1 Teoria de Voo Helicóptero.doc

TEORIA DE VÔO E AERODINÂMICA  DE HELICÓPTEROS 

Notas de aula ENG. ROGERIO B. PARRA PARRA

1

O mais enigmátic enigmáticoo mistério da história história da aviação aviação é porque a humanida humanidade de levou levou tanto tempo para a aprender voar. Com tantos intelectuais dedicados a um único  problema não se esperava alguém para tropeçar no segredo, que, só sem querer, há algum tempo oi descoberto. O qual oi o obstáculo! O grande problema é que os  princ"pios "sicos que regem os undamentos do v#o são intuitivos$ % realmente, a mec&nica mec&nica de v#o só oi revelada revelada depois de alguma alguma manipulação manipulação das leis "sicas "sicas e matemáticas criadas por 'saac (e)ton (e)ton em meados de 1*++s. O voo dos pássaros levou vários estudiosos notáveis, inclusive de uma am"lia célebre de cient"stas a montar o quebracabeça. -ogo após o desenvolvimento das leis de  (e)ton sobre o eeito da lua nas marés, surgiu os ernoullis, uma am"lia su"ça de cientistas que mais contribuiram para o desenvolvimento da matemática e ci/ncia nos séculos de0essete e de0oito. s duas iguras chave nesta am"lia eram 2ohann 31**4 14567, que e0 da 8niversidade de asel na 9u"ça o centro da ci/ncia européia , e o seu ilho :aniel 314++146;7. 314++146;7. %m 14;ú >úss ssia ia on onde de du dura rant ntee oito oito an anos os e e0 e0 algu alguns ns do doss trab trabal alho hoss mais mais importantes. %m 14?5, :aniel desenvolveu o amoso tratado @hAdrodAnamics@, só publicado em 14?6. :aniel discorreu sobre os princ"pios básicos da nova ci/ncia, aplicando as leis undamentais de (e)ton a casos simpliicados de din&mica luida. :este trabalho veio o =rinc"pio de ernoulli 3ou -ei7, eBpressado como uma equação matemática conhecida como a %quação de ernoulli. gora, sobre voar Considerando que o ar tem que viaDar uma maior dist&ncia para luir na parte superior superior da asa, este acelera, acelera, e pelo =rinc"pio =rinc"pio de ernoulli ernoulli provoca provoca menor pressão na super"cie e, conseqEentemente sucção ou sustentação . =ara poder entender porque voa uma aeronave é preciso entender alguns conceitos  básicos. qui qui será eBplicada de orma orma simples e supericial . 8m helicóptero pode parecer estranho quando comparado com uma aeronave de asa iBa. (o entanto, são aplicados eBatamente os mesmos princ"pios de voo.

;

1. Noções de Física Básica 1.1 -eis de (e)ton =rimeira lei Fodo corpo tende a permanecer em estado de repouso ou de movimento uniorme e retil"neo, a menos que este repouso ou movimento seDam aetados por uma orça eBterna. 9egunda lei plicandose uma orça a uma determinada massa, surge uma aceleração que é  proporcional G orça e tem a mesma mesma direção e sentido da orça aplicada. aplicada. H I m.a

m I massa,

a I aceleração

Jassa é a quantidade de matéria de um corpo =eso é a aceleração da gravidade agindo sobre a massa de um corpo K I m.g KIpeso gIaceleração da gravidade Ferceira lei L toda ação corresponde uma reação igual e em sentido contrário

?

1.; tmosera

os gregos devemos as ra"0es da palavra atmosera, que usamos para designar esta camada gasosa que envolve o nosso planeta e os nossos corpos$ou seDa, o ar que respiramos. o respirálo sentimos apenas que ele é t/nue,suave, inodoro, e a  primeira vista incolor. 9erá que estamos certos! penas em parte. >ealmente nossas células olativas não oram eitas para sentilo pois do contrario o seu cheiro seria predominante em tudo. ssim, o ar é inodoro para nós, e  provavelmente para todos os demais seres aeróbios que o respiram para poder viver. Muanto ao resto estamos redondamente enganados. %ntão o ar tem cor! 9im, basta observarmos, que as montanhas no hori0onte são tanto mais a0uis quanto mais distantes, ou então basta olharmos para cima, que veremos o a0ul celeste em todo o seu esplendor.  terra, vista de muito longe predomina o a0ul escuro dos oceanos e o branco das nuvens, mal se podendo notar o marrom dos continentes, mas se observarmos bem,  poderemos ver nas bordas iluminadas da terra, um ino traço a0ul claro contrastando com o negro do espaço sideral. N ela, a atmosera, esta ina e t/nue camada gasosa ormada basicamente por nitrog/nio 3467 e oBig/nio 3;+7, pois dos demais gases, somente o vapor dPágua merece alguma menção, nos locais quentes e úmidos. Hina! 9im. Q+ da atmosera estão contidos nos primeiros 1* Rm de altitude,o que comparado aos 1; +++ Rm do di&metro da terra é quase nada. % t/nue! 9erá! :epende. %m repouso o ar pode até ser considerado t/nue mas em movimento vai deiBando de s/lo...  1++ RmSh, Dá irá eBercer uma orça de 56 Rg sobre cada metro quadrado de super"cie, que colocarmos tentando barrar o seu movimento. ;++ 5

RmSh esta orça Dá será de 1Q? Rg., e será multiplicada por quatro a cada ve0 que dobrarmos a velocidade. o atingirmos 1;++ RmSh veremos este ar aparentemente t/nue, tornarse quase que numa parede sólida. N o en#meno bati0ado na década de 5+ como a @barreira do som@, tão temida pelos primeiros pilotos que tentaram dela se aproBimar. Tamos pegar um pequeno cubinho de ar de 1 mm de lado,e ampliar 1+++++++ de ve0esUN isso mesmo, pois agora passaremos a medir as coisas não em mil"metros, mas em &ngstrons. 8m &ngstron representa uma distancia "nima, tão "nima que num mil"metro cabem de0 milhVes deles. % a primeira coisa que iremos encontrar em nosso cubinho de ar  ampliado é um grande va0ioU Jas não é só va0io é claro. %m média a cada ?+ &ngstron vamos encontrar bolinhas duplas com a orma aproBimada de um halteres, que são as moléculas dos gases que compVem o ar e que no caso do (itrog/nio p#r  eBemplo medem 5 ngstrons. 8m ato que dá uma idéia de como as moléculas são pequenas, é que eBistem mais moléculas de ar dentro dos nossos pulmVes do que de litros de ar em toda a atmosera terrestre. %stas moléculas não estão paradas, mas sim movendose todas desordenadamente em todas as direçVes poss"veis, e chocandose uma com as outras 3um choque em média após cada *++ ngstrons percorridos7. lgumas estão quase que paradas enquanto que outras,deslocamse por eBemplo com a velocidade de ?+++ RmShU 2á a velocidade resultante,será por eBemplo, 0ero para o ar em repouso dentro de uma sala, ou de 16 RmSh na direção hori0ontal e sentido sul para um vento (orte de 1+ nós, e assim por diante.9e considerarmos apenas os valores destas velocidades, obteremos o valor de 16++ RmSh 3média quadrática7. Hinalmente a média dos valores, das velocidades proDetadas numa direção, e tomados num único sentido, será da ordem de 1;;5 RmSh. %sta não é a velocidade do som ! 9im. Mualquer perturbação no ar, só se propaga por  meio de choques entre suas moléculas e portanto esta será a velocidade de sua  propagação, e o som nada mais é que uma perturbação repetida numa certa reqE/ncia.(os não podemos ver as ondas sonoras no ar, mas elas se espalham de modo muito parecido com as ondas ormadas numa super"cie de água calma quando a perturbamos atirando uma pedra <

Os valores até aqui mencionados de distancias e velocidades valem para o ar a uma temperatura de 1< graus C e ao n"vel do mar onde o ar é mais denso pressionado pelo seu próprio peso.  medida que vamos subindo em altitude o ar vai icando cada ve0 mais rareeito, ou seDa teremos menos moléculas p#r unidade de volume.  5+++ metros de altitude o número de moléculas de oBig/nio, embora continue a ser os mesmos ;+ do total, como no n"vel do mar, Dá começa a ser insuiciente para o uncionamento correto de nossos pulmVes.:a" a necessidade de se aumentar o seu número, seDa com o uso de máscaras com oBig/nio, ou seDa aumentando a pressão ambiente, ou pressuri0ação. cima de 1otor  =rincipal.  partir de um determinado valor do &ngulo de ataque, geralmente em torno de 16X os iletes de ar não conseguem acompanhar a curvatura do peril, e se desprendem causando uma queda brusca de sustentação a qual se dá o nome de estol.

O &ngulo de ataque varia com ^

Com os movimentos das pás em batimento e avanço e recuo em torno do disco do rotor. ^ Com as condiçVes atmoséricas adversas, como ventos de través, ventos tempestuosos ou condiçVes de turbul/ncia do ar. ^

O &ngulo de ataque é ator primário para determinar a quantidade de sustentação produ0ida pelas pás do helicóptero

;.;.; ngulo de 'ncid/ncia

1<

O &ngulo de ataque não deve ser conundido com &ngulo de incid/ncia. 9empre que o vento relativo é modiicado pelo luBo de ar indu0ido ou pelo deslocamento hori0ontal do helicóptero o &ngulo de ataque é dierente do &ngulo de incid/ncia. O controle de sustentação é obtido mudandose o &ngulo de incid/ncia das pás do rotor em pontos de interesse. O &ngulo de incid/ncia ou de passo é deinido como sendo o &ngulo ormado entre a corda do aeroólio o plano de rotação do rotor. N um &ngulo mec&nico e não um &ngulo aerodin&mico.  (a aus/ncia de luBo de ar indu0ido, o &ngulo de ataque coincide com o &ngulo de incid/ncia. ;.? rrasto

6 Aasto de 3e"il ou 3essão7 9e colocarmos a mão espalmada para ora de um carro a 1++ RmSh, o esorço para mantela nesta posição será o equivalente a segurar um saco de f Rg de pó de caé.  %sta orça que sentimos na mão, e é chamada de arrasto de pressão, e decorre  portanto, apenas do aumento de pressão em sua ace dianteira.Conirmando a lei da ação e reação tem sentido oposto a variação de velocidade das part"culas aceleradas  para rente ou arrastadas .  N a soma do arrasto de atrito mais o arrasto devido a distribuição de pressVes sobre o  peril. N obtido das curvas de arrasto do peril e varia com a sustentação.

6 Aasto de atito7 Considerando uma chapa muito ina e alinhada com o vento e tendo portanto um arrasto de pressão praticamente nulo, iremos detectar em sua esteira, uma ina camada de part"culas arrastadas na direção do seu movimento e indicativas de uma orça se opondo ao mesmo, ou seDa, uma orça de arrasto.  %sta orça é o que chamamos de arrasto de ricção e resulta das componentes de orça paralelas G super"cie, devido aos choques das moléculas com a super"cie eBterna do corpo. %la será portanto tanto maior quanto maior or a super"cie em contato com o ar e quanto maiores orem as velocidades tangenciais das part"culas  Dunto a super"cie.

1*

6 Aasto indu5ido7 N a resist/ncia útil devido a sustentação. Consideremos um aumento do &ngulo de ataque do rotor, acentuase ainda mais a dierença, a sucção superior chegando a ser  mais do que o dobro do valor da pressão ineriorU 'sto aumenta a orça resultante sobre a chapa, que obviamente devido ao seu &ngulo, tem uma componente para trás ou seDa uma orça de arrasto, que também será tanto maior quanto maior este &ngulo. %ste arrasto, somado ao sempre presente arrasto de ricção, também aumentado devido ao aumento das velocidades tangenciais, aumenta o número de part"culas arrastadas, que vão se acumulando na esteira posterior ou bordo de @uga@ da chapa. cho que Dá deu para perceber que o arrasto indu0ido nada mais é, que a componente  para trás daquela orça resultante das pressVes e sucçVes, que também criam a sustentação. ssim sendo, quanto maior or a sustentação, maiores serão o &ngulo e o arrasto indu0idos, e as velocidades para baiBo e portanto mais ortes serão os vórtices de ponta de asa que não criam o arrasto indu0ido, mas tem a mesma origem deste.

 Aasto 3aasita O arrasto parasita do helicóptero, pode ser representado pela @placa plana equivalente@, ou seDa, quando ela é eBposta ao vento relativo, produ0 um arrasto que se eqEivale a soma de todos os arrastos provocados por cada parte do mesmo.ssim, a remoção das portas, a colocação de metralhadoras, macas e outros acessórios, também aumentam a área parasita. 14

8. Aeo"9lios ?.1 %lementos de um =eril da =á de um Yelicóptero

16

:IPO ;E PERFI& %Bistem dois tipos distintos de peris os sim4ticos e assim4ticos. Os assimétricos  produ0em sustentação com &ngulos de ataque igual a 0ero mas tem a grande desvantagem de a0er alterar o momento de picar, complicando o problema de se equilibrar um rotor Dá que durante uma rotação o &ngulo de ataque das pás muda constantemente. Outra orma de resolver o problema da dierença de sustentação ao longo da pá devido G dierente velocidade de rotação ao longo da mesma é toce a 3á de orma que o &ngulo de ataque Dunto G rai0 seDa maior do que Dunto da ponta.

1Q

?.; %lementos da pá

?.? Horça de sustentação nas pás ;+

 velocidade de cada secção de uma pá depende da dist&ncia a que se encontra do cubo do rotor e da velocidade de rotação.baiBo está uma igura que representa isso.

Como podemos ver da igura acima quanto maior a dist&ncia ao cubo do rotor, maior a velocidade da secção da pá. ssim se toda a pá tivesse com o mesmo &ngulo de ataque a sustentação da rai0 para a ponta iria aumentar drasticamente  Dá que a sustentação varia com o quadrado da velocidade.  solução encontrada oi variar o &ngulo de ataque da pá sendo este maior na rai0, onde a velocidade é maior, e menor na ponta. Chamamos então torção da pá.

Observe as curvas para as pás com torção e sem torção. Com torção na curva em a0ul a pá possui uma distribuição de sustentação uniorme.

;1

?.5 Horças Centr"ugas e Horças Centr"petas

^

Outra orça gerada é a orça centr"peta, que contraria a orça centr"uga e tende a aproBimar a massa rotativa do seu centro de rotação. ^ 8m helicóptero em uncionamento gera em seu rotor orças centr"ugas enormes que são transeridas das pás para seu engastamento na cabeça do rotor. Fais orças ultrapassam acilmente ;+ toneladas por pá em um helicóptero de médio porte.  (os helicópteros a orça centr"uga é dominante no sistema do rotor. N ela que mantém a retidão e rigide0 da pá que suportará todas as evoluçVes do v#o. Fodas as outras orças atuam de orma a modiicar os eeitos desta orça. ?.* =eso

;;

O peso de um obDeto sore pequenas variaçVes em unção da latitude e da altitude. Como a aceleração da gravidade na terra é maior que na lua um mesmo obDeto pesará mais na terra do que na lua. O peso é uma orça sempre aplicada ao C[3Centro de gravidade7 da aeronave e sempre apontada para o centro da terra. N importante não conundir peso com massa. Jassa é a quantidade de matéria contida em um corpo. 8m determinado obDeto terá sempre a mesma massa em qualquer parte do universo. ?.4 Fração

 tração aparece quando há inclinação do plano do rotor principal . Como a sustentação é perpendicular ao plano do rotor, a inclinação deste a0 aparecer uma componente na direção da inclinação, que é a tração. Com o aparecimento da tração o helicóptero começa a se deslocar, quando então aparece o arrasto. Com o deslocamento aumenta o luBo de de ar que passa pelo rotor, o que provoca um aumento da sustentação. %ste acréscimo na sustentação é chamado de sustentação de deslocamento

;?

%98-F:O >'> J(%F% =98'> >=J8J%(F>

=-F >=J' =-F >=J-F =' >=J-F

'> =:'J'(8'> CO-%F'TO >=J8J%(F> H%CY> J(%F% =:'J'(8'> >=J :'J'(8'> 989=%(:%> =98'> CO-%F'TO >=J :'J'(8'>

5.? Comando c"clico O c"clico controla a direção da orça aerodin&mica gerada pelo rotor principal por meio da variação c"clica de passo, comandando a inclinação do disco do rotor.

ltera o &ngulo de ataque das pás do rotor principal em determinados setores de sua traDetória. %sta mudança ocorre a cada volta completa 3ciclo7, das pás do rotor   principal. Muando a alavanca é movimentada ocorre uma inclinação do disco do rotor principal, inclinando, portanto, a direção da orça de sustentação, que é sempre perpendicular  ao disco, a0endo aparecer uma componente hori0ontal, a tração, que a0 com que o helicóptero se desloque no sentido da inclinação do rotor. O c"clico controla os movimentos de aragem e rolagem, atuando através da unidade misturadora e das estrelas rotativa e estacionária. O c"clico é o comando primário de velocidade e secundário de altitude.O piloto  poderá comandar ao mesmo tempo uma variação coletiva e uma variação c"clica, obtendose assim momentos de controle combinados 3iguras b e c7

;4

%m virtude do eeito giroscópico, os comandos de mudança de passo devem ser eitos a Q+X antes da posição deseDada

Como a haste de mudança de passo está a 5