Helicóptero: Voo Lateral e Voo Avançado

Voo Lateral

No voo lateral, o plano de trajetória de ponta é inclinado na direção em que o voo é desejado. Isso inclina o vetor de empuxo total para o lado. Nesse caso, o componente vertical ou de sustentação ainda está reto para cima e o peso diretamente para baixo, mas o componente horizontal ou de impulso agora atua para o lado com o arrasto atuando para o lado oposto. 

O voo lateral pode ser uma condição muito instável devido ao arrasto parasita da fuselagem combinado com a falta de estabilizador horizontal para essa direção de voo. Altitudes aumentadas ajudam no controle e o piloto deve sempre escanear na direção do voo. O movimento do cíclico na direção pretendida do voo faz com que o helicóptero se mova, controla a taxa de velocidade e o rastreamento no solo, mas o coletivo e os pedais são fundamentais para o sucesso do voo lateral. Assim como no voo para frente, o coletivo evita que o helicóptero toque o solo e os pedais ajudam a manter o rumo correto; mesmo em vôo lateral, a cauda do helicóptero deve permanecer atrás de você. As entradas para o cíclico devem ser suaves e controladas, e o piloto deve estar sempre atento ao plano do tip-path em relação ao solo.

O contato com o solo com os patins durante o voo lateral provavelmente resultará em um evento de capotamento dinâmico antes que o piloto tenha a chance de reagir. Deve-se ter extremo cuidado ao manobrar o helicóptero lateralmente para evitar que tais perigos aconteçam.

Voo Adiante

Em vôo constante para frente, sem mudança na velocidade do ar ou na velocidade vertical, as quatro forças de sustentação, empuxo, arrasto e peso devem estar em equilíbrio. Uma vez que o plano da trajetória de ponta é inclinado para frente, a força total de empuxo de sustentação também é inclinada para a frente. Essa força de empuxo de sustentação resultante pode ser decomposta em dois componentes: sustentação atuando verticalmente para cima e empuxo atuando horizontalmente na direção do voo. Além da sustentação e do empuxo, há o peso (a força que atua para baixo) e o arrasto (a força que se opõe ao movimento de um aerofólio pelo ar).

Em vôo direto e nivelado, não acelerado (voo direto e nivelado é um voo com uma proa constante e a uma altitude constante), sustentação é igual a peso e empuxo é igual a arrasto. Se a sustentação exceder o peso, o helicóptero acelera verticalmente até que as forças estejam em equilíbrio; se o empuxo for menor que o arrasto, o helicóptero desacelera até que as forças estejam em equilíbrio. À medida que um helicóptero inicia um movimento para frente, ele começa a perder altitude porque a sustentação é perdida à medida que o empuxo é desviado para a frente. No entanto, à medida que o helicóptero começa a acelerar, o disco do rotor se torna mais eficiente devido à sustentação translacional. O resultado é excesso de poder sobre o que é necessário para pairar. A aceleração contínua causa um aumento ainda maior no fluxo de ar através do disco do rotor (até um máximo determinado pelo arrasto e pelo limite de potência do motor), e vôo mais eficiente. Para manter o voo não acelerado, o piloto deve entender que com qualquer mudança de potência ou movimento cíclico, o helicóptero começa a subir ou descer. Uma vez obtido o vôo reto e nivelado, o piloto deve anotar a potência (ajuste de torque) necessária e não fazer grandes ajustes nos controles de vôo.

Fluxo de ar em vôo para frente

O fluxo de ar através do disco do rotor em vôo para frente varia do fluxo de ar em um voo pairado. No voo para frente, o ar flui em direção oposta à trajetória de voo da aeronave. A velocidade desse fluxo de ar é igual à velocidade de avanço do helicóptero. Como as pás do rotor giram em um padrão circular, a velocidade do fluxo de ar através de uma pá depende da posição da pá no plano de rotação em um dado instante, sua velocidade de rotação e velocidade do helicóptero. Portanto, o fluxo de ar que encontra cada lâmina varia continuamente à medida que a lâmina gira. A maior velocidade do fluxo de ar ocorre sobre o lado direito (posição de 3 horas) do helicóptero (pá avançando em um disco do rotor que gira no sentido anti-horário) e diminui até a velocidade rotacional sobre o nariz. Continua a diminuir até que a velocidade mais baixa do fluxo de ar ocorra sobre o lado esquerdo (posição das 9 horas) do helicóptero (pá em recuo). À medida que a lâmina continua a girar, a velocidade do fluxo de ar aumenta para a velocidade rotacional sobre a cauda. Continua a aumentar até que a lâmina volte à posição de 3 horas.

A lâmina que avança na Figura, posição A, move-se na mesma direção do helicóptero. A velocidade do ar que encontra esta pá é igual à velocidade de rotação da pá mais a velocidade do vento resultante da velocidade do ar para a frente. A lâmina recuando (posição C) se move em um fluxo de ar que se move na direção oposta do helicóptero. A velocidade do fluxo de ar que encontra esta lâmina é igual à velocidade de rotação da lâmina menos a velocidade do vento resultante da velocidade do ar para a frente. As pás (posições B e D) sobre o nariz e a cauda se movem essencialmente em ângulos retos com o fluxo de ar criado pela velocidade do ar para frente; a velocidade do fluxo de ar que encontra essas lâminas é igual à velocidade de rotação. Isso resulta em uma mudança na velocidade do fluxo de ar em todo o disco do rotor e uma mudança no padrão de sustentação do disco do rotor.

Lâmina Avançada

À medida que a velocidade relativa do vento da pá que avança aumenta, a pá ganha sustentação e começa a bater. Atinge sua velocidade máxima de elevação na posição de 3 horas, onde a velocidade do vento é maior. Este upflap cria um fluxo de ar descendente e tem o mesmo efeito de aumentar a velocidade do fluxo induzido, impondo um vetor de velocidade vertical descendente ao vento relativo que diminui o AOA.

Lâmina em Recuo

À medida que a velocidade relativa do vento da pá que recua diminui, a pá perde sustentação e começa a bater para baixo. Ele atinge sua velocidade máxima de downflap na posição de 9 horas, onde a velocidade do vento é a menor. Este downflap cria um fluxo de ar ascendente e tem o mesmo efeito de diminuir a velocidade de fluxo induzida, impondo um vetor vertical de velocidade ascendente ao vento relativo que aumenta o AOA.

Dissimetria de Elevação

A dissimetria da sustentação é a sustentação diferencial (desigual) entre as metades de avanço e recuo do disco do rotor causada pela diferente velocidade do fluxo de vento em cada metade. Essa diferença na sustentação faria com que o helicóptero ficasse incontrolável em qualquer situação que não fosse pairar em um vento calmo. Deve haver um meio de compensar, corrigir ou eliminar essa sustentação desigual para atingir a simetria da sustentação.

Quando o helicóptero se move pelo ar, o fluxo de ar relativo através do disco do rotor principal é diferente no lado de avanço do lado de recuo. O vento relativo encontrado pela pá que avança é aumentado pela velocidade de avanço do helicóptero, enquanto a velocidade relativa do vento que atua na pá que recua é reduzida pela velocidade de avanço do helicóptero. Portanto, como resultado da velocidade relativa do vento, o lado da pá que avança no disco do rotor pode produzir mais sustentação do que o lado da pá que recua.

Se essa condição existisse, um helicóptero com rotação da pá do rotor principal no sentido anti-horário rolaria para a esquerda devido à diferença de sustentação. Na realidade, as pás do rotor principal batem e empenam automaticamente para equalizar a sustentação no disco do rotor. Discos de rotor articulados, geralmente com três ou mais pás, incorporam uma dobradiça horizontal (dobradiça de bater) para permitir que as pás de rotor individuais se movam ou batam para cima e para baixo à medida que giram. Um disco de rotor semi-rígido (duas lâminas) utiliza uma dobradiça oscilante, que permite que as lâminas batam como uma unidade. Quando uma lâmina bate para cima, a outra lâmina bate para baixo. 

Conforme mostrado na Figura, quando a pá do rotor atinge o lado de avanço do disco do rotor (A), ela atinge sua velocidade máxima de flap ascendente. Quando a pá bate para cima, o ângulo entre a linha da corda e o vento relativo resultante diminui. Isso diminui o AOA, o que reduz a quantidade de sustentação produzida pela lâmina. Na posição (C), a pá do rotor está agora em sua velocidade máxima de flapping para baixo. Devido ao bater para baixo, o ângulo entre a linha da corda e o vento relativo resultante aumenta. Isso aumenta o AOA e, portanto, a quantidade de sustentação produzida pela lâmina. 

A combinação de oscilação da pá e vento relativo lento agindo na pá que recua normalmente limita a velocidade máxima de avanço de um helicóptero. Em uma alta velocidade de avanço, a pá que recua estola devido a um alto AOA e baixa velocidade relativa do vento. Essa situação é chamada de estol da pá em recuo e é evidenciada por uma inclinação do nariz para cima, vibração e uma tendência de rolamento - geralmente para a esquerda em helicópteros com rotação da pá no sentido anti-horário.

Os pilotos podem evitar o recuo da lâmina não excedendo a velocidade nunca excedida. Essa velocidade é designada VNE e é indicada em um cartaz e marcada no indicador de velocidade no ar por uma linha vermelha.

A oscilação da lâmina compensa a dissimetria de elevação da seguinte maneira. Ao pairar, a sustentação igual é produzida ao redor do disco do rotor com passo igual (AOI) em todas as pás e em todos os pontos do disco do rotor (desconsiderando a compensação para a tendência de translação). O disco do rotor é paralelo ao horizonte. Para desenvolver uma força de empuxo, o disco do rotor deve ser inclinado na direção de movimento desejada. O embandeiramento cíclico altera o ângulo de incidência diferencialmente ao redor do disco do rotor. Para uma rotação no sentido anti-horário, o movimento cíclico para frente diminui o ângulo de incidência à direita do disco do rotor e o aumenta à esquerda.

Ao fazer a transição para o voo para a frente, seja de pairar ou decolar do solo, os pilotos devem estar cientes de que, à medida que a velocidade do helicóptero aumenta, a sustentação translacional se torna mais eficaz e faz com que o nariz suba ou se incline (às vezes chamado de blowback). Essa tendência é causada pelos efeitos combinados da dissimetria de sustentação e fluxo transversal. Os pilotos devem corrigir essa tendência mantendo uma atitude constante do disco do rotor que moverá o helicóptero através da faixa de velocidade na qual ocorre o blowback. Se for permitido que o nariz se incline ao passar por esta faixa de velocidade, a aeronave também pode tender a rolar para a direita. Para corrigir essa tendência, o piloto deve mover continuamente o cíclico para frente à medida que a velocidade do helicóptero aumenta até que a decolagem esteja completa e o helicóptero tenha feito a transição para o vôo para frente. 

A figura ilustra a inclinação para frente do disco do rotor, que é o resultado de uma mudança no ângulo de inclinação com o cíclico para frente. Em um hover, o cíclico é centrado e o ângulo de inclinação nas pás que avançam e recuam é o mesmo. Em baixas velocidades de avanço, mover o cíclico para frente reduz o ângulo de inclinação na lâmina que avança e aumenta o ângulo de inclinação na lâmina que recua. Isso causa uma leve inclinação do disco do rotor. Em velocidades de avanço mais altas, o piloto deve continuar a mover o cíclico para frente. Isso reduz ainda mais o ângulo de inclinação na lâmina de avanço e aumenta ainda mais o ângulo de inclinação na lâmina de recuo. Como resultado, há ainda mais inclinação para o disco do rotor do que em velocidades mais baixas.

Um componente de sustentação horizontal (impulso) gera maior velocidade no ar do helicóptero. A velocidade aerodinâmica mais alta induz o flapping da lâmina para manter a simetria da sustentação. A combinação de flapping e embandeiramento cíclico mantém a simetria de sustentação e atitude desejada no disco do rotor e no helicóptero.

Aumento translacional

A eficiência aprimorada do rotor resultante do vôo direcional é chamada de sustentação translacional. A eficiência do disco do rotor pairando é muito melhorada com cada nó de vento recebido pelo movimento horizontal da aeronave ou vento de superfície. À medida que o vento de entrada produzido pelo movimento da aeronave ou vento de superfície entra no disco do rotor, turbulência e vórtices são deixados para trás e o fluxo de ar se torna mais horizontal. Além disso, o rotor de cauda torna-se mais aerodinamicamente eficiente durante a transição do voo pairado para o voo para frente. As figuras mostram os diferentes padrões de fluxo de ar em diferentes velocidades e como o fluxo de ar afeta a eficiência do rotor de cauda.

Aumento Translacional Efetivo (ETL)

Ao fazer a transição para o voo para frente a cerca de 16 a 24 nós, o helicóptero passa pelo elevador translacional efetivo (ETL). Como mencionado anteriormente na discussão sobre sustentação translacional, as pás do rotor se tornam mais eficientes à medida que a velocidade de avanço aumenta. Entre 16 e 24 nós, o disco do rotor supera completamente a recirculação de vórtices antigos e começa a trabalhar em ar relativamente não perturbado. O fluxo de ar através do disco do rotor é mais horizontal, o que reduz o fluxo induzido e o arrasto com um aumento correspondente no ângulo de fixação e sustentação. A elevação adicional disponível nessa velocidade é chamada de ETL, o que faz com que o disco do rotor opere com mais eficiência. Essa eficiência aumentada continua com o aumento da velocidade até que a melhor velocidade de subida seja alcançada e o arrasto total esteja em seu ponto mais baixo. 

À medida que a velocidade aumenta, a sustentação translacional se torna mais efetiva, o nariz sobe ou se inclina e a aeronave rola para a direita. Os efeitos combinados de dissimetria de sustentação, precessão giroscópica e efeito de fluxo transversal causam essa tendência. É importante entender esses efeitos e antecipar a correção para eles. Uma vez que o helicóptero está fazendo a transição pelo ETL, o piloto precisa aplicar a entrada cíclica lateral esquerda e frontal para manter uma atitude constante do disco do rotor. 

Impulso Translacional

O empuxo translacional ocorre quando o rotor de cauda se torna aerodinamicamente mais eficiente durante a transição do voo pairado para o voo para frente. À medida que o rotor de cauda trabalha em ar progressivamente menos turbulento, essa eficiência aprimorada produz mais empuxo antitorque, fazendo com que o nariz da aeronave gire para a esquerda (com o rotor principal girando no sentido anti-horário) e força o piloto a aplicar o pedal direito (diminuindo o AOA no pás do rotor de cauda) em resposta. Além disso, durante este período, o fluxo de ar afeta os componentes horizontais do estabilizador encontrados na maioria dos helicópteros, o que tende a trazer o nariz do helicóptero para uma atitude mais nivelada.

Fluxo Induzido

À medida que as pás do rotor giram, elas geram o que é chamado de vento relativo rotacional. Este fluxo de ar é caracterizado como fluindo paralelo e oposto ao plano de rotação do rotor e atingindo perpendicularmente à borda de ataque da pá do rotor. Este vento relativo rotacional é usado para gerar sustentação. À medida que as pás do rotor produzem sustentação, o ar é acelerado sobre a lâmina e projetado para baixo. Sempre que um helicóptero está produzindo sustentação, ele move grandes massas de ar verticalmente e para baixo através do disco do rotor. Este fluxo induzido ou downwash pode alterar significativamente a eficiência do disco do rotor. O vento relativo rotacional combina-se com o fluxo induzido para formar o vento relativo resultante. À medida que o fluxo induzido aumenta, o vento relativo resultante torna-se menos horizontal. Como o AOA é determinado medindo a diferença entre a linha da corda e o vento relativo resultante,

Efeito de fluxo transversal

À medida que o helicóptero acelera em voo para frente, o fluxo induzido cai para quase zero na área do disco dianteiro e aumenta na área do disco traseiro. Essas diferenças de sustentação entre as partes dianteira e traseira do disco do rotor são chamadas de efeito de fluxo transversal. Isso aumenta o AOA na área do disco dianteiro, fazendo com que a pá do rotor bata para cima e reduz o AOA na área do disco traseiro, fazendo com que a pá do rotor bata para baixo. Como o rotor age como um giroscópio, o deslocamento máximo ocorre 90° na direção de rotação. O resultado é uma tendência do helicóptero rolar ligeiramente para a direita quando acelera por aproximadamente 20 nós ou se o vento contrário for de aproximadamente 20 nós.

O efeito do fluxo transversal é reconhecido pelo aumento das vibrações do helicóptero em velocidades de cerca de 12 a 15 nós e pode ser produzido por vôo para frente ou pelo vento enquanto paira. Essa vibração ocorre a uma velocidade no ar logo abaixo do ETL na decolagem e após passar pelo ETL durante o pouso. A vibração acontece perto da mesma velocidade do ar que ETL porque é quando existe o maior diferencial de sustentação entre as partes dianteira e traseira do sistema do rotor. Assim, alguns pilotos confundem a vibração sentida pelo efeito do escoamento transversal com a passagem pelo ETL. Para neutralizar o efeito de fluxo transversal, pode ser necessária uma entrada cíclica para a esquerda.