Configurações de Rotores
Olá amigos do Canal Piloto. Essa é a 3ª coluna sobre Teoria de Voo de Helicópteros e o assunto a ser discutido será configurações de rotores.
Existem várias configurações de rotores, que não devem ser confundidas com tipos de rotores (que veremos na próxima coluna). Independente da configuração do rotor, o helicóptero é capaz de fazer todos os tipos de movimento: arfagem, rolagem e guinada. Possuem, também, os mesmos comandos: cíclico, coletivo e pedais.
- Rotor simples – o mais comum, tem baixo custo de construção. O rotor principal tem a função de gerar sustentação e tração, enquanto o rotor traseiro gera força anti-torque e possibilita o giro do helicóptero no vôo pairado. No entanto, o rotor traseiro pode atingir pessoas, animais e obstáculos por ser uma parte móvel exposta. O rotor traseiro consome cerca de 10% da potência do motor em voo pairado.
Detalhe de um rotor de cauda do R44
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Alguns rotores de cauda de grandes helicópteros são ligeiramente inclinados “para baixo” para gerarem uma pequena sustentação na parte traseira para ajudar a manter o Centro de Gravidade centralizado.
Obs.: essa informação não é exigida na banca da ANAC.
Rotor de Cauda inclinado de um MH-60S Sea Hawk
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Rotor de Cauda inclinado de um AW139
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- Rotor duplo coaxial – é uma aeronave com dois rotores no mesmo eixo girando em sentidos contrários e, assim, anulam o torque entre si. Dessa maneira, essa configuração dispensa rotor de cauda. Outra vantagem dessa configuração é sua grande força de sustentação alcançada pela grande área dos rotores (somadas) e também por não gastar uma porcentagem da potência do motor com o rotor de cauda (pois este inexiste). A sua maior desvantagem é a sua complexidade de construção.
Rotor duplo coaxial de um Ka-27 (militar)
Rotor duplo coaxial de um Ka-32 (civil)
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- Rotor Duplo Sincronizado – é semelhante ao duplo coaxial, mas ao invés dos rotores compartilharem o mesmo eixo, os mesmos são angulados entre si e sincronizados (a pá “passa dentro” do outro rotor coordenadamente). São geralmente utilizados para transporte de carga externa. Geram menos fluxo de ar descendente se comparados ao duplo-coaxial. Também são complexos de construir e o ângulo dos rotores faz com que as pás passem mais próximas ao solo, exigindo atenção e cuidado de pessoas que se aproximem.
Rotor duplo sincronizado de um K-1200 (KMAX)
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- Rotor Duplo Lado a Lado – com dois rotores instalados lateralmente apoiados por grandes suportes, acaba se assemelhando em muito a um avião. Também não possui rotor de cauda pois os rotores giram em sentidos contrários, anulando o torque. A principal vantagem manifesta-se no vôo em velocidade pois os suportes dos rotores funcionam como uma grande asa que gera sustentação adicional. No entanto, esse tipo de configuração geralmente resulta em um maior peso e maior arrasto parasita do que outras configurações.
Rotor duplo lado a lado do Mil V-12, maior helicóptero já construído
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- Rotores em Tandem – essa configuração também possui dois rotores, só que dispostos longitudinalmente na fuselagem. Geralmente um rotor é instalado “mais alto” do que o outro. Assim como as outras configurações com dois rotores, dispensam rotor de cauda. Tem como principais vantagens a possibilidade de se variar bastante o Centro de Gravidade do helicóptero ainda mantendo-o dentro do envelope de voo e também a construção do helicóptero com grande área interna. São complexos para se construir e não são tão eficientes no voo em velocidade.
Rotores em Tandem do Boeing CH-47 Chinook
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- Rotor a jato – possui jatos de ar nas pontas das pás, que giram o rotor quando acionados. Nas pontas das pás podem ser instalados motores a reação com ou sem afterburner ou até mesmo somente saídas de ar pressurizado gerados por um motor a reação central. Apesar de ter apenas um rotor, não precisa de rotor de cauda pois essa configuração não gera torque na fuselagem. É simples de construir, mas possui inúmeras desvantagens: alto consumo de combustível, gera muito ruído e a grande força centrífuga à qual as pás são submetidas diminuem sua vida útil. Apenas um modelo entrou realmente em produção, e por pouco tempo.
Rotor a Jato do Hiller Hornet
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Detalhes do Rotor a Jato do Sud-Ouest Djinn
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- Tiltrotor – são rotores que são instalados em suportes giratórios de tal modo que podem ter a direção das forças geradas bastante modificada. Geralmente são montados nas pontas de asas fixas e permitem que a aeronave tenha ora características de helicópteros, ora de aviões. São extremamente complexos de serem construídos e alguns não possuem a capacidade de autorrotação em caso de pane de todos os motores (como o V-22 Osprey). Existe também uma variação chamada Tiltwing que além dos rotores gira toda a asa combinadamente.
Obs.: o V-22 Osprey também pode ser classificado como “Rotor Duplo lado a lado” pela posição de seus rotores.
Tiltrotor do V-22 Osprey
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Tiltrotor Bell X-22
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Tiltrotor Bell X-22
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Tiltrotor Bell X-22
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Tiltwing Hiller X-18
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- Quadrotor – possui 4 rotores que giram em sentidos opostos em pares para anular o torque. Os rotores possuem apenas mudança de passo e não possuem mecanismos para efetuar livre batimento, simplificando a sua construção. Nos anos 20 e 30 alguns modelos foram construídos, mas sofriam de baixo desempenho e eram muito difíceis de controlar. Hoje, com os avanços eletrônicos, são muito empregados em VANTs (veículo aéreo não tripulado) e são extremamente manobráveis.
Exemplos de VANTs Quad-rotores
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Quadrotor De Bothezat, de 1923
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- Outras configurações – com o intuito de atingir as características de manobrabilidade de um helicóptero (VTOL) com a velocidade de cruzeiro de um avião estão surgindo configurações mistas como a apresentada pelo Eurocopter X3. Essas configurações ainda encontram-se em desenvolvimento e requerem um estudo particular para determinar vantagens e desvantagens.
Obs.: não exigido na banca da ANAC.
EC X3. Possui um rotor convencional e duas hélices
Não possui rotor de cauda (o torque é eliminado por ter uma hélice que gira mais rapidamente do que a outra)
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Modificações do Rotor Simples
Como vimos, o rotor simples é o mais empregado por ser de fácil construção. No entanto, este possui algumas desvantagens sendo a mais notável o perigo de colisão do rotor de cauda com o solo, pessoas e objetos, causando um número grande de acidentes.
Por este motivo, o rotor de cauda geralmente é pintado de tal forma a ficar mais visível para o pessoal de solo quando em rotação. A perda do rotor de cauda é crítica para o voo, embora nem sempre fatal pois o piloto pode usar a velocidade à frente do helicóptero e a empenagem vertical para manter o voo reto-nivelado, de preferência em baixa potência para diminuir o efeito torque.
Para o pouso, o piloto geralmente entra em auto-rotação para fazer um pouso controlado mesmo sem o rotor de cauda em funcionamento.
Pensando nesse problema, duas soluções se destacaram em melhorar a configuração de rotor simples:
Ducted Fan, Fantail ou fan-in-fin (Fenestron) – é o rotor de cauda envolto por uma carenagem protetora, diminuindo significativamente acidentes por colisão. Além dessa característica, possui um número de pás bem maior do que os rotores de cauda convencionais chegando a ter entre 8 e 18 pequenas pás enquanto o convencional possui tipicamente de 2 a 4 pás.
As pontas das pás são protegidas do ar exterior pela carenagem, e por esse motivo não realizam batimento, somente mudança de passo. As pás giram bem mais rapidamente do que um rotor convencional, e assim podem ser menores. Essas pás têm entre si ângulos diferentes, e assim “distribuem” o ruído em diferentes frequências, tendo assim a operação mais silenciosa do que o rotor de cauda convencional.
Rotor Fenestron
Note que o espaçamento entre as pás é diferente, para operação mais silenciosa
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Colabora também para a operação mais silenciosa e menos vibração o fato da carenagem “evitar e organizar” o fluxo de ar que vem do rotor principal. Isso evita contato com poderosos vórtices e aumenta a eficiência do rotor de cauda.
No entanto, o Fenestron também possui desvantagens: é mais pesado e tem maior arrasto por conta da carenagem e é mais caro de construir. O termo “Fenestron” é marca registrada da Eurocopter.
Eurocopter AS365 Dauphin
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EC-135 com rotores de cauda Fenestron
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NOTAR (No Tail Rotor) – desenvolvido pela McDonnell Douglas Helicopter Systems, esse sistema usa um “ventilador” com hélices de passo variável dentro do cone de cauda que gera um grande volume de ar de baixa pressão que escapa através de duas frestas e assim cria uma camada limite pelo Efeito Coanda.
Essa camada limite muda a direção do fluxo de ar descendente do rotor principal ao redor do cone de cauda, criando tração que combate o efeito torque. O giro no pairado é possível através do escape controlado de ar que ocorre na ponta do cone de cauda, através de um direcionador de ar giratório.
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MD500 com NOTAR
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O Efeito Coanda é responsável por 2/3 da força de tração anti-torque e o ar que escapa pela extremidade do cone de cauda e que permite o giro no pairado é responsável por 1/3 das forças anti-torque. Quando em voo reto nivelado, o ar do rotor principal “fica para trás” e não passa pelas fendas longitudinais, deixando de gerar 2/3 das forças anti-torques. Mas, ao mesmo tempo, as empenagens verticais atuam com máxima eficiência e assim mantém a fuselagem alinhada.
Adaptação
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O sistema NOTAR é considerado o mais seguro e mais silencioso dos rotores simples. Esse sistema também elimina a caixa de transmissão de cauda, cabos e outros componentes presentes em outros sistemas. No entanto possui as seguintes desvantagens:
- Perda de eficiência no vôo pairado com ventos fortes;
- Perda de eficiência em vôos de baixa velocidade próximo ao solo;
- É consumida uma porcentagem de força do motor para girar o ventilador do cone de cauda;
Bom, essa foi a nossa coluna sobre teoria de voo de helicópteros. Espero que tenham gostado e, em caso de dúvidas ou correções, entrem em contato. Na próxima coluna falaremos sobre os tipos de rotores: rígido, semi-rígido e articulado.
Um abraço e bons voos,
Renan Montebelo
renanpolo@gmail.com
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