Helicóptero: Fluxo de ar e reações no disco do rotor

Vento Relativo

O conhecimento do vento relativo é essencial para o entendimento da aerodinâmica e sua aplicação prática em voo para o piloto. O vento relativo é o fluxo de ar em relação a um aerofólio. O movimento de um aerofólio através do ar cria vento relativo. O vento relativo se move em uma direção paralela, mas oposta ao movimento do aerofólio.

Existem duas partes para o vento passando por uma pá do rotor:

• Parte horizontal – causada pela rotação das pás mais o movimento do helicóptero pelo ar.

• Parte vertical - causada pelo ar sendo forçado para baixo através das pás do rotor mais qualquer movimento do ar em relação às pás causado pela subida ou descida do helicóptero.

Vento Relativo Rotacional (Plano de Trajeto de Ponta)

A rotação das pás do rotor à medida que giram em torno do mastro produz vento relativo rotacional (plano de trajetória de ponta). O termo rotacional refere-se ao método de produção de vento relativo. O vento relativo rotacional flui oposto à trajetória física do aerofólio, atingindo a pá a 90° do bordo de ataque e paralelo ao plano de rotação; e está constantemente mudando de direção durante a rotação. A velocidade relativa de rotação do vento é mais alta nas pontas das pás, diminuindo uniformemente até zero no eixo de rotação (centro do mastro).

Vento Relativo Resultante

O vento relativo resultante em um hover é o vento relativo rotacional modificado pelo fluxo induzido. Este é inclinado para baixo em algum ângulo e oposto à trajetória de voo efetiva do aerofólio, em vez da trajetória de voo física (vento relativo rotacional). O vento relativo resultante também serve como plano de referência para o desenvolvimento dos vetores de sustentação, arrasto e força aerodinâmica total (TAF) no aerofólio. Quando o helicóptero tem movimento horizontal, a velocidade do ar modifica ainda mais o vento relativo resultante. O componente de velocidade do vento relativo resulta do movimento do helicóptero no ar. Este componente de velocidade do ar é adicionado ou subtraído do vento relativo de rotação, dependendo se a pá está avançando ou recuando em relação ao movimento do helicóptero. A introdução da velocidade relativa do vento também modifica o fluxo induzido. Geralmente, a velocidade descendente do fluxo induzido é reduzida. O padrão de circulação de ar através do disco muda quando a aeronave tem movimento horizontal. À medida que o helicóptero ganha velocidade no ar, a adição da velocidade de avanço resulta na diminuição da velocidade do fluxo induzido. Essa mudança resulta em uma eficiência aprimorada (elevação adicional) sendo produzida a partir de uma determinada configuração de passo da lâmina.

Fluxo Induzido (Downwash) 

No passo plano, o ar deixa o bordo de fuga da pá do rotor na mesma direção em que se moveu ao longo do bordo de ataque; nenhuma elevação ou fluxo induzido está sendo produzido. À medida que o ângulo de inclinação da pá é aumentado, o disco do rotor induz um fluxo descendente de ar através das pás do rotor, criando um componente descendente de ar que é adicionado ao vento relativo rotacional. Como as lâminas estão se movendo horizontalmente, parte do ar é deslocado para baixo. As lâminas percorrem o mesmo caminho e passam por um determinado ponto em rápida sucessão. A ação da pá do rotor muda o ar parado para uma coluna de ar descendente. Portanto, cada lâmina tem um AOA diminuído devido ao downwash. Esse fluxo descendente de ar é chamado de fluxo induzido (downwash). É mais pronunciado em um pairar sob condições sem vento.

Em Efeito Solo (IGE)

O efeito solo é o aumento da eficiência do disco do rotor causado pela interferência do fluxo de ar quando próximo ao solo. A pressão ou densidade do ar é aumentada, o que atua para diminuir a velocidade descendente do ar. O efeito solo permite que o vento relativo seja mais horizontal, o vetor de sustentação seja mais vertical e o arrasto induzido seja reduzido. Essas condições permitem que o disco do rotor seja mais eficiente. O efeito de solo máximo é alcançado ao pairar sobre superfícies duras e lisas. Ao pairar sobre superfícies como grama alta, árvores, arbustos, terrenos acidentados e água, o efeito máximo do solo é reduzido. A eficiência do rotor é aumentada pelo efeito do solo até uma altura de cerca de um diâmetro do rotor (medido do solo ao disco do rotor) para a maioria dos helicópteros. Uma vez que as velocidades de fluxo induzidas são diminuídas, o AOA é aumentado, que requer um ângulo de passo da lâmina reduzido e uma redução no arrasto induzido. Isso reduz a energia necessária para pairar o IGE.

Efeito Fora do Solo (OGE)

O benefício de colocar o helicóptero perto do solo é perdido acima da altitude IGE. Acima dessa altitude, a potência necessária para pairar permanece quase constante, dadas condições semelhantes (como o vento). A velocidade de fluxo induzida é aumentada, resultando em uma diminuição no AOA e uma diminuição na sustentação. Sob as circunstâncias corretas, esse fluxo descendente pode se tornar tão localizado que o helicóptero e o ar localmente perturbado afundarão em taxas alarmantes. É necessário um ângulo de inclinação da lâmina mais alto para manter o mesmo AOA que no pairar IGE. O aumento do ângulo de inclinação também cria mais arrasto. Este aumento do ângulo de inclinação e arrasto requer mais energia para pairar o OGE do que o IGE.

Ângulos da lâmina do rotor

Existem dois ângulos que permitem que um disco do rotor produza a sustentação necessária para um helicóptero voar: ângulo de incidência e ângulo de ataque. 

Ângulo de incidência

Ângulo de incidência é o ângulo entre a linha da corda de uma pá do rotor principal ou de cauda e seu disco de rotor. É um ângulo mecânico em vez de um ângulo aerodinâmico e às vezes é chamado de ângulo de inclinação da lâmina. Na ausência de fluxo induzido, AOA e ângulo de incidência são os mesmos. Sempre que o fluxo induzido, fluxo ascendente (influxo) ou velocidade do ar modifica o vento relativo, o AOA é diferente do ângulo de incidência. A entrada coletiva e a difusão cíclica alteram o ângulo de incidência. Uma mudança no ângulo de incidência altera o AOA, que altera o coeficiente de sustentação, alterando assim a sustentação produzida pelo aerofólio.

Ângulo de ataque

AOA é o ângulo entre a linha de corda do aerofólio e o vento relativo resultante. É um ângulo aerodinâmico e não é fácil de medir. Ele pode mudar sem alteração no ângulo de inclinação da lâmina (ângulo de incidência, discutido anteriormente).

Quando o AOA é aumentado, o ar que flui sobre o aerofólio é desviado por uma distância maior, resultando em um aumento da velocidade do ar e mais sustentação. À medida que o AOA aumenta ainda mais, torna-se mais difícil para o ar fluir suavemente pelo topo do aerofólio. Neste ponto, o fluxo de ar começa a se separar do aerofólio e entra em um padrão borbulhante ou turbulento. A turbulência resulta em um grande aumento no arrasto e perda de sustentação na área onde está ocorrendo. Aumentar o AOA aumenta a sustentação até que o ângulo crítico de ataque seja alcançado. Qualquer aumento no AOA além deste ponto produz um estol e uma rápida diminuição na sustentação.

Vários fatores podem alterar o AOA da pá do rotor. O piloto tem pouco controle direto sobre o AOA, exceto indiretamente através da entrada de controle de voo. A plumagem coletiva e cíclica ajuda a fazer essas mudanças. O empenamento é a rotação da pá em torno de seu eixo longitudinal por entradas coletivas/cíclicas causando mudanças no ângulo de inclinação da pá. O embandeiramento coletivo altera o ângulo de incidência igualmente e na mesma direção em todas as pás do rotor simultaneamente. Essa ação altera o AOA, que altera o coeficiente de sustentação (CL) e afeta a sustentação geral do disco do rotor.

O embandeiramento cíclico altera o AOA da lâmina diferencialmente ao redor do disco do rotor e cria uma elevação diferencial. Os aviadores usam embandeiramento cíclico para controlar a atitude do disco do rotor. É o meio de controlar a inclinação para trás do rotor (blowback) causada pela ação do flapping e (junto com o flapping da pá) neutralizar a dissimetria de sustentação. O embandeiramento cíclico faz com que a atitude do disco do rotor mude, mas não altera a quantidade de sustentação líquida que o disco do rotor está produzindo.

A maioria das mudanças no AOA vem de mudanças na velocidade do ar e na razão de subida ou descida; outros, como flapping, ocorrem automaticamente devido ao projeto do sistema do rotor. Flapping é o movimento para cima e para baixo das pás do rotor em torno de uma dobradiça em um sistema de rotor totalmente articulado. Um sistema semi-rígido não possui dobradiça, mas aba como uma unidade. Um sistema de rotor rígido não tem dobradiças verticais ou horizontais, de modo que as pás não podem bater ou arrastar, mas podem flexionar. Ao flexionar, as próprias lâminas compensam as forças que anteriormente exigiam dobradiças robustas. Ocorre em resposta a mudanças na sustentação devido à mudança de velocidade ou difusão cíclica. Nenhuma oscilação ocorre quando o plano do caminho de ponta é perpendicular ao mastro. A ação de bater sozinho, ou junto com o embandeiramento cíclico, controla a dissimetria da sustentação.  

Os pilotos ajustam o AOA através da manipulação normal do controle do ângulo de inclinação das pás. Se o ângulo de inclinação for aumentado, o AOA aumenta; se o ângulo de inclinação for reduzido, o AOA é reduzido.