Teoria de Vóo Dos Helicopteros

8/20/2019 Teoria de Vóo Dos Helicopteros

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TEORIA DE VÔO E AERODINÂMICA

DE HELICÓPTEROS

Notas de aula

ENG. ROGERIO B. PARRA

2014



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Introdução

O mais enigmático mistério da história da aviação é porque a humanidade levou tanto tempo paraa aprender voar. Com tantos intelectuais dedicados a um único problema não se esperava alguémpara tropeçar no segredo, que, só sem querer, há algum tempo foi descoberto. O qual foi oobstáculo? O grande problema é que os princípios físicos que regem os fundamentos do vôo sãointuitivos; E realmente, a mecânica de vôo só foi revelada depois de alguma manipulação das leisfísicas e matemáticas criadas por Isaac Newton em meados de 1600s.

O voo dos pássaros levou vários estudiosos notáveis, inclusive de uma família célebre decientístas a montar o quebra-cabeça. Logo após o desenvolvimento das leis de Newton sobre oefeito da lua nas marés, surgiu os Bernoullis, uma família suíça de cientistas que maiscontribuiram para o desenvolvimento da matemática e ciência nos séculos dezessete e dezoito.As duas figuras chave nesta família eram Johann (1667-1748), que fez da Universidade de Baselna Suíça o centro da ciência européia , e o seu filho Daniel (1700-1782). Em 1725, Daniel aceitou

um convite para estudar em St. Petersburg, Rússia onde durante oito anos e fez alguns dostrabalhos mais importantes.

Em 1734, Daniel desenvolveu o famoso tratado "hydrodynamics", só publicado em 1738. Danieldiscorreu sobre os princípios básicos da nova ciência, aplicando as leis fundamentais de Newton acasos simplificados de dinâmica fluida. Deste trabalho veio o Princípio de Bernoulli (ou Lei),expressado como uma equação matemática conhecida como a Equação de Bernoulli.

Agora, sobre voar: Considerando que o ar tem que viajar uma maior distância para fluir na partesuperior da asa, este acelera, e pelo Princípio de Bernoulli provoca menor pressão na superfície e,conseqüentemente sucção ou sustentação . Para poder entender porque voa uma aeronave épreciso entender alguns conceitos básicos. Aqui será explicada de forma simples e superficial.

Um helicóptero pode parecer estranho quando comparado com uma aeronave de asa fixa. Noentanto, são aplicados exatamente os mesmos princípios de voo.



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1. Noções de Física Básica

1.1 Leis de Newton

Primeira leiTodo corpo tende a permanecer em estado de repouso ou de movimento uniforme e retilíneo, amenos que este repouso ou movimento sejam afetados por uma força externa. A primeira lei deNewton é normalmente conhecida como a lei da inércia. Ela quer dizer simplesmente, que o corpoem repouso não se moverá, a menos que uma força seja aplicada a ele. Se ele estiver semovendo a uma velocidade uniforme e em linha reta, para que sua velocidade seja alterada, énecessário que uma força a ele seja aplicada.

Quando uma aeronave está no solo, com os motores parados, a inércia mantém a aeronave emrepouso. Uma aeronave sai do seu estado de repouso através da força de empuxo criada pelaspas, pela expansão dos gases de escapamento, ou por ambos. Quando ela está voando em linha

reta e à velocidade constante, a inércia tende a mantê-la em movimento. Uma força externa érequerida para mudar a atitude da aeronave.

Segunda leiAplicando-se uma força a uma determinada massa, surge uma aceleração que é proporcional àforça e tem a mesma direção e sentido da força aplicada.

Se uma aeronave estiver voando com um vento de proa, sua velocidade diminuirá. Se o vento forlateral, haverá uma tendência de empurrar a aeronave para fora do seu curso, a menos que opiloto tome uma ação corretiva contra a direção do vento.

F = m.a m = massa, a = aceleração

Massa é a quantidade de matéria de um corpo e Peso é a aceleração da gravidade agindo sobrea massa de um corpo

W = m.g W=peso g=aceleração da gravidade

Terceira leiÀ toda ação corresponde uma reação igual e em sentido contrário. A terceira lei de Newtonestabelece que para toda ação (força) existe uma reação, igual e contrária (força). Quando a forçade sustentação sob a asa de uma aeronave se iguala à força da gravidade, a aeronave mantém oseu nível de voo.



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1.2 Atmosfera

“Aos gregos devemos as raízes da palavra atmosfera, que usamos para designar esta camadagasosa que envolve o nosso planeta e os nossos corpos;ou seja, o ar que respiramos. Ao respirá-

lo sentimos apenas que ele é tênue,suave, inodoro, e a primeira vista incolor. Será que estamoscertos? Apenas em parte.

Realmente nossas células olfativas não foram feitas para senti-lo pois do contrario o seu cheiroseria predominante em tudo. Assim, o ar é inodoro para nós, e provavelmente para todos osdemais seres aeróbios que o respiram para poder viver. Quanto ao resto estamos redondamenteenganados.

Então o ar tem cor? Sim, basta observarmos, que as montanhas no horizonte são tanto mais azuisquanto mais distantes, ou então basta olharmos para cima, que veremos o azul celeste em todo oseu esplendor.

A terra, vista de muito longe predomina o azul escuro dos oceanos e o branco das nuvens, mal sepodendo notar o marrom dos continentes, mas se observarmos bem, poderemos ver nas bordasiluminadas da terra, um fino traço azul claro contrastando com o negro do espaço sideral. É ela, aatmosfera, esta fina e tênue camada gasosa formada basicamente por: nitrogênio (78%) eoxigênio (20%), pois dos demais gases, somente o vapor d'água merece alguma menção, noslocais quentes e úmidos.

Fina? Sim. 90% da atmosfera estão contidos nos primeiros 16 Km de altitude,o que comparadoaos 12 000 Km do diâmetro da terra é quase nada. E tênue? Será? Depende. Em repouso o arpode até ser considerado tênue mas em movimento vai deixando de sê-lo... A 100 Km/h, já iráexercer uma força de 48 Kgf sobre cada metro quadrado de superfície, que colocarmos tentandobarrar o seu movimento. A 200 Km/h esta força já será de 193 Kgf., e será multiplicada por quatro

a cada vez que dobrarmos a velocidade.

Ao atingirmos 1200 Km/h veremos este ar aparentemente tênue, tornar-se quase que numaparede sólida. É o fenômeno batizado na década de 40 como a "barreira do som", tão temidapelos primeiros pilotos que tentaram dela se aproximar.

Vamos pegar um pequeno cubinho de ar de 1 mm de lado,e ampliar 10.000.000 de vezes! É issomesmo, pois agora passaremos a medir as coisas não em milímetros, mas em ângstrons.

Um ângstron representa uma distancia ínfima, tão ínfima que num milímetro cabem dez milhõesdeles. E a primeira coisa que iremos encontrar em nosso cubinho de ar ampliado é um grandevazio! Mas não é só vazio é claro. Em média a cada 30 ângstron vamos encontrar bolinhas duplas



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com a forma aproximada de um halteres, que são as moléculas dos gases que compõem o ar eque no caso do Nitrogênio pôr exemplo medem 4 Angstrons.

Um fato que dá uma idéia de como as moléculas são pequenas, é que existem mais moléculas dear dentro dos nossos pulmões do que de litros de ar em toda a atmosfera terrestre.

Estas moléculas não estão paradas, mas sim movendo-se todas desordenadamente em todas asdireções possíveis, e chocando-se uma com as outras (um choque em média após cada 600Angstrons percorridos). Algumas estão quase que paradas enquanto que outras,deslocam-se porexemplo com a velocidade de 3000 Km/h!

Já a velocidade resultante,será por exemplo, zero para o ar em repouso dentro de uma sala, oude 18 Km/h na direção horizontal e sentido sul para um vento Norte de 10 nós, e assim pordiante.Se considerarmos apenas os valores destas velocidades, obteremos o valor de 1800 Km/h(média quadrática). Finalmente a média dos valores, das velocidades projetadas numa direção, e

tomados num único sentido, será da ordem de 1224 Km/h.

Esta não é a velocidade do som ? Sim. Qualquer perturbação no ar, só se propaga por meio dechoques entre suas moléculas e portanto esta será a velocidade de sua propagação, e o somnada mais é que uma perturbação repetida numa certa freqüência.Nos não podemos ver as ondassonoras no ar, mas elas se espalham de modo muito parecido com as ondas formadas numasuperfície de água calma quando a perturbamos atirando uma pedra.

Os valores até aqui mencionados de distancias e velocidades valem para o ar a uma temperaturade 15 graus C e ao nível do mar onde o ar é mais denso pressionado pelo seu próprio peso. Amedida que vamos subindo em altitude o ar vai ficando cada vez mais rarefeito, ou seja teremosmenos moléculas pôr unidade de volume. A 4000 metros de altitude o número de moléculas de

oxigênio, embora continue a ser os mesmos 20% do total, como no nível do mar, já começa a serinsuficiente para o funcionamento correto de nossos pulmões.Daí a necessidade de se aumentaro seu número, seja com o uso de máscaras com oxigênio, ou seja aumentando a pressãoambiente, ou pressurização.

Acima de 15000 m, o número de moléculas cai tanto que até mesmo as existentes em formalíquida em nosso corpo começam a evaporar e a ocupar os vazios, sendo então, absolutamentenecessária a pressurisação da cabina.Mas mesmo lá onde orbitam os satélites artificiais, iremosencontrar moléculas desgarradas de nossa atmosfera.

Coitadinhas, estão tão isoladas, que na altura de 400 Km, por exemplo, irão somente se chocar acada 10 quilômetros percorridos, o que é muito para quem estava acostumado a encontrar-se

caminhando apenas alguns Angstrons. Apesar de poucas, são elas que, ajudadas por partículasatômicas emitidas pelo sol, são as responsáveis com os seus choques, pela redução gradativa davelocidade dos satélites de órbita "baixa", trazendo-os de volta à terra.

Observando a natureza e os pássaros o homem, este eterno invejoso, decidiu que poderiatambém voar, o que hoje fazemos das mais diferentes estranhas maneiras em: balões, asasdeltas, para-gliders, "trikes", planadores, aviões, helicópteros e foguetes.”

Francisco Leme GalvãoEngenheiro aeronáutico e mestre em aerodinâmica pelo ITA.



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1.3 Aerodinâmica, Lei dos gases, temperaturas

È a parte da física que estuda as leis de movimento do ar. É no aproveitamento da força do ar em

movimento que se baseia o vôo das aeronaves mais pesadas que o ar.

O fundamental em aerodinâmica é que: a toda e qualquer variação de velocidades das partículasde ar provocada por um corpo, corresponderá sempre uma força exercida pelo ar sobre estecorpo na direção e sentido opostos a esta variação e...vice e versa.

Isto é simplesmente outra maneira de se enunciar um dos princípios básicos da física, de que atoda ação corresponde uma reação igual e contraria, e que como veremos adiante, irá tornar maisclaro os fenômenos ligados ao vôo.

O ar é um gás possuidor das propriedades de Expansibilidade (capacidade de aumentar devolume), Compressibilidade (capacidade de diminuir de volume), e Mobilidade (facilidade de se

mover) e o seu comportamento varia quando ocorre qualquer modificação do seu volume, pressãoe temperatura. Quando isto acontece, diz-se que houve uma transformação gasosa.

Segundo os cientistas, a lei de Boyle-Mariote diz que: "O volume ocupado por qualquer gás, àtemperatura constante, é inversamente proporcional à sua pressão".

A lei de Charles diz que: "Quando o volume de um gás permanece constante, a pressão exercidapor ele é diretamente proporcional à temperatura absoluta". A lei de Gay-Lussac diz que: "Ovolume de um gás à pressão constante é diretamente proporcional à variação de sua temperaturaabsoluta.”

A densidade ou massa específica de qualquer gás, conservando a temperatura constante, varia

na razão direta da pressão; mantido à pressão constante, varia na razão inversa da temperatura.

PV=nRT Densidade = massa/volume

Um dos parâmetros do ar que influenciam no vôo é a temperatura, que é medida através determômetros que podem ser graduados em diferentes escalas. No Brasil é utilizada a escalaCelsius (ou de graus centígrados), mas muitos países utilizam a escala Fahrenheit.

A Ciência descobriu que a menor temperatura possível na natureza, aonde nenhuma molécula semove, é -273º Celsius ou a -460º Fahrenheit, chamado de zero absoluto. Outras duas escalasentão surgiram (as absolutas): a Kelvin (designada pela letra K) e a Rankine (pela letra R), criadasrespectivamente a partir da Celsius e Fahrenheit.

1.4 Escoamento

-Velocidade Relativa-Escoamento Laminar-Escoamento Turbulento

Velocidade é a relação entre o espaço percorrido por um corpo em movimento e o tempo gastoem percorre-lo. Mas o mais importante é a velocidade relativa, ou seja, considerando-se sempreuma mudança de referencial. Por exemplo, considerando duas aeronaves com velocidades de300km/h e 280 km/h, essas velocidades foram medidas em relação a um referencial (no caso



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externo, o solo por exemplo). O que se deve fazer é colocar o seu referencial em repouso emrelação ao retardatário. Teremos então uma velocidade de 20Km/h de uma em relação a outra.

O vento relativo é criado pela movimentação do aerofólio através do ar, ou pela passagem do arpelo aerofólio, ou ainda, a combinação destas duas condições.

Para o helicóptero, o vento relativo é o fluxo de ar em suas pás. Quando ele está pairando emuma condição de vento calmo ou nulo, o vento relativo é causado pelo movimento do rotor atravésdo ar. Quando há vento, ocorre uma combinação deste vento e do movimento do rotor.Num vôohorizontal, existe a combinação da rotação do rotor mais o movimento do helicóptero.

Escoamento é o movimento dos fluidos. Observando seja a fumaça de um cigarro ou a coluna deágua escorrendo de uma torneira (de baixa pressão) iremos verificar que até uma certa distânciada origem, o fluxo é contínuo e suave mas que a partir de um certo ponto, aparecem oscilações epequenos redemoinhos que vão se ampliando Assim também, as partículas de ar arrastadas por

fricção, formam junto a superfície, inicialmente um fluxo suave e em lâminas, chamado laminar, eposteriormente com micro turbilhões ou fluxo turbulento.

Logo no início, na região laminar, a fricção que é muito alta, cai rapidamente pois junto asuperfície acumula-se um número cada vez maior de partículas "arrastadas" reduzindo asvelocidades tangenciais de choque. Mas tão logo aparecem os micro turbilhões, estas partículassão afastadas da parede e substituídas por outras ainda não arrastadas, elevando novamente ovalor da fricção, que agora pelo mesmo motivo, passa a cair de modo muito mais lento. Oresultado é que a fricção total na região laminar é muito menor do que na turbulenta, e por estemotivo se procura retardar o aparecimento da turbulência tanto quanto possível.

Quanto maior for o comprimento e a velocidade da superfície, ou seja, a escala do movimento que

é representada por aquele número mágico que você já deve certamente ter ouvido falar: o"número de Reynolds", mais cedo tenderão a aparecer os micro turbilhões. Nas asas estreitas dosplanadores, pode-se.obter, escoamentos laminares se estendendo do bordo de ataque até o meioou 50% da superfície superior, e até 75% de sua superfície inferior, desde que se usem perfisespeciais e bom acabamento superficial.

Em aviões esta porcentagem de escoamento laminar, em vôo de cruzeiro não costumaultrapassar os 15 a 25% para asas de construção convencional e 35 a 40 % nas construídas emmaterial composto e empregando os chamados perfis laminares, inaugurados pelo P-51"Mustang", um dos melhores aviões de "caça" da II guerra.

Nos jatos, as pesquisas prosseguem para se tentar estender a laminaridade além dos 5 a 10%,

mas está difícil, pois até mesmo em velocidades mais baixas o escoamento laminar é instável.Insetos, cabeças de rebites, juntas, ondulações, etc., podem antecipar a formação dos microsturbilhões, e por isso devem ser evitados nas superfícies dianteiras ou bordos de ataque das asas,empenagens e rotores.

Considere-se agora uma asa num túnel de vento. A viscosidade do ar faz com que as suaspartículas próximas da superfície da asa se "agarrem" a esta fazendo com que a velocidadedestas mesmas partículas seja zero. Um pouco mais afastado as partículas são travadas, devidoà fricção entre elas, mas não ficam completamente paradas. Quanto mais se afasta da superfícieda asa maior vai se a velocidade das partículas de ar até que a uma certa distância da asa já nãohá nenhuma influência desta e o fluxo de ar mantém a mesma velocidade. À camada de ar entre asuperfície da asa e o ponto onde não há um retardamento visível na velocidade das partículas de



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ar dá-se o nome de camada limite. A natureza da camada limite é que determina o coeficiente desustentação máximo e as características de perda da asa.

No bordo de ataque de uma asa é criado uma fina camada de ar não turbulento chamado defluxo laminar e caracterizado por ar bem orientado. Conforme se vai avançando na asa acamada limite fica mais espessa e torna-se instável. Pequenas diferenças de pressão fazem comque o ar se desorganize e o cruzamento entre as diversas sub-camadas acontece. Chama-se aisto o fluxo turbulento.

A velocidade aumenta à medida que os afastamos da superfície da asa. Pode-se ver na figuraabaixo a forma como isso acontece.

1.5 Torque

Como o rotor principal de um helicóptero gira em uma direção, pela terceira lei de Newton que“para toda ação existe uma reação igual e oposta”, a fuselagem tende a girar na direção oposta.Essa tendência que a fuselagem tem de girar é denominada torque.

O torque é definido pela aplicação de um momento, força vezes a distância, rotacional em umcorpo, permitindo com que os corpos livres girem ou se deformem em torção nos impossibilitadosde girar. O torque è medido em metro-Newton (mN) ou seu múltiplo usual metro-decaNewton(mdaN). Uma vez que o efeito do torque sobre a fuselagem é o resultado direto da potência domotor fornecida ao rotor principal, qualquer mudança na potência do motor causará uma mudançacorrespondente no efeito do torque. Quando maior a potência do motor, maior o efeito do torque.Diversas fórmulas foram adotadas, como por exemplo utilizar dois rotores girando em sentidocontrário, isto neutraliza os torques de reação. Para isso, foram fabricados os modelos comrotores coaxiais, em tandem e lado a lado. Mas a solução mais utilizada, em virtude de suasimplicidade, é o rotor anti-torque na traseira, chamada, rotor de cauda.

Pedais na cabine de comando permitem ao piloto aumentar ou diminuir o empuxo no rotor decauda, como necessário, para neutralizar o efeito de torque. Uma vez que não haja potência domotor, sendo suprida para o rotor principal durante a autorrotação, não haverá, também reação detorque durante a auto-rotação.

Para se beneficiar de uma eficácia máxima, o rotor de cauda deve estar localizado o mais longepossível do eixo do rotor principal.



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O sistema anula a tendência à rotação da fuselagem, mas uma força residual subsiste tendendo afazer a aeronave derivar no sentido do empuxo do rotor antitorque. Esta tendência é combatidapor uma leve inclinação do eixo do rotor principal na direção oposta à da deriva.

O rotor de cauda comporta um outro inconveniente, a potência aborvida para acioná-lo é daordem de 10% a 15% da potência total. E é na fase de vôo pairado que esta porcentagem é maiselevada, quando é necessário o máximo de potência ao rotor.



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2. Origem das Forças

Uma das diferenças entre um helicóptero e uma aeronave de asas fixas é a principal fonte desustentação. A aeronave de asa fixa produz sua sustentação da superfície de um aerofólio fixo,enquanto um helicóptero a sustentação provem de um aerofólio rotativo, denominado rotor.

Durante qualquer tipo de voo horizontal ou vertical, existem quatro forças atuando, a sustentação,o empuxo, o peso e o arrasto do helicóptero. Sustentação é a força requerida para suportar opeso do helicóptero. Empuxo é a força requerida para vencer o arrasto sobre a fuselagem e outroscomponentes do helicóptero.

Durante voo pairado, numa condição “sem vento”, o plano desenvolvido pelo rotor é horizontal,isto é, paralelo ao solo. Sustentação e empuxo agem em linha reta para cima; peso e arrastoagem para baixo. A soma das forças de sustentação e de empuxo tem que igualar a soma dasforças do peso e empuxo, de forma a fazer o helicóptero pairar.

Quando sustentação e empuxo se igualam ao peso e arrasto, o helicóptero paira, se asustentação e o empuxo são menores que o peso e arrasto, o helicóptero desce verticalmente, sesustentação e empuxo são maiores que peso e arrasto, o helicóptero sobe verticalmente.

Em voos para frente, o plano desenvolvimento pelo rotor é inclinado para frente, dessa formainclinando a força sustentação-empuxo para frente. Essa força resultante sustentação-empuxopode ser decomposta em duas componentes (sustentação atuando verticalmente, e empuxoatuando horizontalmente na direção do voo). Além disso, para sustentação e empuxo, existe opeso, a força que atua para baixo, o arrasto, a força que atua para trás, ou força retardadora deinércia e de resistência ao vento.

Em voo reto e nivelado, voo para frente desacelerado, a sustentação se iguala ao peso, e oempuxo se iguala ao arrasto. Se sustentação exceder o peso, o helicóptero sobe: se asustentação for menor que o peso o helicóptero desce.

Se o empuxo exceder o arrasto a velocidade do helicóptero aumenta; se o empuxo for reduzido, avelocidade diminui; em voo lateral, o plano desenvolvido é inclinado lateralmente na direção dovoo, inclinado dessa forma o vetor sustentação-empuxo lateral total. Nesse caso, a componentesustentação, ou vertical, é ainda reta para cima, o peso reto para baixo; porém o componenteaceleração, ou horizontal, agora atua lateralmente como o arrasto, atuando para o lado oposto.

No voo para trás, o plano desenvolvido é inclinado para trás, inclinado o vetor sustentação-empuxo, lateralmente. O componente do empuxo é para trás, e o componente arrasto para frente,exatamente oposto ao voo para frente.

L=Sustentação T=Tração W=Peso D=Arrasto



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2.1 Sustentação

O físico Daniel Bernouilli observou que num cano de grande diâmetro a água em repouso no seu

interior tinha uma elevada pressão estática (máxima), mas a medida que escoava, esta pressãodiminuía. Ao reduzir o diâmetro do cano pela metade, as moléculas do fluido aumentaram a suavelocidade fazendo a pressão estática cair e a dinâmica aumentar. Concluiu então que: "se maisestreitasse o tubo, maior seria a velocidade de escoamento e pressão dinâmica do fluido, (fosselíquido ou gasoso) e menor seria a pressão estática".

Diante dessa observação, podemos concluir que na parte superior do aerofólio, pá ou asa,teremos menor pressão estática, por termos velocidade maior, consequentemente uma sucçãochamada de sustentação.

“A explicação convencional começapela descrição de que a parte decima da asa é curva, a de baixo é

reta e ai a velocidade em cima temque ser..maior, e sendo maior, deacordo com a lei de Bernoulli, apressão é menor....! Esta respostanão só é complicada como dizapenas parte da verdade, pois pode- se voar perfeitamente com uma asaplana, seja uma pipa, ou umaeromodelo. Ela também não explica

como voam os aviões com asas de perfil simétrico como um B-17, ou um "Sukhoy" acrobático!

Podemos, isto sim, usando o princípio de ação e reação, e o seu já visto equivalente aerodinâmico

que relaciona forças às velocidades induzidas no ar, dar a resposta mais inteligível, simples, ecorreta que conheço, que é a seguinte: O rotor acionado pelo motor, devido ao ângulo de suaspás, joga ar para baixo assim empurra o helicóptero para cima ou no avião, com o ar jogado paratraz, a asa, devido ao seu ângulo de ataque (e ou curvatura), joga para baixo uma grandequantidade de ar e isto empurra o avião para cima....

....Agora que sabemos a grosso modo porque o avião voa, vamos esmiuçar melhor o queacontece entre a asa e o ar. Considerando uma chapa plana colocada fora da janela do carro,inicialmente alinhada com o vento. É preciso segurar firme pois dando-se um pequeno ângulo demodo a elevar seu bordo dianteiro, já iremos sentir uma forte força para cima. Vamos tentarexplicar o que está ocorrendo.

Na parte de baixo há um pequeno acúmulo de moléculas, das partículas que vão sendo defletidaspara baixo como bolas de tênis chocando-se com uma raquete inclinada. Este acúmulo é grandeno bordo dianteiro diminuindo ao longo da chapa e desaparecendo no bordo traseiro. Mas o maisimportante ocorre na parte de cima onde devido a inércia, as partículas levam algum tempo paraserem desviadas para baixo por efeito dos choques moleculares das demais partículas, o queprovoca uma redução no número de moléculas ainda mais forte que o acúmulo na parte de baixo.Temos portanto um aumento de pressão na face inferior e uma redução de pressão ainda maiorna face superior, especialmente no bordo dianteiro ou de ou bordo de ataque".

Francisco Leme Galvão Eng. Aer.e mestre em aerodinâmica pelo ITA



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AEROFÓLIO

L = Sustentação

D = Arrasto

a = Ângulo de ataque

Cp= Centro de pressão

Corda do perfil é a linha média imaginária que une obordo de ataque ao bordo de fuga

Centro de pressão é o ponto de interseção da resultanteaerodinâmica (R) com a corda

L= ½ ρ V² S Cl

2.2 Ângulo de ataque

É o ângulo formado pela corda do perfil e a direção do vento relativo.

O valor de CL é por sua vez é diretamente proporcional ao ângulo de ataque. O ângulo de ataquenão deve ser confundido com o ângulo de incidência, que é o ângulo formado pela corda média doperfil e o eixo longitudinal da aeronave. No caso do helicóptero ele é medido em relação a umponto situado na Cabeça do Rotor Principal.

A partir de um determinado valor do ângulo de ataque, geralmente em torno de 18° os filetes dear não conseguem acompanhar a curvatura do perfil, e se desprendem causando uma quedabrusca de sustentação a qual se dá o nome de estol.

O ângulo de ataque varia com:

• Com os movimentos das pás em batimento e avanço e recuo em torno do disco do rotor.• Com as condições atmosféricas adversas, como: ventos de través, ventos tempestuososou condições de turbulência do ar.• O ângulo de ataque é fator primário para determinar a quantidade de sustentaçãoproduzida pelas pás do helicóptero

2.3 Ângulo de Incidência

O ângulo de ataque não deve ser confundido com ângulo de incidência. Sempre que o ventorelativo é modificado pelo fluxo de ar induzido ou pelo deslocamento horizontal do helicóptero o



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ângulo de ataque é diferente do ângulo de incidência. O controle de sustentação é obtidomudando-se o ângulo de incidência das pás do rotor em pontos de interesse.

O ângulo de incidência ou de passo é definido como sendo o ângulo formado entre a corda doaerofólio o plano de rotação do rotor. É um ângulo mecânico e não um ângulo aerodinâmico. Naausência de fluxo de ar induzido, o ângulo de ataque coincide com o ângulo de incidência.

2.4 Peso L=Sustentação

W=Peso

O peso é definido como a ação daaceleração da gravidade sobre umcorpo

W = m g

W=Peso

m=massa

g=aceleraçãoda gravidade

O peso de um objeto sofre pequenas variações em função da latitude e da altitude. Como aaceleração da gravidade na terra é maior que na lua um mesmo objeto pesará mais na terra doque na lua.

O peso é uma força sempre aplicada ao CG(Centro de gravidade) da aeronave e sempre

apontada para o centro da terra. É importante não confundir peso com massa.

Massa é a quantidade de matéria contida em um corpo. Um determinado objeto terá sempre amesma massa em qualquer parte do universo.

2.5 Tração

TRAÇÃO

L=Sustentação

L1=Componentevertical dasustentação

W=Peso

D=Arrasto

T=Tração A tração aparece quando há inclinação do plano do rotor principal. Como a sustentação éperpendicular ao plano do rotor, a inclinação deste faz aparecer uma componente na direção dainclinação, que é a tração. Com o aparecimento da tração o helicóptero começa a se deslocar,quando então aparece o arrasto.



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Com o deslocamento aumenta o fluxo de de ar que passa pelo rotor, o que provoca um aumentoda sustentação. Este acréscimo na sustentação é chamado de sustentação de deslocamento

2.6 Arrasto

É o componente que contraria o deslocamento do aerofólio. Arrasto ou resistência ao avanço éparalelo e na mesma direção e sentido do vento relativo. Tipicamente, quando a sustentaçãoaumenta, o arrasto também aumenta. Entretanto, esta relação não é necessariamenteproporcional.

- Arrasto de perfil ou pressão:

Se colocarmos a mão espalmada para fora de um carro a 100 Km/h, o esforço para mante-lanesta posição será o equivalente a segurar um saco de ½ Kg de pó de café.

Esta força que sentimos na mão, e é chamada de arrasto de pressão, e decorre portanto, apenasdo aumento de pressão em sua face dianteira.Confirmando a lei da ação e reação tem sentidooposto a variação de velocidade das partículas aceleradas para frente ou arrastadas.

É a soma do arrasto de atrito mais o arrasto devido a distribuição de pressões sobre o perfil. Éobtido das curvas de arrasto do perfil e varia com a sustentação. Depende portanto, do desenhodo perfil. O arrasto de forma depende de alguns fatores como a densidade do ar, velocidade eárea frontal do corpo, podendo ser calculado com a fórmula abaixo.Onde:

D = força de resistência ( Drag)Cd = coeficiente de arrasto do perfil

p = densidade do arS = área da superfície da asa

v = velocidade da aeronave D = ½ ρ V² S Cd

- Arrasto de atrito:

Considerando uma chapa muito fina e alinhada com o vento e tendo portanto um arrasto depressão praticamente nulo, iremos detectar em sua esteira, uma fina camada de partículasarrastadas na direção do seu movimento e indicativas de uma força se opondo ao mesmo, ouseja, uma força de arrasto.

Esta força é o que chamamos de arrasto de fricção e resulta das componentes de força paralelasà superfície, devido aos choques das moléculas com a superfície externa do corpo. Ela seráportanto tanto maior quanto maior for a superfície em contato com o ar e quanto maiores forem asvelocidades tangenciais das partículas junto a superfície.

_Arrasto parasita

O arrasto parasita do helicóptero, pode ser representado pela "placa plana equivalente", ou seja,quando ela é exposta ao vento relativo, produz um arrasto que se eqüivale a soma de todos osarrastos provocados por cada parte do mesmo.Assim, a remoção das portas, a colocação demetralhadoras, macas e outros acessórios, também aumentam a área parasita.



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- Arrasto induzido:

É a resistência útil devido a sustentação. Consideremos um aumento do ângulo de ataque dorotor, acentua-se ainda mais a diferença, a sucção superior chegando a ser mais do que o dobrodo valor da pressão inferior! Isto aumenta a força resultante sobre a chapa, que obviamentedevido ao seu ângulo, tem uma componente para trás ou seja uma força de arrasto, que tambémserá tanto maior quanto maior este ângulo. Este arrasto, somado ao sempre presente arrasto defricção, também aumentado devido ao aumento das velocidades tangenciais, aumenta o númerode partículas arrastadas, que vão se acumulando na esteira posterior ou bordo de "fuga" dachapa.

Acho que já deu para perceber que o arrasto induzido nada mais é, que a componente para trásdaquela força resultante das pressões e sucções, que também criam a sustentação. Assim sendo,quanto maior for a sustentação, maiores serão o ângulo e o arrasto induzidos, e as velocidadespara baixo e portanto mais fortes serão os vórtices de ponta de asa que não criam o arrastoinduzido, mas tem a mesma origem deste.



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3. Aerofólios

3.1 Elementos de um Perfil da Pá de um Helicóptero

Principais elementos de umaerofólio

• Corda;• Bordo de ataque e

bordo de fuga;• Cambra superior e

cambra inferior;• Intradorso e

extradorso;• Centro de gravidade;• Centro de pressão;• Plano de rotação;

AEROFÓLIOS PARA HELICÓPTEROS



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3.2 Tipos de perfil Existem dois tipos distintos de perfis: os simétricos e assimétricos. Os assimétricos produzemsustentação com ângulos de ataque igual a zero mas tem a grande desvantagem de fazer alterar

o momento de picar, complicando o problema de se equilibrar um rotor já que durante umarotação o ângulo de ataque das pás muda constantemente.

Outra forma de resolver o problema da diferença de sustentação ao longo da pá devido à diferentevelocidade de rotação ao longo da mesma é torcer a pá de forma que o ângulo de ataque junto àraiz seja maior do que junto da ponta.

CURVA POLAR DO PERFIL

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

-6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 22ÂNGULO DE ATAQUE

CD

00,20,40,60,811,21,4

1,6

CL

CD CD/CL CL

3.3 Elementos da pá



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3.4 Força de sustentação nas pás

A velocidade de cada secção de uma pá depende da distância a que se encontra do cubo do rotore da velocidade de rotação.Abaixo está uma figura que representa isso.

Como podemos ver da figura acima quanto maior a distância ao cubo do rotor, maior avelocidade da secção da pá. Assim se toda a pá tivesse com o mesmo ângulo de ataque asustentação da raiz para a ponta iria aumentar drasticamente já que a sustentação varia com oquadrado da velocidade.

A solução encontrada foi variar o ângulo de ataque da pá sendo este maior na raiz, onde avelocidade é maior, e menor na ponta. Chamamos então torção da pá.



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Observe as curvas para as pás com torção e sem torção. Com torção na curva em azul a pápossui uma distribuição de sustentação uniforme.

3.5 Forças Centrífugas e Forças Centrípetas

Força centrifuga: é aquela que tende a afastar um corpo em trajetória circular do seu centro derotação. Outra força gerada é a força centrípeta, que contraria a força centrífuga e tende aaproximar a massa rotativa do seu centro de rotação.

Um helicóptero em funcionamento gera em seu rotor forças centrífugas enormes que sãotransferidas das pás para seu engastamento na cabeça do rotor. Tais forças ultrapassamfacilmente 20 toneladas por pá em um helicóptero de médio porte. Nos helicópteros a forçacentrífuga é dominante no sistema do rotor. É ela que mantém a retidão e rigidez da pá quesuportará todas as evoluções do vôo. Todas as outras forças atuam de forma a modificar osefeitos desta força.



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4. Comandos de Vôo

O controle de um helicoptero obedece aos mesmos princípios de comando de uma aeronave deasa fixa, sendo feito segundos três eixos: transversal, longitudinal e vertical. O movimentosegundo o eixo longitudinal (voo para frente e para trás) é controlado pelo manche cíclico. Ocoletivo controla os movimentos ao longo do eixo vertical (subida ou descida). O manche cilíciocontrola também a atitude e o rolamento enquanto os pedais controlam a direção.

A atitude e o rolamento são controlados através do manche cíclico pela inclinação que se dá aorotor, mais propriamente ao seu prato fixo. O sistema de pratos (um fixo e um rotativo) é osistema mais comum para controlar a inclinação das pás do rotor havendo no entanto outros.

Por exemplo, se o helicóptero estiver inicialmente funcionando no solo, o passo coletivo estará

baixado e o manche cíclico centralizado. Nestas condições, o rotor principal estará comsustentação nula e o rotor estará conseqüentemente sem conicidade.

a) Giro no solo

b) Pairado

c) Translação



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4.1 Comando coletivo

Para controlar a sustentação do rotor utiliza-se a alavanca de passo coletivo, acionada pelo pilotocom a mão esquerda. Tal alavanca está ligada a um mecanismo que altera o passo das pás dorotor. Quando o piloto puxa para cima a alavanca de coletivo, o passo aumenta, bem como asustentação do rotor: o helicóptero tende a subir. Baixando a alavanca de coletivo, o passo e asustentação diminuem, o helicóptero tende a descer.

A alavanca de coletivo altera uniformemente e simultaneamente o ângulo de passo em todas aspás. Quando o piloto aciona essa alavanca, o platô cíclico desliza sobre o mastro para cima oupara baixo. Quando a alavanca é puxada para cima o ângulo de ataque aumenta. Quando aalavanca é baixada o ângulo de ataque diminui.

O coletivo é o controle primário de altitude e secundário de RPM. O coletivo também é o controleprimário de pressão de admissão, pois, controla também a aceleração do motor.

4.2 Manete de potencia:

Punho rotativo que controla a rotação do motor através do aumento ou diminuição da quantidadede combustível e consequentemente da potência aplicada.

É o controle primário de RPM e secundário de pressão de admissão.



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O manômetro de pressão de admissão - ou manifold -- é um instrumento que indica a pressão dosgases de admissão tomada no coletor de admissão do motor. Quando o motor está parado, comonão há fluxo de gases no interior do coletor, ele indica a pressão atmosférica local, ou ambiente.

CONDIÇÕES COMANDO RESULTADOPA-BAIXARPM-BAIXA

ABRIR MANETE PA-SUBIRÁRPM-AUMENTARÁ

PA-ALTARPM-BAIXA

BAIXAR COLETIVO PA-DIMINUIRÁRPM-AUMENTARÁ

PA-ALTARPM-ALTA

FECHAR MANETE PA-DIMINUIRÁRPM -DIMINUIRÁ

PA-BAIXARPM-ALTA

SUSPENDERCOLETIVO

PA-SUBIRÁRPM -DIMINUIRÁ

4.3 Comando cíclico:

O cíclico controla a direção da força aerodinâmica gerada pelo rotor principal por meio da variaçãocíclica de passo, comandando a inclinação do disco do rotor.

Altera o ângulo de ataque das pás do rotor principal em determinados

setores de sua trajetória. Esta mudança ocorre a cada volta completa das pás do rotor principal.Quando a alavanca é movimentada ocorre uma inclinação do disco do rotor principal, inclinando,portanto, a direção da força de sustentação, que é sempre perpendicular ao disco, fazendoaparecer uma componente horizontal, a tração, que faz com que o helicóptero se desloque nosentido da inclinação do rotor. O cíclico controla os movimentos de arfagem e rolagem, atuandoatravés da unidade misturadora e das estrelas rotativa e estacionária.

O cíclico é o comando primário de velocidade e secundário de altitude. O piloto poderá comandarao mesmo tempo uma variação coletiva e uma variação cíclica, obtendo-se assim momentos decontrole combinados.



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Como a haste de mudança de passo está a 45° avançada em relação à pá, os comandos quechegam à estrela estacionária estão defasados apenas a 45°, fazendo com que os comandos depasso cíclico cheguem à pá com 90° de defasagem, compensando o efeito giroscópico. Emvirtude deste efeito, os comandos de mudança de passo devem ser feitos a 90° antes da posiçãodesejada

4.4 Comando dos pedais :

Os pedais controlam a proa do helicóptero, através do controle do passo das pás do rotor decauda, gerando uma força no rotor de cauda de modo a controlar direcionalmente a aeronave. Orotor de cauda tem ângulo de ataque positivo com os pedais na posição neutra para compensar otorque em vôo de cruzeiro. A aplicação do pedal tende a alterar a RPM do rotor, que deve sercorrigida pelo piloto. O pedal é o comando primário de proa.

4.5 Estabilizadores Verticais :

A deriva superior é uma asa de perfil assimétrico e tem a função, quando em vôo à frente, de criar

uma força aerodinâmica oposta ao torque de reação do rotor principal sobre a estrutura. Essaforça age no mesmo sentido que o empuxo do rotor traseiro. Isto permite a redução da potênciado rotor de cauda no vôo à frente. Além da economia da potência fornecida pelo motor, apilotagem é facilitada no sentido de que o piloto pode continuar o vôo sem necessidade do usodos pedais para velocidades estabilizadas de vôo cruzeiro ou superior. Também para o caso deuma falha do rotor de cauda a deriva permite ao piloto continuar vôo e efetuar um pouso corridoem segurança.

Da mesma forma que a deriva superior, a deriva inferior ajuda também na estabilidade dinâmicada aeronave. Na maioria dos casos a deriva inferior é equipada com uma bequilha de proteçãopara o rotor traseiro. Para o caso de um pouso com grande ângulo cabrado (flare) é possível quea bequilha de proteção toque o solo sem danificar o rotor de cauda.

4.6 Estabilizador Horizontal :

O estabilizador horizontal é uma asa com perfil assimétrico e invertida. Tem a finalidade de mantera aeronave nivelada com relação ao seu plano horizontal, quando esta está em vôo de translação.Quando se leva o cíclico à frente para se iniciar a translação, a pá que passa na parte de trás dodisco do rotor fica mais alta com relação à pá que passa na frente e esta atitude tende a levantar acauda da aeronave criando um momento picado. Com o aumento da velocidade o estabilizadorhorizontal gera uma sustentação no sentido invertido, ou seja para baixo, tendendo a baixar acauda no sentido de nivelar a aeronave no plano horizontal. Isso traz a aeronave para uma atitudecorreta em relação ao plano horizontal, evitando desconforto dos passageiros durante o vôo.



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5. Princípios do Vôo

5.1 Vôo pairado

O pairado é o vôo no qual o helicóptero se encontra imóvel em relação a um ponto. Um simplesvôo pairado constantemente requer correções do piloto. Caso o helicóptero seja perturbado emalguma direção, ele tenderá a continuar aquele movimento até que o piloto o corrija na direçãocontrária. Teoricamente, a velocidade no vôo pairado não é zero, pois, a velocidade do helicópterodepende da velocidade do vento relativo, sendo a posição do disco de rotação, inclinada nadireção contrária e na mesma intensidade do vento, na qual o helicóptero terá todas as reaçõesde que como estivesse voando horizontalmente na velocidade do vento.

Pairado OGEUma das formas de saber as performances de um helicóptero é saber qual a altitude máxima eque este pode manter pairado fora do efeito de solo (OGE - Out Ground Efect).

Pairado IGEOutro parametro a ter em conta é saber qual a altitude máxima e que este pode manter pairadodentro do efeito de solo (IGE - In Ground Efect).

SUSTENTAÇÃO = PESO

5.2 Efeito soloÉ o ganho extra de sustentação que o helicóptero adquire, sendo máximo quando se encontra novôo pairado até uma altura máxima de metade do diâmetro do rotor principal, resultando em umaumento do teto do helicóptero no vôo pairado.

É uma consequência do ar comprimido pelo rotor principal, contra o solo, formando um colchão dear abaixo da área de cone. A direção e a quantidade de ar são de grande importância, sendo oefeito diretamente proporcional ao ângulo de ataque das pás do rotor principal, neste caso temmaior importância que a RPM, provocando um aumento da densidade do ar abaixo do disco derotação que voltará de encontro ao rotor principal, aumentando a sustentação deste.

O tipo de terreno também é de grande importância, pois quanto mais consistente e plano for oterreno, maior a quantidade de ar defletida aumentando a sua eficiência e perdendo eficácia emgrama, capim alto e água onde o efeito é praticamente desprezível..



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Na realidade, os vórtices de ponta de asa formam-se sempre que uma asa ou pá produzir

sustentação. Os vórtices fazem com que o ar seja acelerado para baixo causando um"downwash". A representação vetorial mostra que para um certo ângulo de ataque existe umarrasto induzido e uma dada sustentação efetiva.

Quando próximo do solo existe um deformação física dos vórtices de ponta de asa e eles serão

mais reduzidos. Isso faz com que o vento de downwash relativo seja menor e consequentementepara o mesmo ângulo de ataque o arrasto induzido é menor e a sustentação efetiva é maior. Istotraduz-se numa redução de potência para manter o helicóptero pairado junto do solo.

O efeito é sensível se a distância entre o disco e o solo não ultrapassar um diâmetro do disco. Eleaumenta cerca de 10 % da sustentação. Este fenômeno explica a existência de diversos tetos deutilização, com ou sem efeito solo.

5.3 Vôo em deslocamento

Chamamos a força vertical que o rotor desenvolve de sustentação. Deslocando, teremos umaforça adicional necessária para superar o peso e que serve para movimentar o helicóptero.Quando se passamos de uma situação de estacionário para translação, o vetor resultante édecomposto em duas componentes sendo a sustentação (componente vertical do impulso total)menor que este. De fato, uma das primeiras reações quando se passa para voo de translação éum afundar do helicóptero, a não ser que se aplique mais coletivo.

Quase todos os ajustes que se faz em um dos comandos de vôo produzem efeitos que requeremcompensações nos outros comandos. Movendo o cíclico à frente resulta em aumento davelocidade, mas em contrapartida também causa uma redução na sustentação, que por sua vezirá requerer mais efeito do coletivo para compensar essa perda. Aumentar o coletivo reduz a RPMdo rotor por causar mais arrasto sobre as pás, requerendo a abertura da manete de potência domotor para manter a rotação constante. Se o motor está transferindo mais potência ao rotor, isso



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causará mais torque e irá requerer mais ação do rotor de cauda, o que é resolvido ajustando ospedais.

T = cos a L1 = sen a

L L5.4 Variação da potência necessária

No inicio do deslocamento, no caso das aeronaves de asa fixa, a potência necessária consiste napotência para ultrapassar o arrasto induzido somado à potência necessária para ultrapassar oarrasto parasita. No caso dos helicópteros devemos somar ainda a potência necessária paraultrapassar o arrasto causado pela rotação do rotor. Chama-se a isso arrasto de perfil ou desilhueta, e ao contrário do arrasto parasita ele existe mesmo sem velocidade de translação. Acurva de potência dos helicópteros tem as seguintes características.

Como se pode ver da figura acima há uma redução significativa na potência necessária conforme avelocidade vai aumentando. Isto é causado pela sustentação de deslocamento. A eficiência dorotor aumenta conforme a velocidade aumenta já que no pairado haverá muita turbulênciacausada pelos vórtices de ponta das pas. Conforme a translação do helicóptero para uma regiãode ar não turbulento os vórtices são deixados para trás, o fluxo de ar torna-se mais horizontal e aeficiência do rotor aumenta.

Em vôo pairado, o empuxo era suficiente para equilibrar o peso. Em seguida do movimento deinclinação do rotor, para a colocação em translação, a componente vertical inferior à força doempuxo não basta mais. Resulta que uma colocação em translação deve sempre seracompanhada de um aumento do passo coletivo e de potência, para compensar esta queda desustentação.



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6. Efeitos Aerodinâmicos

6.1 Definições:

_ Eixos da pá

Fique atento para não confundir os eixos imaginários da pá com eixos imaginários dohelicóptero.Imagine o sistema do rotor fora da fuselagem do helicóptero.

- LongitudinalEste é o eixo longitudinal da pá, sobre o qual ocorre a mudança de passo.

- VerticalSobre o eixo vertical ocorre o movimento de avanço e recuo das pás.

- TransversalE sobre o eixo transversal ou lateral se dá o movimento de batimento, ou flapping.

_ Eixos da aeronave:



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_ Eixo de rotação

_Angulo de conicidade:

A força resultante, criada pela força centrífuga e pela sustentação (apenas cerca de 7% daprimeira) vai ser visível no levantamento das pás do helicóptero. Chamamos de conicidade ouEfeito Cone e é tanto maior quanto mais pesado o helicóptero esteja.

_ Disco do rotor e carga do disco (Carga alar)

Plano do disco, ou disco do rotor, é o plano que contém a pista descrita pela extremidade da pá. Aforça centrífuga e a sustentação "ajustam" o plano do rotor, determinando sua atitude e a flexãodas pás.



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Quando voa de forma retilínea e horizontal, o rotor suporta apenas o peso do helicóptero, ou seja,a sustentação “L” é igual ao peso “W”, de onde podemos afirmar que o fator de carga ougravitacional é: L = W = 1.

_ Solidez total e solidez parcial

Este aspecto é o que dita grande parte das características de um rotor, tais como a capacidade dade gerar tração a determinadas rotações.

A solidez de um rotor, não tem nada a ver com “rigidez” ou resistência mecânica do material, elarepresenta na verdade a relação entre a área total das pás e a área “varrida” pelas pás,normalmente num perímetro correspondente a 70% do raio das pás. Então, quanto maior for aárea das pás e menor for a área varrida pelas mesmas, maior será a solidez da turbina.

As turbinas de alta solidez apresentam alto rendimento aerodinâmico a baixas velocidades derotação e este tende a cair conforme aumenta rotação. Enquanto que com as turbinas de baixasolidez ocorre o efeito contrário: o rendimento máximo é alcançado a valores de relações develocidade altos, ou seja, quando a velocidade de rotação é maior.

Por trabalharem a velocidades de rotação mais elevadas, as turbinas de baixa solidez necessitamde mecanismos de controle de potência para que possam ter sua velocidade de rotaçãocontrolada no caso de a velocidade do vento atingir valores que possam danificar (sobrecarga) oudesgastar sua estrutura. Assim consegue-se uma maior vida útil do sistema o que acaba influindono custo de manutenção do equipamento e no tempo de retorno dos investimentos.

Os rotores de alta solidez são mais empregadas em aeronaves maiores pois embora de custos

superiores, têm a vantagem de possuir uma estrutura menos sofisticada e não necessitar demecanismos de controle sofisticados.



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6.2 Batimento:

Batimento ou flapping é o movimento vertical das pás de um rotor, medido em suas pontas.

Podemos comparar o movimento de batimento ao movimento de uma gangorra.

No sistema do rotor tripá, as pás são ligadas ao cubo do rotor pela articulação horizontal, a qualpermite que as pás se movam no plano vertical, ou seja para cima ou para baixo na medida emque elas giram.

No voo para frente, considerando que a haste de mudança de passo da pá é fixa, o aumento desustentação na pá que avança devido a velocidade maior, provoca o levantamento da pá,diminuindo o ângulo de ataque, uma vez que o vento relativo irá mudar da direção horizontal prabaixo. A redução da sustentação na pá que recua causará a queda da pá, aumentando o ângulode ataque devido a haste e à troca do vento relativo, da direção horizontal para direção para cima.

A combinação do ângulo de ataque reduzido na pá que avança e o ângulo de ataque aumentadona pá que recua pela ação do ângulo de abatimento tende a equalizar a sustentação sobre asduas metades do disco do rotor, compensando a dissimetria de sustentação.

Num sistema bi-pá, as pás batem como uma só unidade. Enquanto a pá que avança bate paracima devido ao aumento de sustentação, a pá que recua bate para baixo, devido à redução dasustentação. A mudança no ângulo de ataque em cada pá produzida por esse fato, tende aequalizar a sustentação sobre as duas metades do disco do rotor.A posição do controle cíclico de passo no voo para frente, também causa diminuição do ângulo deataque na pá que avança, e um aumento do ângulo de ataque na pá que recua. Isso, somados aobatimento das pás equaliza a sustentação sobre as duas metades do disco do rotor.

6.3 Efeito de Coriólis:

O matemático Coriólis afirma que "para um corpo em movimento giratório, o produto davelocidade pela distância do centro de massa ao eixo de rotação deve permanecer constante”.

A distância do centro de massa ao eixo de rotação vezes a velocidade de rotação devepermanecer constante para uma determinada rotação.

V = .rEC = m.v² = m. ².r²

2 2



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Caso a distância do centro de massa ao eixo de rotação varie, a velocidade também irá variar,para que o produto permaneça constante (k).

Sempre que as pás do helicóptero fazem o movimento de batimento para cima, a distância do seucentro de massa ao eixo de rotação, diminui. A distância se tomando menor, a velocidade derotação da pá deverá aumentar, para que o produto permaneça constante.

Quando ocorre o contrário, ou seja, temos um batimento para baixo, nos distanciamos mais doeixo de rotação e a tendência será a de diminuir a rotação. A esta tendência das pás em alterarem

suas velocidades damos o nome de efeito de Coriólis, que provoca os movimentos de avanço erecuo

Os amortecedores (dampers) instalados no cubo do rotor, são os responsáveis por absorver estesmovimentos de avanço e recuo. Esta tendência de variar a velocidade é absorvida nos rotoresarticulados pelos amortecedores de avanço e recuo, e nos rígidos e semi-rígidos pela própriaestrutura.



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6.4 Precessão Giroscópica

A precessão giroscópica é um fenómeno físico que faz com a reação a qualquer força aplicadanum ponto de um disco em rotação se dê 90º depois.

O alto giro do rotor principal de um helicóptero atua como um giroscópio que tem propriedadescomo a precessão e rigidez giroscópica. A precessão giroscópica surge quando uma força tentamudar o seu plano de rotação. Neste caso o giroscópio reagirá como se esta atuasse em umponto situado a 90º do ponto de aplicação e no sentido de rotação.

Devido á propriedade da precessão giroscópica, as pás não sobem ou abaixam para a deflexãomáxima, até um ponto proximadamente a 90ᵒ após, no plano de rotação.

6.5 Dissimetria de sustentação ou Efeito translacional:

A dissimetria de sustentação é definida como a sustentação desigual na área do disco do rotor,criada pelo vôo com velocidade de translação ou vento e foi o maior problema encontrado paraconseguir fazer o helicóptero voar.

- Vôo Pairado Sem VentoNum vôo pairado sem vento, a velocidade tangencial de uma pá é constante, qualquer que seja asua posição no disco do rotor. Nesta condição há uma sustentação perfeitamente simétrica. Nãohá variação de ângulo de ataque e também não varia a velocidade. Assim, é possível concluir quea pá que avança tem a mesma sustentação do que a pá que recua.

Normalmente, as pás têm uma velocidade média tangencial de 400 milhas por hora em suaspontas, que vai decrescendo na direção da raiz até atingir velocidade considerada desprezível.

- Vôo à Frente ou Pairado Com VentoDissimetria de Sustentação ou Efeito Translacional é a desigualdade de sustentação entre ametade direita do plano de rotação (pá que avança) e metade esquerda (pá que recua). Essadesigualdade deve-se a velocidade do ar que passa sobre as pás. A pá que avança tem umavelocidade aerodinâmica maior que a pá que recua, tem-se portanto maior sustentação na metadedireita do plano de rotação.



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No início do deslocamento, a pá que avança terá maior sustentação em relação a que recua,embora a RPM seja a mesma, a velocidade aerodinâmica é maior na pá que avança, fazendo comque o helicóptero tenha a tendência de cabrar.

A solução para este problema é alterar a sustentação através da mudança de passo cíclica, páque avança, maior sustentação, menor ângulo de ataque; pá que recua, menor sustentação, maiorângulo de ataque. Consegue-se através do batimento das pás, que é o resultado de duas forças:sustentação e força centrífuga. Desde que a força centrífuga permaneça essencialmenteconstante durante o vôo, o ângulo de batimento varia com a quantidade de sustentação geradapela pá do rotor. Como o helicóptero voa horizontalmente, a pá que avança desenvolve maissustentação que a pá que recua.

Esta sustentação aumentada faz com que a pá bata para cima. Considerando as hastes demudança de passo fixas, o movimento para cima diminui o ângulo de ataque da pá, o qual, porsua vez, diminui a quantidade de sustentação. Para compreender melhor esta mudança no ângulo

de ataque como resultado do batimento, pense num aerofólio com um ângulo de ataque positivo.Se este aerofólio se movimenta rapidamente para cima, a direção do vento relativo muda. Aoinvés de atingir o aerofólio em linha reta, agora vindo de cima dá ao aerofólio um ângulo deataque menor.

Desta forma tem-se uma sustentação igual em todo o plano de rotação, fazendo o helicópterodeslocar-se em velocidade constante, porque para aumentar a velocidade tem-se que inclinarmais o plano de rotação, desigualando novamente a sustentação, tendo um novo ângulo paracada setor que a pá se encontre, equalizando novamente a dissimetria de sustentação.

Girando no sentido anti-horário, a pá começa a avançar quando passa dos 180º e a recuarquando passa dos 360º. Quando avança, a pá está com seu bordo de ataque contra o vento

relativo e sua velocidade tangencial é somada à velocidade do vento, proporcionando sustentaçãomuito maior do que a da pá que recua.

Por estar no sentido oposto ao da velocidade de deslocamento, a pá que recua terá suavelocidade tangencial final subtraída da velocidade do vento relativo.Esta situação é igual no caso de vôo pairado com vento.



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6.6 Sustentação de deslocamento

A sustentação de deslocamento é a sustentação adicional obtida ao entrar em vôo horizontal,

devido ao aumento da velocidade total e aumento de eficiência do sistema do rotor. O rotor produzmaior eficiência ao se deslocar para frente porque a circulação do ar induzido, resultante davelocidade à frente, junta-se à velocidade normal do ar desviado para baixo, havendo umincremento de velocidade.

Nessa fase de transição é comum aparecer no helicóptero uma vibração de freqüênciaintermediária 2:1, ou seja, (duas vibrações a cada volta do rotor). Essa vibração é consideradanormal e deve desaparecer quando a sustentação se torna efetiva. Também ocorre nessa fase, oefeito de fluxo transverso, que é o resultado de uma distribuição desigual das partículas de ar naspartes posterior e anterior do disco de rotor, que irá se equalizar quando a aeronave alcançar asustentação de deslocamento.

6.7 Fluxo Transverso ou Transição

Quando o helicóptero voa para diante, o ar que passa pela secção traseira do disco rotor tem umângulo de chegada do fluxo vertical, maior que o do ar que passa pela parte dianteira.

O fluxo vertical na seção traseira do disco rotor provoca a redução do ângulo de ataque,resultando em menos sustentação. Um ângulo de ataque maior e mais sustentação são geradosna parte da frente do rotor porque o fluxo de ar nesse ponto é mais horizontal.

As diferenças entre as duas zonas do disco rotor têm o nome de efeito transversal do fluxo e aoprovocar uma quantidade desigual de sustentação e arrasto provocam vibrações no conjunto.Este tipo de vibração é facilmente detectável pelo piloto. Estas vibrações aparecem normalmentequando o helicóptero se desloca a velocidades entre os 20 e os 40 Km/h.

050

100150

200250

0 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0

1 2 0

VELOCIDADE (Kt)

POTÊNCIA

(HP)



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6.8 Efeito Pendular:

Tendência do eixo do mastro a permanecer perpendicular ao plano de rotação. A Bell , com oobjetivo de atenuar o problema do efeito pendular, concebeu a barra estabilizadora. É uma barracom pesos nas extremidades, fixada ao mastro, através de amortecedores hidráulicos, a 90ºdefasada com o rotor principal.Caso haja inclinação do disco do rotor, a barra tende a permanecerem seu plano original, provocando um retardo na tendência da fuselagem acompanhar o disco dorotor e vice-versa.

7. Auto Rotação:

Ë a capacidade que as pás do rotor têm de continuar a girar no mesmo sentido e com a mesmavelocidade em caso de falha de potência, desde que estejam no passo mínimo.

A auto-rotação possibilita aos helicópteros um pouso com segurança, em caso de falha do motor.O helicóptero troca a energia potencial proveniente da sua altitude por energia cinética capaz demanter as rotações do rotor para garantir uma aterragem em segurança.

A auto rotação é uma condição estável de voo em que a força necessária para manter o rotorgirando não provém do motor mas sim do fluxo de ar passando pelo rotor. Só é possível executar



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esta manobra perdendo-se altitude. É comparável ao voo planado. Após a falha de motor, para semanter a rotação do rotor devera haver uma outra força que mantenha o giro do rotor. Essa forçaé conseguida reduzindo-se o passo, ou seja , diminuindo o ângulo de ataque. O ar ao passar pelo

rotor manterá o giro.

Antes da aterrarizagem deve-se reduzir a velocidade horizontal e a razão de descidaarredondando a trajetória (flare). Durante o flare as rotações do rotor tendem a aumentar,dependendo-se da agressividade com que a manobra é feita, o que ajuda a obter as rotaçõesnecessárias para que se possa fazer uma aterragem tão suave quanto possível.

Fluxo de ar em vôo sem potência Fluxo de ar em vôo com potência

7.1 Efeito do tempo de reação do piloto

O tempo de reação para qualquer condição subsequente a uma falha de motor não podenormalmente ser menor que 2 a 3segundos, ou o tempo normal de reação do piloto para acondição de voo de cruzeiro, ou será impossível reestabelecer a rotação;



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7.2 Curva do homem morto

Neste gráfico de velocidade e altura, pode-se observar diferentes situações de vôo, e analisar ascondições que possibilitam um pouso seguro em auto-rotação. Obviamente, o gráfico varia deacordo com o modelo do helicóptero.

Deve-se evitar voar nas áreas abaixo da curva do gráfico, chamadas de curva do homem morto,onde não há possibilidade de fazer a auto-rotação com segurança.

Na prática, opera-se dentro destas áreas. O importante é saber que está enfrentando umasituação de risco calculada.

Se ocorrer pane de motor dentro da área ate 40 Kts, com certeza a situação não será dasmelhores. O rotor perde rapidamente rotações devido ao grande angulo de ataque. A velocidade ébaixa e a altura é pouca para uma recuperação.

Com a velocidade em torno de 60 milhas por hora e pouca altura, a única saída é tentar umpouso corrido, caso esteja voando sobre um terreno plano.

Não há condições de reduzir a velocidade antes de tocar o solo, porque você está voando muitobaixo, além do agravante da perda de rotação do rotor.

Pelo gráfico dá para ver que você está "tirando um rasante" e neste momento o motor parou. Asituação é a pior possível, porque agora voa-se a 110 milhas por hora.Mesmo que esteja sobre apista de um aeroporto, a estrutura do helicóptero não irá suportar o impacto com o solo.



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8. Stall

Estol é a perda de sustentação repentina, devido a separação dos filetes de ar do aerofólio,

produzindo um fluxo no sentido reverso (turbilhonamento). Neste momento o ar, turbilhonado,aumenta a pressão no extradorso, diminuindo ou acabando com o diferencial de pressão, principalfator de sustentação.

O estol pode ser antecipado por vários fatores, entre estes se destaca a altitude, devido a baixadensidade do ar, sendo também antecipado a baixa altitude, porém com elevada umidade e altastemperaturas. No helicóptero pode-se destacar os estois de: Potência, Turbilhonamento, Pá ePonta de pá.

8.1 Tipos de stall

.-Stall de turbilhonamento ou de vortex

Caracteriza-se pelo turbilhonamento excessivo do ar causado pela passagem o aerofóliochegando a criar um anel de vórtice em toda a área da pá, quando se perde toda a sustentação,que resultará em um afundamento violento do helicóptero. Podendo ocorrer em duas fases: novôo com potência e no vôo sem potência (auto-rotação).

É uma situação provocada por uma acentuada descida na vertical ou próximo disso á baixavelocidade horizontal. Um mergulho no anel do vórtice também pode acontecer durante umaaproximação com vento de cauda ou se a aeronave entrar dentro do cone de turbulência de outra.

Nestas situações, o resultado é um fluxo de ar instável e turbulento numa grande área do disco

rotor que provoca a correspondente perda de eficiência do sistema mesmo que o motor estejaproduzindo toda a potência disponível. A figura mostra o fluxo induzido descendente ao longo daspás durante um vôo pairado normal:



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A velocidade do fluxo de ar é alta junto da ponta das pás e começa a diminuir entre o meio decada pá e o ponto de fixação ao mastro do rotor onde é nula. A próxima figura mostra o esquemado fluxo induzido já com alguma inversão e que, se não for parado, conduz a uma situação de

mergulho no vórtice:

Neste caso a descida é tão rápida que o vento aparente, já inverte o fluxo em parte da pá. Se ohelicóptero continuar a descer nesta condição e não tiver potência suficiente para diminuir ouparar a descida e inverter o fenômeno , vai entrar na perda no anel do vórtice:

A próxima figura mostra a relação entre as velocidades vertical e horizontal de um helicópterodurante a descida. As linhas tracejadas a vermelho que saem do ponto superior esquerdo dafigura representam ângulos constantes de descida. Sobrepostas a estas linhas há zonas quemostram as condições dos fluxos de ar em função das velocidades.

A partir desta figura podemos tirar várias conclusões:



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- Pode-se evitar a perda no anel do vórtice se o ângulo de descida não baixar. dos 30º,e isto .aqualquer velocidade

- Numa descida muito íngreme, o anel de vórtice pode ser evitado aumentando a velocidadehorizontal ou reduzindo a vertical, ao entrar na zona crítica.

- Em ângulos de descida próximo da vertical os redemoinhos formam-se afastados do helicópterose a velocidade de descida for baixa e junto ao helicóptero se for alta.

A tendência natural de um piloto que deixa a sua máquina entrar nesta situação é puxar aomáximo o comando do coletivo a fim de aumentar a potência e. o ângulo de ataque das pás. Masse a razão de descida já for muito grande essa ação pode agravar ainda mais a situação poisgrandes ângulos de ataque provocam mais turbulência o que aumenta ainda mais a razão dedescida.

Vôo com potência: Pode ocorrer em uma grande razão de descida com pouco ou nenhumavelocidade de descolamento horizontal. Como a aeronave está descendo, pega o ar turbilhonado,na área abaixo do rotor, turbilhonando-o ainda mais e assim sucessivamente, até criar o anel devorticidade ao longo da pá. Neste ponto o helicóptero começa a afundar violentamente e oscomandos atuam com um retardo considerável.

Vôo sem potencia (auto-rotação): Pode ocorrer no momento seguinte ao flare (parada rápida), noqual é acionado o coletivo, para cima, a fim de amortecer o pouso.

NOTA: Em auto-rotação o fluxo do ar no motor principal tem seu sentido invertido, passando debaixo para cima, estando turbilhonado na área acima do rotor. Quando o coletivo é acionado puxaeste ar para baixo, podendo criar o anel de vorticidade.

Obs: A razão de descida crítica varia de acordo com o peso, RPM do rotor, altitude, densidade eoutros fatores pertinentes, porém uma maior incidência foi percebida entre +/- 500 e 1000’, comvelocidade inferior a 30 Kt.

O QUE EVITAR PARA NÃO ENTRAR NESSA CONDIÇÃO

As seguintes situações podem levar ao desenvolvimento do estol de vórtice e por isso devem serevitadas.

1. DESCIDAS COM POTÊNCIA APLICADA, BAIXA VELOCIDADE E ALTA RAZÃO – A razão de

descida necessária para o advento desta condição difere entre os diversos tipos de helicóptero,entretanto ela é geralmente superior a 500 ft/min com pouca ou nenhuma velocidade à frente.Essa situação é agravada e fica mais perigosa com o helicóptero pesado, em um dia quentedevido a maior necessidade de potência para manter o pairado.

2. MANOBRAS E APROXIMAÇÕES COM VENTO DE CAUDA – De maneira geral, manobrascom vento de cauda sempre serão críticas, ainda mais as aproximações. Em aproximações dessetipo, o fluxo de ar turbilhonado, que ficaria para trás numa aproximação normal, seria jogadonovamente em direção ao helicóptero, o faria que a aeronave ingressar no próprio downwash eprovocando o estol de vórtice.



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3. PARADAS RÁPIDAS – Quando um helicóptero faz um flare agressivo em uma parada brusca,com o disco rotor bem inclinado para trás, o fluxo de ar horizontal passa a vir da parte de baixo dodisco rotor devido à direção do deslocamento e à própria atitude da aeronave. Se uma razão de

descida for iniciada nessa situação, o deslocamento do fluxo de ar verticaliza ainda mais e aaeronave acaba adentrando mais uma vez na zona do próprio downwash.

4. RECUPERAÇÃO DE AUTOROTAÇÃO EM TREINAMENTO – A recuperação de umaautorrotação em que há a aplicação de potência antes do nivelamento da aeronave, no flareainda, é similar à situação da parada rápida na reta, citada anteriormente. É importante considerarque isto não aconteceria em uma situação real de autorrotação (com os motores cortados), pois,devido à falta de potência, com a aplicação de coletivo não haveria a indução do fluxo de ar nosentido de deslocamento da aeronave.

Ainda em relação ao treinamento de autorrotação, outro ponto crítico é a descida após o flare semnenhum deslocamento à frente (flare até zerar completamente a velocidade) e a aplicação

instantânea do coletivo para o amortecimento do pouso. Mais uma vez, essa situação deafundamento na vertical e aplicação repentina de coletivo, acaba sendo crítica devido ao fato depossibilitar a entrada da aeronave no próprio fluxo de ar induzido para baixo, o downwash.

- Stall de potencia

Tem como característica a velocidade nula, sendo agravado em situação de baixa RPM e baixadensidade. Surgindo da tentativa de fazer o vôo pairado, principalmente fora do efeito de solo, nãosendo suficiente a potência para tal. Situação esta que leva a um grande ângulo de ataque,porém, o helicóptero começa a afundar com razão de descida crescente.

Nesta condição há uma tendência de fluxo de ar de baixo para cima no sentido oposto do fluxo dear de cima para baixo, o que provoca grande turbulência.A recuperação da condição de estol depotência é feita abaixando-se o passo coletivo e aumentando-se a velocidade.

O estol de turbilhonamento apresenta as mesmas características aerodinâmicas do estol depotência, com a diferença de que ocorre nos vôos sem potência, ou seja, em autorotação

-Stall de pá

É o principal fator da limitação de velocidade do helicóptero no vôo para frente, resultando naperda de sustentação da pá que recua devido ao seu grande ângulo de ataque, consequência do

efeito aerodinâmico da dissimetria de sustentação.

A pá que recua tem uma velocidade aerodinâmica muito menor que a pá que avança, paracompensar esta alta de sustentação ela trabalha com um ângulo de ataque muito maior. À medidaque aumenta a velocidade, o ângulo também é aumentado, podendo chegar a um limite máximo,ultrapassando o ângulo de estol e perdendo a sustentação.

Este estol começa na raiz da pá, sendo sentido com maior intensidade quando estola a regiãointermediária ou região de maior sustentação.

O estol da pá que recua, acontece no través esquerdo (posição 270º), momento que a pá estámais a favor do vento relativo. Porém só é sentido 90º depois (precessão giroscópica), na parte



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traseira do disco de rotação (posição 180º). Este fato resultará em uma violenta cabrada dohelicóptero.(Nota: para helicópteros de giro anti-horário)

Fatores que podem antecipar ou agravar o Estol de pá: peso excessivo, elevada altitudedensidade, baixa RPM do rotor principal, e principalmente elevada velocidade.

Para se recuperar de uma situação de estol de pá deve-se diminuir a velocidade, diminuir o passocoletivo e aumentar a rpm do rotor.

- Stall de overspeed ou de compressibilidade

No vôo subsônico, o ar é considerado um fluido incompressível, podendo ser desprezadas asvariações de densidade e temperatura, causadas pelo movimento do aerofólio. Quando avelocidade de escoamento do ar atinge velocidade próxima a do som, o ar passa a ser um fluidocompressível, daí o termo “efeito de compressibilidade”, variando completamente o seu

comportamento.

A compressibilidade surge com a formação da onda de choque sobre o aerofólio em velocidademuito elevada (velocidade transônica). A onda de choque por sua vez surge com a desaceleraçãomuito rápida do escoamento do ar, deslocando os filetes de ar, ocasionando um turbilhonamento ea consequente perda repentina de sustentação ou estol.

O estol de ponta de pá é causado por velocidade excessivamente alta, portanto, afetará primeiro aponta da pá que avança. O efeito de compressibilidade limita a velocidade de todos oshelicópteros

A recuperação de um estol de compressibilidade se assemelha à recuperação de um estol de pá

e se faz reduzindo-se a velocidade. diminuindo-se o passo coletivo e mantendo-se a RPM do rotor



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10. Vibrações

Vibração é a consequência de qualquer movimento que se repita depois de um intervalo de

tempo, ou seja, é um movimento oscilatório em torno de uma posição de referência. As vibraçõessão desconfortáveis e perigosas, pois as partes do rotor trabalham em condições de grandesesforços, podendo trazer risco de deterioração por fadiga além de prejudicar o controle dohelicóptero.

Se fosse possível ter todas as pás rigorosamente idênticas com a mesma distribuição de peso emesma geometria do perfil, não haveria problemas de vibração, pois todas as pás seriamfuncionalmente idênticas. Para prevenir tais problemas, as pás de um rotor devem estar bembalanceadas, ou seja, sobre elas devem agir os mesmos efeitos aerodinâmicos e efeitoscentrífugos. Isto é possível graças ao perfeito balanceamento das pás do rotor, ou seja, obalanceamento estático, dinâmico e o balanceamento aerodinâmico (tracking).

# Baixa freqüência :Correspondem a aproximadamente uma vibração a cada volta do rotor, conhecidas também como1 por 1 (100 a 400 ciclos por minuto). São fáceis de contar.-VerticalSacode o helicóptero de baixo para cima e vice-versa. Aparece em todas as velocidades egeralmente aumenta com a velocidade. Causa: pás do rotor principal fora de tracking.-LateralSacode o helicóptero de um lado para o outro. Permanece constante em diferentes velocidades.Causa: rotor principal desbalanceado.

# Frequencia intermediária :Nos helicópteros de duas pás correspondem a aproximadamente duas vibrações a cada volta dorotor, conhecidas também como 2 por 1 (1000 a 2000 ciclos por minuto). São difíceis de seremcontadas.

# Alta freqüênciaSe apresentam como um formigamento ou um zumbido (acima de 2000 ciclos por minuto).Impossíveis de serem contadas. È uma vibração sentida na fuselagem ou nos pedais , geralmenteprovocada pelo desbalanceamento do rotor de cauda.Cheque de vidração:



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11. Ressonância com o solo:

O helicóptero com todos seus componentes dinâmicos produz vibrações em sua estrutura. Essescomponentes vibram em uma frequência natural, que por sua vez faz com que outras partes dohelicóptero, como trem de pouso, cone de cauda, cabine, etc, também vibrem. A frequência decada peça irá variar, resultando um conjunto de vibrações que se somam gerando uma vibraçãoresultante na estrutura como um todo.

Ressonância do solo acontece quando o contato com o solo altera a freqüência natural do rotorprincipal, ou seja, as oscilações violentas, que surgem quando o centro de massa édescentralizado, devido ao desequilíbrio da relação angular entre as pás. Esta condiçãodesequilibrada provoca vibrações que aumentam com cada rotação da pá principal, causando umimpulso reflexo, que aumenta em amplitude muito rapidamente.

Os helicópteros com rotor articulado e/ou trem de pouso com amortecedores e rodas pneumáticassão mais suscetíveis a este tipo de problema, que podem surgir durante o cheque de magnetos,durante o taxi, no estouro de um pneu, amortecedores com problemas, na decolagem ou nopouso, com toque violento de uma das rodas. Isto é devido à capacidade de cada pá de avançar erecuar de forma independente. Se alguma coisa fizer com que as pás se afaste de sua simetria, amudança do centro de gravidade do rotor faz com que saia do equilíbrio, permitindo oscilaçõesdivergentes que podem se tornar rapidamente forte o suficiente para causar sérios danos ao

helicóptero. Em alguns casos, pode ocorrer a destruição completa, com muitos componentes sesoltando e sendo arremessado do helicóptero.

A ressonância em solo acontece muito rapidamente, contudo se o piloto reconhece o problema atempo e ainda possui potência e RPM suficiente para tirar o helicóptero do chão, as oscilaçõesdivergentes cessarão imediatamente. Se não houver potência suficiente para retirar a aeronave dosolo, deve-se reduzir totalmente a potência do sistema do rotor principal e aplicar o freio rotorimediatamente, contudo o resultado prático vai depender de quanto tempo vai levar para asvibrações desaparecerem, e assim poderá ocorrer danos significativos à aeronave.



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12. Estabilidade

Estabilidade é a reação de um corpo quando perturbado por uma força. Para que um corpo esteja

em equilíbrio é necessário que a somatória das forças e momentos atuantes sobre o mesmo sejaigual a zero. A estabilidade pode ser classificada em:

12.1 Estabilidade estáticaA estabilidade estática por sua vez pode ser classificada em:-Equilíbrio estático ou positivo-Equilíbrio instável ou negativo-Equilíbrio indiferente

12.2 Estabilidade dinâmica

A estabilidade dinâmica se refere a um período de tempo considerado após uma perturbação aoequilíbrio de um corpo.

A estabilidade dinâmica por sua vez pode ser classificada em:

-Estabilidade dinâmica neutra (indiferente)O corpo continua a oscilar em torno de um ponto ou de uma linha de referência, com umaamplitude constante após uma perturbação.

-Estabilidade dinâmica positiva (estável)

As oscilações diminuem de amplitude após o corpo sofrer uma perturbação.

- Estabilidade dinâmica negativa (instável)



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As oscilações aumentam de amplitude após o corpo sofrer uma perturbação.

Um helicóptero é considerado dinamicamente estável quando com o decorrer do tempo asoscilações deste diminuírem, pode ser classificado dinamicamente indiferente se as oscilaçõespermanecerem com a mesma amplitude e dinamicamente instável se as oscilações desse vierema afastar mais do plano inicial.

Os helicópteros são muito instáveis. Um simples voo pairado constantemente requer correções dopiloto. Caso o helicóptero seja perturbado em alguma direção, ele tenderá a continuar aquelemovimento até que o piloto o corrija na direção contrária. Quase todos os ajustes que se faz emum dos comandos de voo produzem efeitos que requerem compensações nos outros comandos.

12.3 Estabilidade pendular ou longitudinal

Em um voo pairado, a aeronave fica muito sensível as rajadas de ventos, que ao ser atingida poruma de frente, o disco do rotor é inclinado na direção do vento (para trás) fazendo com que ohelicóptero se desloque no mesmo sentido. Enquanto ele se desloca, um vento n sentido contrário(de trás para frente) sopra, e o disco inclina-se para frente. A inércia que leva a fuselagem paratrás continua agindo por alguns segundos após o término da rajada de vento que causou a

desestabilização. Depois o inverso acontece, a aeronave volta a se deslocar para frente, devido àinclinação do disco, e um vento de frente surge inclinando o disco para trás, novamente trazendoa fuselagem (após segundos). Isso leva a oscilações contínuas e maiores com o passar do tempo,mostrando claramente uma instabilidade dinâmica. Também chamado de efeito pendular atravésdo eixo lateral.

Os helicópteros são estaticamente estáveis e dinamicamente instáveis no plano longitudinal. Paraajudar na estabilidade longitudinal, são instalados estabilizadores horizontais no cone de cauda ouna parte traseira da aeronave. Ele têm a função principal de prevenir o movimento de arfagemquando rajadas de ventos inclinam o disco para trás. Uma rajada de frente durante o voo reto enivelado causa a inclinação da aeronave para trás. Esta inclinação resulta num aumento doângulo de ataque do estabilizador criando uma grande sustentação na parte traseira da aeronave,

fazendo com que seu nariz baixe trazendo a aeronave para a posição original.

Nos helicópteros o centro de pressão fica bem acima do centro de gravidade e sendo assim,quando um deles é deslocado de sua posição inicial, existe uma tendência para que o CG sealinhe com o vetor da sustentação. Esta situação resulta em movimento de rotação em torno doCG.



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Se um helicóptero em vôo pairado for deslocado em qualquer direção, o plano de rotação das pásserá inclinado na direção desejada e o vetor da sustentação, consequentemente, também seinclinará, produzindo a força T e todo o sistema se deslocará no sentido da força T.

No entanto, em virtude de sua grande massa, a fuselagem continuará a se mover na direçãoinicial e todo o sistema oscilará até que todo o movimento da fuselagem tenha cessado e neste

instante o rotor estará inclinado no sentido oposto produzindo uma tração T, e todo o ciclo deoscilações recomeçará. A intensidade das oscilações poderá aumentar rapidamente, a um pontotal que o sistema entrará em colapso

Estabilidade lateral:

A estabilidade lateral é promovida do eixo longitudinal quando o plano faz o movimento derolagem ou bancagem. Estabilidade lateral é a habilidade do helicóptero de se recuperar de umafastamento no plano lateral, isto é, rolando em torno do eixo longitudinal sem qualquer comandodo piloto. Além de se deslocar para frente o helicóptero se desloca lateralmente porque os vetoressustentação e peso não são diretamente opostos. Os helicópteros são estaticamente estáveis edinamicamente instáveis no plano lateral.

13. Cargas dinâmicas ou fator de carga

A sustentação e o peso geram na aeronave determinados esforços que variam para cada situaçãode vôo. A esses esforços damos o nome de “Cargas Dinâmicas” ou “Fator de Carga”.

Define-se a seguir o que significa fator de carga, assim como as diversas situações de vôo queproduzem fatores de carga elevados; recomendações para evitá-los e comparação entre osdiversos modelos de aeronaves levando em consideração sua resistência a cargas dinâmicas.

13.1 Conceito

As Cargas Dinâmicas consistem nos esforços sofridos pela aeronave nas diversas situações devoo, podendo ser agravada em manobras acrobáticas, turbulência, curvas de grande inclinação,etc. Elas se classificam em Horizontais, Verticais e Longitudinais que são fracas e nãorepresentam risco à estrutura da aeronave; e Verticais que tem como características o granderisco proporcionado a aeronave, uma vez que podem até destruí-la se forem excessivas. Umaforma mais simples para se entender o fator de carga é realizar uma analogia com um percurso demontanha-russa em um parque de diversões, onde em determinados momentos do trajeto, uma



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pessoa possui a sensação de estar mais pesada ou mais leve dependendo do fator de carga aoqual o seu corpo está submetido.

Comparando-se com uma aeronave, em determinadas condições de vôo, geralmente em curvasou movimentos acelerados, a estrutura da aeronave também será submetida a maiores oumenores fatores de carga.

O Instrumento usado para medir as cargas dinâmicas verticais (Fator de Carga) é chamado deacelerômetro. O calculo feito pelo acelerômetro, leva em consideração o peso e a sustentação,uma vez que a razão entre esses valores proporciona o resultado do fato de carga, o que pode servisto na formula a seguir.

Formula: n = L / Wn : Fator de Carga;L: Sustentação

W: Peso

Durante um vôo nivelado o fator de carga é igual a um, ou seja, a sustentação é igual ao peso.Aumentando o ângulo de ataque, a sustentação tende a aumentar, aumentandoconsequentemente o fator de carga. Diminuindo o ângulo de ataque, a sustentação diminui, o quegera um fator de carga menor, podendo ficar negativo em descidas mais violentas..

13.2 Manobras que podem provocar fatores de carga elevados

Existem algumas situações de vôo que podem gerar fatores de carga superiores a 1G, como é ocaso das manobras bruscas feitas pelo piloto; vôos em curva; rajadas de vento e recuperação de

mergulho.Para se fazer uma curva, o piloto deve inicialmente inclinar a asa/rotor na direção em que sedeseja realizá-la, o que gera como conseqüência uma diminuição na sustentação. Paracompensar esse fato é preciso que o piloto aumente o ângulo de ataque, o que irá aumentartambém o fator de carga. Sendo assim, conclui-se que quanto maior for à inclinação da curva,maior será o fator de carga.Porém, quando inclinamos o helicóptero, temos que saber que: o fator de carga varia na razãodireta do ângulo de inclinação da curva e inversa do cosseno desse ângulo. Vale lembrar quequando falamos em carga, estamos nos referindo a carga imposta ao rotor principal.

Exemplificando, em uma curva de 60º o fator de carga será de 2G (sustentação será igual aodobro do peso) indicando uma aceleração duas vezes maior que a da gravidade.



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As manobras acrobáticas é outro exemplo claro de fatores de carga elevados, devendo serrealizadas com muita cautela sendo necessário ao piloto conhecer os limites estruturais daaeronave a fim de que essa não sofra nenhum dano durante ou após a realização da manobra.Durante um vôo horizontal, o vento relativo é horizontal, o que proporciona no avião um fator decarga igual a 1G.

Quando surge uma rajada de vento ascendente, o ângulo de ataque aumenta rapidamente. Issofaz com que o fator de carga aumente bruscamente, podendo causar danos estruturais naaeronave caso esse esteja em alta velocidade. Por esse motivo, aconselha-se que a fim de evitar

fatores de carga elevados em atmosfera turbulenta, é necessário reduzir a velocidade de acordocom as recomendações do fabricante da aeronave.

Outra situação geradora de fator de carga alto, é a recuperação de mergulhos. Os motivos quelevam a essa situação estão relacionados ao fato de que nesse momento a aeronave encontra-secom velocidade elevada, resultante do mergulho. Com isso, na hora da recuperação, a asa/rotorda aeronave é obrigada a suportar não somente o peso do avião, assim como também deveproduzir uma força centrípeta necessária para recupera o vôo nivelado.

13.3 Fator de carga limite e fator de carga final

As situações de vôo anteriormente mencionadas, produzem fatores de carga altos, que apesar de

desconfortáveis não geram nenhum dano na aeronave dependendo da intensidade que essamanobra seja realizada. Caso essas seja muito intensa a aeronave esta condenado a sofrerdanos.

Para que o piloto saiba quais as força que o sua aeronave tem capacidade de suportar, tem-secomo efeito de comparação os valores de fator de carga limite ( limit load factor ) e fator de cargafinal (ultimate load factor ).

Fator de Carga Limite consiste no numero de “Gs” que a aeronave pode sofrer continuamente,sem apresentar deformação permanente ou dano estrutural.



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Fator de Carga Final consiste no valor 50% acima do fator de carga limite. Esse, só deve serusado em situações de extrema urgência, para evitar um desastre imediato. Como relatadoanteriormente, fatores de carga superiores ao fator de carga limite, não ultrapassando o fator de

carga final, produzirão deformações permanentes, com fadiga acelerada. Caso o esforçoproduzido seja superior ao fator de carga final, é possível a ruptura imediata das estruturasprimárias da aeronave (longarina, pás etc.) em vôo. No projeto, os fatores de carga limite e finalvariam de acordo com a classificação das aeronaves.

Na categoria normal as cargas máximas são: +3,8 -1,52 (limite) e +5,7 -2,28 (final).Na categoria utilitaria as cargas máximas são: +4,4 -1,76 (limite) e +6,6 -2,64 (final).

13.4 Exercicios

Exercício 1: Um helicóptero R-22, fazendo uma curva de 60º, sabendo-se que seu peso é de 1370lbf, qual será a carga suportada pelo rotor?Peso do helicóptero = 1370 lbfCosseno de 60º = 0,5Solução: 1370 / 0,5 = 2740 lbfObserve que o rotor terá de suportar o dobro do peso normal do R-22.

Exercício 2: Um helicóptero Enstrom F-26-A, com peso de 1800 lbf, executando uma curvanivelada de 30º, terá o seu fator de carga alterado para quanto?Peso do helicóptero (W) = 1800 lbf Cosseno de 30º = 0,869Solução: 1800 /0,869 = 2071,34 lbf

14. Rolamento dinâmico

Um helicóptero pode rolar em duas situações: se for excedido o ângulo de rolamento estático ou oângulo de rolamento dinâmico. Para todo objeto, existe um ângulo estático de rolamento. É oângulo para o qual você deve inclinar o objeto de modo a colocar o seu centro de gravidadediretamente sobre o ponto de rolamento. Se o objeto for inclinado além deste ângulo, ele vai cair.Se for diminuído, o objeto retorna a posição normal. Para a maioria dos helicópteros, o ângulo derolamento estático está entre 30 e 35 graus.

O rolamento dinâmico ocorre quando o ângulo de rolamento dinâmico é excedido. Este ângulo é ainclinação lateral além da qual o piloto não tem mais autoridade de controle para conter a

velocidade angular lateral em torno de um ponto de apoio (rodas ou esquis). Este ângulo deinclinação é muito pequeno (da ordem de 7 graus) e depende da velocidade de rotação, do pesobruto e do empuxo do rotor.

O rolamento começa a acontecer quando o helicóptero entra em contato com o solo durante umdeslocamento lateral, por exemplo. Isto estabelece um novo ponto de apoio (roda ou esqui). Nestacircunstância, o deslocamento lateral do novo ponto de apoio em relação à linha de empuxo dorotor multiplica por cinco o momento de inércia torno do eixo de rolamento e diminui a força decontrole quando se aplica o cíclico para o lado oposto na tentativa de conter o rolamento. Parapiorar as coisas, se o piloto aplicar o cíclico tardiamente, o momento de controle não vai agir pelolado de fora do novo ponto de rotação e não vai fornecer força de controle necessária parainterromper o movimento de rotação.



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Se em um vôo pairado, próximo ao solo, o helicóptero se desloca lateralmente e toque o solo comum dos trens de pouso, o CG gira em torno do trem de pouso gerando um indesejável movimento

de rotação. Para tornar as coisas piores, como o coletivo não está todo baixado, o empuxo dorotor está acelerando o movimento e levando a aeronave a capotar.

E se inadvertidamente entrarmos nesta situação, deve-se baixar o coletivo. Basicamente, estaação permite que o peso da aeronave atue contra o movimento de rotação e será efetivo se ohelicóptero ainda não tiver atingido o ângulo de rolamento estático ou antes do disco do rotoratingir o solo.

Normalmente, o pouso em terreno inclinado é feito diminuindo-se suavemente o coletivo a partirdo vôo pairado até tocar o solo com um dos trens de pouso (figura).O cíclico então é movido emdireção ao lado mais alto para proporcionar o maior momento de controle e evitar que a aeronavedeslize morro abaixo. O piloto então reduz o coletivo suavemente até estar com o trem de pousoapoiado por completo no solo.

Durante a decolagem e pousos em terrenos inclinados e com apenas um esqui no solo, o ângulode inclinação pode levar o helicóptero a girar em torno do esqui e capotar. Quando esta situaçãoacontece, o controle lateral de cíclico torna-se mais lerdo e menos efetivo do que no vôo pairado.Assim, se a inclinação lateral atingir um determinado valor, o helicóptero entrará num rolamentoque não poderá ser corrigido, mesmo com comando total de cíclico. Além disto, a medida que arazão de rotação aumenta, diminui o ângulo a partir do qual é possível uma recuperação.

O coletivo é muito mais eficiente no controle de rolamento do que o cíclico, porque reduz oempuxo total do rotor principal. Uma redução suave e moderada, na razão aproximada de todo emcima a todo em baixo em dois segundos, é adequada para interromper o rolamento. Entretanto,deve-se ter cuidado de não baixar o coletivo muito rapidamente para evitar o impacto da pá dorotor principal com o cone de cauda.



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15. Peso e Balanceamento

15.1 PesosDefinições de peso:

A) Peso básico – PB , Basic weight - WBSituação em que a aeronave é pesada para cálculos de peso e balanceamento com os seguintesitens: Célula, Motores, Sistemas, Equipamentos de Emergência, Combustível e Óleo residuais(não drenáveis).

B) Peso basico operacional – PBO , Basic operational weight – BOWSituação em que a aeronave é pesada com combustível

15.2 BalanceamentoA teoria de Peso e Balanceamento é baseada no Princípio da balança de onde se origina o termobalanceamento.O trabalho de quem utiliza uma balança é equilibrá-la. No balanceamento de umaaeronave o trabalho não é diferente.

Pode-se afirmar que estando pesos iguais a uma mesma distância do ponto de apoio, a gangorraestá equilibrada. Esta distância do ponto de aplicação do peso ao ponto de apoio recebe o nomede BRAÇO.

Qualquer peso aplicado em qualquer ponto desta gangorra, diferente do ponto de apoio, gera umaforça que a movimenta em torno deste. Esta força recebe o nome de MOMENTO, e seu valorpode ser determinado com o uso da seguinte fórmula:

M = P x B, onde: M=MOMENTO; P=PESO; B = BRAÇO.

Todo momento causado por um peso à direita do ponto de apoio gera um movimento no sentidodos ponteiros do relógio, o que caracteriza um momento convencionado positivo; por conseguinte,um momento causado por um peso à esquerda do ponto de apoio gera um movimento no sentidocontrário ao dos ponteiros do relógio, caracterizando um movimento convencionado negativo.

15.3 Datum Line

Datum Line é uma linha vertical da qual todas as medidas horizontais são tomadas. A datum linepode ser posicionada na tangente ao nariz ou no mastro, não existindo uma regra quanto à sualocalização. Sua posição é determinada pelo fabricante da aeronave.



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15.4 Deslocamento do CG

O centro de gravidade de uma aeronave tem sua posição determinada em função da distribuição

de pesos a bordo como: carga , tripulantes e passageiros, e muda sempre que algum peso éretirado, colocado ou trocado de posição em relação ao eixo longitudinal da aeronave.

O centro de gravidade pode ser deslocado ao longo de qualquer um dos três eixos básicos dohelicóptero. Devido às reduzidas dimensões de largura e altura da fuselagem, não existe muitavariação de posição do CG em torno dos eixos vertical e lateral. Para garantir condições de vôo, oCG tem limites de posicionamento que são determinados pelo fabricante. Por este motivo, paracada decolagem é obrigatória a determinação da posição do CG .

Geralmente, os fabricantes apresentam os limites de posição de CG,de uma aeronave, em formade gráfico que chamamos de ENVELOPE. O CG deve estar localizado próximo ao mastro e nestecaso a fuselagem permanece horizontal e não é necessário comando cíclico, para o vôo pairado.

Se o CG tiver muito afastado do mastro, para frente ou para trás, a fuselagem se inclinará nosentido do CG diminuindo inclusive a manobrobilidade.. Cada equipamento, possui tabelas ecartas de balanceamento que facilitam o carregamento e a determinação do CG.

A determinação do CG será encontrada com os seguintes dados:- Peso básico , CG básico e a distância da linha de referência (Datum) de cada peso a seradicionado (passageiro, piloto, bagagem, gasolina, etc.). Por exemplo, para o

0---------------------83,9--101,0--107,0 Determinar o CG , com os seguintes dados:

Peso X Braço = MomentoPeso básico 1.004 lb 101,0” 101.404Gasolina (25 gal) 150 Ib 107,0” 16.050

Piloto 330 Ib 83,9” 27.6871.484 lb 145.141Se : CG = soma dos momentos , teremos : CG = 145.141 = 97,8”

Peso 1.484Isto significa que o CG está localizado a 97,8” da linha de referência ou seja na estação 97,8



BIBLIOGRAFIA

Whyte, Greg. Fatal Traps for Helicopter Pilots. New Zealand: Reed Publishing, 2003.

Vieira, Boanerges; Serapião, A. C. Aerodinâmica de Helicópteros. Rio de Janeiro: Editora Rio,Lírio, T. A. Guia Técnico de Investigação de Acidentes Aeronáuticos com Helicópterospara Investigadores do SIPAER. 2012. 118f. Dissertação (Mestrado Profissional em Segurançade Aviação e Aeronavegabilidade Continuada) – Instituto Tecnológico de Aeronáutica, SãoJosé dos Campos, São Paulo. 2012

Fonte: SIPAA 5°/8°GAV - Chefe: Cap. Av. Fernando de Almeida Silva - Crítica e Sugestões:[email protected] ou (55) 3220-3563

Adaptado do European Helicopter Safety Team (EHEST).Tradução: Área de Segurança Operacional da Helibras, setembro de 2012.

Segundo Serviço Regional de Investigação e Prevenção de Acidentes Aeronáuticos – SERIPA II,na Edição nº 10 do PreviNE do Boletim Eletrônico de Prevenção de Acidentes Aeronáuticos daRegião Nordeste.

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Teoria de Vóo Dos Helicopteros