Estruturas de helicóptero

As estruturas do helicóptero são projetadas para dar ao helicóptero suas características de voo únicas. Uma explicação simplificada de como um helicóptero voa é que os rotores são aerofólios giratórios que fornecem sustentação semelhante à maneira como as asas fornecem sustentação em uma aeronave de asa fixa. O ar flui mais rápido sobre a superfície superior curva dos rotores, causando uma pressão negativa e, assim, levantando a aeronave. A alteração do ângulo de ataque das pás rotativas aumenta ou diminui a sustentação, respectivamente elevando ou abaixando o helicóptero. Inclinar o plano de rotação do rotor faz com que a aeronave se mova horizontalmente. A figura mostra os principais componentes de um helicóptero típico.

Fuselagem A fuselagem, ou estrutura fundamental, de um helicóptero pode ser feita de materiais compostos de metal ou madeira, ou alguma combinação dos dois. Normalmente, um componente composto consiste em muitas camadas de resinas impregnadas com fibras, unidas para formar um painel liso. Subestruturas tubulares e de chapas metálicas são geralmente feitas de alumínio, embora o aço inoxidável ou o titânio sejam às vezes usados ​​em áreas sujeitas a maior estresse ou calor. O projeto da fuselagem abrange engenharia, aerodinâmica, tecnologia de materiais e métodos de fabricação para alcançar equilíbrios favoráveis ​​de desempenho, confiabilidade e custo.

Fuselagem 

Tal como acontece com as aeronaves de asa fixa, as fuselagens de helicópteros e as lanças de cauda são geralmente estruturas do tipo treliça ou semimonocoque de design de revestimento de tensão. Tubos de aço e alumínio, alumínio moldado e revestimento de alumínio são comumente usados. O design moderno da fuselagem do helicóptero também inclui uma utilização crescente de compostos avançados. Firewalls e decks de motores são geralmente de aço inoxidável. As fuselagens de helicópteros variam muito, desde aquelas com estrutura de treliça, dois assentos, sem portas e um compartimento de vôo monocoque até aquelas com cabines estilo avião totalmente fechadas, como encontradas em helicópteros bimotores maiores. A natureza multidirecional do voo de helicóptero torna essencial a visibilidade de amplo alcance a partir do cockpit. Pára-brisas grandes de policarbonato, vidro ou plexiglass são comuns. 

Trem de pouso ou patins 

Como mencionado, o trem de pouso de um helicóptero pode ser simplesmente um conjunto de patins metálicos tubulares. Muitos helicópteros possuem trem de pouso com rodas, alguns retráteis.  

Central elétrica e transmissão 

Os dois tipos mais comuns de motores usados ​​em helicópteros são o motor alternativo e o motor de turbina. Motores alternativos, também chamados de motores a pistão, são geralmente usados ​​em helicópteros menores. A maioria dos helicópteros de treinamento usa motores alternativos porque são relativamente simples e baratos de operar. Consulte o Manual de Conhecimento Aeronáutico do Piloto para obter uma explicação detalhada e ilustrações do motor a pistão.

Motores de turbina 

Os motores de turbina são mais potentes e são usados ​​em uma grande variedade de helicópteros. Eles produzem uma quantidade enorme de energia para seu tamanho, mas geralmente são mais caros de operar. O motor de turbina usado em helicópteros opera de forma diferente daqueles usados ​​em aplicações de avião. Na maioria das aplicações, as saídas de exaustão simplesmente liberam gases expelidos e não contribuem para o movimento de avanço do helicóptero. Como o fluxo de ar não é uma passagem em linha reta como nos motores a jato e não é usado para propulsão, o efeito de resfriamento do ar é limitado. Aproximadamente 75 por cento do fluxo de ar de entrada é usado para resfriar o motor.

O motor de turbina a gás montado na maioria dos helicópteros é composto por um compressor, câmara de combustão, turbina e conjunto de caixa de engrenagens acessória. O compressor puxa o ar filtrado para a câmara do plenum e o comprime. Filtros do tipo comum são tubos de redemoinho centrífugos onde os detritos são ejetados para fora e soprados ao mar antes de entrar no compressor, ou filtros de barreira do motor (EBF), um filtro do tipo elemento de papel, envolto em uma estrutura com uma tela/grade sobre a entrada e geralmente revestido com óleo. Este design reduz significativamente a ingestão de detritos de objetos estranhos (FOD). O ar comprimido é direcionado para a seção de combustão através de tubos de descarga onde o combustível atomizado é injetado nele. A mistura ar/combustível é inflamada e expandida. Este gás de combustão é então forçado através de uma série de rodas de turbina fazendo com que elas girem. Essas rodas de turbina fornecem energia tanto para o compressor do motor quanto para a caixa de engrenagens acessória. Dependendo do modelo e do fabricante, a faixa de rpm pode variar de uma faixa baixa de 20.000 a uma faixa alta de 51.600.

A energia é fornecida aos sistemas do rotor principal e do rotor de cauda através da unidade de roda livre que está conectada ao eixo da engrenagem de saída de energia da caixa de engrenagens acessória. O gás de combustão é finalmente expelido através de uma saída de exaustão. A temperatura do gás é medida em diferentes locais e é referenciada de forma diferente por cada fabricante. Alguns termos comuns são: temperatura entre turbinas (ITT), temperatura dos gases de escape (EGT) ou temperatura de saída da turbina (TOT). TOT é usado em toda esta discussão para fins de simplicidade.

Transmissão 

O sistema de transmissão transfere potência do motor para o rotor principal, rotor de cauda e outros acessórios durante as condições normais de voo. Os principais componentes do sistema de transmissão são a transmissão do rotor principal, o sistema de acionamento do rotor de cauda, ​​a embreagem e a unidade de roda livre. A unidade de roda livre, ou embreagem autorrotativa, permite que a transmissão do rotor principal acione o eixo de acionamento do rotor de cauda durante a autorrotação. As transmissões de helicópteros são normalmente lubrificadas e resfriadas com seu próprio suprimento de óleo. Um visor é fornecido para verificar o nível de óleo. Algumas transmissões possuem detectores de chip localizados no reservatório. Esses detectores são conectados a luzes de advertência localizadas no painel de instrumentos do piloto que acendem no caso de um problema interno. Alguns detectores de chip em helicópteros modernos têm uma capacidade de “queimar” e tentam corrigir a situação sem a ação do piloto. Se o problema não puder ser corrigido sozinho, o piloto deve consultar os procedimentos de emergência para aquele helicóptero em particular. 

Sistema de rotor principal 

O sistema de rotor é a parte rotativa de um helicóptero que gera sustentação. O rotor consiste em um mastro, cubo e pás do rotor. O mastro é um eixo de metal cilíndrico que se estende para cima e é acionado, e às vezes apoiado, pela transmissão. No topo do mastro está o ponto de fixação para as pás do rotor chamado cubo. As pás do rotor são então fixadas ao cubo por vários métodos diferentes. Os sistemas do rotor principal são classificados de acordo com a forma como as pás do rotor principal são fixadas e se movem em relação ao cubo do rotor principal. Existem três classificações básicas: rígidas, semi-rígidas ou totalmente articuladas.

Sistema de rotor rígido 

O mais simples é o sistema de rotor rígido. Neste sistema, as pás do rotor estão rigidamente presas ao cubo do rotor principal e não estão livres para deslizar para frente e para trás (arrastar) ou mover para cima e para baixo (aba). As forças que tendem a fazer com que as pás do rotor o façam são absorvidas pelas propriedades flexíveis da pá. O passo das lâminas, no entanto, pode ser ajustado pela rotação em torno do eixo no sentido da envergadura através das dobradiças de embandeiramento.

Sistema de rotor semi-rígido 

O sistema de rotor semi-rígido na Figura faz uso de uma dobradiça oscilante no ponto de fixação da pá. Enquanto segura o deslizamento para frente e para trás, a dobradiça oscilante permite que as lâminas batam para cima e para baixo. Com esta dobradiça, quando uma lâmina bate para cima, a outra bate para baixo.

Flapping é causado por um fenômeno conhecido como dissimetria de sustentação. À medida que o plano de rotação das pás do rotor é inclinado e o helicóptero começa a se mover para frente, uma pá de avanço e uma pá de recuo se estabelecem (em sistemas de duas pás). A velocidade relativa do vento é maior em uma pá em avanço do que em uma pá em recuo. Isso faz com que uma maior sustentação seja desenvolvida na lâmina de avanço, fazendo com que ela suba ou bata. Quando a rotação da lâmina atinge o ponto em que a lâmina se torna a lâmina que recua, a elevação extra é perdida e a lâmina bate para baixo.

Sistema de rotor totalmente articulado 

Os sistemas de pás do rotor totalmente articulados fornecem dobradiças que permitem que os rotores se movam para frente e para trás, bem como para cima e para baixo. Este movimento de avanço-atraso, arrasto ou caça, como é chamado, é uma resposta ao efeito Coriolis durante as mudanças de velocidade rotacional. Ao começar a girar, as lâminas ficam paradas até que a força centrífuga esteja totalmente desenvolvida. Uma vez girando, uma redução na velocidade faz com que as pás conduzam o cubo do rotor principal até que as forças se equilibrem. Flutuações constantes nas velocidades das pás do rotor fazem com que as pás “cacem”. Eles são livres para fazê-lo em um sistema totalmente articulado devido à sua montagem na dobradiça de arrasto vertical.

Uma ou mais dobradiças horizontais permitem bater em um sistema de rotor totalmente articulado. Além disso, a dobradiça de embandeiramento permite mudanças no passo da lâmina, permitindo a rotação em torno do eixo no sentido da envergadura. Vários amortecedores e batentes podem ser encontrados em diferentes designs para reduzir o choque e limitar o deslocamento em determinadas direções. A figura mostra um sistema de rotor principal totalmente articulado com as características discutidas.

Existem numerosos projetos e variações dos três tipos de sistemas de rotor principal. Os engenheiros procuram continuamente maneiras de reduzir a vibração e o ruído causados ​​pelas partes rotativas do helicóptero. Para esse fim, o uso de rolamentos elastoméricos em sistemas de rotor principal está aumentando. Esses rolamentos de polímero têm a capacidade de se deformar e retornar à sua forma original. Como tal, eles podem absorver a vibração que normalmente seria transferida por rolamentos de aço. Eles também não requerem lubrificação regular, o que reduz a manutenção.

Alguns rotores principais de helicópteros modernos foram projetados com flexuras. Estes são cubos e componentes de cubo feitos de materiais compostos avançados. Eles são projetados para absorver as forças de caça da lâmina e dissimetria de sustentação por flexão. Como tal, muitas dobradiças e rolamentos podem ser eliminados do sistema tradicional do rotor principal. O resultado é um mastro de rotor mais simples com menor manutenção devido a menos peças móveis. Muitas vezes, os projetos que usam flexuras incorporam rolamentos elastoméricos.

Sistema Antitorque 

Normalmente, os helicópteros têm entre duas e sete pás do rotor principal. Esses rotores são geralmente feitos de uma estrutura composta. A grande massa rotativa das pás do rotor principal de um helicóptero produz torque. Esse torque aumenta com a potência do motor e tenta girar a fuselagem na direção oposta. A lança de cauda e o rotor de cauda, ​​ou rotor antitorque, neutralizam esse efeito de torque. Controlado com pedais, o contratorque do rotor de cauda deve ser modulado à medida que os níveis de potência do motor são alterados. Isso é feito alterando o passo das pás do rotor de cauda. Isso, por sua vez, altera a quantidade de contratorque, e a aeronave pode ser girada em torno de seu eixo vertical, permitindo que o piloto controle a direção em que o helicóptero está voltado.

Semelhante a um estabilizador vertical na empenagem de um avião, uma barbatana ou pilão também é uma característica comum em aeronaves de asas rotativas. Normalmente, ele suporta o conjunto do rotor de cauda, ​​embora alguns rotores de cauda sejam montados no cone de cauda da lança. Além disso, um membro horizontal chamado estabilizador é frequentemente construído no cone de cauda ou no pilão.

Um Fenestron® é um projeto exclusivo de rotor de cauda que é na verdade um ventilador multipá com dutos montado no pilão vertical. Ele funciona da mesma maneira que um rotor de cauda comum, fornecendo empuxo lateral para combater o torque produzido pelos rotores principais. 

Um sistema antitorque NOTAR® não possui rotor visível montado na lança de cauda. Em vez disso, um ventilador ajustável acionado pelo motor está localizado dentro da lança de cauda. NOTAR® é um acrônimo que significa “sem rotor de cauda”. À medida que a velocidade do rotor principal muda, a velocidade do ventilador NOTAR® muda. O ar é expelido de duas fendas longas no lado direito da lança de cauda, ​​arrastando a lavagem do rotor principal para abraçar o lado direito da lança de cauda, ​​por sua vez causando fluxo laminar e baixa pressão (Efeito Coanda). Esta baixa pressão provoca uma força contrária ao torque produzido pelo rotor principal. Além disso, o restante do ar do ventilador é enviado através da lança de cauda para um respiradouro no lado esquerdo traseiro da lança, onde é expelido. Essa ação à esquerda causa uma reação oposta à direita, que é a direção necessária para contrariar o torque do rotor principal.

Controles 

Os controles de um helicóptero diferem ligeiramente daqueles encontrados em uma aeronave. O coletivo, operado pelo piloto com a mão esquerda, é puxado para cima ou para baixo para aumentar ou diminuir o ângulo de ataque em todas as pás do rotor simultaneamente. Isso aumenta ou diminui a sustentação e move a aeronave para cima ou para baixo. O controle do acelerador do motor está localizado no punho na extremidade do coletivo. O cíclico é o “stick” de controle localizado entre as pernas do piloto. Ele pode ser movido em qualquer direção para inclinar o plano de rotação das pás do rotor. Isso faz com que o helicóptero se mova na direção em que o cíclico é movido. Como afirmado, os pedais controlam o passo das pás do rotor de cauda, ​​equilibrando assim o torque do rotor principal. As figuras ilustram os controles encontrados em um helicóptero típico.