Aerodinâmica em um Helicóptero - Aerodinâmica de Voo

A gravidade agindo sobre a massa (a quantidade de matéria) de um objeto cria uma força chamada peso. A lâmina do rotor abaixo pesa 100 lbs. Tem 20 pés de comprimento (span) e 1 pé de largura (corda). Assim, sua área de superfície é de 20 pés quadrados.

A lâmina está perfeitamente equilibrada em um suporte pontual, como você pode ver na Figura olhando para ela da extremidade (a visão do aerofólio). O objetivo é que a lâmina desafie a gravidade e fique exatamente onde está quando removemos o suporte. Se não fizermos nada antes de remover o suporte, a lâmina simplesmente cairá no chão. Podemos exercer uma força (um empurrão ou tração) oposta à gravidade que equivale ao peso de 100 lb da lâmina? Sim, por exemplo, a força eletromagnética pode ser usada. Nos helicópteros, porém, usamos a força aerodinâmica para se opor ao peso e manobrar. 

Todo objeto na atmosfera é cercado por um gás que exerce uma força estática de 2.116 lb por pé quadrado (uma força vezes uma unidade de área, chamada pressão) ao nível do mar. No entanto, essa pressão é exercida igualmente em toda a lâmina (superior e inferior) e, portanto, não cria nenhuma força útil na lâmina. Precisamos apenas criar uma diferença de uma única libra de diferencial de pressão estática por pé quadrado de superfície da lâmina para ter uma força igual ao peso da lâmina (100 lb de pressão para cima oposta a 100 lb de peso para baixo).

A pressão total consiste na pressão estática e, se o ar estiver em movimento, na pressão dinâmica (uma pressão na direção do movimento do ar). Conforme mostrado na Figura, se a pressão dinâmica for aumentada, a pressão estática diminuirá. Devido ao design do aerofólio, a velocidade do ar que passa sobre a superfície superior será maior que a da superfície inferior, levando a uma pressão dinâmica maior na superfície superior do que na superfície inferior. A pressão dinâmica mais alta na superfície superior diminui a pressão estática na superfície superior. A pressão estática na parte inferior agora será maior que a pressão estática na parte superior. A lâmina experimentará uma força ascendente. Com a quantidade certa de ar passando sobre a lâmina, a força ascendente será igual a uma libra por pé quadrado. Esta força para cima é igual a,

A força criada pelo ar movendo-se sobre um objeto (ou movendo um objeto através do ar) é chamada de força aerodinâmica. Aero significa ar. Dinâmico significa movimento ou movimento. Assim, movendo o ar sobre um aerofólio, podemos alterar as pressões estáticas na parte superior e inferior, gerando assim uma força útil (uma força aerodinâmica). A porção da força aerodinâmica que geralmente é medida perpendicularmente ao ar que flui ao redor do aerofólio é chamada de sustentação e é usada para se opor ao peso. O arrasto é a porção da força aerodinâmica que é medida como a resistência criada por um objeto passando pelo ar (ou tendo o ar passado sobre ele). O arrasto age na direção da corrente com o vento passando sobre o aerofólio e retarda o movimento para frente.

Forças que atuam na aeronave

Uma vez que um helicóptero deixa o solo, ele é acionado por quatro forças aerodinâmicas; empuxo, arrasto, sustentação e peso. Entender como essas forças funcionam e saber como controlá-las com o uso da força e dos controles de voo são essenciais para o voo. Eles estão definidos da seguinte forma:

• Elevação— se opõe à força descendente do peso, é produzida pelo efeito dinâmico do ar agindo sobre o aerofólio e atua perpendicularmente à trajetória de voo através do centro de sustentação.

• Peso — a carga combinada da própria aeronave, a tripulação, o combustível e a carga ou bagagem. O peso puxa a aeronave para baixo por causa da força da gravidade. Ele se opõe à sustentação e atua verticalmente para baixo através do centro de gravidade da aeronave (CG).

• Impulso – a força produzida pela usina/hélice ou rotor. Ele se opõe ou supera a força de arrasto. Como regra geral, atua paralelamente ao eixo longitudinal. No entanto, isso nem sempre é o caso, como explicado mais adiante.

 Arrasto – uma força de retardo para trás causada pela interrupção do fluxo de ar pela asa, rotor, fuselagem e outros objetos salientes. O arrasto se opõe ao empuxo e age para trás paralelamente ao vento relativo.

Elevar

A sustentação é gerada quando um objeto muda a direção do fluxo de um fluido ou quando o fluido é forçado a se mover pelo objeto que passa por ele. Quando o objeto e o fluido se movem um em relação ao outro e o objeto gira o fluxo do fluido em uma direção perpendicular a esse fluxo, a força necessária para fazer esse trabalho cria uma força igual e oposta que é a sustentação. O objeto pode estar se movendo através de um fluido estacionário, ou o fluido pode estar passando por um objeto estacionário - esses dois são efetivamente idênticos, pois, em princípio, é apenas o quadro de referência do observador que difere. A sustentação gerada por um aerofólio depende de fatores como: 

• Velocidade do fluxo de ar 

• Densidade do ar 

• Área total do segmento ou aerofólio 

• Ângulo de ataque (AOA) entre o ar e o aerofólio

O AOA é o ângulo em que o aerofólio encontra o fluxo de ar que se aproxima (ou vice-versa). No caso de um helicóptero, o objeto é a pá do rotor (aerofólio) e o fluido é o ar. A sustentação é produzida quando uma massa de ar é defletida e sempre atua perpendicularmente ao vento relativo resultante. Um aerofólio simétrico deve ter um AOA positivo para gerar sustentação positiva. Em um AOA zero, nenhum elevador é gerado. Em um AOA negativo, um elevador negativo é gerado. Um aerofólio arqueado ou assimétrico pode produzir sustentação positiva em zero, ou mesmo AOA negativo pequeno.

O conceito básico de elevador é simples. No entanto, os detalhes de como o movimento relativo do ar e do aerofólio interagem para produzir a ação de giro que gera sustentação são complexos. Em qualquer caso, causando elevação, uma placa plana inclinada, cilindro giratório, aerofólio, etc., o fluxo que encontra a borda de ataque do objeto é forçado a se dividir sobre e sob o objeto. A mudança repentina de direção sobre o objeto faz com que uma área de baixa pressão se forme atrás da borda de ataque na superfície superior do objeto. Por sua vez, devido a esse gradiente de pressão e à viscosidade do fluido, o fluxo sobre o objeto é acelerado para baixo ao longo da superfície superior do objeto. Ao mesmo tempo, o fluxo forçado sob o objeto é rapidamente desacelerado ou estagnado, causando uma área de alta pressão. Isso também faz com que o fluxo acelere ao longo da superfície superior do objeto.

Princípio de Bernoulli

O princípio de Bernoulli descreve a relação entre a pressão interna do fluido e a velocidade do fluido. É uma declaração da lei de conservação de energia e ajuda a explicar por que um aerofólio desenvolve uma força aerodinâmica. O conceito de conservação de energia afirma que a energia não pode ser criada ou destruída e a quantidade de energia que entra em um sistema também deve sair. Especificamente, neste caso, a “energia” referida é a pressão dinâmica (a energia cinética do ar – mais velocidade, mais energia cinética) e a pressão estática do ar (energia potencial). Estes irão mudar entre si, mas a energia total da pressão permanece constante dentro do tubo.

Um tubo simples com uma porção estreitada próxima ao centro de seu comprimento ilustra este princípio. Um exemplo é a água corrente através de uma mangueira de jardim. A massa de fluxo por unidade de área (área da seção transversal do tubo) é a taxa de fluxo de massa. Na Figura, o fluxo para dentro do tubo é constante, nem acelerando nem desacelerando; assim, a vazão de massa através do tubo deve ser a mesma nas estações 1, 2 e 3. Se a área da seção transversal em qualquer uma dessas estações - ou em qualquer ponto - no tubo for reduzida, a velocidade do fluido deve aumentar para manter uma taxa de fluxo de massa constante para mover a mesma quantidade de fluido através de uma área menor. A continuidade do fluxo de massa faz com que o ar se mova mais rapidamente através do venturi. Em outras palavras, o fluido acelera em proporção direta à redução da área.

Bernoulli (pressão total = pressão dinâmica + pressão estática) afirma que o aumento na velocidade aumentará a pressão dinâmica no sentido da corrente. Como a pressão total no tubo deve permanecer constante, a pressão estática nas laterais do venturi diminuirá. Efeito Venturi é o termo usado para descrever esse fenômeno.

A figura ilustra placas de um metro quadrado no fluxo dinâmico e nas laterais do tubo indicando pressão estática, com pressão correspondente. No ponto 2, é mais fácil visualizar a redução da pressão estática na parte superior do aerofólio em comparação com a parte inferior do aerofólio, que é representada como fora do tubo e, portanto, à pressão estática ambiente. Tenha em mente que com lâminas reais não é tão simples como este exemplo, porque a pressão estática inferior é influenciada pelo design da lâmina e pelo ângulo da lâmina, entre outras coisas. No entanto, a ideia básica é que é o diferencial de pressão estática entre o topo e o fundo multiplicado pela área da superfície da pá que gera a força aerodinâmica.

Fluxo de Venturi

Enquanto a quantidade de energia total dentro de um sistema fechado (o tubo) não muda, a forma da energia pode ser alterada. A pressão do ar que flui pode ser comparada à energia, pois a pressão total do ar que flui sempre permanece constante, a menos que a energia seja adicionada ou removida. A pressão do fluxo de fluido tem dois componentes: pressão estática e dinâmica. A pressão estática é o componente de pressão medido no fluxo, mas que não se move com o fluxo à medida que a pressão é medida. A pressão estática também é conhecida como a força por unidade de área que atua sobre uma superfície. A pressão dinâmica de fluxo é aquela componente existente como resultado do movimento do ar. A soma dessas duas pressões é a pressão total. À medida que o ar flui através da constrição, a pressão estática diminui à medida que a velocidade aumenta. Isso aumenta a pressão dinâmica. A figura mostra a metade inferior da área constrita do tubo, que se assemelha à metade superior de um aerofólio. Mesmo com a metade superior do tubo removida, o ar ainda acelera sobre a área curva porque as camadas de ar superiores restringem o fluxo – assim como a metade superior do tubo restrito. Essa aceleração causa diminuição da pressão estática acima da porção curva e cria um diferencial de pressão causado pela variação das pressões estática e dinâmica.

Terceira Lei do Movimento de Newton

Elevação adicional é fornecida pela superfície inferior da pá do rotor, pois o ar que atinge a parte inferior é desviado para baixo. De acordo com a Terceira Lei do Movimento de Newton, “para cada ação há uma reação igual e oposta”, o ar que é desviado para baixo também produz uma reação para cima (elevação).

Como o ar é muito parecido com a água, a explicação para essa fonte de sustentação pode ser comparada ao efeito de planagem dos esquis na água. O elevador que suporta os esquis aquáticos (e o esquiador) é a força causada pela pressão de impacto e pela deflexão da água das superfícies inferiores dos esquis.  

Sob a maioria das condições de voo, a pressão de impacto e a deflexão do ar da superfície inferior da pá do rotor fornecem uma porcentagem comparativamente pequena da sustentação total. A maior parte da sustentação é o resultado da diminuição da pressão acima da lâmina, em vez do aumento da pressão abaixo dela. 

Peso

Normalmente, o peso é considerado um valor fixo conhecido, como o peso do helicóptero, combustível e ocupantes. Para levantar o helicóptero do solo verticalmente, o disco do rotor deve gerar sustentação suficiente para superar ou compensar o peso total do helicóptero e seus ocupantes. A Primeira Lei de Newton afirma: “Todo objeto em estado de movimento uniforme tende a permanecer nesse estado de movimento, a menos que uma força externa seja aplicada a ele”. Nesse caso, o objeto é o helicóptero, seja pairando ou no solo, e a força externa aplicada a ele é a sustentação, que é conseguida aumentando o ângulo de inclinação das pás do rotor principal. Essa ação força o helicóptero a um estado de movimento, sem ele o helicóptero permaneceria no solo ou pairando.

O peso do helicóptero também pode ser influenciado por cargas aerodinâmicas. Quando você inclina um helicóptero enquanto mantém uma altitude constante, a carga ou fator de carga “G” aumenta. O fator de carga é a carga real nas pás do rotor a qualquer momento, dividida pela carga normal ou peso bruto (peso do helicóptero e seu conteúdo). Sempre que um helicóptero voa em uma trajetória curva de altitude constante, a carga suportada pelas pás do rotor é maior que o peso total do helicóptero. Quanto mais apertada for a trajetória de voo curva, mais íngreme é a margem; quanto mais rápido for o flare ou a retirada de um mergulho, maior será a carga suportada pelo rotor. Portanto, quanto maior o fator de carga deve ser.

Para superar esse fator de carga adicional, o helicóptero deve ser capaz de produzir mais sustentação. Se o excesso de potência do motor não estiver disponível, o helicóptero desce ou precisa desacelerar para manter a mesma altitude. O fator de carga e, portanto, o aumento aparente do peso bruto é relativamente pequeno em bancos de até 30°. Mesmo assim, sob o conjunto certo de circunstâncias adversas, como altitude de alta densidade, ar turbulento, alto peso bruto e má técnica do piloto, potência suficiente ou excessiva pode não estar disponível para manter a altitude e a velocidade do ar. Os pilotos devem levar todos esses fatores em consideração durante todo o voo, desde o ponto de ascensão até o pairar até o pouso. Acima de 30° de inclinação, o aparente aumento do peso bruto aumenta. A 30° de inclinação ou inclinação, o aumento aparente é de apenas 16%, mas a 60°, é o dobro da carga nas asas e no disco do rotor. Por exemplo, se o peso do helicóptero for de 1.600 libras, o peso suportado pelo disco do rotor em uma inclinação de 30° a uma altitude constante seria de 1.856 libras (1.600 + 16 por cento (ou 256)). Em uma margem de 60°, seriam 3.200 libras; em uma margem de 80°, seria quase seis vezes mais, ou 8.000 libras. É importante observar que cada pá do rotor deve suportar uma porcentagem do peso bruto. Em um sistema de duas pás, cada pá do helicóptero de 1.600 libras, conforme indicado acima, teria que levantar 50% ou 800 libras. Se esse mesmo helicóptero tivesse três pás de rotor, cada pá teria que levantar apenas 33%, ou 533 libras. Uma causa adicional de grandes fatores de carga é o ar áspero ou turbulento. As fortes rajadas verticais produzidas pela turbulência podem causar um aumento súbito na AOA,

Cada tipo de helicóptero tem suas próprias limitações baseadas na estrutura, tamanho e capacidades da aeronave. Independentemente de quanto peso se possa carregar ou da potência do motor que possa ter, todos eles são suscetíveis à sobrecarga aerodinâmica. Infelizmente, se o piloto tentar empurrar o envelope de desempenho, a consequência pode ser fatal. As forças aerodinâmicas afetam cada movimento em um helicóptero, seja aumentando o coletivo ou um ângulo de inclinação íngreme. Antecipar os resultados de uma determinada manobra ou ajuste de um controle de voo não é uma boa técnica de pilotagem. Em vez disso, os pilotos precisam entender verdadeiramente as capacidades do helicóptero em todas e quaisquer circunstâncias e planejar nunca exceder o envelope de voo para qualquer situação.

Impulso

O impulso, como a sustentação, é gerado pela rotação do disco do rotor principal. Em um helicóptero, o empuxo pode ser para frente, para trás, para os lados ou vertical. A sustentação e o empuxo resultantes determinam a direção do movimento do helicóptero. 

A razão de solidez é a razão entre a área total da pá do rotor, que é a área combinada de todas as pás do rotor principal, e a área total do disco do rotor. Essa relação fornece um meio de medir o potencial de um disco do rotor para fornecer empuxo e sustentação. Os cálculos matemáticos necessários para calcular a razão de solidez para cada helicóptero podem não ser importantes para a maioria dos pilotos, mas o que deveria ser são as capacidades do disco do rotor para produzir e manter a sustentação. Muitos acidentes de helicóptero são causados ​​pela sobrecarga do disco do rotor. Simplificando, os pilotos tentam manobras que exigem mais sustentação do que o disco do rotor pode produzir ou mais potência do que o motor do helicóptero pode fornecer. Tentar pousar com uma atitude de nariz alto junto com qualquer outra condição desfavorável (ou seja, peso bruto alto ou rajadas de vento) provavelmente terminará em desastre.

O rotor de cauda também produz empuxo. A quantidade de empuxo é variável através do uso dos pedais antitorque e é usada para controlar a guinada do helicóptero.

Arrastar

A força que resiste ao movimento de um helicóptero pelo ar e é produzida quando a sustentação é desenvolvida é chamada de arrasto. O arrasto deve ser superado pelo motor para girar o rotor. O arrasto sempre atua paralelamente ao vento relativo. O arrasto total é composto por três tipos de arrasto: perfil, induzido e parasita.

Arrastar perfil

O arrasto de perfil se desenvolve a partir da resistência ao atrito das lâminas que passam pelo ar. Não muda significativamente com o AOA do aerofólio, mas aumenta moderadamente quando a velocidade do ar aumenta. O arrasto de perfil é composto de arrasto de forma e atrito da pele. O arrasto de forma resulta da esteira turbulenta causada pela separação do fluxo de ar da superfície de uma estrutura. A quantidade de arrasto está relacionada ao tamanho e à forma da estrutura que se projeta no vento relativo.

A fricção da pele é causada pela rugosidade da superfície. Mesmo que a superfície pareça lisa, pode ser bastante áspera quando vista ao microscópio. Uma fina camada de ar adere à superfície áspera e cria pequenos redemoinhos que contribuem para o arrasto.

Arrasto Induzido

O arrasto induzido é gerado pela circulação do fluxo de ar ao redor da pá do rotor à medida que cria sustentação. A área de alta pressão abaixo da lâmina une-se à área de baixa pressão acima da lâmina na borda de fuga e nas pontas do rotor. Isso causa uma espiral, ou vórtice, que fica atrás de cada lâmina sempre que a sustentação está sendo produzida. Esses vórtices desviam a corrente de ar para baixo nas proximidades da lâmina, criando um aumento no downwash. Portanto, a pá opera em um vento relativo médio que é inclinado para baixo e para trás próximo à pá. Como a sustentação produzida pela pá é perpendicular ao vento relativo, a sustentação é inclinada para trás na mesma proporção. O componente de sustentação que está agindo na direção traseira é o arrasto induzido.

À medida que o diferencial de pressão do ar aumenta com o aumento da AOA, formam-se vórtices mais fortes e o arrasto induzido aumenta. Como o AOA da pá é geralmente menor em velocidades mais altas e mais alto em velocidades baixas, o arrasto induzido diminui à medida que a velocidade aumenta e aumenta à medida que a velocidade diminui. O arrasto induzido é a principal causa do arrasto em velocidades mais baixas.

Arrastar parasita

O arrasto parasita está presente sempre que o helicóptero está se movendo no ar. Este tipo de arrasto aumenta com a velocidade do ar. Componentes não içamento do helicóptero, como cabine, mastro do rotor, cauda e trem de pouso, contribuem para o arrasto parasita. Qualquer perda de impulso pela corrente de ar, devido a coisas como aberturas para resfriamento do motor, cria um arrasto parasita adicional. Devido ao seu rápido aumento com o aumento da velocidade, o arrasto parasita é a principal causa do arrasto em velocidades mais altas. O arrasto do parasita varia com o quadrado da velocidade; portanto, dobrar a velocidade no ar aumenta o arrasto do parasita quatro vezes.

Arrastar Total

O arrasto total de um helicóptero é a soma de todas as três forças de arrasto. À medida que a velocidade do ar aumenta, o arrasto do parasita aumenta, enquanto o arrasto induzido diminui. O arrasto de perfil permanece relativamente constante em toda a faixa de velocidade com algum aumento em velocidades mais altas. A combinação de todas as forças de arrasto resulta em uma curva de arrasto total. O ponto baixo na curva de arrasto total mostra a velocidade do ar na qual o arrasto é minimizado. Este é o ponto onde a relação sustentação-arrasto é maior e é referido como L/DMAX. Nessa velocidade, a capacidade total de sustentação do helicóptero, quando comparada ao arrasto total do helicóptero, é mais favorável. Este é um fator importante no desempenho do helicóptero.