Voo pairando
Pairar é a parte mais desafiadora de pilotar um helicóptero. Isso ocorre porque um helicóptero gera seu próprio ar rajado enquanto paira, o que age contra a fuselagem e as superfícies de controle de voo. O resultado final são constantes entradas de controle e correções pelo piloto para manter o helicóptero onde é necessário. Apesar da complexidade da tarefa, as entradas de controle em um hover são simples. O cíclico é usado para eliminar o desvio no plano horizontal, controlando o movimento ou deslocamento para frente, para trás, para a direita e para a esquerda. O acelerador, se não controlado pelo governador, é usado para controlar as rotações por minuto (rpm). O coletivo é usado para manter a altitude. Os pedais são usados para controlar a direção ou direção do nariz. É a interação desses controles que torna difícil pairar, já que um ajuste em qualquer controle requer um ajuste nos outros dois, criando um ciclo de correção constante. Durante o vôo pairado, um helicóptero mantém uma posição constante sobre um ponto selecionado, geralmente alguns metros acima do solo. A capacidade do helicóptero de pairar vem tanto do componente de sustentação, que é a força desenvolvida pelo(s) rotor(es) principal(is) para superar a gravidade e o peso da aeronave, quanto do componente de empuxo, que atua horizontalmente para acelerar ou desacelerar o helicóptero no direção desejada. Os pilotos direcionam o empuxo do disco do rotor usando o cíclico para girar o plano do disco do rotor em relação ao horizonte. Eles fazem isso para induzir viagens ou compensar o vento e manter uma posição. Em um voo pairado em uma condição sem vento, todas as forças opostas (sustentação, empuxo, arrasto e peso) estão em equilíbrio; são iguais e opostos. Portanto, sustentação e peso são iguais, fazendo com que o helicóptero permaneça em uma posição estacionária.
Ao pairar, a quantidade de impulso do rotor principal pode ser ajustada para manter a altura de pairar desejada. Isso é feito alterando o ângulo de incidência (movendo o coletivo) das pás do rotor e, portanto, seu AOA. Alterar o AOA altera o arrasto nas pás do rotor, e a potência fornecida pelo motor também deve mudar para manter a velocidade do rotor constante.
O peso que deve ser suportado é o peso total do helicóptero e seus ocupantes. Se a quantidade de sustentação for maior que o peso real, o helicóptero acelera para cima até que a força de sustentação seja igual ao peso do helicóptero; se a sustentação for menor que o peso, o helicóptero acelera para baixo.
O arrasto de um helicóptero pairando é principalmente o arrasto induzido incorrido enquanto as pás estão produzindo sustentação. Há, no entanto, algum arrasto de perfil nas pás à medida que giram pelo ar e uma pequena quantidade de arrasto parasita das superfícies não produtoras de sustentação do helicóptero, como o cubo do rotor, capotas e trem de pouso. Ao longo do restante desta discussão, o termo “arrasto” inclui arrasto induzido, perfil e parasita.
Uma consequência importante da produção de empuxo é o torque. Como discutido anteriormente, a Terceira Lei de Newton afirma: para cada ação há uma reação igual e oposta. Portanto, à medida que o motor gira o disco do rotor principal no sentido anti-horário, a fuselagem do helicóptero quer girar no sentido horário. A quantidade de torque está diretamente relacionada à quantidade de potência do motor que está sendo usada para girar o disco do rotor principal. À medida que a potência muda, o torque muda.
Para neutralizar essa tendência de giro induzida por torque, um rotor antitorque ou rotor de cauda é incorporado na maioria dos projetos de helicópteros. Um piloto pode variar a quantidade de empuxo produzida pelo rotor de cauda em relação à quantidade de torque produzida pelo motor. À medida que o motor fornece mais potência ao rotor principal, o rotor de cauda deve produzir mais empuxo para superar o efeito de torque aumentado. Esta mudança de controle é realizada através do uso de pedais antitorque.
Traduzindo Tendência (Drift)
Durante o vôo pairado, um único helicóptero de rotor principal tende a se mover na direção do empuxo do rotor de cauda. Este movimento lateral (ou lateral) é chamado de tendência de translação.
Para neutralizar esta tendência, um ou mais dos seguintes recursos podem ser usados. Todos os exemplos são para um disco do rotor principal girando no sentido anti-horário.
A transmissão principal é montada em um pequeno ângulo para a esquerda (quando vista de trás) para que o mastro do rotor tenha uma inclinação embutida para se opor ao empuxo do rotor de cauda.
A transmissão é montada de forma que o eixo do rotor fique na vertical em relação à fuselagem, o helicóptero “trava” derrapando para a esquerda no hover. (O oposto é verdadeiro para os discos do rotor girando no sentido horário quando vistos de cima.)
A fuselagem do helicóptero também será inclinada quando o rotor de cauda estiver abaixo do disco do rotor principal e fornecendo empuxo antitorque. A inclinação da fuselagem é causada pelo equilíbrio imperfeito do empuxo do rotor de cauda contra o torque do rotor principal no mesmo plano. O helicóptero inclina devido a duas forças separadas, a inclinação do disco do rotor principal para neutralizar a tendência de translação e o impulso do rotor de cauda inferior abaixo do plano de ação do torque.
Em vôo para frente, o rotor de cauda continua a empurrar para a direita, e o helicóptero faz um pequeno ângulo com o vento quando os rotores estão nivelados e a esfera deslizante está no meio. Isso é chamado de deslizamento inerente. Para alguns helicópteros maiores, o estabilizador ou estabilizador vertical é frequentemente projetado com o rotor de cauda montado neles para corrigir esse deslizamento lateral e eliminar parte da inclinação em pairar. (Ao montar o rotor de cauda no topo da aleta vertical ou pilão, o antitorque fica mais alinhado ou mais próximo do plano horizontal de torque, resultando em menos inclinação da fuselagem (ou corpo) do rotor de cauda). rotor de cauda mais alto do solo reduz o risco de objetos entrarem em contato com as pás, mas ao custo de maior peso e complexidade.
Os controles de vôo podem ser manipulados de modo que o disco do rotor seja levemente inclinado para a esquerda quando o cíclico estiver centralizado. Qualquer que seja o método usado, o plano do caminho da ponta é ligeiramente inclinado para a esquerda no foco.
Ação Pendular
Como a fuselagem do helicóptero, com um único rotor principal, está suspensa em um único ponto e possui uma massa considerável, ela pode oscilar longitudinalmente ou lateralmente da mesma forma que um pêndulo. Essa ação pendular pode ser exagerada pelo excesso de controle; portanto, os movimentos de controle devem ser suaves e não exagerados.
O estabilizador horizontal ajuda a nivelar o helicóptero em vôo para frente. No entanto, em vôo para trás, o estabilizador horizontal pode pressionar a cauda para baixo, resultando em um golpe de cauda se o helicóptero for movido para trás contra o vento. Normalmente, com o helicóptero principalmente contra o vento, o estabilizador horizontal experimenta menos componente de vento contrário à medida que o helicóptero começa a viajar para trás (a favor do vento). Quando a velocidade de voo para trás é igual à velocidade do vento, então o helicóptero está apenas pairando em uma condição sem vento. No entanto, pairar para trás contra o vento requer cuidados e cautela consideráveis para evitar colisões com a cauda.
É importante notar que existe uma diferença na quantidade de ação pendular entre um sistema semi-rígido e um sistema totalmente articulado. Por causa da conexão dura (offset) deste último, a força centrífuga que puxa as pás é transferida para a fuselagem, e a fuselagem tende a seguir a atitude do rotor. O sistema semi-rígido é um verdadeiro pêndulo, com empuxo necessário para criar um momento ao redor da fuselagem CG para permitir o controle da fuselagem. Isso entra em jogo mais tarde, quando a colisão do mastro é discutida.
Conning
Para que um helicóptero gere sustentação, as pás do rotor devem estar girando. A rotação do disco do rotor impulsiona as pás para o ar, criando um componente de vento relativo sem ter que mover a fuselagem pelo ar como em um avião ou planador. Dependendo do movimento das pás e da estrutura do helicóptero, muitos fatores fazem com que a direção relativa do vento varie. A rotação do disco do rotor cria força centrífuga (inércia), que tende a puxar as pás diretamente para fora do cubo do rotor principal: quanto mais rápida a rotação, maior a força centrífuga, quanto mais lenta a rotação, menor a força centrífuga. Essa força dá às pás do rotor sua rigidez e, por sua vez, a força para suportar o peso do helicóptero. A força centrífuga máxima gerada é determinada pelas rotações máximas de operação do rotor por minuto (rpm).
À medida que a sustentação nas pás aumenta (em uma decolagem, por exemplo), duas forças principais atuam ao mesmo tempo – a força centrífuga atuando para fora e a sustentação atuando para cima. O resultado dessas duas forças é que as pás assumem uma trajetória cônica em vez de permanecerem no plano perpendicular ao mastro. Isso pode ser visto em qualquer helicóptero quando decola; o disco do rotor muda de plano para um leve formato de cone.
Se a rotação do rotor for muito baixa (abaixo da rotação mínima do rotor ligado, por exemplo), a força centrífuga se torna menor e o ângulo de conicidade se torna muito maior. Em outras palavras, se o rpm diminuir muito, em algum momento as pás do rotor dobram sem chance de recuperação.
Efeito Coriolis (Lei de Conservação do Momento Angular)
O Efeito Coriolis também é conhecido como a lei da conservação do momento angular. Ele afirma que o valor do momento angular de um corpo em rotação não muda a menos que uma força externa seja aplicada. Em outras palavras, um corpo em rotação continua a girar com a mesma velocidade de rotação até que alguma força externa seja aplicada para alterar a velocidade de rotação. O momento angular é o momento de inércia (massa vezes distância do centro de rotação ao quadrado) multiplicado pela velocidade de rotação.
Mudanças na velocidade angular, conhecidas como aceleração e desaceleração angular, ocorrem quando a massa de um corpo em rotação é movida para mais perto ou mais longe do eixo de rotação. A velocidade da massa rotativa varia proporcionalmente com o quadrado do raio.
Um excelente exemplo desse princípio em ação é um patinador artístico dando um giro em patins de gelo. A patinadora começa a rotação em um pé, com a outra perna e os dois braços estendidos. A rotação do corpo do patinador é relativamente lenta. Quando um patinador puxa ambos os braços e uma perna para dentro, o momento de inércia (massa vezes raio ao quadrado) torna-se muito menor e o corpo está girando quase mais rápido do que o olho pode acompanhar. Como o momento angular deve, por lei da natureza, permanecer o mesmo (nenhuma força externa aplicada), a velocidade angular deve aumentar.
A pá do rotor girando em torno do cubo do rotor possui momento angular. À medida que o rotor começa a entrar em cone devido às manobras de carregamento G, o diâmetro do disco do rotor encolhe. Devido à conservação do momento angular, as pás aumentam a velocidade mesmo que as pontas das pás tenham uma distância menor para percorrer devido ao diâmetro reduzido do disco. A ação resulta em um aumento na rotação do rotor que causa um ligeiro aumento na sustentação. A maioria dos pilotos interrompe esse aumento de rpm com um aumento no passo coletivo. Este aumento na elevação de rpm da lâmina é um pouco negado pela área do disco ligeiramente menor à medida que as lâminas se inclinam para cima.
Precessão giroscópica
O rotor principal giratório de um helicóptero funciona como um giroscópio. Como tal, tem as propriedades da ação giroscópica, uma das quais é a precessão. A precessão giroscópica é a ação ou deflexão resultante de um objeto giratório quando uma força é aplicada a esse objeto. Esta ação ocorre aproximadamente 90° na direção de rotação a partir do ponto onde a força é aplicada (ou 90° mais tarde no ciclo de rotação).
Examine um disco de rotor de duas lâminas para ver como a precessão giroscópica afeta o movimento do plano da trajetória da ponta. Mover o controle de passo cíclico aumenta o ângulo de incidência de uma pá do rotor com o resultado de uma maior força de levantamento sendo aplicada naquele ponto no plano de rotação. Este mesmo movimento de controle diminui simultaneamente o ângulo de incidência da outra lâmina na mesma quantidade, diminuindo assim a força de levantamento aplicada naquele ponto do plano de rotação. A lâmina com o ângulo de incidência aumentado tende a bater para cima; a lâmina com o ângulo de incidência diminuído tende a bater para baixo. Como o disco do rotor age como um giroscópio, as pás atingem a deflexão máxima em um ponto aproximadamente 90° mais tarde no plano de rotação. O ângulo de incidência da lâmina de recuo é aumentado, e o ângulo de incidência da lâmina de avanço é diminuído resultando em uma inclinação para frente do plano de trajetória de ponta, uma vez que a deflexão máxima ocorre 90° mais tarde quando as lâminas estão na parte traseira e dianteira, respectivamente. Em um disco de rotor usando três ou mais pás, o movimento do controle de passo cíclico altera o ângulo de incidência de cada pá uma quantidade apropriada para que o resultado final seja o mesmo.
