Helicóptero: Sistema do Rotor Principal e Fuselagem

Fuselagem

A fuselagem, o núcleo externo da fuselagem, é a seção do corpo principal de uma aeronave que abriga a cabine que contém a tripulação, passageiros e carga. Cabines de helicóptero têm uma variedade de arranjos de assentos. A maioria tem o piloto sentado no lado direito, embora existam alguns com o piloto sentado no lado esquerdo ou no centro. A fuselagem também abriga o motor, a transmissão, aviônicos, controles de vôo e o motor.

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 oco que se estende para cima e é acionado e às vezes suportado 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: semi-rígidas, rígidas ou totalmente articuladas. Alguns sistemas de rotores modernos, como o sistema de rotor sem rolamentos, usam uma combinação projetada desses tipos.

Sistema de rotor semi-rígido

Um sistema de rotor semi-rígido é geralmente composto por duas pás que são montadas rigidamente no cubo do rotor principal. O cubo do rotor principal é livre para inclinar em relação ao eixo do rotor principal no que é conhecido como dobradiça oscilante ou oscilante. Isso permite que as lâminas batam juntas como uma unidade. À medida que uma lâmina bate para cima, a outra bate para baixo. Como não há dobradiça de arrasto vertical, as forças de avanço/atraso são absorvidas e mitigadas pela flexão da lâmina. O rotor semi-rígido também é capaz de embandeirar, o que significa que o ângulo de inclinação da pá muda. Isso é possível pela dobradiça de embandeiramento.

Se o sistema de rotor semi-rígido for um rotor suspenso, o centro de gravidade (CG) está abaixo de onde ele está preso ao mastro. Esta montagem suspensa é projetada para alinhar o centro de massa da lâmina com uma dobradiça de aba comum, de modo que os centros de massa de ambas as lâminas variem igualmente em distância do centro de rotação durante a aba. A velocidade de rotação do sistema tende a mudar, mas isso é limitado pela inércia do motor e pela flexibilidade do sistema de acionamento. Apenas uma quantidade moderada de rigidez na raiz da lâmina é necessária para lidar com essa restrição. Simplificando, o undersling elimina efetivamente o desequilíbrio geométrico.

O sistema de rotor suspenso mitiga as forças de avanço/atraso montando as pás ligeiramente abaixo do plano de rotação normal, de modo que as forças de avanço/atraso são minimizadas. À medida que as pás se conectam para cima, o centro de pressão das pás está quase no mesmo plano que o cubo. Quaisquer que sejam as tensões restantes, dobre as lâminas para conformidade.

Helicópteros com rotores semi-rígidos são vulneráveis ​​a uma condição conhecida como colisão de mastro, que pode fazer com que os batentes de aleta do rotor cortem o mastro. O projeto mecânico do sistema de rotor semi-rígido determina que o flapping das pás para baixo deve ter algum limite físico. A colisão do mastro é o resultado de oscilação excessiva do rotor. Cada projeto de sistema de rotor tem um ângulo de oscilação máximo. Se a oscilação exceder o valor de projeto, a parada estática entrará em contato com o mastro. O batente estático é um componente do rotor principal que fornece movimento limitado de acessórios de cinta e uma superfície contornada entre o mastro e o cubo. É o contato violento entre a parada estática e o mastro durante o voo que causa danos ou separação do mastro. Este contato deve ser evitado a todo custo.

A colisão do mastro está diretamente relacionada ao quanto o sistema de lâminas oscila. Em vôo reto e nivelado, o flapping da pá é mínimo, talvez 2° sob condições normais de vôo. Os ângulos de oscilação aumentam ligeiramente com altas velocidades de avanço, em baixas rotações do rotor, em altitudes de alta densidade, em pesos brutos altos e ao encontrar turbulência. Manobrar a aeronave em uma derrapagem ou durante o vôo de baixa velocidade em posições extremas de CG pode induzir maiores ângulos de flapping.

Sistema de rotor rígido

O sistema de rotor rígido é muito responsivo e geralmente não é suscetível a choques de mastro como os sistemas semi-rígidos porque os cubos do rotor são montados de forma sólida no mastro do rotor principal. Isso permite que o rotor e a fuselagem se movam juntos como uma entidade e elimina grande parte da oscilação normalmente presente nos outros sistemas de rotor. Outras vantagens do rotor rígido incluem uma redução no peso e arrasto do cubo do rotor e um braço oscilante maior, o que reduz significativamente as entradas de controle. Sem as dobradiças complexas, o sistema de rotor se torna muito mais confiável e fácil de manter do que as outras configurações de rotor. Uma desvantagem deste sistema é a qualidade de condução em ar turbulento ou tempestuoso. Como não há dobradiças para ajudar a absorver as cargas maiores, as vibrações são sentidas na cabine muito mais do que em outros projetos de cabeça de rotor. 

Existem várias variações dos três projetos básicos de cabeça de rotor. O sistema de rotor sem rolamento está intimamente relacionado ao sistema de rotor articulado, mas não possui rolamentos ou dobradiças. Este projeto conta com a estrutura das pás e do cubo para absorver as tensões. A principal diferença entre o sistema de rotor rígido e o sistema sem rolamento é que o sistema sem rolamento não possui rolamento de embandeiramento - o material dentro do manguito é torcido pela ação do braço de mudança de passo. Quase todos os cubos de rotor sem rolamentos são feitos de materiais compostos de fibra. As diferenças de manuseio entre os tipos de sistema de rotor estão resumidas na Figura.

Sistema de rotor totalmente articulado

Os sistemas de rotor totalmente articulados permitem que cada pá avance/atrase (mova-se para frente e para trás no plano), aba (mova-se para cima e para baixo em torno de uma dobradiça montada na parte interna) independente das outras pás e empena (gire sobre o eixo de inclinação para alterar a sustentação) . Cada um desses movimentos da lâmina está relacionado aos outros. Sistemas de rotor totalmente articulados são encontrados em helicópteros com mais de duas pás do rotor principal.

À medida que o rotor gira, cada pá responde às entradas do sistema de controle para permitir o controle da aeronave. O centro de sustentação em todo o sistema do rotor se move em resposta a essas entradas para efetuar o movimento de inclinação, rotação e subida. A magnitude desta força de sustentação é baseada na entrada coletiva, que muda o passo em todas as pás na mesma direção ao mesmo tempo. A localização desta força de sustentação é baseada nas entradas de inclinação e rotação do piloto. Portanto, o ângulo de embandeiramento de cada pá (proporcional à sua própria força de elevação) muda à medida que gira com o rotor, daí o nome “controle cíclico”.

À medida que a sustentação de uma determinada lâmina aumenta, ela tende a bater para cima. A dobradiça oscilante da lâmina permite esse movimento e é equilibrada pela força centrífuga do peso da lâmina, que tenta mantê-la no plano horizontal.

De qualquer forma, algum movimento deve ser acomodado. A força centrífuga é nominalmente constante; no entanto, a força de flapping é afetada pela gravidade da manobra (taxa de subida, velocidade de avanço, peso bruto da aeronave). À medida que a lâmina bate, seu CG muda. Isso altera o momento de inércia local da pá em relação ao sistema do rotor e acelera ou desacelera em relação ao resto das pás e a todo o sistema do rotor. Isso é acomodado pela dobradiça lead/lag ou drag, mostrada na Figura, e é mais fácil de visualizar com a imagem clássica de 'patinador no gelo dando um giro'. À medida que a patinadora move os braços, ela gira mais rápido porque sua inércia muda, mas sua energia total permanece constante (despreze o atrito para os propósitos desta explicação). Por outro lado, à medida que seus braços se estendem, seu giro diminui. Isso também é conhecido como a conservação do momento angular. Um amortecedor no plano normalmente modera o movimento de avanço/atraso. 

Seguindo uma única lâmina através de uma única rotação começando em alguma posição neutra, à medida que a carga aumenta devido ao aumento do embandeiramento, ela bate para cima e leva para a frente. À medida que continua ao redor, ele bate para baixo e fica para trás. No ponto mais baixo de carga, ele está em seu ângulo de flap mais baixo e também em sua posição de atraso mais 'para trás'. Como o rotor é uma massa grande e rotativa, ele se comporta como um giroscópio. O efeito disso é que uma entrada de controle geralmente é realizada no corpo conectado em uma posição 90° antes do deslocamento da entrada de controle no eixo de rotação. Isso é contabilizado pelos projetistas através da colocação da entrada de controle no sistema do rotor, de modo que uma entrada para frente do controle cíclico resulte em um movimento nominal da aeronave para frente. O efeito é transparente para o piloto.

Projetos de dobradiças mais antigos dependiam de rolamentos de metal convencionais. Pela geometria básica, isso impede um flapping coincidente e uma dobradiça de avanço/atraso e é motivo de manutenção recorrente. Os sistemas de rotor mais novos usam rolamentos elastoméricos, arranjos de borracha e aço que podem permitir movimento em dois eixos. Além de resolver alguns dos problemas cinemáticos mencionados acima, esses rolamentos geralmente estão em compressão, podem ser facilmente inspecionados e eliminam a manutenção associada aos rolamentos metálicos.

Os rolamentos elastoméricos são naturalmente à prova de falhas e seu desgaste é gradual e visível. O contato metal-metal dos rolamentos mais antigos e a necessidade de lubrificação são eliminados neste projeto. 

Rotor Tandem

Os helicópteros de rotor tandem (às vezes chamados de rotor duplo) têm dois grandes conjuntos de rotor horizontal; um sistema de rotor duplo, em vez de um conjunto principal, e um rotor de cauda menor. Helicópteros de rotor único precisam de um sistema antitorque para neutralizar o momento de torção produzido pelo único rotor grande. Helicópteros de rotor tandem, no entanto, usam rotores contra-rotativos, cada um cancelando o torque do outro. As pás do rotor em contra-rotação não colidirão e destruirão umas às outras se flexionarem no caminho do outro rotor. Essa configuração também tem a vantagem de poder suportar mais peso com lâminas mais curtas, pois são dois conjuntos. Além disso, toda a energia dos motores pode ser usada para sustentação, enquanto um helicóptero de rotor único usa energia para contrariar o torque.

Rotores coaxiais

Um sistema de rotor coaxial é um par de rotores montados no mesmo eixo, mas girando em direções opostas. Este projeto elimina a necessidade de um rotor de cauda ou outros mecanismos antitorque, e como as pás giram em direções opostas, os efeitos da dissimetria de sustentação são evitados. A principal desvantagem dos rotores coaxiais é o aumento da complexidade mecânica do sistema do rotor. Numerosos helicópteros russos, como o Kaman Ka-31 e o Ka-50, juntamente com o Sikorsky experimental X2, usam um projeto de rotor coaxial.

Rotores de Interligação

Um sistema de rotor entrelaçado é um conjunto de dois rotores girando em direções opostas com cada mastro de rotor montado no helicóptero com um leve ângulo, de modo que as pás se entrelaçam sem colidir. Esse design também elimina a necessidade de um sistema antitorque, que fornece mais potência ao motor para elevação. No entanto, nenhum rotor levanta diretamente na vertical, o que reduz a eficiência de cada rotor. O Kaman HH-43, que foi usado pela USAF em uma função de combate a incêndios, e o Kaman K-MAX são exemplos de sistemas de rotor entrelaçados.