Helicóptero: Desempenho

A capacidade de um piloto de prever o desempenho de um helicóptero é extremamente importante. Isso ajuda a determinar quanto peso o helicóptero pode carregar antes da decolagem, se o helicóptero pode pairar com segurança em uma altitude e temperatura específicas, a distância necessária para subir acima dos obstáculos e qual será a taxa máxima de subida.

Fatores que afetam o desempenho

O desempenho de um helicóptero depende da potência do motor e da sustentação produzida pelos rotores, seja o rotor principal ou o rotor de cauda. Qualquer fator que afete a eficiência do motor e do rotor afeta o desempenho. Os três principais fatores que afetam o desempenho são altitude densidade, peso e vento.

Umidade (Umidade)

A umidade por si só geralmente não é considerada um fator importante no cálculo da altitude de densidade e do desempenho do helicóptero; no entanto, contribui. Não há regras práticas usadas para calcular os efeitos da umidade na altitude de densidade, mas alguns fabricantes incluem gráficos com colunas de umidade relativa de 80% como informações adicionais. Parece haver uma redução de aproximadamente 3 a 4 por cento no desempenho em comparação com o ar seco na mesma altitude e temperatura, portanto, espere uma diminuição no desempenho de pairar e decolar em condições de alta umidade. Embora 3-4 por cento pareça insignificante, pode ser a causa de um acidente quando já estiver operando nos limites do helicóptero.

Peso

O peso é um dos fatores mais importantes porque o piloto pode controlá-lo. A maioria dos gráficos de desempenho inclui o peso como uma das variáveis. Ao reduzir o peso do helicóptero, um piloto pode decolar ou pousar com segurança em um local que de outra forma seria impossível. No entanto, se alguma vez estiver em dúvida se uma decolagem ou pouso pode ser realizado com segurança, adie sua decolagem até que existam condições de altitude de densidade mais favoráveis. Se estiver no ar, tente pousar em um local que tenha condições mais favoráveis, ou onde possa ser feito um pouso que não exija pairar.

Além disso, com pesos brutos mais altos, o aumento da potência necessária para pairar produz mais torque, o que significa que é necessário mais impulso antitorque. Em alguns helicópteros durante operações de alta altitude, o antitorque máximo produzido pelo rotor de cauda durante um voo pairado pode não ser suficiente para superar o torque, mesmo que o peso bruto esteja dentro dos limites.

Ventos

A direção e a velocidade do vento também afetam o pairar, a decolagem e o desempenho da subida. A sustentação translacional ocorre sempre que há fluxo de ar relativo sobre o disco do rotor. Isso ocorre se o fluxo de ar relativo é causado pelo movimento do helicóptero ou pelo vento. Assumindo um vento contrário, à medida que a velocidade do vento aumenta, a sustentação translacional aumenta, resultando em menos potência necessária para pairar.

A direção do vento também é uma consideração importante. Os ventos contrários são os mais desejáveis, pois contribuem para o maior aumento no desempenho. Ventos cruzados fortes e ventos de cauda podem exigir o uso de mais empuxo do rotor de cauda para manter o controle direcional. Este aumento do impulso do rotor de cauda absorve a potência do motor, o que significa que há menos potência disponível para o rotor principal para a produção de sustentação. Alguns helicópteros ainda têm um azimute de vento crítico ou gráfico de vento relativo máximo seguro. Operar o helicóptero além desses limites pode causar perda de eficácia do rotor de cauda.

O desempenho de decolagem e subida é muito afetado pelo vento. Ao decolar com vento contrário, a sustentação translacional efetiva é alcançada mais cedo, resultando em mais sustentação e um ângulo de subida mais acentuado. Ao decolar com vento de cauda, ​​é necessária mais distância para acelerar através do elevador de translação.

Gráficos de desempenho

Ao desenvolver gráficos de desempenho, os fabricantes de aeronaves fazem certas suposições sobre a condição do helicóptero e a habilidade do piloto. Supõe-se que o helicóptero esteja em boas condições de operação, vento calmo e que o motor esteja desenvolvendo sua potência nominal. Presume-se que o piloto esteja seguindo os procedimentos operacionais normais e tenha habilidades de voo médias. Médio significa um piloto capaz de realizar cada uma das tarefas exigidas corretamente e nos momentos apropriados.

Usando essas suposições, o fabricante desenvolve dados de desempenho para o helicóptero com base em testes de voo reais. No entanto, eles não testam o helicóptero em todas as condições mostradas em um gráfico de desempenho. Em vez disso, eles avaliam dados específicos e derivam matematicamente os dados restantes. 

Diagrama de Altura/Velocidade

O diagrama de altura/velocidade (H/V) mostra as combinações de velocidade no ar e altura acima do solo, o que permitirá que um piloto médio complete um pouso com sucesso após uma falha de motor. Ao estudar cuidadosamente o diagrama de altura/velocidade, um piloto é capaz de evitar as combinações de altitude e velocidade no ar que podem não permitir tempo ou altitude suficientes para entrar em uma descida auto-rotativa estabilizada.

Na explicação mais simples, o diagrama H/V é um diagrama no qual as áreas sombreadas devem ser evitadas, pois o piloto pode não conseguir completar um pouso de autorrotação sem danos. O diagrama H/V geralmente contém um perfil de decolagem, onde o diagrama pode ser percorrido da altura zero e velocidade zero para cruzeiro, sem entrar nas áreas sombreadas ou com exposição mínima às áreas sombreadas. 

A parte cinza no lado esquerdo do diagrama marca um perfil de voo que provavelmente não permite que o piloto complete uma auto-rotação com sucesso, principalmente devido à velocidade insuficiente para entrar em um perfil de auto-rotação a tempo de evitar um acidente. A área sombreada no canto inferior direito é perigosa devido à velocidade do ar e proximidade do solo, resultando em tempo de reação drasticamente reduzido para o piloto em caso de falha mecânica ou outras emergências em voo. Esta área sombreada no canto inferior direito não é retratada em diagramas H/V para helicópteros multimotores capazes de pairar e voar com segurança com uma única falha de motor.

Os exemplos a seguir ilustram ainda mais a relevância do diagrama H/V para um helicóptero monomotor.

Em baixas alturas com baixa velocidade no ar, como um táxi aéreo, o piloto pode simplesmente usar a energia cinética do disco do rotor para amortecer o pouso com o coletivo, convertendo a inércia rotacional em sustentação. A aeronave está em uma parte segura do diagrama H/V. No extremo da escala (por exemplo, um táxi flutuante de três pés em ritmo de caminhada), mesmo uma falha completa em reconhecer a perda de energia resultando em um pouso sem amortecimento provavelmente seria sobrevivente.

À medida que a velocidade do ar aumenta sem um aumento na altura, chega um ponto em que o tempo de reação do piloto seria insuficiente para reagir com um flare a tempo de evitar um impacto no solo de alta velocidade e, portanto, provavelmente fatal. Outra coisa a considerar é o comprimento do tailboom e o tempo de resposta dos controles de voo do helicóptero em baixas velocidades e baixas altitudes. Mesmo pequenos aumentos de altura dão ao piloto muito mais tempo para reagir; portanto, a parte inferior direita do diagrama H/V é geralmente um gradiente raso. Se a velocidade do ar estiver acima da velocidade de autorrotação ideal, o instinto do piloto geralmente é alargar para converter a velocidade em altura e aumentar a rotação do rotor através do cone, o que também os tira imediatamente da curva do homem morto.

Por outro lado, um aumento na altura sem um aumento correspondente na velocidade do ar coloca a aeronave acima de uma altura de impacto não amortecida de sobrevivência e, eventualmente, acima de uma altura em que a inércia do rotor pode ser convertida em sustentação suficiente para permitir um pouso de sobrevivência. Isso ocorre abruptamente com velocidades muito abaixo da velocidade autorotativa ideal (tipicamente 40-80 nós). O piloto deve ter tempo suficiente para acelerar até a velocidade de autorrotação a fim de autorrotar com sucesso; isso está diretamente relacionado a um requisito de altura. Acima de uma certa altura, o piloto pode atingir a velocidade de autorrotação mesmo a partir de um início de zero nós, colocando assim altas flutuações do OGE fora da curva.

O perfil típico de decolagem segura envolve o início do voo para frente a partir de uma altura do trem de pouso de 2 a 3 pés, apenas ganhando altitude à medida que o helicóptero acelera através da sustentação translacional, à medida que a velocidade do ar se aproxima de uma velocidade auto-rotativa segura. Neste ponto, parte do aumento de empuxo disponível pode ser usado para atingir velocidade de subida segura, o que manterá o helicóptero fora das áreas sombreadas ou hachuradas do diagrama H/V. Embora os helicópteros não sejam impedidos de realizar manobras que os coloquem na área sombreada do diagrama H/V, é importante que os pilotos entendam que a operação nessas áreas sombreadas expõe o piloto, a aeronave e os passageiros a um certo perigo caso o motor ou mau funcionamento do sistema de transmissão. O piloto deve sempre avaliar o risco da manobra versus o valor operacional. 

O Efeito do Peso versus Altitude da Densidade

O diagrama de altura/velocidade descreve situações de altitude e velocidade do ar a partir das quais uma autorrotação bem-sucedida pode ser feita. O tempo necessário e, portanto, a altitude necessária para atingir uma descida auto-rotativa em estado estacionário, depende do peso do helicóptero e da altitude de densidade. Por esta razão, o diagrama H/V é válido apenas quando o helicóptero é operado de acordo com o gráfico peso bruto versus altitude densidade. Se publicado, este gráfico é encontrado no RFM para o helicóptero em particular. O gráfico de peso bruto versus altitude densidade não se destina a fornecer uma restrição ao peso bruto, mas a ser um aviso da capacidade de autorrotação do helicóptero durante a decolagem e a subida. Um piloto deve perceber, no entanto, que em pesos brutos acima dos recomendados pelo gráfico de peso bruto versus altitude densidade,

Assumindo uma altitude de densidade de 8.500 pés, o diagrama de altura/velocidade na Figura seria válido até um peso bruto de aproximadamente 2.500 libras. Isso é encontrado inserindo o gráfico na Figura a uma altitude de densidade de 8.500 pés (ponto A), depois movendo-se horizontalmente para a linha sólida (ponto B). Movendo-se verticalmente para a parte inferior do gráfico (ponto C), com a altitude densidade existente, o peso bruto máximo sob o qual o diagrama altura/velocidade é aplicável é de 2.500 libras.

A produção de gráficos e diagramas de desempenho para helicópteros são regulados conforme estabelecido no Título 14 do Código de Regulamentos Federais (14 CFR) Parte 27, Padrões de Aeronavegabilidade. Esses gráficos estabelecem parâmetros mais seguros para operação. Embora não seja regulatório, o piloto deve realizar uma avaliação de risco completa para considerar cuidadosamente o risco mais alto antes de operar dentro das áreas sombreadas do diagrama de altura/velocidade.

Desempenho de rotação automática

A maioria dos gráficos de desempenho autorrotacional afirma que o desempenho da descida autorrotacional é uma função da velocidade indicada (IAS) e não é essencialmente afetado pela altitude densidade e peso bruto. Tenha em mente que, em algum momento, a energia potencial gasta durante a autorrotação é convertida em energia cinética para a fase de flare e pouso da manobra. É nesse ponto que altitudes de densidade aumentadas e pesos brutos mais pesados ​​têm um grande impacto na conclusão bem-sucedida da autorrotação. O disco do rotor deve ser capaz de superar o impulso descendente do helicóptero e fornecer sustentação suficiente para amortecer o pouso. Com altitudes de densidade e pesos brutos aumentados, o potencial de sustentação é reduzido e é necessário um ângulo de inclinação coletivo mais alto (ângulo de incidência).

Durante a autorrotação, a gravidade fornece a fonte de energia que alimenta o rotor, causando fluxo ascendente através do rotor durante a descida. Isso é o mesmo que dizer que a energia potencial está sendo trocada por energia cinética para girar o rotor à medida que a aeronave desce.

Na Figura, a curva S-300 mostra as várias combinações de velocidades horizontais e verticais que fornecem a energia necessária para manter o rotor girando a 471 rpm constantes. Por exemplo, uma velocidade no ar de 54 mph com uma velocidade vertical correspondente de 1.600 pés por minuto (fpm) fornecerá energia cinética suficiente para manter o rotor a 471 rpm. O rotor não se importa se o ar está vindo da frente ou de baixo, desde que o total seja suficiente para manter a rotação. Qualquer ponto na curva manterá a velocidade do rotor. No entanto, o piloto se importa porque se ele, por exemplo, planar a 30 nós, a razão de descida correspondente será superior a 2.200 fpm. Como há pouca velocidade no ar para uma desaceleração (ou “flare”) para reduzir a taxa de descida antes do toque,

Os alunos que compreendem completamente essa relação entendem por que as autorrotações de treinamento geralmente são limitadas a velocidades entre a razão mínima de velocidade de descida e a velocidade máxima de alcance (geralmente cerca de 25% mais rápida que a razão mínima de velocidade de descida).

Fazer referência a uma curva semelhante à mostrada na Figura é útil para entender as consequências de não manter a velocidade alvo ao executar uma autorrotação. Simplificando, o piloto deve saber por que a velocidade do ar é o fator mais significativo que afeta a razão de descida.

Desempenho pairando

O desempenho do helicóptero gira em torno de se o helicóptero pode ou não ser pairado. Mais energia é necessária durante o voo pairado do que em qualquer outro regime de voo. Obstruções à parte, se um pairar pode ser mantido, uma decolagem pode ser feita, especialmente com o benefício adicional da sustentação translacional. Os gráficos de pairar são fornecidos para pairar no efeito do solo (IGE) e pairar fora do efeito do solo (OGE) sob várias condições de peso bruto, altitude, temperatura e potência. O teto flutuante IGE é geralmente mais alto do que o teto flutuante OGE devido ao benefício de elevação adicional produzido pelo efeito solo. Um piloto deve sempre planejar um pairar OGE ao pousar em uma área incerta ou não verificada. À medida que a altitude de densidade aumenta, é necessária mais potência para pairar. Em algum ponto, a energia necessária é igual à energia disponível. Isso estabelece o teto flutuante nas condições existentes. Qualquer ajuste no peso bruto variando o combustível, a carga útil ou ambos afeta o teto flutuante. Quanto mais pesado o peso bruto, mais baixo o teto flutuante. À medida que o peso bruto diminui, o teto flutuante aumenta.

Desempenho de escalada

A maioria dos fatores que afetam o desempenho de planagem e decolagem também afetam o desempenho de subida. Além disso, o ar turbulento, as técnicas do piloto e a condição geral do helicóptero podem fazer com que o desempenho da subida varie.

Um helicóptero voando na melhor velocidade de razão de subida (VY) obtém o maior ganho de altitude em um determinado período de tempo. Esta velocidade é normalmente usada durante a subida após todos os obstáculos terem sido removidos e geralmente é mantida até atingir a altitude de cruzeiro. A taxa de subida não deve ser confundida com o ângulo de subida. O ângulo de subida é uma função da altitude adquirida em uma determinada distância. O VY resulta na taxa de subida mais alta, mas não no ângulo de subida mais íngreme, e pode não ser suficiente para eliminar obstruções. O melhor ângulo de velocidade de subida (VX) depende da potência disponível. Se houver um excesso de energia disponível, o helicóptero pode subir verticalmente, então VX é zero.

A direção e a velocidade do vento afetam o desempenho da subida, mas muitas vezes são mal compreendidas. A velocidade do ar é a velocidade na qual o helicóptero está se movendo pela atmosfera e não é afetado pelo vento. O vento atmosférico afeta apenas a velocidade no solo, ou velocidade na qual o helicóptero está se movendo sobre a superfície da Terra. Assim, o único desempenho de subida afetado pelo vento atmosférico é o ângulo de subida e não a razão de subida.

Ao planejar o desempenho de subida, primeiro é importante planejar as configurações de torque em vôo nivelado. Os gráficos de desempenho de subida mostram a mudança no torque, acima ou abaixo do torque, necessária para o voo nivelado sob o mesmo peso bruto e condições atmosféricas para obter uma determinada razão de subida ou descida.