar essa vibração, braços de arrasto (figura ) são incorporados para permitir o movimento de vaivém no plano horizontal. Ângulo de batimento

• Com as pás livres para se movimentarem no eixo de arrasto, uma condição de desbalanceamento é criada, uma vez que o C. G. (Centro de Gravidade) não irá permanecer fixo, mas sim se mover em volta do mastro. Esse movimento do C. G. causa vibração excessiva.

• Para amortecer as vibrações, amortecedores hidráulicos limitam o movimento das pás sobre o braço de arrasto.

• Esses amortecedores também tendem a manter o relacionamento geométrico das pás. Formação de cones

• A formação de cone (figura) é uma espécie de dobramento das pás para cima, causada pela combinação das forças de sustentação e centrífuga.

• Antes da decolagem, as pás giram em um plano aproximadamente perpendicular ao mastro do rotor, uma vez que a força centrífuga é a maior força atuando sobre elas.

• Quando é realizada uma decolagem vertical, duas grandes forças estão agindo ao mesmo tempo. A força centrífuga atuando perpendicularmente ao mastro do rotor e a força de sustentação, atuando paralelamente ao mastro. Formação de cones Auto-rotação

• Auto-rotação é o termo usado para a condição de vôo durante o qual não há fornecimento de potência do motor, e o rotor principal é acionado apenas pela ação do vento relativo.

• A transmissão do helicóptero ou trem de potência é projetado, de forma que o motor, quando para, é automaticamente desengajado do sistema do rotor principal, para permitir que este gire livremente na sua direção original. TRANSMIÇÃO PRINCIPAL

• Auto-rotação

• Quando a potência do motor está sendo suprida para o rotor principal, o fluxo de ar é para baixo, através do rotor.

• Quando a potência do motor não está sendo suprida para o rotor principal, ou seja, quando o helicóptero está em auto-rotação, o fluxo de ar do rotor é para cima. É esse fluxo de ar para cima que faz com que o rotor continue girando após a falha do motor. Auto-rotação

• A parte da pá do rotor que produz as forças, que fazem com que o rotor gire, quando o motor não está mais suprindo potência para o rotor, é aquela entre aproximadamente 25% e 70% do raio, a partir do centro.

• Essa parte é freqüentemente chamada de “região de acionamento ou de auto-rotação”. Forças aerodinâmicas, ao longo dessa parte da pá, tendem a aumentar a rotação delas. Auto-rotação

• Os 25% da parte interna da pá do rotor, chamada de “região de estol”, opera acima do ângulo máximo de ataque (ângulo de estol), contribuindo dessa forma com pouca sustentação, porém considerável arrasto, o qual tende a diminuir a rotação da pá. • Os 30% para a extremidade da pá do rotor são conhecidos como “região de propulsão”.