Aeronave: Princípios Básicos da Hélice 

A hélice da aeronave consiste em duas ou mais pás e um cubo central ao qual as pás estão conectadas. Cada lâmina de uma hélice de aeronave é essencialmente uma asa rotativa. Como resultado de sua construção, as pás da hélice são como aerofólios e produzem forças que criam o impulso para puxar ou empurrar a aeronave pelo ar. O motor fornece a potência necessária para girar as pás da hélice através do ar em altas velocidades, e a hélice transforma a potência rotativa do motor em impulso para a frente.

Uma seção transversal de uma pá de hélice típica é mostrada na Figura. Esta seção ou elemento de lâmina é um aerofólio comparável a uma seção transversal de uma asa de aeronave. Uma superfície da lâmina é curvada ou curvada, semelhante à superfície superior de uma asa de aeronave, enquanto a outra superfície é plana como a superfície inferior de uma asa. A linha da corda é uma linha imaginária traçada através da lâmina de seu bordo de ataque ao bordo de fuga. Como em uma asa, a borda de ataque é a borda grossa da pá que encontra o ar à medida que a hélice gira. O ângulo da lâmina, geralmente medido em graus, é o ângulo entre a corda da lâmina e o plano de rotação e é medido em um ponto específico ao longo do comprimento da lâmina. Como a maioria das hélices tem uma “face” de pá plana, a linha da corda geralmente é traçada ao longo da face da pá da hélice. O passo não é o ângulo da lâmina, mas como o passo é amplamente determinado pelo ângulo da lâmina, os dois termos são frequentemente usados ​​de forma intercambiável. Um aumento ou diminuição em um geralmente está associado a um aumento ou diminuição no outro. O passo de uma hélice pode ser designado em polegadas. Uma hélice designada como “74–48” teria 74 polegadas de comprimento e um passo efetivo de 48 polegadas. O passo é a distância em polegadas, que a hélice parafusaria no ar em uma revolução se não houvesse derrapagem.

Ao especificar uma hélice de passo fixo para um novo tipo de aeronave, o fabricante geralmente seleciona uma com um passo que opere eficientemente na velocidade de cruzeiro esperada da aeronave. Cada hélice de passo fixo deve ser um compromisso porque pode ser eficiente em apenas uma determinada combinação de velocidade do ar e rotações por minuto (rpm). Os pilotos não podem alterar esta combinação em voo.

Quando a aeronave está em repouso no solo com o motor funcionando, ou movendo-se lentamente no início da decolagem, a eficiência da hélice é muito baixa porque a hélice é impedida de avançar com velocidade suficiente para permitir que suas pás de passo fixo atinjam sua plena eficiência. Nesta situação, cada pá da hélice está girando no ar em um AOA que produz relativamente pouco empuxo para a quantidade de energia necessária para girá-la.

Para entender a ação de uma hélice, considere primeiro seu movimento, que é tanto de rotação quanto de avanço. Conforme mostrado pelos vetores de forças da hélice na Figura, cada seção de uma pá da hélice se move para baixo e para frente. O ângulo em que este ar (vento relativo) atinge a pá da hélice é o seu AOA. A deflexão do ar produzida por este ângulo faz com que a pressão dinâmica no lado do motor da pá da hélice seja maior que a pressão atmosférica, criando assim empuxo. 

A forma da lâmina também cria empuxo porque é arqueada como a forma do aerofólio de uma asa. À medida que o ar passa pela hélice, a pressão de um lado é menor do que a do outro. Como em uma asa, uma força de reação é produzida na direção da pressão menor. O fluxo de ar sobre a asa tem menos pressão e a força (sustentação) é para cima. No caso da hélice, que é montada em um plano vertical em vez de horizontal, a área de pressão diminuída está na frente da hélice e a força (impulso) está na direção para frente. Aerodinamicamente, o empuxo é o resultado do formato da hélice e do AOA da pá.  

O empuxo também pode ser considerado em termos da massa de ar movimentada pela hélice. Nesses termos, o empuxo é igual à massa de ar manuseada multiplicada pela velocidade de deslizamento menos a velocidade da aeronave. A potência gasta na produção de empuxo depende da taxa de movimento da massa de ar. Em média, o empuxo constitui aproximadamente 80 por cento do torque (potência total absorvida pela hélice). Os outros 20% são perdidos em atrito e deslizamento. Para qualquer velocidade de rotação, a potência absorvida pela hélice equilibra a potência fornecida pelo motor. Para qualquer rotação única da hélice, a quantidade de ar manipulada depende do ângulo da pá, que determina o tamanho da “mordida” de ar que a hélice leva. Assim, o ângulo da pá é um excelente meio de ajustar a carga na hélice para controlar a rotação do motor.

O ângulo da pá também é um excelente método de ajuste do AOA da hélice. Em hélices de velocidade constante, o ângulo da pá deve ser ajustado para fornecer o AOA mais eficiente em todas as velocidades do motor e da aeronave. As curvas de sustentação versus arrasto, que são desenhadas para hélices e asas, indicam que o AOA mais eficiente é pequeno, variando de +2° a +4°. O ângulo real da pá necessário para manter este pequeno AOA varia com a velocidade de avanço da aeronave.

As hélices de passo fixo e ajustáveis ​​no solo são projetadas para melhor eficiência em uma rotação e velocidade de avanço. Eles são projetados para uma determinada combinação de aeronave e motor. Uma hélice pode ser usada para fornecer a máxima eficiência para decolagem, subida, cruzeiro ou vôo de alta velocidade. Qualquer mudança nessas condições resulta na redução da eficiência tanto da hélice quanto do motor. Como a eficiência de qualquer máquina é a razão entre a potência útil de saída e a potência real de entrada, a eficiência da hélice é a razão entre a potência de empuxo e a potência de freio. A eficiência da hélice varia de 50 a 87 por cento, dependendo de quanto a hélice “desliza”. O deslizamento da hélice é a diferença entre o passo geométrico da hélice e seu passo efetivo. O passo geométrico é a distância teórica que uma hélice deve avançar em uma revolução; o passo efetivo é a distância que ele realmente avança. Assim, o passo geométrico ou teórico é baseado em nenhum deslizamento, mas o passo real ou efetivo inclui o deslizamento da hélice no ar.  

A razão pela qual uma hélice é “torcida” é que as partes externas das pás da hélice, como todas as coisas que giram em torno de um ponto central, viajam mais rápido do que as partes próximas ao cubo. Se as pás tivessem o mesmo passo geométrico em todo o seu comprimento, as partes próximas ao cubo poderiam ter AOAs negativas enquanto as pontas da hélice ficariam paradas na velocidade de cruzeiro. Torções ou variações no passo geométrico das pás permitem que a hélice opere com um AOA relativamente constante ao longo de seu comprimento quando em vôo de cruzeiro. As pás da hélice são torcidas para alterar o ângulo da pá em proporção às diferenças na velocidade de rotação ao longo do comprimento da hélice, mantendo o empuxo mais aproximadamente igualado ao longo desse comprimento.

Normalmente 1° a 4° fornece a relação sustentação/arrasto mais eficiente, mas em voo o AOA da hélice de uma hélice de passo fixo varia—normalmente de 0° a 15°. Essa variação é causada por mudanças na corrente de ar relativa, que por sua vez resulta de mudanças na velocidade da aeronave. Assim, a hélice AOA é o produto de dois movimentos: rotação da hélice em torno de seu eixo e seu movimento para frente.

Uma hélice de velocidade constante mantém automaticamente o ângulo da pá ajustado para máxima eficiência na maioria das condições encontradas em voo. Durante a decolagem, quando a potência e o empuxo máximos são necessários, a hélice de velocidade constante está em um ângulo ou passo baixo da pá da hélice. O baixo ângulo da pá mantém o AOA pequeno e eficiente em relação ao vento relativo. Ao mesmo tempo, permite que a hélice lide com uma massa menor de ar por revolução. Essa carga leve permite que o motor gire em altas rotações e converta a quantidade máxima de combustível em energia térmica em um determinado tempo. A alta rpm também cria o empuxo máximo porque, embora a massa de ar manuseada por revolução seja pequena, a rotação e a velocidade de deslizamento são altas e, com a baixa velocidade da aeronave, há empuxo máximo. Após a decolagem, à medida que a velocidade da aeronave aumenta, a hélice de velocidade constante muda automaticamente para um ângulo (ou passo) mais alto. Novamente, o maior ângulo da pá mantém o AOA pequeno e eficiente em relação ao vento relativo. O ângulo de lâmina mais alto aumenta a massa de ar tratada por revolução. Isso diminui a rotação do motor, reduzindo o consumo de combustível e o desgaste do motor, e mantém o empuxo no máximo.

Depois que a subida de decolagem é estabelecida em uma aeronave com uma hélice de passo controlável, o piloto reduz a potência do motor para aumentar a potência, primeiro diminuindo a pressão do coletor e depois aumentando o ângulo da pá para diminuir a rpm. 

Em altitude de cruzeiro, quando a aeronave está em vôo nivelado e é necessária menos potência do que é usada na decolagem ou subida, o piloto novamente reduz a potência do motor reduzindo a pressão do coletor e aumentando o ângulo da pá para diminuir a rpm. Novamente, isso fornece um requisito de torque para corresponder à potência reduzida do motor. Embora a massa de ar bombeada por revolução seja maior, ela é mais do que compensada por uma diminuição na velocidade de deslizamento e um aumento na velocidade do ar. O AOA ainda é pequeno porque o ângulo da pá foi aumentado com o aumento da velocidade do ar.

Torque e Fator P

Para o piloto, o “torque” (a tendência de virar à esquerda do avião) é composto por quatro elementos que provocam ou produzem um movimento de torção ou rotação em torno de pelo menos um dos três eixos do avião. Esses quatro elementos são:

1. Reação de torque do motor e hélice 

2. Efeito de saca-rolhas do fluxo de deslizamento

3. Ação giroscópica da hélice

4. Carga assimétrica da hélice (fator P)

Reação de Torque

A reação de torque envolve a Terceira Lei da Física de Newton – para cada ação, há uma reação igual e oposta. Quando aplicado à aeronave, isso significa que, à medida que as peças internas do motor e a hélice estão girando em uma direção, uma força igual está tentando girar a aeronave na direção oposta.

Quando a aeronave está no ar, essa força atua em torno do eixo longitudinal, tendendo a fazer a aeronave rolar. Para compensar a tendência de rolagem, algumas das aeronaves mais antigas são equipadas de maneira a criar mais sustentação na asa que está sendo forçada para baixo. As aeronaves mais modernas são projetadas com o deslocamento do motor para neutralizar esse efeito de torque.

NOTA: A maioria dos motores de aeronaves fabricados nos Estados Unidos gira a hélice no sentido horário, visto do assento do piloto. A discussão aqui é com referência a esses motores. 

Geralmente, os fatores de compensação são ajustados de forma permanente para compensar essa força na velocidade de cruzeiro, já que a maior parte do tempo de operação da aeronave é nessa velocidade. No entanto, as abas de compensação do aileron permitem ajustes adicionais para outras velocidades. Quando as rodas da aeronave estão no solo durante a decolagem, um momento de giro adicional em torno do eixo vertical é induzido pela reação de torque. Como o lado esquerdo da aeronave está sendo forçado para baixo pela reação de torque, mais peso está sendo colocado no trem de pouso principal esquerdo. Isso resulta em mais atrito com o solo, ou arrasto, no pneu esquerdo do que no direito, causando um momento de giro adicional para a esquerda. A magnitude deste momento depende de muitas variáveis. Algumas dessas variáveis ​​são: 

1. Tamanho e potência do motor

2. Tamanho da hélice e rpm

3. Tamanho da aeronave

4. Condição da superfície do solo

Este momento de guinada no roll de decolagem é corrigido pelo uso adequado do leme ou trim do leme pelo piloto.

Efeito saca-rolhas

A rotação de alta velocidade de uma hélice de aeronave dá um saca-rolhas ou rotação em espiral para o slipstream. Em altas velocidades de hélice e baixa velocidade de avanço (como nas decolagens e aproximações de estol de inicialização), essa rotação em espiral é muito compacta e exerce uma forte força lateral na superfície vertical da cauda da aeronave.

Quando este fluxo espiralado atinge a aleta vertical, causa um momento de guinada em torno do eixo vertical da aeronave. Quanto mais compacta a espiral, mais proeminente é essa força. À medida que a velocidade de avanço aumenta, no entanto, a espiral se alonga e se torna menos eficaz. O fluxo em saca-rolhas da corrente de deslizamento também provoca um momento de rolamento em torno do eixo longitudinal.

Observe que esse momento de rolamento causado pelo fluxo em saca-rolhas da corrente de deslizamento é para a direita, enquanto o momento de guinada causado pela reação de torque é para a esquerda - com efeito, um pode estar contrariando o outro. No entanto, essas forças variam muito e é responsabilidade do piloto aplicar a ação corretiva adequada usando os controles de voo em todos os momentos. Essas forças devem ser combatidas, independentemente de qual seja a mais proeminente no momento.

Ação giroscópica  

Antes que os efeitos giroscópicos da hélice possam ser entendidos, é necessário entender o princípio básico de um giroscópio. Todas as aplicações práticas do giroscópio são baseadas em duas propriedades fundamentais da ação giroscópica: rigidez no espaço e precessão. O que interessa para esta discussão é a precessão. 

A precessão é a ação resultante, ou deflexão, de um rotor giratório quando uma força de deflexão é aplicada ao seu aro. Como pode ser visto na Figura, quando uma força é aplicada, a força resultante tem efeito 90° à frente e no sentido de rotação. A hélice giratória de um avião faz um giroscópio muito bom e, portanto, tem propriedades semelhantes. Sempre que uma força é aplicada para desviar a hélice de seu plano de rotação, a força resultante está 90° à frente e na direção de rotação e na direção de aplicação, causando um momento de inclinação, um momento de guinada ou uma combinação dos dois, dependendo do ponto em que a força foi aplicada.

Este elemento de efeito de torque sempre foi associado e considerado mais proeminente em aeronaves do tipo tailwheel e ocorre mais frequentemente quando a cauda está sendo levantada durante a decolagem. Essa mudança na atitude do passo tem o mesmo efeito que a aplicação de uma força no topo do plano de rotação da hélice. A força resultante agindo 90° à frente causa um momento de guinada para a esquerda em torno do eixo vertical. A magnitude deste momento depende de várias variáveis, uma das quais é a brusquidão com que a cauda da força aplicada é levantada (quantidade de força aplicada). Entretanto, a precessão, ou ação giroscópica, ocorre quando uma força é aplicada em qualquer ponto da borda do plano de rotação da hélice; a força resultante ainda será de 90° a partir do ponto de aplicação no sentido de rotação. Dependendo de onde a força é aplicada,  

Pode-se dizer que, como resultado da ação giroscópica, qualquer guinada em torno do eixo vertical resulta em um momento de guinada, e qualquer guinada em torno do eixo lateral resulta em um momento de guinada. Para corrigir o efeito da ação giroscópica, é necessário que o piloto use corretamente o profundor e o leme para evitar inclinações e guinadas indesejadas.

Carga Assimétrica (Fator P)  

Quando uma aeronave está voando com um alto AOA, a “mordida” da lâmina em movimento descendente é maior do que a “mordida” da lâmina em movimento ascendente. Isso move o centro de empuxo para a direita da área do disco de hélice, causando um momento de guinada para a esquerda em torno do eixo vertical. Provar esta explicação é complexo porque seria necessário trabalhar os problemas de vetor de vento em cada pá considerando tanto o AOA da aeronave quanto o AOA de cada pá.

Esse carregamento assimétrico é causado pela velocidade resultante, que é gerada pela combinação da velocidade da pá da hélice em seu plano de rotação e a velocidade do ar que passa horizontalmente pelo disco da hélice. Com a aeronave voando em AOAs positivo, a lâmina direita (vista de trás) ou downswinging, está passando por uma área de velocidade resultante, que é maior do que a que afeta a lâmina esquerda ou upswing. Como a pá da hélice é um aerofólio, o aumento da velocidade significa aumento da sustentação. A lâmina descendente tem mais sustentação e tende a puxar (guinar) o nariz da aeronave para a esquerda.

Quando a aeronave está voando em um alto AOA, a lâmina em movimento descendente tem uma velocidade resultante mais alta, criando mais sustentação do que a lâmina em movimento ascendente. Isso pode ser mais fácil de visualizar se o eixo da hélice for montado perpendicularmente ao solo (como um helicóptero). Se não houvesse movimento do ar, exceto o gerado pela própria hélice, seções idênticas de cada pá teriam a mesma velocidade no ar. Com o ar movendo-se horizontalmente através desta hélice montada verticalmente, a pá que avança no fluxo de ar tem uma velocidade mais alta do que a pá que recua com o fluxo de ar. Assim, a lâmina que segue para o fluxo de ar horizontal está criando mais sustentação, ou empuxo, movendo o centro de empuxo em direção a essa lâmina. Visualize girando o eixo da hélice montado verticalmente para ângulos mais rasos em relação ao ar em movimento (como em uma aeronave). Esse empuxo desequilibrado então se torna proporcionalmente menor e continua diminuindo até atingir o valor de zero quando o eixo da hélice está exatamente na horizontal em relação ao ar em movimento. 

Os efeitos de cada um desses quatro elementos de torque variam em valor com as mudanças nas situações de voo. Em uma fase do voo, um desses elementos pode ser mais proeminente que outro. Em outra fase do voo, outro elemento pode ser mais proeminente. A relação desses valores entre si varia de acordo com a aeronave, dependendo das combinações de fuselagem, motor e hélice, bem como outros recursos de projeto. Para manter o controle positivo da aeronave em todas as condições de voo, o piloto deve aplicar os controles de voo conforme necessário para compensar esses valores variáveis.