Apostila Rotores EWM_02

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ROTORES DE HELICÓPTERO
Caro aluno,
Esta apostila contém a matéria de rotores de helicóptero necessária para a obtenção da licença de grupo motopropulsor para mecânicos de aeronaves, conforme o conteúdo programático do Instituto de Aviação Civil.
Além disto, ela foi elaborada com a intenção de proporcionar um conhecimento do funcionamento do helicóptero, suas características operacionais e aerodinâmicas.
Como fonte de consultas foram utilizadas a Advisory Circular, AC 61-13 Helicopter Handbook do FAA, e os manuais de manutenção dos helicópteros BELL 206 Jet Ranger e August A 109, de onde uitas ilustrações foram copiadas para auxiliar os alunos na assimilação da matéria.
Correções e sugestões para melhorar a apostila serão muito bem vindas.
Espero que você aprecie estudar esta matéria tanto quanto eu me entusiasmei em fazer esta apostila.
São Paulo, 18 de julho de 1999
Fábio Luiz Wuilleumier
Instrutor
EWM Aviationn Ground School Ltda
PERFIL AERODINÂMICO
O helicóptero é também chamado de aeronave de asas rotativas, porque a sustentação necessária ao seu vôo é proveniente das pás de seu rotor principal. Estas pás são, portanto superfícies com perfil aerodinâmico ou aerofólio, assim como as asas dos aviões e as pás das hélices de seus motores. O tipo de perfil aerodinâmico usado nas asas dos aviões e nas pás das hélices é o perfil assimétrico, enquanto que as pás do rotor principal do helicóptero são do tipo perfil simétrico.
A razão principal da escolha do perfil simétrico para as pás do rotor principal é que neste tipo de perfil o deslocamento do centro de pressão (CP), conforme as variações de ângulo de ataque, é muito pequeno e praticamente desprezível, o que torna o conjunto rotativo mais estável.
Quando aumenta o ângulo de ataque em um perfil assimétrico, o centro de pressão se desloca para frente em direção ao bordo de ataque. Quando o ângulo de ataque diminui, o centro de pressão se desloca para trás em direção ao bordo de fuga.
Se fosse usado este tipo de perfil aerodinâmico nos rotores dos helicópteros, apareceriam perigosas forças no conjunto rotativo causando vibração e instabilidade.
Outras razões da escolha do perfil simétrico são as seguintes vantagens:
- Construção mais simples e barata;
- Manutenção mais fácil.
ÂNGULO DO PASSO E ÂNGULO DE ATAQUE
Ângulo do passo ou ângulo da pá é o ângulo formado ente a corda do perfil da pá e o plano de rotação do rotor principal. Este Ângulo pode ser variado pelo piloto conforme necessário através do uso dos controles de Cíclico e Coletivo na cabine de comando, sendo o Cíclico a alavanca vertical na frente do piloto e o Coletivo a alavanca horizontal do lado esquerdo.
Ângulo de Ataque da pá do rotor principal é o ângulo formado entre a corda do perfil da pá e a direção do vento relativo à pá. A direção do vento relativo é sempre em sentido oposto à trajetória da pá.
SUSTENTAÇÃO
A força resultante de sustentação que o rotor principal produz é composta de duas componentes: a força de sustentação que age para cima e a força de arrasto que age para trás como uma resistência ao avanço da pá através do ar. Estas duas componentes aumentam de intensidade quando o ângulo de ataque aumenta até chegar ao ângulo de estol da pá.
A sustentação produzida pelo rotor principal do helicóptero varia diretamente proporcional à densidade do ar.
Variações de altitude e mudanças das condições atmosféricas como temperatura e umidade relativa do ar afetam a densidade do ar.
Exemplo: A 10.000 pés de altitude a densidade do ar é 2/3 da densidade do ar ao nível do mar.
Em dias quentes a densidade do ar é menor que em dias frios, pois o ar se expande.
A densidade do ar mais úmido é menor que a do ar seco porque o vapor de água pesa menos que ar seco.
Quando um helicóptero opera numa condição atmosférica de baixa densidade do ar, será necessário impor um maior ângulo de passo às pás do rotor principal, para que este gere a sustentação necessária ao vôo. Com um ângulo de incidência maior, o rotor principal tende a diminuir sua RPM devido à maior carga (TORQUE) imposta ao motor, portanto maior potência do motor será necessário pra manter a RPM do motor principal constante. Por isso o helicóptero necessita usar maior potência do motor para manter um vôo pairado a elevada altitude e em dias quentes e úmidos.
FORÇAS ATUANTES EM UM HELICÓPTERO DURANTE VÔO
FORÇAS QUE ATUAM NO HELICÓPTERO DURANTE O VÔO
Durante o vôo do helicóptero, seja pairado, com deslocamento horizontal ou vertical, existem quatro forças atuando nele: sustentação, peso, tração e arrasto.
A sustentação é a força necessária para suportar o peso do helicóptero.
Durante o vôo pairado numa condição sem vento, o disco do rotor principal está na horizontal, ou seja, paralelo ao solo. Duas forças agem para baixo: o peso e o arrasto. Neste caso o arrasto é a força que o ar, impulsionado para baixo pelo rotor principal, faz na fuselagem do helicóptero.
Se opondo a estas forças estão a sustentação e a tração agindo para cima.
A sustentação se opondo ao peso e a tração se opondo ao arrasto.
Quando a soma da sustentação com a tração se iguala à soma do peso com o arrasto, o helicóptero paira.
Se a somatória das forças agindo para cima for maior o helicóptero sobe realizando um vôo vertical, e se for menor desce.
Quando o helicóptero se inclina para o vôo de translação, por exemplo, para frente, a força de sustentação, que age sempre perpendicular ao disco, também inclina e se decompõe em duas componentes: a força de sustentação que é componente vertical que age para cima, e a força de tração que é componente horizontal que age na direção de deslocamento do helicóptero, neste caso para frente.
Como a sustentação é agora uma componente da resultante, ela é menor que a mesma, portanto para que o helicóptero não perca altitude é necessário aumentar o ângulo das pás (passo) com o coletivo.
Assim que o helicóptero começa o deslocamento horizontal causado pela força de tração, aparece a força de arrasto agindo no sentido contrário, que é composta de inércia e resistência ao avanço causada pelo impacto do ar. Neste caso a força de arrasto age para trás.
Quando a tração for igual ao arrasto a velocidade do helicóptero se estabiliza e quando a sustentação for igual ao peso a altitude do helicóptero se estabiliza.
Se a tração aumentar o helicóptero acelera, se diminuir desacelera.
Se a sustentação aumentar o helicóptero sobe, se diminuir desce.
FORÇAS ATUANTES EM UM HELICÓPTERO DURANTE VÔO
EIXOS E COMANDOS DE VÔO DO HELICÓPTERO
O helicóptero manobra no ar e sua atitude em relação ao solo muda.
Estas mudanças de altitude são descritas com referência a três eixos em torno dos quais o helicóptero gira: eixo vertical, eixo longitudinal e eixo lateral.
O movimento em torno do eixo vertical é chamado de guinada, em torno do eixo longitudinal o movimento é chamado de rolamento, em torno do eixo lateral é chamado de arfagem.
Os comandos de vôo do helicóptero são: pedais, alavanca de ciclo e alavanca de coletivo.
Ao acionar os pedais o piloto comanda uma guinada.
Os pedais são articulados por um eixo central, quando um pedal vai para frente o outro vem para trás, como um guinhol. Se o pedal esquerdo for acionado o nariz vai para a esquerda e cauda vai para direita, ao aliviar o pedal o nariz volta para direita e a cauda para a esquerda.
Este controle direcional é efetuado através da mudança do ângulo das pás do rotor de cauda. 
A cauda é empurrada para a esquerda quando o pedal da direita for acionado, e vice versa.
A alavanca de cíclico que está na posição vertical à frente do piloto é controlada pela mão direita e comanda a direção de deslocamento horizontal do helicóptero, através da inclinação do rotor principal.
As pás do rotor principal quando estiverem girando formam um disco que produz força de sustentação. Esta força age perpendicular ao plano de rotação do rotor.
Quando o disco inclina para uma direção a força inclina também, levando o helicóptero para aquela direção.
A alavanca de cíclico podeser comandada para qualquer direção.
Ao comandar a alavanca de cíclico longitudinalmente, ou seja, para frente ou para trás, o helicóptero gira em torno de seu eixo lateral, fazendo um movimento de arfagem.
Ao comandar o cíclico lateralmente o helicóptero gira em torno de seu eixo longitudinal, fazendo um movimento de rolamento.
COMANDO DO COLETIVO
A alavanca do coletivo está na horizontal do lado esquerdo do piloto, é controlada por sua mão esquerda e pode ser acionada para cima ou para baixo mudando a ângulo de todas as pás do rotor principal por igual e ao mesmo tempo, fazendo com que o rotor produza mais ou menos força de sustentação.
O acionamento do coletivo para cima aumenta o ângulo das pás e para baixo diminui. Isto faz com que o helicóptero suba ou desça a partir de um vôo pairado.
Conforme aumenta o ângulo das pás aumenta também o arrasto que elas produzem e a RPM do rotor tende a diminuir. Conforme diminui o ângulo das pás diminui o arrasto e a RPM do rotor tende a aumentar.
Durante toda a operação do helicóptero é essencial que a RPM do rotor permaneça constante. Portanto, mudanças de ângulo das pás com o coletivo tem que ser coordenadas com mudanças de potência do motor para compensar as variações de arrasto.
Esta coordenação é feita automaticamente através de um mecanismo de hastes e balancins entre a alavanca do coletivo e a unidade dosadora de combustível que controla a potência do motor.
Nos helicópteros com motor convencional, se esta coordenação automática não estiver perfeita o piloto pode corrigir a RPM manualmente com o acelerador do motor do tipo manopla de motocicleta que fica na extremidade dianteira da alavanca do coletivo.
Dois instrumentos permitem ao piloto monitorar as condições de potência e RPM do motor e RPM do rotor principal: o indicador de pressão do duto de admissão (PA) e o tacômetro duplo. O ponteiro interno do tacômetro duplo indica a RPM do rotor principal e o externo a RPM do motor.
Nos helicópteros com motor à reação os instrumentos são: indicador de torque e tacômetro duplo graduado em porcentagem de RPM.
Quando o motor do helicóptero é ligado o coletivo está na posição mais baixa.
Para efetuar uma decolagem vertical o piloto vai puxando a alavanca do coletivo para cima até que o helicóptero saia do chão. O ângulo das pás usado na decolagem varia conforme o peso do helicóptero e as condições atmosféricas.
O coletivo também é usado para aumentar o ângulo das pás na transição do vôo de translação, quando mais sustentação do rotor principal será necessária. O piloto coordena então o cíclico e o coletivo nesta fase de transição no vôo de translação para regular a velocidade desejada do helicóptero.
Tipos de Controle de Helicópteros 
O controle vertical dos helicópteros para as diversas configurações de rotores é obtido pela mudança da intensidade do vetor resultante aerodinâmico do rotor principal, variando-se ao mesmo tempo e com a mesma amplitude o ângulo de passo de todas as pás. Esta manobra é feita com o auxílio do comando coletivo. 
  
	Eixos de Controle 
	Configuração de Rotores 
	
	Monorotor 
	Birotores 
	
	
	Tandem 
	Coaxial 
	Lado-a-lado 
	Vertical 
	
Passo Coletivo 
	
Passo Coletivo 
	
Passo Coletivo 
	Passo Coletivo 
	Longitudinal 
	
Passo Cíclico 
	
Passo Diferencial Coletivo + Cíclico 
	
Passo Cíclico 
	
Passo Cíclico 
	Lateral 
	
Passo Cíclico 
	
Passo Cíclico 
	
Passo Cíclico 
	Passo Diferencial Coletivo + Cíclico 
	Direcional 
	
Passo Coletivo do Rotor de Cauda 
	
Passo Diferencial Cíclico 
	
QSU ( QIN 
	
Passo Diferencial Cíclico 
	Compensação de Torques 
	
QRP = l*FRC 
	
QFR = QT 
	
QSU = QIN 
	QD = QE 
Os controles longitudinal e lateral para os helicópteros monorotores e para os com rotores coaxiais são obtidos pela inclinação do vetor resultante aerodinâmico do rotor principal com o auxílio do comando de passo cíclico que efetua uma variação cíclica de passo das pás. Ao inclinar a força aerodinâmica, surgirá uma componente horizontal que tracionará a aeronave na direção desejada enquanto que o momento criado pela força em torno do C.G. do helicóptero girará a fuselagem em arfagem, rolamento ou qualquer outro movimento combinado. 
O controle longitudinal dos helicópteros com rotores lado-a-lado é análogo aos helicópteros monorotores. O piloto, ao movimentar o comando cíclico para a frente e para trás estará efetuando a mesma variação cíclica de passo nos dois rotores. 
O controle longitudinal dos helicópteros com rotores em tandem é obtido pela variação diferencial da intensidade dos vetores aerodinâmicos resultantes e pela inclinação destes vetores. Portanto, o piloto por meio do manche cíclico estará provocando uma variação diferencial de passo coletivo entre os rotores e uma variação cíclica e simultânea dos ângulos de passo das pás dos dois rotores. 
O controle lateral dos helicópteros com rotores lado-a-lado é análogo ao controle longitudinal dos helicópteros com rotores em tandem, ou seja, ocorre uma variação diferencial coletiva simultaneamente a uma variação cíclica igual para os dois rotores, quando o piloto movimenta lateralmente o manche cíclico. 
O controle lateral dos helicópteros com rotores em tandem é análogo aos helicópteros monorotores, ocorrendo uma variação cíclica de passo idêntica nos dois rotores quando o piloto movimenta lateralmente o manche cíclico. 
O controle direcional dos helicópteros monorotores é obtido por meio da variação coletiva de passo das pás, variando a intensidade da força aerodinâmica resultante no rotor de cauda quando o piloto aciona os pedais. 
O controle direcional dos helicópteros com rotores coaxiais é obtido por meio da variação diferencial de passo coletivo das pás do rotor, variando o torque entre os rotores superior e do inferior, quando o piloto aciona os pedais. 
O controle direcional dos helicópteros com rotores lado-a-lado e em tandem é obtido por meio da inclinação diferencial dos vetores aerodinâmicos de cada rotor. O piloto, ao acionar o pedal, estará comandando a mesma variação cíclica, mas em direções opostas, em ambos os rotores. 
O EFEITO TORQUE
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EFEITO DE TORQUE
A terceira lei de Newton afirma: “Para toda ação existe uma reação de igual intensidade em sentido contrário”.
O motor do helicóptero desenvolve potência e aciona o mastro do rotor principal em um sentido. Conforme o enunciado da terceira lei de Newton, a reação desta força age com a tendência de girar a fuselagem do helicóptero no sentido contrário ao da rotação do rotor principal. Esta tendência é chamada de efeito de torque.
Mudanças de potência do motor resultam em variações do efeito de torque diretamente proporcionais.
Existem várias maneiras de anular o efeito de torque, dependendo do desenho e concepção do helicóptero.
O método mais utilizado é a instalação de um rotor auxiliar na cauda do helicóptero, como plano de rotação na posição vertical.
Este rotor produz uma tração chamada força anti-torque, que age empurrando a cauda no sentido contrário do efeito torque.
A intensidade da força anti-torque é controlada pelos pedais do helicóptero que mudam o ângulo das pás do rotor de cauda conforme mostrado pelas setas na figura abaixo.
No vôo pairado o helicóptero está estabilizado com um certo ângulo nas pás do rotor de cauda.
Para que o helicóptero gire a fuselagem no sentido contrário ao do efeito de torque o piloto comanda com os pedais um aumento do ângulo das pás do rotor de cauda.
Para que o helicóptero gire a fuselagem no mesmo sentido do efeito de torque o piloto comanda uma diminuição deste ângulo, para que a força anti-torque seja menor e permita que a força de torque gire a fuselagem do helicóptero.
Alguns helicópteros têm em vez de um rotor auxiliar tem um bocal direcional de jato ar para gerar a força necessária para anular o efeito de torque e proporcionar controle direcional ao helicóptero.
Outros helicópteros têm dois rotores principaiscontra-rotativos instalados dos lado esquerdo e direito do helicóptero, ou ainda um na frente e outro atrás (rotores em tandem).
Deste modo os efeitos de torque dos motores agem em sentido contrário anulando um ao outro.
Também já foram construídos helicópteros com dois rotores principais contra-rotativos em mastros concêntricos, dispensando a necessidade de rotor de cauda.
ROTOR DE CAUDA
TENDÊNCIA DE TRANSLAÇÃO OU DERIVAÇÃO
Durante o vôo pairado o helicóptero tem uma tendência de derivar em direção à tração produzida pelo rotor de cauda.
Para compensar essa tendência, em alguns helicópteros o mastro do rotor principal é construído com uma pequena inclinação, por exemplo, dois graus para o lado oposto da tração do rotor de cauda, para que durante o vôo pairado o rotor principal produza uma pequena tração literal.
Em outros helicópteros o sistema de mudança de passo do ciclo é regulado de maneira a inclinar o disco levemente par o lado oposto da tração do rotor de cauda, quando na posição neutra de vôo pairado, para anular a tendência de derivação.
PRECESSÃO GIROSCÓPICA
EFEITO DE PRECESSÃO GIROSCÓPICA
Um objeto que está girando possui propriedades de uma delas é a precessão giroscópica.
Quando sobre este objeto girando for aplicada uma força para mudar o plano de rotação, este não vai se inclinar conforme a direção da força. A reação vai aparecer 90º defasada do ponto de aplicação da força, adiante no sentido de rotação do objeto.
O rotor principal de um helicóptero girando age como um giroscópico.
O acionamento da alavanca do cíclico faz com que o disco do rotor principal incline devido à mudança de ângulo das pás e diferença de sustentação.
Por exemplo, quando o cíclico for comandado para frente o disco se inclinará para frente, a parte dianteira do disco desce e a parte traseira do disco sobe. Mas esta parte traseira do disco que sobe não é a região onde a pá está com maior ângulo, e a parte dianteira do disco que desce não é onde a pá tem o menor ângulo.
Devido à precessão giroscópica o mecanismo de mudança de ângulo das pás é construído de maneira a comandar os ângulos 90º antes de onde as resultantes aparecem.
Em um helicóptero cujo rotor principal gire no sentido anti-horário, o helicóptero sendo visto por cima por um observador externo, ao comandar o cíclico para frente, as pás atingirão o maior ângulo quando passarem do lado esquerdo do helicóptero.
Este grande ângulo das pás do lado esquerdo está produzindo uma grande sustentação que está aparecendo atrás do helicóptero, e o pequeno ângulo do lado direito gera uma pequena sustentação que aparece na frente do helicóptero, por isso o disco se inclina pra frente.
Em um rotor bi-pá uma pá está com maior ângulo, a outra estará com o menor ângulo.
Em um rotor tri-pá onde as pás não estão opostas, nunca uma pá estará com o maior ângulo e outra com o menor ângulo no mesmo instante. Porém, analisando somente a pá, veremos que está estará com o maior ângulo quando estiver do lado esquerdo do helicóptero e o menor do lado direito, da mesma maneira que as pás do rotor bi-pá. Portanto, independente do número de pás que o rotor possua, o sistema funciona do mesmo jeito.
SWASH PLATE
SWASH PLATE
Swash plate ou prato oscilante é o componente que transmite os movimentos das alavancas do cíclico e do coletivo para as pás do rotor principal, mudando o ângulo das pás.
O conjunto do swash plate é formado por dois sub-conjuntos: o prato estacionário e o prato rotativo. O prato estacionário, o de baixo, está ligado aos comandos do cíclico e do coletivo e conforme o nome indica, não gira. O prato rotativo, o de cima, está ligado às pás do rotor principal por hastes impulsionadas e gira junto com o mastro e as pás.
A alavanca do coletivo faz com que ambos os pratos subam ou desçam, mudando o ângulo de todas as pás por igual.
A alavanca do cíclico faz com que ambos os pratos inclinem na mesma direção em que for comandado o ciclo, aumentado e diminuindo o anglo das pás em cada volta, pois, estando os pratos inclinados, as hastes impulsionadoras que acionam a mudança de ângulo das pás vão estar subindo e descendo no prato oscilante.
Cada pá estará então com um ângulo diferente das outras, dependendo da posição dos 360º da volta que elas se encontrem.
Nos rotores em que a haste impulsionadora está ligada ao pitch horn ou braço de passo, que fica à frente do bordo de ataque da pá, quando a haste estiver passando pela parte mais baixa do prato ela estará comandando o menor ângulo da pá, e quando a haste estiver passando pela parte mais alta do prato ela estará comandando o maior ângulo da pá.
A ligação entre as alavancas do cíclico e do coletivo e o prato oscilante é mecânica nos helicópteros pequenos com motor convencional, através de hastes impulsionadoras, guinhóis e tubos de torque, sendo usado a força dos braços do piloto para mudar o ângulo das pás.
Nos helicópteros maiores com motor à reação esta ligação é mecânica-hidráulica sendo a parte mecânica mais leve, pois, atua somente válvulas nos atuadores hidráulicos que estão sob o prato oscilante, mantendo controle, e a parte hidráulica proporciona a força.
SISTEMA DE CAIXAS DE ENGRENAGENS REDUTORAS
DISSIMETRIA DE SUSTENTAÇÃO
Com a RPM normal de operação do rotor principal dos helicópteros comerciais, a velocidade do vento relativo nas pontas das pás é em torno de 400 milhas por hora, quando em vôo pairado calmo, decrescendo em direção do mastro até zero.
Qualquer região da pá a velocidade do vento relativo constante por toda a volta.
Quando o helicóptero voa com deslocamento horizontal, ou quando o helicóptero paria com vento, aparece uma outra componente de vento relativo ao relativo ao helicóptero, que é a velocidade de deslocamento do helicóptero ou a intensidade do vento ou ambos.
A pá que avança contra o vento relativo ao helicóptero tem a velocidade deste vento somada à sua velocidade. A pá que recua a favor do vento relativo ao helicóptero tem a velocidade deste vento subtraída de sua velocidade.
Portanto a velocidade do vento relativo às pás do rotor principal neste caso varia.
Coma a sustentação produzida por um aerofólio é diretamente proporcional à velocidade do vento relativo a ele, a pá que avança produz mais sustentação que a pá que recua. Isto é chamado de dissimetria de sustentação.
Se a dissimetria de sustentação não fosse corrigida de alguma forma, o helicóptero tombaria para o lado toda vez que se iniciasse um vôo com deslocamento para frente ou em vôo pairado com vento.
Foi inventado então o batimento, que é o movimento vertical das pás, para atenuar a dissimetria de sustentação.
BATIMENTO
Nos rotores articulados cada pá possui uma articulação de batimento que permite uma certa extensão de movimento livre para cima e para baixo.
Quando a pá que avança produz mais sustentação ela sobe. Esta trajetória de baixo pra cima faz com que a direção do vento relativo seja de cima para baixo. Considerando-se que não houve mudança no ângulo da pá, o ângulo de ataque da pá diminui.
A pá que recua produz menos sustentação e desce. Seu vento relativo vai de baixo para cima e o ângulo de ataque aumenta.
Este maior ângulo de ataque na pá que recua compensa a menor velocidade do vento relativo à mesma, e o menor ângulo de ataque na pá que avança compensa a maior velocidade do vento relativo.
A posição do cíclico à frente comanda um maior ângulo na pá que recua e menor na que avança e em conjunto com o batimento eliminam a dissimetria de sustentação.
Nos rotores semi-rígidos, o bi-pás, o batimento das pás é efetuado em conjunto, quando uma pá sobe a outra desce como uma gangorra. A articulação é entre o cubo e o mastro e não nas pás individualmente como nos rotores articulados.
Nos rotores rígidos que não possuem nenhuma articulação fora a mudança de ângulo, o batimento ocorre devido ao material de construção das pás ser mais flexível.
AVANÇO E RECUO
Com o batimento aparecem vibrações no conjunto do rotor principal, causadas pelo efeito Coriolis, que será estudado em seguida.Para atenuar estas vibrações os rotores articulados possuem as articulações de arrasto, que permitem uma certa extensão de movimento livre das pás para frente e para trás.
EFEITO CORIOLIS
Coriolis foi um físico que estudou e comprovou a segunda lei: “Em um objeto que está girando, o produto da distância entre o centro de gravidade e o centro de rotação (RPM) será sempre uma constante”.
Em um rotor articulado quando a pá sobe devido ao batimento, a distância entre o seu centro de gravidade e o centro de rotação diminui. Para que o produto desta distância, agora menor, pela RPM permaneça um valor constante, será preciso que a RPM aumente. Esta tendência da pá girar mais rápido do que o mastro geraria uma vibração no conjunto do rotor. Por isso os rotores articulados possuem a articulação de arrasto em cada pá que permite que a pá avance em relação ao mastro aumentando sua velocidade de rotação toda vez que ela sobe.
Quando a pá desce, a distância de seu centro de gravidade ao centro de rotação aumenta novamente, fazendo com que a pá recue diminuindo a sua velocidade de rotação. Devido ao Efeito Cone as pás nunca descerão abaixo do plano de rotação perpendicular ao mastro. Esta tendência da pá aumentar e diminuir sua velocidade de rotação provocada pelo batimento é conhecida, com Efeito, Coriolis. Esta aceleração e desaceleração das pás são absorvidas por um amortecedor hidráulico instalado em cada pá, ou pela própria estrutura da pá, dependendo do desing do rotor.
O efeito Coriolis pode ser notado também em uma patinadora que está girando em torno de si mesma. Quando ela abre os braços a sua velocidade de rotação diminui, pos a distância do centro de gravidade dos braços para o centro de rotação aumenta. Quando ela fecha os braços a sua velocidade de rotação aumenta, pois a distância do centro de gravidade dos braços para o centro de rotação diminui.
EFEITO CONE
Efeito cone é o nome que se dá à flexão que as pás fazem para cima quando estão produzindo grande sustentação, porque o rotor principal assume a forma de um cone.
O efeito cone depende da intensidade de duas forças, sustentação e centrífuga.
Quando o helicóptero está no solo e o rotor está girando com o menor ângulo nas pás, a força centrífuga mantém as pás no plano horizontal.
Durante a decolagem é exigido máxima sustentação do rotor principal, então é quando o efeito cone é mais acentuado. Nesta fase quando maior for o peso do helicóptero maior serão a sustentação e o efeito cone.
EFEITO SOLO
Quando o helicóptero efetua um vôo pairado próximo ao solo, o ar que o rotor acelera para baixo não consegue se dissipar totalmente para os lados.
Parte deste ar bate no solo e retorna ao rotor. O rotor pega este ar mais denso. É como se o helicóptero estivesse sobre um colchão de ar denso que o auxiliar na sustentação.
O efeito solo é mais acentuado à uma altura de metade do diâmetro do disco do rotor principal, ou o comprimento de uma pá.
Solos pavimentados e planos proporcionam um maior efeito solo do que solos de grama, mato, terra fofa ou água e terrenos inclinados.
Quando o helicóptero se desloca com uma velocidade de 3 a 5 milhas por hora o efeito solo deixa de existir pois o helicóptero está avançando sobre ar menos denso, deixando o colchão de ar mais denso para trás.
Quando a intensidade do vento for de 3 a 5 mph o vento estará empurrando o colchão de ar mais denso tirando-o de baixo do helicóptero.
PÉ DO ROTOR PRINCIPAL
Como um exemplo da estrutura da pá do rotor de um helicóptero moderno, veremos aqui a pá do rotor principal do helicóptero Augusta A 109.
As pás do rotor principal do Augusta são feitas de material composto.
Cada pá é construída de uma longarina de fibra de vidro, a carenagem do bordo de fuga é também de fibra de vidro com núcleo de nomex, o bordo de ataque é de aço inoxidável resistente à abrasão e a ponta da pá é feita também de aço inoxidável.
O núcleo da pá, ou enchimento, pe do tipo colméia.
O revestimento da pá é de fibra de carbono.
Um spoiler está preso à carenagem do bordo de fuga.
As pás são fixas ao punho por dois parafusos que são ocos e permitem a adição de peso durante o balanceamento do punho.
As pás são estaticamente balanceadas durante a construção e pesos são adicionados pesos na extremidade interna nas mesmas e nos bordos de fuga.
Um compensador está colocado ao bordo de fuga da pá para permitir ajuste durante o tracking.
ESTOL DE PÁ OU ESTOL DE VELOCIDADE
O estol das asas limita a capacidade de um avião de voar a baixas velocidades.
No helicóptero, o estol das pás do rotor principal limita o potencial de voar a altas velocidades.
Durante o vôo para frente em alta velocidade há uma tendência de a pá que recua estolar.
A intensidade do vento relativo na pá que recua diminui com o aumento da velocidade de deslocamento do helicóptero e na pá que avança aumenta, pois a pá que avança tem a velocidade de deslocamento do helicóptero somada à sua velocidade rotacional, e na pá que recua a velocidade de deslocamento do helicóptero é subtraída de sua velocidade rotacional.
A sustentação produzida pelas pás do rotor principal é diretamente proporcional à velocidade do vento relativo às pás.
Para que não haja dessimetria de sustentação, o abatimento faz com que o ângulo de ataque da pá que recua aumente porque a pá desce e o ângulo de ataque da pá que avança diminua porque a pá sobe.
Conforme aumenta a velocidade de deslocamento do helicóptero, aumenta o batimento, aumentando o ângulo de ataque da pá que recua.
Também, quanto maior for a inclinação do helicóptero para frente, causada por um comando da alavanca de cíclico numa posição mais a frente, maior vai ser o ângulo de incidência imposto à pá que recua, pois devido ao Efeito de Precessão Giroscópica, o swash plate é construído de maneira a comandar o maior ângulo de incidência da pá que recua quando ela estiver ao lado do helicóptero, sempre que o cíclico for acionado para frente.
Portanto vai chegar uma velocidade do helicóptero na qual a pá recua ai estar entrando em ângulo de estol, que é um ângulo excessivamente grande para produzir sustentação.
Nestas circunstâncias o helicóptero tomba par o lado da pá estolada.
AUTO-ROTAÇÃO
É o termo usado para condição de vôo durante a qual o motor deixa de transferir potência ao motor e este passa a ser acionado pelo vento relativo.
A transmissão do helicóptero é construída de modo que quando o motor pára devido a um problema, um mecanismo chamado de roda livre desengraza o motor da transmissão permitindo que o rotor gire livremente no sentido normal, sendo acionado pelo ar de impacto.
Durante o funcionamento normal o ar passa através do rotor de cima para baixo. Na auto-rotação o fluxo de ar passa a ser de baixo para cima.
Na auto-rotação vertical a porção do disco que produz a força que faz o rotor girar está aproximadamente de 25 a 70% do raio do disco a partir do centro. Esta região é chamada de zona auto rotativa.
Do centro a 25% do raio do disco é a zona de estol onde o ângulo das pás é maior que o máximo, as pás estão estoladas e geram arrasto que tende a diminuir a rotação do motor.
Os 30% externos do disco são chamados de zona anti-auto rotativa, pois, geram um pequeno arrasto devido ao ângulo em que se encontram.
Quando as forças das três zonas se estabilizam a RPM de auto-rotação estabiliza.
Na auto-rotação com deslocamento horizontal à frente às zonas se deslocam para o lado da pá que recua, devido à diferença de direção do vento relativo e ângulo de ataque das pás.
No caso de pane do motor o piloto deve reagir prontamente abaixando o coletivo, diminuindo assim o ângulo das pás para manter a RPM do rotor, iniciando a descida como um planeio, e acionando o pedal, pois sem potência do motor não há efeito torque e a força anti-torque do rotor de cauda tem que ser diminuída.
Quando o helicóptero estiver próximo do solo o piloto executa uma manobra chamada de flare, levantando o nariz do helicóptero e puxa o coletivo para cima, aumentando o ângulo das pás, que passarão a jogaro ar de cima para baixo gerando sustentação para o pouso.
A energia de inércia da RPM do rotor é transformada em potência, que vai ser consumida em poucos segundos, mas permitindo um pouso normal se a manobra for bem realizada.
CURVA DO HOMEM MORTO
É um gráfico com os vetores altitude e velocidade que demonstra as condições de vôo perigosas onde não será possível realizar a manobra de auto rotação para um pouso de emergência em caso de pane no motor do helicóptero.
FATOR CARGA
Fator carga ou Load Factor acontece quando o helicóptero inicia uma curva com velocidade de deslocamento à frente, inclinando lateralmente o helicóptero para o lado de centro da curva. Aparece uma força centrífuga para o lado de fora da curva, que aumenta proporcionalmente com a inclinação lateral.
A força de sustentação que o rotor produzia e que mantinha o helicóptero na mesma altitude, vai se decompor em duas componentes: a componente vertical que é a sustentação que está se opondo ao peso e a componente horizontal que age para o lado interno da curva, chamada de componente de força centrípeta que está se opondo a força centrífuga. A componente vertical da sustentação ficou menor do que era antes de iniciar a curva.
Para que o helicóptero não perca altitude, será necessário que o piloto aumente o ângulo das pás do rotor principal através do coletivo, para que a sustentação total produzida pelo rotor aumente.
Quanto maior for a inclinação lateral do helicóptero na curva, menor será o raio da curva, maior será a força centrífuga e maior terá que ser o aumento do ângulo das pás para que o helicóptero permaneça na mesma altitude.
O mesmo fator de carga ocorre no avião, onde o piloto aumenta o ângulo de ataque das asas puxando o manche para trás ao iniciar a curva, proporcionalmente à inclinação das asas.
Tanto no avião como no helicóptero, ao atingir uma inclinação lateral de 60º, o fator carga será de duas vezes a força da gravidade.
RESSONÂNCIA COM O SOLO
Ressonância com o solo são violentas vibrações causadas por desbalanceamento do rotor principal em conseqüência de impactos do trem de pouso com o solo que é transmitido ao helicóptero.
Esta ressonância poderá ocorrer durante o pouso, corrida de decolagem e táxi em helicópteros com trem de pouso com rodas, ou somente durante o pouso em helicópteros com skids, e somente poderá ocorrer em helicópteros que possuam sistema de rotor articulado.
As articulações de arrasto das pás do rotor principal permitem o livre movimento das pás no plano horizontal chamado de movimento de avanço e recuo.
Durante um pouso se o helicóptero tocar o solo bruscamente com um trem de pouso somente, o impacto com o solo vai ser transmitido para a fuselagem e para o rotor principal fazendo com que as pás se desloquem em direção ao impacto. Por exemplo, em um rotor tri-pá onde o escapamento angular entre as pás é de 120º, após o impacto com o solo, o escapamento será desigual e poderá ser de 122, 122 e 116 graus.
Este fato por si só causa um desbalanceamento do rotor principal e o início da vibração, mas para piorar a situação o helicóptero toca então com outro trem de pouso no solo, provocando outro deslocamento das pás e um agravamento da vibração.
Esta vibração faz com que a fuselagem do helicóptero seja jogada de um lado para o outro como um pêndulo.
O plano do disco do rotor principal fica oscilando como uma moeda que é jogada sobre uma mesa, só que, ao contrário da moeda que tem a máxima oscilação no início e vai diminuindo até parar na mesma, o rotor começa a oscilar lentamente e vai aumentando rapidamente.
Se esta condição não for prontamente interrompida pelo piloto a vibração será extremamente perigosa, resultando em danos estruturais e até a total destruição do helicóptero.
A ação corretiva que o piloto deve tomar pode ser uma decolagem imediata, se houver RPM suficiente, ou o corte do motor justamente com o comando de ângulo mínimo das pás com a alavanca do coletivo para baixo, se a RPM do rotor estiver abaixo da RPM necessária para decolar.
Além do pouso, outras situações em que a ressonância com o solo pode aparecer são durante táxi e decolagem com rolagem em pistas com defeitos do tipo buracos ou degraus.
TRACKING
É o procedimento de verificação das pistas das pás do rotor principal para determinar se as pás estão girando no mesmo plano de rotação.
O mecânico instala um giz especial de cor diferente em cada ponta da pá. O piloto efetua um vôo pairado próximo ao solo. O mecânico aproxima uma espécie de bandeira, até que as pontas das pás comecem a tocá-la.
As masrcas feitas pelas pás em cores diferentes na bandeira são então analisadas. Se estiverem sobre postas, as pás estão na mesma pista, ou se as marcas estiverem muito próximas e dentro do limite estipulado pelo fabricante do helicóptero, nenhuma ação corretiva é necessária. Se as marcas estiverem fora do limite, faz-se um ajuste do ângulo das pás através da alteração do comprimento das hastes de passo “pitch link”.
Outro método conhecido é o uso do kit “strobex”. O kit consiste de uma caixa que contém uma pistola de luz estroboscópica, uma caixa eletrônica com controles, sensores de RPM e a cablagem necessária.
Os sensores são instalados nos pratos oscilantes rotativo e estacionário. Na ponta das pás são instaladas as fitas refletivas de alumínio de formatos diferentes como símbolos.
O mecanismo se posiciona 45º à frente do helicóptero ou a bordo do mesmo. O piloto efetua um vôo pairado. O mecânico aponta a pistola de luz em direção à ponta das pás e ajusta o controle de RPM na caixa eletrônica até que ele esteja vendo perfeitamente a imagem dos símbolos. Ele anota então a imagem que ele está vendo. Desta maneira pode-se determinar se as pás estão na mesma pista e corrigir se necessário.
EFEITO PÊNDULO
Como a fuselagem do helicóptero está suspensa no ar por um único ponto, o mastro, e tem um peso considerável, ela age como se fosse um pêndulo, estando livre para oscilar longitudinalmente e lateralmente.
Toda vez que o disco do rotor principal inclina, o mastro tende a voltar à posição perpendicular ao disco, levando consigo a fuselagem para o lado da inclinação do rotor, e o rotor também tende a ficar no plano de rotação perpendicular ao mastro.
O efeito pêndulo é progressivo e tende a agravar-se com correções exageradas feitas nos comandos pelo piloto, portanto somente movimentos muito suaves devem ser feitos no cíclico.
BARRA ESTABILIZADORA
A barra estabilizadora é conhecida como “o método Bell de atenuar o efeito pêndulo”.
Desenvolvida pelo fabricante de helicópteros Bell e utilizada em seus modelos 205, 212 e outros, que possuem rotores bi-pás semi-rígidos, esta barra tem por finalidade dar maior estabilidade ao conjunto do rotor principal e ao helicóptero todo.
Instalada logo acima do rotor principal e 90º defasada das pás do rotor, quando o conjunto gira ela oferece resistência à mudança do plano de rotação, pois, devido ao efeito de rigidez giroscópica tende a permanecer no mesmo plano.
Em outros modelos de helicóptero, a barra pode estar localizada logo abaixo do rotor principal, e sua finalidade é a mesma.
DRAG BRACE
Drag brace ou braço de arrasto é uma haste que auxilia a fixação da pá, ligando o bordo de fuga da pá ao cubo ou punho. Esta haste é usada em alguns modelos de helicóptero com rotor semi-rígido, bi-pá, por exemplo, o helicóptero Bell 205 chamado pela Força Aérea Brasileira de H-1H e o Bell 212.
A haste é de comprimento variável, permitindo ajuste no seu comprimento para avançar ou recuar a pá, para alinhá-la com a outra pá oposta para que haja estabilidade no conjunto do rotor durante o funcionamento. Embora ela seja ajustável, o fabricante do helicóptero determina uma dimensão padrão inicial, que só será alterada se necessário e muito raramente.
AFUNDAMENTO COM POTÊNCIA
Esta condição de vôo é também chamada de afundamento em seu próprio turbilhonamento, quando ocorre o estol de turbilhonamento. Acontece quando o helicóptero desce com elevada razão de descida, com potência e grandeângulo nas pás. O helicóptero estará passando por ar turbulento que acaba de ser acelerado para baixo pelo rotor principal. A reação deste ar nas pás do rotor faz com que as pás estolem, primeiramente na região central próximo ao nariz, avançando em direção à ponta conforme vai aumentando a velocidade de descida.
Para que ocorra o afundamento com potência, o helicóptero precisa estar com uma razão de descida de mais de 300 pés por minuto, dependendo do peso total. RPM do rotor e densidade do ar, com velocidade horizontal inferior a 10 nós e com potência do motor sendo absorvida pelo rotor principal.
O afundamento com potência ocorrerá também se o piloto tentar fazer um vôo pairado acima do teto máximo para vôo pairado do helicóptero, quando ocorrerá o estol de potência, assim chamado por estar sendo utilizado a máxima potência do motor com um grande ângulo das pás e mesmo assim o helicóptero afunda.
A tendência de ação de um piloto menos treinado, tanto durante o estol de turbilhonamento quanto durante o estol de potência, é de puxar a alavanca do coletivo para cima apara aumentar o ângulo das pás do rotor e diminuir a razão de descida, ação esta que causa um afundamento ainda maior por provocar estol numa área ainda maior do disco.
Para sair da condição de afundamento com potência o piloto deve baixar a alavanca do coletivo para diminuir o ângulo das pás e comandar a alavanca do cíclico para frente para ganhar velocidade horizontal e sair do turbulento. A ação do cíclico estará reduzida devido ao fato de as pás estarem estoladas na parte interna do disco.
VIBRAÇÕES ANORMAIS
Qualquer vibração anormal no helicóptero se enquadra normalmente em alguma das três faixas de freqüência:
- Baixa freqüência – de 100 a 400 ciclos por minuto (cmp);
- Média freqüência – de 1000 a 2000 cpm;
- Alta freqüência – acima de 2000 com.
VIBRAÇÕES DE BAIXA FREQUENCIA
Vibrações anormais nesta categoria estão sempre associadas ao rotor principal. A freqüência da vibração está relacionada à RPM do motor principal e ao número de pás do rotor, por exemplo: 1 por rotação, 2 por rotação, etc.
Vibrações de baixa freqüência são lentas o suficiente para serem contadas. O piloto e os passageiros percebem facilmente que estão sendo chacoalhados. Se a vibração for sentida na alavanca do cíclico, ela terá o mesmo compasso definido e será na mesma direção.
Estas vibrações de baixa freqüência podem ser sentidas somente na fuselagem ou somente no cíclico ou em ambos ao mesmo tempo. Dependendo onde for sentida a vibração, é possível determinar a sua causa e origem.
As vibrações sentidas através da fuselagem podem ser classificadas em: longitudinal, lateral ou vertical, ou podem ser uma combinação das três. Vibração longitudinal é aquela que joga o piloto para frente e para trás, ou que fez o piloto sentir constantes pancadas nas costas.
Vibração lateral é aquela que joga o piloto de um lado para o outro.
Vibração vertical é aquela que joga o piloto para cima e para baixo, ou que faz o piloto sentir constantes pancadas no assento da poltrona.
É importante que o piloto descreva a vibração sentida em vôo para que o mecânico possa determinar a causa da vibração e saná-la. 
É comum também o piloto e o mecânico saírem para um vôo de experiência quando o piloto está inseguro sobre o tipo de vibração sentida.
Se a vibração for sentida em ambos, fuselagem e cíclico, a causa é geralmente o rotor principal ou falha dos suportes de fixação d a transmissão à fuselagem.
Se a vibração de baixa freqüência ocorrer somente durante vôos translacionais (vôo com deslocamento à frente) ou durante subidas em alta velocidade, a vibração pode ser resultado das batidas das pás contras seus batentes de batimento ou de avanço e recuo.
Se a vibração for sentida somente na alavanca do cíclico o lugar mais provável de se encontrar problemas é o mecanismo do sistema de controle do cíclico, entre a alavanca e a cabeça do rotor.
VIBRAÇÕES DE MÉDIA FREQÜÊNCIA
Este tipo de vibração é muito difícil se não impossível de contar, devido á rápida freqüência.
Na maioria dos helicópteros as vibrações de média freqüência são resultado de problemas no rotor de cauda.
Regulagem incorreta, desbalanceamento, defeitos nas pás ou rolamentos danificados, são causas destas vibrações.
Se a vibração ocorrer somente durante vôos em curva, o problema pode estar sendo causado por insuficiência de batimento do rotor de cauda.
VIBRAÇÕES DE ALTA FREQÜÊNCIA
Este tipo de vibração está sempre relacionado com o motor do helicóptero e também é impossível de se contar devido à alta freqüência. Entretanto, ela pode estar associada ao rotor de cauda nos helicópteros em que a RPM do rotor de cauda for aproximadamente igual ou maior que a RPM do motor.
A embreagem danificada, palhetas do compressor ou turbina quebrada, rolamentos danificados no motor, na transmissão ou no eixo do rotor de cauda resulta em vibrações cuja freqüência está diretamente relacionada à velocidade do motor.
A experiência em detectar, isolar e sanar as vibrações dos três tipos diferentes assim que elas aparecem torna possível evitar que elas se tornem sérias.
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UM PLANO DE VÔO PARA O FUTURO