Introdução ao Helicóptero

Um helicóptero é uma aeronave que é levantada e impulsionada por um ou mais rotores horizontais, cada rotor consistindo de duas ou mais pás de rotor. Os helicópteros são classificados como aeronaves de asa rotativa ou aeronaves de asa rotativa para distingui-las das aeronaves de asa fixa, porque o helicóptero deriva sua fonte de sustentação das pás do rotor girando em torno de um mastro. A palavra “helicóptero” é uma adaptação do francês hélicoptère, cunhado por Gustave de Ponton d'Amécourt em 1861. Ela está ligada às palavras gregas helix/helikos (“espiral” ou “girando”) e pteron (“asa”).

Como aeronave, as principais vantagens do helicóptero são devido às pás do rotor que giram no ar, fornecendo sustentação sem exigir que a aeronave se mova para frente. Esse elevador permite que o helicóptero paire em uma área e decole e pouse verticalmente sem a necessidade de pistas. Por esta razão, os helicópteros são frequentemente usados ​​em áreas congestionadas ou isoladas onde aeronaves de asa fixa não conseguem decolar ou pousar. 

Pilotar um helicóptero requer treinamento adequado, focado e orientado à segurança. Também requer atenção contínua à máquina e ao ambiente operacional. O piloto deve trabalhar em três dimensões e usar os dois braços e as duas pernas constantemente para manter o helicóptero no estado desejado. Coordenação, temporização e toque de controle são usados ​​simultaneamente ao pilotar um helicóptero.

Embora os helicópteros tenham sido desenvolvidos e construídos durante o primeiro meio século de voo, alguns chegaram a atingir produção limitada; não foi até 1942 que um helicóptero projetado por Igor Sikorsky atingiu a produção em grande escala, com 131 aeronaves construídas. Embora a maioria dos projetos anteriores usasse mais de um rotor principal, era o único rotor principal com uma configuração de rotor de cauda antitorque que viria a ser reconhecido mundialmente como o helicóptero.

Idade da turbina

Em 1951, a pedido de seus contatos no Departamento da Marinha, Charles H. Kaman modificou seu helicóptero K-225 com um novo tipo de motor, o motor turbo-eixo. Essa adaptação do motor de turbina forneceu uma grande quantidade de cavalos de potência ao helicóptero com uma penalidade de peso menor do que os motores a pistão, blocos de motor pesados ​​e componentes auxiliares. Em 11 de dezembro de 1951, o K-225 se tornou o primeiro helicóptero movido a turbina do mundo. Dois anos depois, em 26 de março de 1954, um HTK-1 da Marinha modificado, outro helicóptero Kaman, tornou-se o primeiro helicóptero de turbina dupla a voar. No entanto, foi o Sud Aviation Alouette II que se tornaria o primeiro helicóptero a ser produzido com motor a turbina.

Helicópteros confiáveis, capazes de voar estável, foram desenvolvidos décadas após as aeronaves de asa fixa. Isso se deve em grande parte aos requisitos de densidade de potência do motor mais altos do que as aeronaves de asa fixa. Melhorias em combustíveis e motores durante a primeira metade do século 20 foram fatores críticos no desenvolvimento de helicópteros. A disponibilidade de motores turbo-eixo leves na segunda metade do século 20 levou ao desenvolvimento de helicópteros maiores, mais rápidos e de maior desempenho. Enquanto helicópteros menores e mais baratos ainda usam motores a pistão, os motores turboeixo são o motor preferido para helicópteros hoje.

O motor de turbina tem as seguintes vantagens sobre um motor alternativo: 

• Menos vibração 

• Maior desempenho da aeronave 

• Confiabilidade 

• De facil operação 

Usos 

Devido às características operacionais únicas do helicóptero - sua capacidade de decolar e pousar verticalmente, pairar por longos períodos de tempo e as propriedades de manuseio da aeronave em condições de baixa velocidade - ele foi escolhido para realizar tarefas que anteriormente não eram possíveis com outras aeronaves ou eram muito demorados ou trabalhosos para realizar no solo. Hoje, os helicópteros são usados ​​para transporte, construção, combate a incêndios, busca e salvamento e uma variedade de outros trabalhos que exigem suas capacidades especiais. 

Sistema de rotor

O sistema de rotor de helicóptero é a parte rotativa de um helicóptero que gera sustentação. Um sistema de rotor pode ser montado horizontalmente, como os rotores principais, fornecendo sustentação verticalmente; e pode ser montado verticalmente, como um rotor de cauda, ​​para fornecer sustentação horizontal como empuxo para neutralizar o efeito de torque. No caso de rotores de inclinação, o rotor é montado em uma nacele que gira na borda da asa para fazer a transição do rotor de uma posição montada horizontalmente, fornecendo sustentação horizontal como empuxo, para uma posição montada verticalmente, fornecendo sustentação exatamente como um helicóptero.

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 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-rígido, rígido ou totalmente articulado, embora alguns sistemas de rotores modernos usem uma combinação projetada desses tipos. 

Com um único helicóptero de rotor principal, um efeito de torque é criado à medida que o motor gira o rotor. Esse torque faz com que o corpo do helicóptero gire na direção oposta do rotor (Terceira Lei de Newton: Toda ação tem uma reação igual e oposta, conforme explicado no Capítulo. Para eliminar esse efeito, algum tipo de controle antitorque deve ser usado com uma margem de potência suficiente disponível para permitir que o helicóptero mantenha seu rumo e evite que a aeronave se mova de forma instável. Os três controles mais comuns usados ​​hoje são o rotor de cauda tradicional, o Fenestron (também chamado de fantail) e o NOTAR®

Configurações do rotor 

A maioria dos helicópteros tem um único rotor principal, mas requer um rotor separado para superar o torque que é uma força de giro ou torção. Isso é feito através de um passo variável, rotor antitorque ou rotor de cauda. Este é o projeto que Igor Sikorsky estabeleceu para seu helicóptero VS-300 mostrado na Figura. Tornou-se a convenção reconhecida para o projeto de helicópteros, embora os projetos variem. Projetos de rotor principal de helicóptero de diferentes fabricantes giram em uma das duas direções diferentes (no sentido horário ou anti-horário quando visto de cima). Isso pode confundir quando se discute os efeitos aerodinâmicos no rotor principal entre diferentes projetos, pois os efeitos podem se manifestar em lados opostos de cada aeronave. Para maior clareza, ao longo deste manual, todos os exemplos usam um sistema de rotor principal giratório no sentido anti-horário quando visto de cima.

Rotor Tandem 

Os helicópteros de rotor tandem (às vezes chamados de rotor duplo) têm dois grandes conjuntos de rotor horizontal, em vez de um conjunto principal e um rotor de cauda menor. Helicópteros de rotor único precisam de um rotor de cauda para neutralizar o momento de torção produzido pelo único rotor grande. Helicópteros de rotor tandem, no entanto, usam rotores de rotação contrária, 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. Esta configuração tem a vantagem de poder suportar mais peso com lâminas mais curtas, uma vez que existem dois conjuntos de lâminas. Além disso, toda a potência dos motores pode ser usada para sustentação, enquanto um helicóptero de rotor único deve usar alguma potência para contrariar o torque do rotor principal. Devido a esta,

Rotores coaxiais 

Rotores coaxiais são um par de rotores girando em direções opostas, mas montados em um mastro, com o mesmo eixo de rotação, um acima do outro. Essa configuração é uma característica notável dos helicópteros produzidos pelo escritório russo de projetos de helicópteros Kamov.

Rotores de Interligação 

Os rotores entrelaçados em um helicóptero são um conjunto de dois rotores girando em direções opostas, com cada mastro do rotor montado no helicóptero com um leve ângulo em relação ao outro, de modo que as pás se entrelaçam sem colidir. Este arranjo permite que o helicóptero funcione sem a necessidade de um rotor de cauda. Tem alta estabilidade e capacidade de elevação poderosa. Essa configuração às vezes é chamada de sincróptero. O arranjo foi desenvolvido na Alemanha para um pequeno helicóptero de guerra antissubmarino, o Flettner Fl 282 Kolibri. Durante a Guerra Fria, a empresa americana Kaman Aircraft produziu o HH-43 Huskie, para fins de combate a incêndios da USAF. O mais recente modelo Kaman K-MAX é um projeto de guindaste aéreo dedicado usado para trabalhos de construção.

Rotor de cauda 

O rotor de cauda é um rotor menor montado verticalmente ou quase verticalmente na cauda de um helicóptero tradicional de rotor único. O rotor de cauda empurra ou puxa contra a cauda para contrariar o torque. O sistema de acionamento do rotor de cauda consiste em um eixo de acionamento alimentado pela transmissão principal e uma caixa de engrenagens montada na extremidade da lança de cauda. O eixo de acionamento pode consistir em um eixo longo ou uma série de eixos mais curtos conectados em ambas as extremidades com acoplamentos flexíveis. Os acoplamentos flexíveis permitem que o eixo de acionamento flexione com a lança traseira.

A caixa de engrenagens na extremidade da lança de cauda fornece um acionamento angulado para o rotor de cauda e também pode incluir engrenagens para ajustar a saída para a velocidade de rotação ideal normalmente medida em rotações por minuto (rpm) para o rotor de cauda. Em alguns helicópteros maiores, caixas de engrenagens intermediárias são usadas para inclinar o eixo de acionamento do rotor de cauda ao longo da lança de cauda ou cone de cauda até o topo do pilão do rotor de cauda, ​​que também serve como um aerofólio estabilizador vertical para aliviar a necessidade de energia do rotor de cauda em voo para a frente. O pilão (ou aleta vertical) também pode fornecer antitorque limitado dentro de certas faixas de velocidade no ar se o rotor de cauda ou os controles de vôo do rotor de cauda falharem.

Controlando o Voo

Cíclico

O controle cíclico geralmente está localizado entre as pernas do piloto e é comumente chamado de “manche cíclico” ou simplesmente “cíclico”. Na maioria dos helicópteros, o cíclico é semelhante a um joystick; no entanto, os helicópteros Robinson possuem sistemas de controle cíclico T-bar exclusivos. Alguns helicópteros têm controles cíclicos que descem para a cabine de comando, enquanto outros usam controles cíclicos laterais.

O controle é chamado de cíclico porque pode variar o passo das pás do rotor ao longo de cada revolução do sistema do rotor principal (ou seja, através de cada ciclo de rotação) para desenvolver sustentação desigual (empuxo). O resultado é inclinar o disco do rotor em uma determinada direção, fazendo com que o helicóptero se mova nessa direção. Se o piloto empurra o cíclico para frente, o disco do rotor se inclina para frente e o rotor produz um impulso na direção para frente. Se o piloto empurra o cíclico para o lado, o disco do rotor se inclina para aquele lado e produz empuxo naquela direção, fazendo com que o helicóptero paire de lado.

Coletivo

Pedais Antitorque

Acelerador

Os rotores de helicóptero são projetados para operar em uma rpm específica. O acelerador controla a potência produzida pelo motor, que é conectado ao rotor por uma transmissão. O objetivo do acelerador é manter a potência do motor suficiente para manter a rotação do rotor dentro dos limites permitidos para produzir sustentação suficiente para o vôo. Em helicópteros monomotores, se assim equipado, o controle do acelerador é tipicamente um manípulo giratório montado no controle coletivo, mas também pode ser um mecanismo de alavanca em sistemas totalmente governados. Helicópteros multimotores geralmente têm uma alavanca de potência ou interruptor de modo para cada motor.

Condições de voo

Existem duas condições básicas de voo para um helicóptero: pairar e voar para a frente. 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 é a necessidade de constantes entradas de controle e correções por parte do 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 a deriva na direção horizontal que é controlar para frente e para trás, direita e esquerda. 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 o pairar tão difícil, 

Deslocar o cíclico para frente inicialmente faz com que o nariz abaixe, com um aumento resultante na velocidade do ar e perda de altitude. O cíclico de popa inicialmente faz com que o nariz se levante, desacelerando o helicóptero e fazendo com que ele suba; no entanto, quando o helicóptero atinge um estado de equilíbrio, o estabilizador horizontal ajuda a nivelar o helicóptero para minimizar o arrasto, ao contrário de um avião. Portanto, o helicóptero tem muito pouca deflexão de inclinação para cima ou para baixo quando o helicóptero está estável em modo de voo. A variação do nível absoluto depende do helicóptero em particular e da função do estabilizador horizontal.

Aumentar o coletivo (potência) mantendo uma velocidade constante induz uma subida, enquanto o coletivo decrescente causa uma descida. A coordenação dessas duas entradas, coletivo para baixo mais cíclico para trás ou coletivo para cima mais cíclico para frente, resulta em mudanças na velocidade do ar, mantendo uma altitude constante.

Os pedais têm a mesma função em um helicóptero e em uma aeronave de asa fixa, para manter o voo equilibrado. Isso é feito aplicando a entrada do pedal em qualquer direção necessária para centralizar a bola no indicador de curva e inclinação.