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1 INSTITUTO TECNOLÓGICO DE AERONÁUTICA DIVISÃO DE PÓS-GRADUAÇÃO ESTUDO DO DESEMPENHO DE HELICÓPTEROS MONOMOTORES OPERANDO NO REGIME DE AUTO-ROTAÇÃO LUIZ EDUARDO MIRANDA JOSÉ RODRIGUES SÃO JOSÉ DOS CAMPOS - 2001

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INSTITUTO TECNOLÓGICO DE AERONÁUTICA

DIVISÃO DE PÓS-GRADUAÇÃO

ESTUDO DO DESEMPENHO DE HELICÓPTEROS

MONOMOTORES OPERANDO NO REGIME DE

AUTO-ROTAÇÃO

LUIZ EDUARDO MIRANDA JOSÉ RODRIGUES

SÃO JOSÉ DOS CAMPOS - 2001

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Tese apresentada à divisão de Pós-Graduação do Instituto Tecnológico de Aeronáutica como

parte dos requisitos para a obtenção do título de Mestre em Ciência, na Área de Dinâmica de

Sistemas Aeroespaciais e Mecatrônica do Curso de Engenharia Aeronáutica e Mecânica.

LUIZ EDUARDO MIRANDA JOSÉ RODRIGUES

ESTUDO DO DESEMPENHO DE HELICÓPTEROS MONOMOTORES OPERANDO

NO REGIME DE AUTO-ROTAÇÃO

Tese aprovada em sua versão final pelos abaixo assinados

Prof. Dr DONIZETI DE ANDRADE

Orientador

Prof. Dr HOMERO SANTIAGO MACIEL

Chefe da Divisão de Pós-Graduação

Campo Montenegro

São José dos Campos, SP, Brasil

2001

3

ESTUDO DO DESEMPENHO DE HELICÓPTEROS MONOMOTORES

OPERANDO NO REGIME DE AUTO-ROTAÇÃO

LUIZ EDUARDO MIRANDA JOSÉ RODRIGUES Composição da Banca Examinadora:

Prof. Dr. Luiz Carlos Sandoval Góes – Presidente - ITA

Prof. Dr. Donizeti de Andrade – Orientador - ITA

Prof. Dr. Sandro da Silva Fernandes – Membro - ITA

Prof. Dr. Olympio Achilles de Faria Mello, Maj.-Eng. – Membro – IAE/CTA

Prof. Dr. Luis Carlos de Castro Santos – Membro – IME-USP

ITA, Setembro de 2001

4

Índice Índice ..................................................................................................................................1 Lista de Figuras .................................................................................................................iv Lista de Tabelas ...............................................................................................................viii Simbologia.........................................................................................................................ix Resumo ............................................................................................................................xiii Abstract............................................................................................................................xiv Agradecimentos ................................................................................................................xv Dedicatória ......................................................................................................................xvi I. Apresentação do Trabalho e Descrição do Objeto da Tese ..........................................21 I.1 Introdução ...............................................................................................................21 I.2 Pesquisa Bibliográfica.............................................................................................23 I.3 Motivação e Objetivo ..............................................................................................32 I.4 Estrutura da Tese .....................................................................................................33 II. Apresentação das Principais Características do Regime de Vôo Auto-Rotativo .........35 II.1 Introdução ..............................................................................................................35 II.2 Mecanismo Básico do Regime de Auto-Rotação ..................................................36 II.2.1 A Condição de Equilíbrio Auto-Rotativo .......................................................48 II.2.2 Características do Escoamento Sobre o Rotor ................................................53 III. Estudo e Desenvolvimento de Modelos para o Cálculo do Desempenho de Helicópteros no Regime de Auto-Rotação .......................................................................62 III.1 Introdução .............................................................................................................62 III.2 Formulação Básica dos Modelos Escolhidos .......................................................63 III.2.1 Modelo Utilizado para o Estudo da Transição do Vôo Pairado para a Condição de Auto-Rotação em Descida Vertical....................................................64

5

III.2.1.1 Hipóteses Básicas do Modelo.................................................................64 III.2.1.2 Determinação da Razão-de-Descida e Velocidade Angular do Rotor ................................................................................................................65 III.2.2 Modelo Utilizado para o Estudo do Regime de Auto-Rotação Estável na Condição da Descida Vertical e na Condição de Planeio da Aeronave Utilizanndo-se a Teoria da Quantidade-de-Movimento ...........................................69 III.2.2.1 Hipóteses Básicas do Modelo.................................................................70 III.2.2.2 Determinação da Velocidade Induzida...................................................71 III.2.2.3 Potência no Eixo do Rotor Principal em Auto-Rotação .........................74 III.2.2.4 Caso Específico (Auto-Rotação em Vôo Vertical) ................................76 III.2.2.4.1 Determinação da Velocidade Induzida em Auto-Rotação Vertical .............................................................................................................77 III.2.2.4.2 Potência no Eixo do Rotor Principal em Auto-Rotação Vertical....78 III.2.2.5 Regime de Auto-Rotação Ideal ..............................................................80 III.2.2.5.1 Auto-Rotação Ideal em Descida Vertical........................................80 III.2.2.5.2 Auto-Rotação Ideal em Descida Inclinada......................................82 III.2.3 Modelo Utilizado para o Traçado do "Diagrama Altura versus Velocidade" ..............................................................................................................84 III.2.3.1 Adimensionalização do "Diagama Altura versus Velocidade"..............86 III.2.3.2 Processo de Obtenção do Diagrama Dimensional..................................88 III.2.3.2.1 Obtenção da Altura Mínima hlo .......................................................90 III.2.3.2.2 Obtenção da Altura Crítica hcr.........................................................93 III.2.3.2.3 Obtenção da Velocidade Crítica Vcr ................................................93 III.2.3.2.4 Obtenção da Altura Máxima hhi ......................................................96 III.2.3.3 Análise de Sensibilidade com Relação aos Parâmetros de Projeto de Modo a Minimizar a Área de Restrição Imposta Pelo "Diagrama Altura versus Velocidade".................................................................98 III.2.3.3.1 Análise de Sensibilidade de hlo ........................................................99

6

III.2.3.3.2 Análise de Sensibilidade de hhi........................................................99 III.2.3.3.3 Análise de Sensibilidade de Vcr .....................................................100

IV Desenvolvimento Computacional dos Modelos Apresentados .................................102

IV.1 Introdução...........................................................................................................102 IV.2 Metodologia Utilizada para o Estudo da Transição do Vôo Pairado para a Auto-Rotação em Descida Vertical .........................................................................102 IV.3 Metodologia Utilizada para o Estudo da Auto-Rotação Estável........................106 IV.4 Metodologia Utilizada para o Estudo do Traçado do "Diagrama Altura versus Velocidade" .....................................................................................................109 V Apresentação e Análise Global dos Resultados .........................................................112 V.1 Introdução ............................................................................................................112 V.2 Apresentação dos Resultados para o Estudo da Transição entre o Vôo Pairado e o Regime de Auto-Rotação em Descida Vertical.......................................112 V.3 Apresentação dos Resultados para o Estudo do Regime de Auto-Rotação Estável Utilizando-se a Teoria da Quantidade-de-Movimento ..................................124 V.4 Apresentação dos Resultados para o Estudo do Traçado do "Diagrama Altura versus Velocidade"..........................................................................................143 VI Conclusões e Sugestões para Trabalhos Futuros.......................................................159 VI.1 Introdução...........................................................................................................159 VI.2 Sobre a Transição do Vôo Pairado para a Auto-Rotação em Descida Vertical .......................................................................................................................159 VI.3 Sobre o Estudo da Auto-Rotação Estável Utilizando-se a Teoria da Quantidade-de-Movimento.........................................................................................160 VI.4 Sobre o Estudo do Traçado do "Diagrama Altura versus Velocidade" .............161 VI.5 Sugestões para Trabalhos Futuros ......................................................................162 Apêndice A.....................................................................................................................163 Apêndice B.....................................................................................................................168 Referências Bibliográficas..............................................................................................171

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Lista de Figuras

I.1 Diagrama Típico Altura versus Velocidade ................................................................22 II.1 Forças no Elemento-de-Pá em Auto-Rotação............................................................40 II.2 Forças Atuantes em Auto-Rotação no Regime de Planeio ........................................42 II.3 Estado de Operação Normal, Vôo à Frente com Potência.........................................43 II.4 Exemplo de Funcionamento do Contagiros ...............................................................44 II.5 Transição para Auto-Rotação ....................................................................................45 II.6 Regime de Auto-Rotação Estável..............................................................................46 II.7 Desaceleração e Pouso ...............................................................................................47 II.8 Diagrama de Equilíbrio Auto-Rotativo em Descida Vertical....................................50 II.9 Diagrama de Equilíbrio Auto-Rotativo em Vôo à Frente ..........................................51 II.10 Variação do Ângulo-de-ataque sobre o Disco do Rotor em Vôo à Frente ..............52

II.11 Estado de Operação Normal ....................................................................................55 II.12 Condição Para a Mudança do Sentido do Escoamento no Plano do Disco do Rotor e Condição-Limite para Mudança do Sentido do Escoamento na Esteira, Durante o estado de Anéis de Vórtices.............................................................................56 II.13 Estado de Molinete ..................................................................................................57 II.14 Visualização dos Estados de Operação do Rotor em Descida Vertical...................59 II.15 Visualização dos Estados de Operação do Rotor em Vôo à Frente .........................60 III.1 Diagrama de Forças sobre o Rotor ...........................................................................71

8

III.2 Representação Gráfica do Regime de Auto-Rotação Ideal......................................82 III.3 "Diagrama Altura versus Velocidade" em sua Forma Adimensional......................87 III.4 Forças Atuantes no Helicóptero Durante a Auto-Rotação em Descida Vertical .............................................................................................................................91 III.5 Parâmetro de Efeito Solo ..........................................................................................93 III.6 Obteção da Velocidade Crítica .................................................................................94 III.7 Variação de Vcr e hhi .................................................................................................97 V.1 Variação da Velocidade Induzida em Função do Tempo Após a Falha do Motor .........................................................................................................................113 V.2 Variação do Ângulo-de-Passo em Função do Tempo Após a Falha do Motor ...............................................................................................................113 V.3 Efeito da Variação do Ângulo-de-Passo na Variação da Razão-de-Descida da Aeronave em Função do Tempo Decorrido Após a Falha do Motor, I1=200 slug ft2 ...................................................................................116 V.4 Efeito da Variação do Ângulo-de-Passo na Variação da Velocidade Angular do Rotor em Função do Tempo Decorrido Após a Falha do Motor, I1=200 slug ft2 ......................................................................................116 V.5 Efeito da Variação da Velocidade Induzida na Variação da Razão-de-Descida da Aeronave em Função do Tempo Decorrido Após a Falha do Motor ...............................................................................................................120 V.6 Efeito da Variação da Velocidade Induzida na Variação da Velocidade Angular do Rotor em Função do Tempo Decorrido Após a Falha do Motor ................120 V.7 Efeito da Variação da Inércia do Rotor na Variação da Razão-de-Descida da Aeronave em Função do Tempo Decorrido Após a Falha do Motor ............................122 V.8 Efeito da Variação da Inércia do Rotor na Variação da Velocidade Angular do Rotor em Função do Tempo Decorrido Após a Falha do Motor ..............................122 V.9 Comparação Teórica da Relação de Velocidade Induzida com os Dados Experimentais da Referência [3] ( γ = 90º; θFP = 0º ).....................................125 V.10 Comparação Teórica da Relação de Velocidade Induzida com os Dados Experimentais da Referência [3] ( γ = 70º; θFP = 0º ).....................................127 V.11 Comparação Teórica da Relação de Velocidade Induzida com os Dados Experimentais da Referência [3] ( γ = 50º; θFP = 0º ).....................................128

9

V.12 Comparação Teórica da Relação de Velocidade Induzida com os Dados Experimentais da Referência [3] ( γ = 20º; θFP = 0º ).....................................128 V.13 Comparação Teórica da Relação Potência com os Dados Experimentais da Referência [3] ( γ = 90º; θFP = 0º ) ....................................................130 V.14 Comparação Teórica da Relação de Potência com os Dados Experimentais da Referência [3] ( γ = 70º; θFP = 0º ) ....................................................132 V.15 Comparação Teórica da Relação de Potência com os Dados Experimentais da Referência [3] ( γ = 50º; θFP = 0º ) ....................................................132 V.16 Comparação Teórica da Relação de Potência com os Dados Experimentais da Referência [3] ( γ = 20º; θFP = 0º ) ....................................................133 V.17 Análise Paramétrica da Variação de Potência em Relação à Velocidade de Planeio da Aeronave com Ângulo de Planeio γ=0º ...................................................135 V.18 Análise Paramétrica da Variação de Potência em Relação à Velocidade de Planeio da Aeronave com Ângulo de Planeio γ=30º .................................................135 V.19 Análise Paramétrica da Variação de Potência em Relação à Velocidade de Planeio da Aeronave com Ângulo de Planeio γ=60º .................................................136 V.20 Análise Paramétrica da Variação de Potência em Relação ao Ângulo de Inclinação de Planeio da Aeronave com Ângulo de Atitude do Plano das Pontas das Pás do Rotor θFP=-20º............................................................................139 V.21 Análise Paramétrica da Variação de Potência em Relação ao Ângulo de Inclinação de Planeio da Aeronave com Ângulo de Atitude do Plano das Pontas das Pás do Rotor θFP=0º ...............................................................................140 V.22 Análise Paramétrica da Variação de Potência em Relação ao Ângulo de Inclinação de Planeio da Aeronave com Ângulo de Atitude do Plano das Pontas das Pás do Rotor θFP=10º .............................................................................140 V.23 Comparação da Análise Paramé trica da Variação de Potência em Relação ao Ângulo de Inclinação do Planeio da Aeronave com Ângulo de Atitude do Plano das Pontas das Pás do Rotor θFP=-10º e θFP=10º ...........................................................142 V.24 "Diagrama Altura versus Velocidade" em sua Forma Dimensional para os Helicópteros UH-60L, UH-60A e BK-117 ....................................................................144 V.25 "Diagrama Altura versus Velocidade" em sua Forma Adimensional para os Helicópteros UH-60L, UH-60A e BK-117 ....................................................................145

10

V.26 Diagrama Dimensional para o Helicóptero Bell 47G-5 A, Apresentado como Helicóptero (a) na Referência [29], Considerando-se Variações de Peso e Altitude .....147 V.27 Diagrama Adimensional para o Helicóptero Bell 47G-5 A, Apresentado como Helicóptero (a) na Referência [29], Considerando-se Variações de Peso e Altitude ...........................................................................................................147 V.28a Diagrama Dimensional obtido na Referência [29] Através da Aplicação do Método Semi-Empírico Considerando-se a Variação de Altitude ................................149 V.28b Diagrama Dimensional obtido na Presente Tese Através da Aplicação do Método Analítico Proposto Considerando-se a Variação de Altitude............................150 V.28c Comparação da Teoria Apresentada no Presente Trabalho com os Resultados do Método Semi-Empírico Aplicado na Referência [29]........................151 V.29 Representação do Diagrama Dimensional para o Helicóptero da Referência [29] Considerando-se Variação de peso da Aeronave .................................153 V.30 Representação do Diagrama Dimensional para o Helicóptero da Referência [29] Considerando-se Variação da Inércia do Rotor Principal ....................155 V.31 Representação do Diagrama Dimensional para o Helicóptero da Referência [29] Considerando-se Variação da Área Equivalente de Placa Plana f ........156 A.1 Helicóptero AEROSPATIALE AS 350 B...............................................................163 A.2 Helicóptero MBB/KAWASAKI BK117 .................................................................164 A.3 Helicóptero SIKORSKY UH-60A ..........................................................................165 A.4 Helicóptero SIKORSKY UH-60L...........................................................................166 A.5 Helicóptero BELL 47G-5 A ....................................................................................167

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Lista de Tabelas

IV.1 Parâmetros Físicos Utilizados na Transição entre o Vôo Pairado e a Auto-Rotação em Descida Vertical................................................................................105 IV.2 Condições iniciais em Vôo Pairado .......................................................................105 IV.3 Condições Finais com Redução de Passo Após a Falha do Motor ........................105 IV.4 Condições Finais sem Redução de Passo Após a Falha do Motor .........................106

IV.5 Parâmetros Físicos para o Estudo da Teoria da Quantidade-de-Movimento.............................................................................................109

IV.6 Valores Práticos para o traçado do "Diagrama Altura versus Velocidade"...........111 IV.7 Valores Experimentais Obtidos em Ensaio em Vôo ..............................................111 A.1 Parâmetros Técnicos do Helicóptero AEROSPATIALE AS 350 B .......................163 A.2 Parâmetros Técnicos do Helicóptero MBB KAWASAKI BK-117 ........................164 A.3 Parâmetros Técnicos do Helicóptero SIKORSKY UH-60A ..................................165 A.4 Parâmetros Técnicos do Helicóptero SIKORSKY UH-60L ...................................166 A.5 Parâmetros Técnicos do Helicóptero BELL 47G-5 A.............................................167

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Simbologia

a Coeficiente Angular da Curva de Sustentação

A Área do Disco do Rotor Principal [ft²]

b Número de Pás do Rotor Principal c Corda da Pá do Rotor Principal [ft] cp Corda na Ponta das Pás [ft] cr Corda na Raiz das Pás [ft] CP Coeficiente de Potência Requerida Total CP0 Coeficiente de Potência de Perfil

CT Coeficiente da Tração

Cd0 Coeficiente de Arrasto

CL Coeficiente de Sustentação

D Força de Arrasto no Rotor [lb]

DP Força de Arrasto Parasita [ lb]

PE Variação da Energia Potencial em Função do Tempo f Área Equivalente de Placa Plana [ft²] F Vetor Força

FX Componente Horizontal da Tração no Rotor Principal [ lb]

FZ Componente Vertical da Tração no Rotor Principal [lb]

g Aceleração Local da Gravidade [ft/s²]

h Altitude de Vôo [ft]

13

hr Altura do Rotor em Relação ao Solo [ft]

hlo Altura Mínima em Relação ao Solo [ft]

hhi Altura Máxima em Relação ao Solo [ft]

hcr Altura Crítica em Relação ao Solo [ft]

I1 Momento de Inércia em “flap” das Pás do Rotor Principal [slug ft²]

IR Momento de Inércia Rotor Principal = mR² [slug ft²]

k Fator Empírico para Compensar Perdas Adicionais do Rotor Real

L Força de Sustentação [lb]

LSN Linha de Sustentação Nula do Perfil

m Massa do Helicóptero [lb]

n Fator de Carga

navg Fator de Carga Médio

P Potência Líquida no Rotor [HP]

Ph Potência Requerida para o Vôo Pairado [HP]

Preq Potência Requerida no Eixo do Rotor Principal [HP]

Ps Potência no Eixo do Rotor Principal em Auto-Rotação [HP]

P0 Potência de Perfil [HP]

Q Torque Atuante no Rotor Principal [lb ft]

r Posição Radial da Pá

R Raio da Pá do Rotor Principal [ft]

RA Resultante Aerodinâmica

t Instante de Tempo [s]

T Tração no Rotor Principal [lb]

u Velocidade Induzida (Para a Condição de Vôo Vertical) [ft/s]

u0 Componente Horizontal da Velocidade Induzida [ft/s]

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V Velocidade Resultante Local [ft/s]

V Vetor Velocidade

V Aceleração Vertical da Aeronave [ft/s²]

Vcr Velocidade Crítica [knots]

VD Velocidade de Descida Vertical da Aeronave [ft/s]

VFF Velocidade de Vôo à Frente da Aeronave [ft/s]

VG Velocidade de Planeio da Aeronave [ft/s]

Vmin Velocidade na qual a Potência Requerida é Mínima [knots]

VR Velocidade Resultante [ft/s]

Vs Velocidade de Subida [ft/s]

Vt Velocidade na Ponta da Pá [ft/s]

W Peso do Helicóptero [lb]

W1 Componente Normal do Peso [lb]

W2 Componente Tangencial do Peso [lb]

wh Velocidade Induzida no Vôo Pairado [ft/s]

w0 Componente Vertical da Velocidade Induzida [ft/s]

X1, X2 Relação Adimensional Para o “Diagrama Altura versus Velocidade”

α Ângulo-de-Ataque das Pás do Rotor Principal [graus]

αR Ângulo-de-Ataque do Rotor Principal [graus]

′0δ , 1δ , 2δ Coeficientes para Cd0 em Função do Ângulo-de-Ataque das Pás

θ Ângulo-de-Passo das Pás do Rotor Principal [rad]

θFP Ângulo de Atitude do Plano das Pontas das Pás do Rotor [graus]

γ Ângulo-de-Planeio da Aeronave [graus]

Λ Parâmetro de Efeito Solo

15

λ Relação de Afilamento das Pás

µ Razão de Avanço do Helicóptero

µcr Velocidade de Vôo à Frente Normalizada Adimensional

σ Solidez do Rotor Principal = (bc)/(πR)

ρ Densidade do Ar [slug/ft³]

φ Ângulo-de-Ataque Induzido

χ Ângulo de Inclinação da Esteira

Ω Velocidade Angular de Rotação do Rotor Principal [rad/s]

Ω Aceleração Angular de Rotação do Rotor Principal [rad/s²]

Ω d Velocidade Angular de Projeto Para o Rotor Principal [rad/s]

Ω f Velocidade Angular de Rotação do Rotor no Momento do Pouso [rad/s]

∆ t Intervalo de Tempo [s]

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Resumo

Nesta pesquisa são estudados os efeitos provocados pela perda de potência líquida através

do rotor de helicópteros monomotores ocasionando o regime de operação conhecido como auto-

rotação. São deduzidas as equações correspondentes desde o momento em que ocorre a perda de

potência até quando o regime de auto-rotação já está estabilizado. Para o estudo realizado, faz-se

uso das teorias da quantidade-de-movimento e do elemento-de-pá. Também é apresentado um

modelo semi-empírico para o traçado do “diagrama altura versus velocidade”. Nele estão

demonstradas as regiões nas quais o vôo da aeronave fica restrito no caso da auto-rotação.

Análises qualitativa e quantitativa do estudo realizado são levadas a cabo por meio de

comparações dos resultados obtidos neste trabalho com os obtidos por diversos autores e

disponíveis na literatura.

17

Abstract

This research deals with the study of the effects coming from the loss of net power

through the main rotor on singlerotor helicopters which leads to the autorotational operational

regime. Corresponding equations are obtained, covering from the moment the power loss is

detected to the subsequent stabilized autorotational regime. The study is based upon both

momentum and blade element theories. A semi-empirical model for the plotting of the height-

velocity diagram is also presented. This diagram shows the restricted areas concerning the

aircraft autorotational flight. Qualitative and quantitative analyses are both carried through by

means of correlations of the present study results with their counterparts available in the

literature.

18

Agradecimentos

Ao meu orientador, professor Donizeti de Andrade, por sua amizade, incentivo e

principalmente por sempre acreditar na realização do presente trabalho. Durante esses anos

aprendi a respeitá- lo e admirá- lo por toda sua paciência, orientação e dedicação.

Agradeço também ao corpo docente do Instituto Tecnológico de Aeronáutica por todo

conhecimento transmitido que muito contribuiu para meu crescimento profissional e pessoal.

A minha avó Juracy Lombardi Miranda por todo apoio e incentivo durante a realização

desta pesquisa.

A minha namorada Dailene Felix pelo amor, carinho e compreensão.

19

Dedicatória

A minha mãe Maria Bernadete Miranda que durante todos os passos de minha vida

sempre me ensinou a seguir o caminho correto estando presente em todos os momentos em que

dela precisei, sempre me orientando com todo carinho, apoio e incentivo. Ao meu avô Antonio

Miranda (in memoriam), que sempre estará presente em minhas lembranças e em minha vida.

20

“Ainda que eu fale a língua dos homens e dos anjos, se não tiver amor, serei como o

bronze que soa, ou como o címbalo que retine. Ainda que eu tenha o dom de profetizar e

conheça todos os mistérios e toda a ciência; ainda que eu tenha tamanha fé, a ponto de

transportar montanhas, se não tiver amor nada serei...” (1 Cor. 13,1-2)

21

CAPÍTULO I

APRESENTAÇÃO DO TRABALHO E DESCRIÇÃO DO OBJETO DA TESE

I.1 – INTRODUÇÃO

Neste primeiro capítulo é apresentada uma breve descrição do problema objeto da

presente tese, bem como a revisão bibliográfica utilizada como referência de estudos para a

realização da mesma. Também é apresentado o objetivo e a motivação que tornou possível a

realização da referida pesquisa.

Quando por algum motivo ocorre uma perda de potência, todo helicóptero pode entrar

no regime de operação conhecido como auto-rotação e então efetuar um pouso com segurança

sem maiores danos tanto para os tripulantes como para a aeronave. Mas para que o regime de

auto-rotação seja estabelecido, rápidas atitudes de comando devem ser tomadas pelo

comandante da aeronave assim que se perceba a falha no motor. Portanto, a experiência do

piloto no comando da aeronave deve ser grande, pois se o intervalo de tempo entre a perda de

potência e o comando for elevado, tem-se uma condição onde se pode tornar impraticável o

estabelecimento de um regime de auto-rotação estável. Se este for o caso, a aeronave pode

sofrer sérios danos, devido à possível alta velocidade de queda, transformada em energia de

impacto no solo/água e com isso acarretar iminente perigo de vida aos tripulantes e/ou

passageiros.

Uma restrição de operação importante de ser observada é o chamado “diagrama altura

versus velocidade”, diagrama este que obrigatoriamente deve constar do manual de vôo de

qualquer helicóptero. Esse diagrama mostra ao piloto da aeronave regiões de restrição tanto

em altura como em velocidade de vôo à frente, às quais o vôo da aeronave fica restrito. Uma

vez ocorrida perda de potência dentro dos limites restritivos do “diagrama altura versus

velocidade”, estabelece-se uma situação onde se torna impraticável o regime de auto-rotação

22

devido ao tempo hábil ser muito pequeno para que a aeronave responda ao comando antes de

chegar ao solo. Um modelo típico do “diagrama altura versus velocidade” está mostrado na

Figura I.1.

Figura I.1 – Diagrama Típico Altura versus Velocidade [29].

Como pode-se observar, o “diagrama altura versus velocidade” fornece uma região de

restrição para uma operação segura da aeronave. O diagrama pode ser caracterizado a partir

de quatro pontos fundamentais: A, B, C e D. A altura representada pelo ponto A significa a

altura mínima em relação ao solo com a qual, ocorrida uma perda de potência durante o vôo

pairado, o piloto da aeronave possui tempo suficiente para comandar o regime auto-rotacional

e então realizar um pouso com segurança. Já a altura representada pelo ponto B, significa a

altura máxima em relação ao solo com a qual, havendo uma perda de potência durante o vôo

pairado, o piloto da aeronave pode deixar a aeronave cair, pois o trem-de-pouso deve ser

resistente o suficiente para absorver a energia de impacto da queda sem maiores danos tanto

para a tripulação como para a aeronave. O ponto C representa a combinação entre velocidade

mínima de vôo à frente e altura com a qual o piloto da aeronave pode realizar um pouso

D

A

B

C

Região Restrita

Região Restrita

Velocidade de Vôo a Frente

Altura

Velocidade de vôo à frente

Altu

ra

23

seguro após a perda de potência, iniciando com segurança o regime de auto-rotação. A região

representada pelo ponto D no diagrama fornece uma área de operação restrita, pois tem-se

velocidades muito elevadas e alturas muito baixas em relação ao solo, caracterizando a

impossibilidade de estabilizar o regime de auto-rotação, pois o tempo é muito pequeno,

fazendo com que a aeronave possa transformar sua energia cinética elevada em energia de

impacto ao chocar-se com o solo/água.

Como se pode observar, qualquer helicóptero possui uma região de vôo restrita para o

estabelecimento do regime de auto-rotação. O presente trabalho apresenta um modelo visando

a analisar o envelope operacional da aeronave nesse particular regime. Para tanto, um estudo

detalhado sobre características auto-rotativas é realizado, sendo apresentadas as condições

desde a transição do vôo pairado para um regime auto-rotativo estável, aplicando-se as

equações da dinâmica, até um estudo sobre as características de desempenho da aeronave

durante a condição de auto-rotação estável, valendo-se neste caso, da teoria da quantidade-de-

movimento. Como complemento do trabalho também é apresentado um modelo para

“diagrama altura versus velocidade”, onde algumas sugestões são propostas a fim de se

reduzir a área de restrição imposta pelo mesmo quando baixas velocidades estão envolvidas.

Os resultados obtidos são comparados aos de estudos realizados por outros autores que

também se utilizaram de outras teorias e de resultados de ensaios em vôo e ensaios em túnel

de vento.

I.2 - PESQUISA BIBLIOGRÁFICA

A pesquisa bibliográfica realizada para este trabalho se baseia em livros e artigos

técnicos publicados desde a década de 1930 até o presente. O estudo do regime de auto-

rotação, tanto em descida vertical como na condição de planeio, sempre despertou interesse

24

técnico, pois é uma característica particular de autogiros e helicópteros, e que permite a

realização de um pouso seguro mesmo após falha completa do motor.

Como primeiro estudo pode-se citar o trabalho publicado por Wheatley [38] em 1932,

um artigo técnico que em poucas páginas trata das características de desempenho de um

autogiro na condição de planeio. Desse trabalho tem-se um importante resultado, ou seja,

nota-se que a razão-de-descida em auto-rotação na condição de planeio é menor que a razão-

de-descida em auto-rotação na condição de descida vertical. Embora seja um resultado obtido

para um autogiro na condição de planeio, também pode ser aplicado a qualquer tipo de

helicóptero operando no regime auto-rotacional.

Em 1941, tem-se o trabalho apresentado por Bailey [1]. Trata-se de um artigo técnico

que estabelece um método teórico, simplificado, para se determinar as características de um

rotor em vôo à frente. Neste trabalho, Bailey vale-se de um modelo matemático dinâmico

utilizando o movimento de “flapping” (batimento) das pás do rotor, e, através das expressões

de torque e tração, consegue encontrar uma relação entre as características de arrasto e

sustentação de um rotor em auto-rotação no regime de vôo de planeio.

Em 1947, num trabalho de Dingeldein & Schaefer [9], apresenta-se uma investigação

das características aerodinâmicas de um rotor de helicóptero operando também em regime de

planeio. Como principal resultado desse estudo tem-se a possibilidade do vôo do helicóptero

mesmo após uma substancial redução na potência disponível.

Em 1948, pode-se citar o trabalho publicado por Gustafson & Gessow [14] em que é

realizada a análise do desempenho de um rotor de helicóptero em diferentes condições de vôo.

Para a análise auto-rotativa alteram-se as pás do rotor original, utilizando-se pás com torção

de –8º, tendo como resultado uma razão-de-descida cerca de 15% menor que a razão-de-

descida obtida com o rotor original.

25

Ainda em 1948, Gessow [11] realiza um estudo de desempenho em regime auto-

rotativo, demonstrando os efeitos da torção nas pás do rotor durante a descida em auto-rotação

vertical da aeronave. Resultados são obtidos através de ensaios em vôo realizados em diversas

condições atmosféricas e de peso bruto da aeronave.

Já em 1949 Nikolsky & Seckel [26] publicam um estudo sobre a transição de um

helicóptero em vôo pairado para a condição de descida auto-rotativa vertical. Um estudo

analítico também é apresentado levando-se em consideração equações da dinâmica,

envolvendo o movimento de “flapping” das pás do rotor, além de apresentar com clareza as

variações de velocidade angular do rotor, ângulo-de-passo e velocidade de descida em função

do tempo decorrido após a falha do motor. Este estudo é de grande importância no contexto

do presente trabalho: resultados do modelo nele apresentado e da implementação numérica

aqui levada a cabo são comparados entre si, visando a encontrar respostas sobre quais as

melhores condições para se efetuar uma entrada segura no regime de auto-rotação a partir do

vôo pairado.

Publicado em 1949, o livro “Helicopter Engineering” de autoria de Young [39] retrata

o estudo da auto-rotação apresentando um modelo matemático prático para a realização do

cálculo da razão-de-descida em regime de auto-rotação vertical.

Outro trabalho, publicado por Gessow [12] em 1950, analisa o desempenho de um

helicóptero no regime de auto-rotação quando o rotor desse helicóptero é equipado com “tip

jets” (jatos nas pontas das pás). Analisam-se os efeitos causados na razão-de-descida da

aeronave em auto-rotação quando os “tip jets” estão inoperantes. Este estudo torna-se

importante pois se analisa até que ponto é interessante a colocação de “tip jets”.

Em 1950, Stepniewski [37], no livro “Introduction to Helicopter Aerodynamics”,

dedica um capítulo inteiro ao estudo do regime de auto-rotação. São apresentadas relações

básicas da curva de Glauert, importantes no estudo dos estados de operação do rotor, e sua

26

aplicação no cálculo da razão-de-descida da aeronave. Também é realizado um estudo a

respeito da curva de Hafner, que também pode ser utilizada para a auto-rotação em descida

vertical.

Publicado em 1951 por Nikolsky [27], o livro “Helicopter Analysis” também apresenta

uma pequena introdução ao estudo do regime de auto-rotação estável, exemplificando o

cálculo da velocidade de descida da aeronave por meio de exemplos numéricos.

Também em 1951, Castles & Gray [3], realizam um estudo em túnel de vento sobre as

relações empíricas entre velocidade induzida, tração e razão-de-descida do rotor de um

helicóptero. Como resultado desse trabalho tem-se tabelas e gráficos que demonstram a

influência da variação do diâmetro do rotor na variação da velocidade induzida durante o

regime auto-rotacional.

Já em 1952 Gessow & Myers [13], no livro “Aerodynamics of the Helicopter”,

dedicam um capítulo inteiro ao estudo do regime de auto-rotação em descida vertical. Nesse

capítulo estudam-se as forças que atuam no elemento-de-pá em auto-rotação e analisa-se o

equilíbrio auto-rotativo até a determinação do ângulo-de-ataque ótimo correspondente. Esse

trabalho é uma importante referência utilizada até hoje por diversos autores devido à clareza

com que as idéias estão expostas, mesmo sendo um dos primeiros livros sobre o assunto.

Outro importante trabalho publicado em 1952, é o relatório apresentado por

Slaymaker, Lynn & Gray [35]. Trata-se de um trabalho experimental a respeito da transição

do vôo pairado para a condição de auto-rotação em descida vertical. Para a realização do

experimento foram utilizados dois modelos com diâmetros diferentes. Importantes resultados

sobre rotação do rotor e razão-de-descida em função do tempo após a falha do motor são

obtidos por meio dos resultados experimentais demonstrados através de gráficos.

Em outro trabalho publicado em 1953, Slaymaker & Gray [36], novamente estudam o

desempenho da aeronave no regime de auto-rotação visando à redução da razão-de-descida

27

através da variação da energia cinética do rotor. Observa-se que a partir de modificações

realizadas na carga no disco e inércia do rotor, melhorias no desempenho da aeronave são

obtidas.

Na década de 1960, pode-se citar uma série de outros trabalhos, como o apresentado

por Heyson [17] em 1960, que se utiliza da teoria de vórtices para a determinação da

velocidade induzida em rotores de helicópteros, mostrando que os resultados são semelhantes

aos obtidos por meio da teoria da quantidade-de-movimento.

Também em 1960 Harris, Sloan & Ulrich [16] apresentam um estudo semelhante ao

de Stepniewski e dedicam um capítulo inteiro do livro “Typical Helicopter Performance

Calculation” ao estudo do desempenho auto-rotativo de um helicóptero.

Ainda em 1961 Heyson [18] apresenta um estudo que busca uma solução da teoria da

quantidade-de-movimento aplicada a aeronaves de vôo vertical. Desse trabalho, obtêm-se

importantes resultados com relação ao estudo da velocidade induzida e do ângulo de

inclinação da esteira durante o vôo da aeronave.

Um trabalho muito importante, e que é referência básica para qualquer estudo do

“diagrama altura versus velocidade”, é o apresentado em 1968 por Pegg [29], onde se propõe

um modelo semi-empírico para o traçado do “diagrama altura versus velocidade” de qualquer

tipo de helicóptero. Esse trabalho é a base para a realização do estudo do “diagrama altura

versus velocidade” apresentado como complemento da presente tese.

Um estudo sobre desempenho em auto-rotação foi desenvolvido por Pegg [30] em

1969, sendo exploradas as limitações encontradas no vôo auto-rotativo. Um importante

resultado é obtido desse trabalho: nota-se que com uma escolha adequada do ângulo-de-

planeio, obtêm-se um aumento da distância de planeio, em torno de 35%, o que significa um

aumento no tempo de planeio em torno de 30 segundos e, conseqüentemente, uma diminuição

28

na velocidade de descida da aeronave, propiciando desse modo um pouso com maior

segurança.

Pode-se citar o estudo desenvolvido em Moscou, na antiga União Soviética, por Bazov

[2] em 1969, que mais tarde, em 1972 foi traduzido pela NASA recebendo o nome de

“Helicopter Aerodynamics”. Neste trabalho, Bazov descreve todas as características

aerodinâmicas do vôo de um helicóptero, desde os princípios de vôo até estudos de vibrações

e estabilidade da aeronave. No Capítulo IX da citada referência é desenvolvido um estudo do

desempenho de um helicóptero no regime de auto-rotação tanto em descida vertical como na

condição de planeio. São realizados cálculos de razão-de-descida e ângulo-de-ataque ótimo, e

também um breve estudo sobre as restrições impostas pelo “diagrama altura versus

velocidade”. Este trabalho é um estudo completo sobre a aerodinâmica do helicóptero e

também importante referência na realização da presente tese, no que diz respeito à

apresentação das condições de desempenho em auto-rotação apresentadas no próximo

capítulo.

Seguindo esse contexto, pode-se citar o estudo desenvolvido pelo Exército dos Estados

Unidos no manual “Engineering Design Handbook” [15] em 1974, que dedica um capítulo

inteiro ao estudo do desempenho de helicópteros. Ali, cálculos sobre o regime auto-rotacional

são apresentados tanto em descida vertical como na condição de planeio. Também é realizado

um estudo sobre a distância de planeio e a transição do vôo auto-rotativo estável e o pouso da

aeronave. Uma análise do “diagrama altura versus velocidade” é realizada seguindo os

passos propostos por Pegg [29].

Em 1975 um relatório importante publicado por Heyson [19] apresenta a análise da

teoria da quantidade-de-movimento para helicópteros e autogiros na condição de planeio,

sendo comentadas as restrições operacionais encontradas. Nesse trabalho Heyson descreve

toda a análise da teoria da quantidade-de-movimento, explorando desde o vôo vertical até o

29

vôo à frente, buscando resultados de potência requerida e disponível e auto-rotação ideal.

Importantes conclusões sobre velocidade e potência são obtidas e também uma análise

paramétrica é realizada a fim de se determinar as diversas condições possíveis durante o

regime auto-rotacional. Este trabalho fornece resultados importantes e a teoria nele

apresentada é utilizada no desenvolver dessa tese, na aplicação da teoria da quantidade-de-

movimento com suas equações e soluções. Os resultados obtidos são apresentados e

comparados com os obtidos em estudos realizados em túnel de vento.

Em 1979 surge o trabalho apresentado por Keys & Stepniewski [21] no livro “Rotary

Wing Aerodynamics”, onde, no Volume II, Keys apresenta dados de desempenho auto-

rotacional na condição de descida vertical e planeio.

No início da década de 1980 pode-se citar o trabalho apresentado por Johnson [20] em

seu livro “Helicopter Theory”. A obra realiza uma análise importante do regime de auto-

rotação através da teoria do elemento-de-pá, onde se propõe um modelo para o cálculo da

velocidade de descida da aeronave. O livro “Helicopter Theory” é um dos trabalhos mais

completos e importantes no que diz respeito ao estudo da engenharia do helicóptero, sendo

importante referência de estudos na realização de qualquer pesquisa.

Em 1984 publica-se o livro “Helicopter Aerodynamics” de Prouty [32]. Trata-se de

importante material onde conceitos teóricos podem ser obtidos no que diz respeito ao estudo

da auto-rotação em planeio e à falha no motor.

Em 1986, novamente Prouty [33], no livro “Helicopter Performance, Stability and

Control”, trata do desempenho do helicóptero em auto-rotação, propondo métodos

importantes de análise nas condições de descida vertical, planeio e na determinação do

“diagrama altura versus velocidade”. Outro material importante que pode ser encontrado no

livro, é o Apêndice B, onde são encontrados diversos parâmetros de configuração de

diferentes helicópteros, de importância no desenvolvimento dessa tese.

30

Pode-se citar o trabalho apresentado por Lee [22] publicado em 1986, onde, o autor

visa, como principal objetivo do trabalho, à redução da região restritiva do “diagrama altura

versus velocidade”. Para tal, utiliza-se de uma formulação com teoria de controle ótimo a fim

de obter resultados significativos no desempenho de um helicóptero em auto-rotação.

Em 1988, Lee, Bryson & Hindson [23] apresentam um pequeno relatório sobre o

pouso de um helicóptero em auto-rotação, utilizando a teoria do controle ótimo, semelhante

ao apresentado por Lee [22]. Resultados semelhantes foram obtidos.

Outra análise sobre o “diagrama altura versus velocidade” é o estudo desenvolvido

por Pleasants & White [31], em 1988. Verifica-se uma significativa redução na área de

restrição imposta pelo “diagrama altura versus velocidade” quando se utiliza um método de

energia. Neste trabalho são analisados diversos tipos de helicópteros, e resultados importantes

são obtidos em termos de redução na área de restrição.

Já no final da década de 1980, Cerbe & Reichert [4] publicam um trabalho que

apresenta um modelo de otimização de pousos e decolagens de um helicóptero, estudando os

efeitos de uma falha de motor durante a decolagem, o que acarreta na aplicação de atitudes de

comando suficientes para a realização do pouso com segurança. Durante a investigação são

utilizados dados teóricos e experimentais para o helicóptero MBB - BO 105.

Shi-Cun [34], em artigo publicado em 1990, apresenta uma aproximação analítica

através da teoria de vórtices para o estudo do escoamento induzido no rotor de um helicóptero

em descida vertical. Como resultado, tem-se redução da circulação de vórtices na esteira

quando um helicóptero está operando na condição de descida vertical.

Em artigo publicado em 1991, Okuno, Kawachi & Azuma [28] apresentam o estudo do

traçado do “diagrama altura versus velocidade” utilizando-se a teoria do controle ótimo.

Analisa-se o pouso de uma aeronave operando na condição de auto-rotação, envolvendo

equações não- lineares do movimento, a partir de um modelo de corpo rígido com três graus-

31

de-liberdade. Através desse modelo, é possível se obter uma boa noção de aparência do

“diagrama altura versus velocidade” comparando-se com dados existentes de vôo.

Pode-se citar o trabalho realizado por Newman [25] publicado em 1994, no livro “The

Foundations of Helicopter Flight”, onde, no Capítulo 7, estuda-se o desempenho auto-

rotativo. Cálculos importantes são apresentados no intuito de se determinar a razão-de-descida

da aeronave.

Nos últimos anos, trabalhos importantes sobre auto-rotação vêm sendo desenvolvidos

através de diversos estudos. Uma série importante de trabalhos que pode ser citada contém os

estudos desenvolvidos por Chen & Zhao. Seguindo uma ordem cronológica, podem ser

mencionados os seguintes trabalhos: (1) Chen & Zhao [5] publicam em 1996 uma análise de

trajetórias ótimas para a operação de um helicóptero em regime de auto-rotação dentro dos

limites de uma área de vôo controlada. Análises de trajetórias de pouso são realizadas com a

finalidade de se obter o melhor desempenho da aeronave; (2) em 1996, Chen, Zhao & Sharma

[6] também se utilizam da teoria do controle ótimo, a fim de encontrar trajetórias ótimas para

uma operação segura da aeronave. Um modelo dinâmico é utilizado, sendo realizado o estudo

de falha no motor durante a aproximação até um heliponto localizado acima do nível do solo;

(3) novamente em 1996, Chen, Zhao & Carlson [7] têm publicado o estudo de trajetórias

ótimas para uma aeronave composta, quando ocorre falha total do motor. Novamente se lança

mão de equações não-lineares da dinâmica e da teoria de controle ótimo para que possam ser

determinados os limites do “diagrama altura versus velocidade” para um dado peso bruto da

aeronave.

Em 1998, McCormick [24], no livro “Aerodynamics of V/STOL Flight”, dedica um

capítulo inteiro ao estudo de asas rotativas, no qual características de desempenho no regime

de auto-rotação são investigadas utilizando-se as teorias da quantidade-de-movimento e

elemento-de-pá.

32

I.3 – MOTIVAÇÃO E OBJETIVO

Com a expansão do mercado de helicópteros no mundo todo, o número dessas

aeronaves vem crescendo continuamente. No Brasil a situação não é diferente, pois conta-se

hoje com uma frota interna de aeronaves de aplicação civil de mais de 650 aeronaves de

diferentes configurações [8] a números de 1998. Encontram-se dentro dessa grande

quantidade de aeronaves de diferentes especificações técnicas os helicópteros monomotores,

nos quais a operação se encontra restrita em algumas situações, como no caso do vôo sobre

aglomerações populacionais em grandes cidades e de pousos em helipontos localizados sobre

edifícios.

Tendo o helicóptero se tornado um meio de transporte muito utilizado dentro de

grandes cidades, devido a sua capacidade de percorrer em um curto espaço de tempo trajetos

que por vias terrestres levariam muito tempo, e a sua capacidade de executar pousos e

decolagens verticais em qualquer lugar, torna-se indispensável que esses vôos sejam

realizados dentro de um padrão de segurança.

Como é apresentado neste trabalho, qualquer helicóptero possui a capacidade de entrar

no regime estável de auto-rotação e executar um pouso seguro. Existem, porém, restrições

operacionais tanto em altura como em velocidade de vôo à frente, que acabam por tornar

impraticável o estabelecimento do regime de auto-rotação. Essas restrições operacionais

impedem o sobrevôo de helicópteros sobre áreas habitadas, prejudicando desse modo a

utilização de um meio de transporte que cada vez se torna mais útil.

Dados estatísticos obtidos pelo centro de estatística de acidentes do Exército dos

Estados Unidos demonstram que a porcentagem de pousos auto-rotativos sem sucesso tem

sido relativamente alta. Foi revelado que em torno de 30% de todos os pousos de emergência

auto-rotativas envolvendo os helicópteros AH-1, UH-1, OH-58 e OH-60, resultaram em

algum tipo de dano a aeronave ou a seus tripulantes [31].

33

Através de estudos realizados, nota-se que é possível a redução das restrições

operacionais de modo a permitir que a aeronave realize o vôo dentro de um limite operacional

seguro em regiões onde hoje em dia o sobrevôo está restrito.

Baseado nesses dados e estudos surge a motivação principal do presente trabalho,

onde pretende-se analisar as restrições de operação em auto-rotação dessas aeronaves. Para

tal, a presente pesquisa apresenta modelos teóricos que tratam desde o instante em que ocorre

a falha do motor, analisando-se a entrada em auto-rotação, o regime de auto-rotação estável e

estudo do “diagrama altura versus velocidade”, visando-se a encontrar respostas para os

principais problemas relacionados ao regime de vôo em estudo.

Como objetivo do presente trabalho, tem-se a análise dos problemas de restrição

operacional de um helicóptero operando no regime de auto-rotação e a proposição de

sugestões para que se melhorem as condições de envelope operacional da aeronave. São

utilizados os modelamentos da teoria da quantidade-de-movimento e da teoria do elemento-

de-pá, a fim de se encontrar soluções que reduzam a área de restrição de operação da

aeronave. Dentre elas podem ser apontadas: redução na razão-de-descida, aumento da

distância de planeio da aeronave e melhorias no desempenho da aeronave durante o vôo auto-

rotacional. Os resultados obtidos são comparados aos encontrados na aplicação de outras

teorias e resultados obtidos experimentalmente, tanto em túnel de vento como em ensaios em

vôo. Também é proposto um modelo matemático computacional genérico para ser aplicado

em qualquer configuração de aeronave, de modo que possibilite o traçado do “diagrama

altura versus velocidade”.

I.4 – ESTRUTURA DA TESE

O presente trabalho está estruturado em seis capítulos. No Capítulo I tem-se uma breve

descrição do problema a ser tratado, a apresentação da bibliografia utilizada na realização da

34

pesquisa, a motivação em que se baseia a presente pesquisa e o objetivo do trabalho. No

Capítulo II é apresentado o regime de vôo auto-rotacional para helicópteros monomotores

operando tanto em descida auto-rotacional vertical, como em descida auto-rotacional com

baixa velocidade de vôo à frente. No Capítulo III é apresentado um modelo matemático que

se utiliza da teoria da quantidade-de-movimento e da teoria do elemento-de-pá para a análise

detalhada do desempenho de um helicóptero, envolvendo a transição do vôo pairado para a

condição de auto-rotação e o estudo da auto-rotação estável de um helicóptero em relação às

suas características e condições operacionais. Também é apresentado um estudo de um

modelo adimensional para tratamento do “diagrama altura versus velocidade”, modelo este

que possui um grande poder de generalização, pois é semelhante para diversas configurações

da aeronave. No Capítulo IV é apresentada uma interface para implementação numérica dos

resultados teóricos, definidos os parâmetros a serem utilizados na resolução do problema e

apresentado o sistema de solução das equações propostas no Capítulo III. No Capítulo V são

mostrados os resultados obtidos com a teoria apresentada e feitas comparações com dados

teóricos e práticos, obtidos a partir de resultados experimentais, de túnel de vento e ensaio em

vôo, presentes na literatura. Finalmente, no Capítulo VI são apresentadas as conclusões e

recomendações para trabalhos futuros. No Apêndice A podem ser encontrados os principais

parâmetros geométricos e operacionais dos helicópteros testados no decorrer do presente

trabalho. No Apêndice B podem ser encontradas as deduções matemáticas das principais

equações utilizadas no presente trabalho.

35

CAPÍTULO II

APRESENTAÇÃO DAS PRINCIPAIS CARACTERÍSTICAS DO REGIME DE VÔO

AUTO-ROTATIVO

II.1 – INTRODUÇÃO

Uma das vantagens mais importantes de um helicóptero em relação aos outros tipos de

aeronaves é a sua capacidade de realizar pousos seguros mesmo após completa perda de

potência. O regime de operação que inclui tal capacidade é conhecido como auto-rotação.

Neste capítulo é apresentado um resumo teórico do regime auto-rotativo visando a

propiciar ao leitor um conceito básico sobre as principais características desse regime de

operação, incluindo descida vertical e descida em vôo à frente onde são ilustradas e

comentadas as forças atuantes na aeronave e no elemento-de-pá bem como o equilíbrio auto-

rotativo e considerações sobre as teorias da quantidade-de-movimento e elemento-de-pá.

Embora o modelamento matemático do regime de auto-rotação através das teorias da

quantidade-de-movimento e elemento-de-pá seja relativamente simples, seu estudo é de

grande importância no que diz respeito à segurança operacional da aeronave, pois, através das

teorias citadas é possível a determinação de importantes características operacionais no

regime de auto-rotação como determinação do ângulo-de-planeio que minimiza a razão-de-

descida e do melhor ângulo-de-passo com o qual o equilíbrio auto-rotativo é atingido.

Os conceitos aqui apresentados buscam abranger os principais fatores que

caracterizam o regime de auto-rotação; conceitos mais completos e profundos são

apresentados no Capítulo III do presente trabalho onde as teorias da quantidade-de-

movimento e elemento-de-pá são utilizadas para análise da transição entre a falha do motor e

o regime de auto-rotação, e para análise do regime de auto-rotação estável tanto na condição

de vôo vertical como na condição de planeio.

36

II.2 – MECANISMO BÁSICO DO REGIME DE AUTO-ROTAÇÃO

A auto-rotação pode ser definida como a condição de vôo na qual o rotor é mantido

em movimento de rotação por forças aerodinâmicas, preservando desse modo a sustentação,

já que pode não existir potência líquida através do rotor. Se a potência líquida através do rotor

for zero, fica claro que para produzir tração (potência induzida), e vencer o arrasto de perfil,

energia deve advir de alguma fonte externa. No autogiro, por exemplo, a falta de transmissão

de potência para o rotor é suprida através de uma hélice colocada na parte frontal da

fuselagem, impulsionando-o. Uma vez na condição “power off”, o he licóptero pode entrar no

regime de auto-rotação, sendo o rotor impulsionado pela força da gravidade. Portanto, como

pode-se observar, no caso do helicóptero operando em regime de auto-rotação, a falta de

potência líquida através do rotor é suprida pela energia potencial gravitacional referente à

posição na qual a aeronave se encontra. Daí pode-se dizer que a potência necessária para

produzir sustentação e manter o rotor com determinada velocidade de rotação provém da

redução da energia potencial gravitacional da aeronave devido à redução de sua altura com

relação ao solo, energia essa que se transforma em energia cinética de rotação no rotor.

Pode-se dizer também que um rotor em auto-rotação possui efeito semelhante a um

pára-quedas de mesmo diâmetro. Logicamente que seria um pára-quedas pequeno para

sustentar o peso da aeronave; portanto, haveria uma elevada taxa de descida vertical da

aeronave. Mas um helicóptero em auto-rotação é muito melhor que um helicóptero em queda

livre.

Antes de considerar o mecanismo pelo qual um elemento-de-pá do rotor atinge o

equilíbrio auto-rotativo, deve-se estabelecer um primeiro conceito para um rotor em auto-

rotação. Pode-se dizer que a potência para vencer o arrasto de perfil da pá e produzir

sustentação deve ser suprida pela força da gravidade que impulsiona o rotor em uma certa

37

razão-de-descida. No caso de descida vertical em auto-rotação com falha total do motor, a

potência fornecida pelo motor e transmitida para o rotor é nula. Portanto pode-se escrever:

( ) 00 =++= PuVTP D , (II.1)

onde: P = Potência líquida no rotor, T = Tração no rotor principal, VD = Velocidade de

descida vertical, u = Velocidade induzida (para a condição de vôo vertical), P0 = Potência de

arrasto de perfil.

Através da equação anterior pode-se observar que a redução de energia potencial dada

por (TVD) compensa as perdas de potência induzida (Tu) e perdas de potência de perfil (P0) do

rotor. Ao se desprezar as perdas de potência de perfil, tem-se a chamada auto-rotação ideal,

onde:

( ) 0=+= uVTP D . (II.2)

Quando as perdas de perfil são incluídas tem-se que a auto-rotação ocorre em:

( )TP

uVD0−=+ . (II.3)

Segundo Gessow & Myers [13], para rotores normais em auto-rotação, a potência de

arrasto de perfil representa de 25% a 50% das perdas totais no rotor. Portanto, quando a

aeronave está no regime de auto-rotação, a razão-de-descida depende da potência para vencer

o arrasto de perfil (potência de perfil), ressaltando-se que as pás do rotor devem possuir

seções com boas características aerodinâmicas, de modo a gerar a menor razão-de-descida

possível, ou seja, as pás do rotor devem gerar o mínimo arrasto de perfil.

38

Pode-se então através das três equações acima citadas estabelecer um balanço de

energia, pois como foi visto, o decréscimo da energia potencial compensa as perdas de

potência de perfil e de potência induzida do rotor. A Equação (II.3) pode ser

adimensionalizada como se segue, através da velocidade induzida no vôo pairado wh,

levando-se em conta que ( )ATwh ρ2= , onde ρ é a densidade do ar, A representa a área do

disco do rotor principal, 0PC é o coeficiente de potência de perfil e TC é o coeficiente de

tração do rotor principal:

2

230

T

P

h

D

C

Cw

uV−=

+. (II.4)

As equações apresentadas são aplicadas na situação específica de vôo auto-rotacional

em descida vertical; no caso da auto-rotação na condição de planeio, o conceito do balanço de

energia também pode ser aplicado, porém com algumas diferenças em relação ao vôo vertical.

Através da teoria da quantidade-de-movimento pode-se delinear as condições na qual o vôo

auto-rotativo em vôo à frente é possível, e, como ocorre na descida vertical, a potência

fornecida pelo motor ao rotor vai ser nula no caso de ocorrer falha total do motor. Assim, para

a condição de planeio, no caso de auto-rotação ideal, pode-se escrever:

( ) ( ) 0sencos 00 =+−+−= γγ GZGX VwFuVFP , (II.5)

onde: VG = Velocidade de Planeio, u0 = Componente horizontal da velocidade induzida, w0=

Componente vertical da velocidade induzida, FX = Componente horizontal da tração no rotor

39

principal, FZ = Componente vertical da tração no rotor principal, P = Potência líquida no rotor

e γ = Ângulo-de-planeio.

Se as perdas de perfil forem incluídas, a Equação II.5 pode ser escrita seguindo-se os

passos apresentados no balanço de energia para o vôo vertical. No Capítulo III, um estudo

mais detalhado a respeito da auto-rotação ideal é apresentado tanto para a auto-rotação

vertical como para a auto-rotação na condição de planeio. Uma vez conhecidos os conceitos

do balanço de energia, o próximo passo importante é conhecer as forças aerodinâmicas

presentes no elemento-de-pá e na aeronave tanto em vôo vertical como na condição de

planeio, e analisar como essas forças se comportam no regime de auto-rotação.

O mecanismo básico do vôo pairado e do regime de auto-rotação está esquematizado

na Figura II.1, que mostra os vetores sustentação e arrasto atuando sobre um elemento-de-pá

no vôo pairado, na transição e em auto-rotação estável na condição de descida vertical. Por

hipótese, o vetor sustentação se mantém com magnitude constante para os três modos de vôo

citados.

A Figura II.1 mostra um decréscimo do ângulo-de-passo das pás e um aumento da

razão-de-descida. Pode-se observar que conforme se altera a razão-de-descida, o vetor

sustentação L, que é sempre perpendicular à velocidade resultante local, inclina-se para frente

o suficiente para equilibrar o vetor arrasto D resultando em uma componente de força nula no

plano de rotação. Neste ponto de equilíbrio, nenhuma potência é requerida para manter o

elemento-de-pá rotacionando, tendo-se então o equilíbrio auto-rotativo.

40

Figura II.1 – Forças no Elemento-de-Pá em Auto-Rotação [15].

Na Figura II.1, condição de vôo auto-rotativo, α representa o ângulo-de-ataque da pá

dado por α=φ+θ, onde φ representa o ângulo-de-ataque induzido e θ representa o ângulo-

de-passo da pá.

Auto-Rotação

Transição

Vôo Pairado

θ

θ

α

u Ωr

L

D

RA

α

VD u

L RA

D Ωr

θ α

D

VD

RA

L

Ωr

u

V

V

V

φ

φ

φ

LSN

LSN

LSN

41

No vôo auto-rotativo, a velocidade resultante V (vento relativo) no elemento-de-pá

possui duas componentes, como ocorre no vôo pairado: a velocidade rotacional Ωr e a

velocidade induzida u, adicionalmente, existe a velocidade de descida vertical VD ou a

componente VG senγ quando se trata do vôo de planeio. A força de sustentação é

perpendicular ao vento relativo, tendendo a acelerar o elemento na direção de rotação,

enquanto que ao mesmo tempo o arrasto de perfil tende a desacelerá- lo.

No caso de um rotor completo, as forças de sustentação e arrasto em cada elemento-

de-pá não estão necessariamente balanceadas. Porém, estando o rotor em equilíbrio auto-

rotativo, o torque total devido à inclinação para frente dos vetores sustentação em todos os

elementos-de-pá vai balancear o torque devido ao arrasto em todos os elementos.

O balanceamento do torque em auto-rotação tanto é aplicado no vôo à frente como em

descida vertical. Na situação de vôo à frente, é comum dizer que a aeronave se encontra no

regime de planeio. Nesta situação de vôo nota-se que é possível a obtenção de razões-de-

descida bem menores, comparadas às da auto-rotação vertical. Portanto, em regime de auto-

rotação, o melhor desempenho da aeronave no que diz respeito a obtenção de menores razões-

de-descida ocorre com baixas velocidades de vôo à frente. Essa característica pode ser

observada facilmente através do equacionamento das forças atuantes no helicóptero em auto-

rotação representadas na Figura II.2.

Durante o regime de planeio deve-se considerar as seguintes forças atuantes na

aeronave a fim de se calcular o desempenho da mesma: (1) peso do helicóptero (W), que é

dividido em duas componentes: a) uma perpendicular à trajetória inclinada (W1) e, b) outra ao

longo da trajetória inclinada (W2); (2) tração do rotor principal (T), que é dividida em: a)

sustentação (L), e b) arrasto (D); e (3) arrasto parasita (DP).

42

Figura II.2 – Forças Atuantes em Auto-Rotação no Regime de Planeio [15].

Para que ocorra o regime de auto-rotação estável no planeio, deve-se estabelecer as

seguintes igualdades a fim de se calcular o desempenho da aeronave:

γcos1 WWL == , (II.6)

γsen2 WDDW p =+= . (II.7)

Através das Equações (II.6) e (II.7) pode-se notar que é possível a obtenção de

menores razões-de-descida quando a descida é realizada com baixos ângulos-de-planeio, pois

percebe-se que quanto menor o ângulo-de-planeio, menor é a componente tangencial do peso

W2, indicando que o arrasto também é menor. Assim, conclui-se que uma maior parcela da

potência que é extraída do ar pelo rotor é utilizada para gerar sustentação reduzindo desse

modo a razão-de-descida.

As Figuras II.3, II.5, II.6 e II.7 representam as forças atuantes e o escoamento sobre o

rotor durante o planeio da aeronave. Na Figura II.3 apresentada a seguir, pode-se observar a

direção do fluxo de ar sobre a aeronave antes que a perda de potência ocorra, ou seja, nesta

situação, a aeronave está operando normalmente antes da falha no motor. Pode-se observar

W W1

W2

γ

T L

D

DP

43

Eixo de rotação

Resultante aerodinâmica

Sustentação

Arrasto Corda

Ângulo de ataque

Vento relativo

que os vetores sustentação e arrasto possuem magnitude elevadas e a resultante aerodinâmica

é bem inclinada para trás.

Figura II.3 – Estado de operação normal, vôo à frente com potência.

A auto-rotação na condição de planeio, pode ser dividida em três fases distintas: a

entrada, o estado de descida estável e a desaceleração seguida de pouso. Cada uma dessas

fases possui características aerodinâmicas diferentes. A seguir são apresentadas as três

condições acima citadas.

A entrada em auto-rotação é executada logo após a indicação de perda de potência.

Uma característica imediata de indicação de perda de potência é a redução da velocidade de

44

rotação do rotor a valores abaixo de uma condição aceitável para se manter o vôo da

aeronave. Essa redução na velocidade de rotação do rotor se torna mais acentuada quando o

helicóptero está com altos ângulos-de-passo, e pode ser observada pelo piloto da aeronave

através do contagiros, que serve para indicar a rotação do rotor e a rotação do motor. Este

instrumento possui dois ponteiros, com sistemas independentes, e duas escalas de graduação,

uma externa (rotação do motor) e outra interna (rotação do rotor). Durante o funcionamento

do helicóptero, com o mecanismo motor/rotor engrazado, os ponteiros devem estar

sobrepostos, indicando que o “clutch engagement” (engrazamento) está correto. Na Figura

II.4, pode-se observar o sistema de funcionamento do contagiros antes da falha no motor e

após a falha do mesmo.

Figura II.4 – Exemplo de funcionamento do contagiros.

Quando ocorre a falha do motor, o helicóptero possui um sistema conhecido como

“freewheeling unit” (unidade de roda livre), semelhante ao de corrente e catraca de bicicleta.

Este sistema possibilita o engrazamento do motor com a transmissão do rotor, apenas no

sentido de rotação do motor. Quando o motor pára ou é reduzido, o sistema permite que o

rotor continue em giro, embora engrazado ao motor. Com isso se permite o vôo em auto-

rotação, por ocasião da falha do motor.

a) Antes da Falha b) Após a Falha

45

Resultante aerodinâmica

Sustentação Arrasto

Corda

Ângulo de ataque

Vento relativo

Na Figura II.5, tem-se a representação do fluxo de ar sobre a aeronave logo após

ocorrer a perda de potência. Nesta situação a aeronave está passando do regime de operação

normal para o regime de vôo auto-rotacional.

Figura II.5 – Transição para auto-rotação.

Pode-se notar nesta condição, pela magnitude do ângulo-de-ataque, que o ângulo-de-

passo já foi reduzido, mas a aeronave ainda não começou a descer. Observa-se também que a

magnitude dos vetores sustentação e arrasto são menores e a resultante aerodinâmica se

encontra inclinada mais à frente que na condição de vôo com potência. Quando a aeronave

começa a descer, as mudanças de direção nas correntes de ar fazem com que a resultante

aerodinâmica se incline ainda mais para frente, até que se alcance um equilíbrio auto-rotativo

que mantenha uma velocidade de rotação do rotor segura.

46

Resultante aerodinâmica

Sustentação

Arrasto

Inflow

Corda

Vento relativo

resultante

Ângulo de ataque

Componente do vento relativo no plano de rotação

Na Figura II.6 pode-se observar o sentido do fluxo de ar sobre a aeronave no regime

de auto-rotação estável.

Figura II.6 – Regime de Auto-Rotação Estável.

Nota-se que nesta condição o fluxo de ar é direcionado para cima através do disco do

rotor, devido ao aumento da razão-de-descida da aeronave. Neste ponto a razão-de-descida e a

velocidade de rotação do rotor estão estabilizadas e a aeronave está descendo com um ângulo-

de-planeio constante.

Normalmente o piloto estabiliza a aeronave na condição de planeio em uma

velocidade que varia de 50 a 75 knots, dependendo do tipo e do peso da aeronave, sendo a

velocidade de rotação do rotor em auto-rotação estável semelhante à velocidade de rotação

normal do rotor.

47

Na Figura II.7, pode-se observar o sentido do fluxo de ar sobre a aeronave na

desaceleração e no momento do pouso da mesma operando em auto-rotação.

Figura II.7 – Desaceleração e Pouso.

Para que o pouso da aeronave operando no regime de auto-rotação seja seguro, o

piloto deve reduzir a velocidade de vôo à frente e a razão-de-descida antes da aterrissagem.

Ambas as ações podem ser realizadas parcialmente. Através do deslocamento do controle

cíclico para trás, tem-se uma mudança de atitude do disco do rotor com relação à direção do

vento relativo; isso causa uma redução na velocidade de vôo à frente da aeronave. Ocorre

também um aumento do ângulo-de-ataque em todas as pás devido à mudança na velocidade

induzida. Como resultado tem-se um aumento da sustentação e uma redução da razão-de-

descida. Depois de reduzida ambas as velocidades à uma condição segura de aterrissagem, o

piloto posiciona a aeronave de modo a realizar o pouso.

Corda

Sustentação

Arrasto

Resultante aerodinâmica

Inflow

Vento relativo

resultante

Ângulo de ataque

Componente do vento relativo no plano de rotação

48

Normalmente, para a realização de um pouso, o piloto da aeronave pode optar por um

dos dois métodos apresentados a seguir:

a) Colocar o helicóptero em vôo de planeio com velocidade constante, e, quando

estiver a aproximadamente três metros do solo, movimentar lentamente o comando cíclico de

modo a fazer com que a aeronave fique paralela ao solo. A partir dessa condição o piloto deve

baixar o comando coletivo realizando desse modo o pouso da aeronave. Este método de pouso

é semelhante ao realizado pelos aviões, pois faz com que o helicóptero toque o solo com certa

velocidade de vôo à frente. Na literatura, esse método de pouso é conhecido como “run-on”.

b) O segundo método utilizado para a realização do pouso é conhecido por “flare-out”.

Essa manobra se caracteriza por elevar o nariz da fuselagem quando o helicóptero estiver

aproximadamente a doze metros do solo fazendo a aeronave pairar nesta posição e

gradualmente abaixa-se o comando coletivo realizando o restante do pouso. Esta manobra

requer alguns cuidados como, por exemplo, a utilização de protetor para o rotor de cauda, pois

o mesmo se aproxima do solo quando o nariz da aeronave é elevado.

II.2.1 – A CONDIÇÃO DE EQUILÍBRIO AUTO-ROTATIVO

Como citado anteriormente, no regime de auto-rotação o rotor deixa de receber

potência do motor. Nesta situação, o “inflow” está para cima através do disco, provocando um

deslocamento para frente do vetor sustentação, visando a atingir o equilíbrio auto-rotativo.

A fim de se manter a velocidade de rotação do rotor constante durante o vôo no regime

de auto-rotação, é importante que os vetores sustentação e arrasto estejam em equilíbrio, pois

assim não vai existir a presença de torque líquido no rotor (dQ = 0), garantindo o equilíbrio. E

esta situação pode ser representada na Equação (II.8):

( ) 0=−= LDrdrdQ φ . (II.8)

49

Como citado anteriormente, em auto-rotação apenas uma seção se encontra em

equilíbrio, enquanto que as outras estão produzindo ou absorvendo potência. Examinando a

condição de auto-rotação na descida vertical, representada na Figura II.1 é possível observar

que:

r

uVD

Ωφ

+= arctan . (II.9)

Daí pode-se concluir que o ângulo-de-ataque induzido é maior nas regiões próximas à

raiz da pá e menor nas regiões próximas à ponta da pá. Portanto, para uma determinada seção,

nota-se que a Equação (II.8) pode ser desbalanceada devido a presença de instabilidades que

provoquem aumento ou redução da velocidade induzida ocasionando a presença de torque

positivo ou negativo, ou seja, o rotor passa a fornecer potência ao escoamento ou então

absorver potência do escoamento que se traduz em torque acelerador (dQ<0) ou torque

desacelerador (dQ>0).

Como em auto-rotação não existe a presença de potência líquida no rotor, tanto o

torque acelerador como o torque desacelerador devem se equilibrar. Para uma dada razão-de-

descida, a velocidade na ponta da pá vai-se ajustar até que o equilíbrio seja alcançado.

A partir da Figura II.8, pode-se perceber que quando ocorre uma ligeira diminuição na

velocidade de rotação de equilíbrio, tem-se um aumento do ângulo-de-ataque induzido, φ.

Assim existe um deslocamento da região aceleradora para fora do disco, o que impõe um

torque acelerador líquido no rotor, que por sua vez age no sentido de aumentar a velocidade

de rotação de volta ao seu valor de equilíbrio. Do mesmo modo, se acontecer um aumento da

velocidade de rotação de equilíbrio, tem-se uma diminuição do ângulo-de-ataque induzido, φ,

e, portanto, um deslocamento da região desaceleradora para dentro do disco, criando assim

50

um torque desacelerador líquido no rotor, que age no sentido de diminuir a velocidade de

rotação de volta ao seu valor de equilíbrio. Portanto, pode-se perceber que o equilíbrio auto-

rotativo é estável.

Figura II.8 – Diagrama de equilíbrio auto-rotativo em descida vertical.

Pode-se notar também que o ângulo-de-ataque, α, aumenta nas seções internas do

disco, devido ao aumento do ângulo-de-ataque induzido. Portanto, as regiões próximas à raiz

da pá estão estoladas. O fato de existir estol nas regiões internas não chega a ser preocupante,

pois tem-se baixa pressão dinâmica associada a essas seções. O que se necessita é conter essa

região para que a mesma não aumente.

Feitas essas considerações, nota-se que a aplicação de torção geométrica tipo

“washout” nas pás tem um efeito negativo em auto-rotação no que se refere as seções mais

internas, uma vez que faz aumentar o ângulo-de-ataque nas mesmas. Ao se passar da condição

de vôo pairado para a condição de vôo auto-rotativo, ocorre um aumento líquido do ângulo-

de-ataque nas seções se o piloto da aeronave não mudar o ângulo-de-passo logo após perceber

a perda de potência no vôo pairado.

Torque desacelerador

Torque acelerador

Estol

51

No regime de planeio também pode-se atingir o equilíbrio auto-rotativo, mas com

algumas diferenças com relação a auto-rotação vertical. Um modelo do diagrama de equilíbrio

auto-rotativo na condição de planeio está mostrado na Figura II.9.

Figura II.9 – Diagrama de equilíbrio auto-rotativo em vôo à frente.

Como pode-se observar, as diferenças aparecem devido ao fato de se encontrar valores

de ângulos-de-ataque baixos associados à região avançante do disco. Devido às mudanças de

velocidade induzida através do disco do rotor durante o vôo à frente, nota-se um

deslocamento da região de aceleração e da região estolada na direção da região retardante do

disco, onde tem-se altos ângulos-de-ataque associados.

Com a finalidade de se analisar com mais clareza as idéias expostas acima, a Figura

II.10 representa a distribuição de ângulos-de-ataque em três situações de vôo diferentes: vôo

nivelado, vôo ascendente com razão-de-subida igual a 1000 ft/min e vôo auto-rotacional.

Região avançante

Torque desacelerador

Torque acelerador

Estol

Direção de vôo

Região retardante

52

Figura II.10 – Variação do ângulo-de-ataque sobre o disco do rotor em vôo à frente [32].

Os resultados obtidos na Figura II.10 representam a distribuição de ângulos-de-ataque

de um helicóptero típico considerando-se a razão de avanço igual a 0.30 e torção da pá igual a

–10°. Pode-se notar que a condição de vôo altera de maneira significativa a distribuição de

ângulo-de-ataque na região retardante do disco. Em vôo nivelado, os maiores valores de

ângulos-de-ataque ocorrem em uma posição radial próxima de 80%. No caso do vôo

ascendente, os maiores valores de ângulos-de-ataque ocorrem na região mais externa do

disco, o que podem provocar estol de ponta de pá. Para o regime de auto-rotação, os maiores

valores de ângulo-de-ataque ocorrem na região interna do disco como citado anteriormente.

A assimetria observada nas três condições de vôo mostradas na Figura II.10 pode ser

creditada a dois fatores: o efeito de cone e a não-uniformidade da velocidade induzida.

O efeito de cone decorre basicamente do batimento das pás, fazendo com que a

velocidade do escoamento não-perturbado “ataque” o bordo-de-ataque do rotor por meio de

um ângulo-de-ataque maior que o correspondente em seu bordo-de-fuga na condição de vôo à

frente, alterando assim os valores do ângulo-de-ataque do disco do rotor como um todo.

a) Vôo Nivelado a) Vôo Ascendente c) Auto-Rotação

53

O efeito da não-uniformidade da velocidade induzida ocorre com o deslocamento do

helicóptero, pois o ar atinge o rotor com menor ângulo na parte anterior do que na parte

posterior do disco, causando uma diferença no fluxo de ar desviado para baixo. Pelo fato de o

ar atingir a parte posterior do disco de forma mais perpendicular e, portanto, com maior

ângulo, o fluxo de ar induzido será maior ali do que na parte anterior. Por isso, o ângulo-de-

ataque na parte posterior será menor e também menor será a sustentação, significando que a

sustentação da pá atrás do disco será menor do que a da pá da frente do disco. Em outras

palavras, na condição de vôo à frente, existe um “upwash” sobre o bordo-de-ataque do disco

do rotor e um “downwash” sobre o bordo-de-fuga do mesmo.

Até este ponto foram apresentados os mecanismos pelos quais um rotor atinge o

equilíbrio auto-rotativo. Observadas as características de desempenho da aeronave para atingir

o equilíbrio auto-rotativo, passa-se a estudar o comportamento do escoamento sobre o rotor

durante a descida em auto-rotação.

A seção seguinte apresenta as diferentes situações do escoamento sobre o rotor

comentando-se em qual dessas situações a teoria da quantidade-de-movimento pode ser

aplicada.

II.2.2 – CARACTERÍSTICAS DO ESCOAMENTO SOBRE O ROTOR

A análise de desempenho requer, para a condição de vôo pairado, encontrar relações

entre a potência requerida para pairar e outras variáveis como tração, velocidade de rotação,

ângulo-de-passo, solidez e arrasto de perfil. O problema na descida em auto-rotação é

encontrar relações entre essas mesmas variáveis e a razão-de-descida. Podem-se utilizar as

relações fundamentais do vôo pairado para o tratamento do problema em auto-rotação, a partir

das equações de conservação (massa, quantidade-de-movimento e energia) aplicadas às

teorias da quantidade-de-movimento e do elemento-de-pá. Essas equações são suficientes para

54

a determinação das condições de operação do rotor. No que tange à aplicação da teoria da

quantidade-de-movimento, esta requer uma definição física do escoamento, exigindo a

presença de uma linha de corrente definida e direcionada no mesmo sentido que o fluxo de ar

externo ao “slipstream” (contorno do tubo-de-corrente). No caso dos vôos pairado e

ascendente, o escoamento é direcionado para baixo; já no caso do vôo descendente, o

escoamento é direcionado para cima. Isto deixa claro que devem existir regiões onde o

escoamento não é bem-definido. Por esses fatores analisa-se a natureza do escoamento sobre

o rotor, e então determina-se em quais situações a teoria da quantidade-de-movimento pode

ser aplicada.

Existem basicamente três estados diferentes de operação em um rotor durante o vôo da

aeronave. O estado de operação normal, o estado de anéis de vórtices e o estado de molinete.

Alguns autores, como Wayne Johnson [20], se referem a um quarto estado de operação do

rotor chamado de “turbulent wake state” (estado de esteira turbulenta) como o estado do

escoamento entre a mudança de sentido do escoamento pelo plano do disco e a mudança de

sentido do escoamento na esteira em si. Em outras palavras, quando u≤VD≤2u. No presente

trabalho, o estado de esteira turbulenta está englobado no estado de anéis de vórtices, não

sendo, portanto, analisado separadamente.

Os três estados de operação do rotor citados são discutidos a seguir tendo como base

um observador movendo-se juntamente com o rotor, e considerando-se a aeronave em vôo

vertical (deve-se lembrar que os mesmos estados de vôo citados a seguir também estão

presentes no vôo à frente). O estado de operação normal representa uma condição onde o ar se

aproxima do rotor na mesma direção que a velocidade induzida. Neste estado, o escoamento é

para baixo através do disco e sempre igual ou maior que a velocidade induzida, o que pode ser

observado na Figura II.11. O estado de operação normal inclui desde vôos com uma

determinada razão-de-subida até o vôo pairado.

55

Figura II.11 – Estado de operação normal [19].

O estado de operação normal é caracterizado por um escoamento definido através do

rotor, porém, como citado, só existe enquanto a aeronave está pairando ou subindo, sendo

portanto, descartado durante uma análise de auto-rotação.

Quando uma perda de potência ocorre, não existe tração suficiente para manter a

aeronave no regime de vôo pairado, e o vôo descendente se inicia podendo-se esperar que

alterações ocorram no escoamento através do rotor provocando o estado de operação

conhecido por estado de anéis de vórtices. Esta situação de vôo ocorre quando se inicia a

descida a partir do vôo pairado. O escoamento sobre o rotor também é para baixo devido ao

valor da velocidade induzida ainda ser maior que a velocidade de descida da aeronave, porém

o contorno do tubo-de-corrente “slipstream” se desloca para cima. Os limites do estado de

VR

u

FZ FZ

Vs

V=0

u=wh

Subida Vôo Pairado

56

anéis de vórtices se situam entre o vôo pairado e o vôo em que a razão-de-descida é igual a

duas vezes o valor médio da velocidade induzida no rotor. A condição para a mudança de

sentido do escoamento pelo plano do disco do rotor e a condição- limite para mudança do

sentido do escoamento na esteira podem ser observadas a seguir na Figura II.12.

Figura II.12 – Condição para a mudança do sentido do escoamento no plano do disco do rotor

e condição- limite para mudança do sentido do escoamento na esteira,

durante o estado de anéis de vórtices [19].

O estado de anéis de vórtices é caracterizado por um “slipstream” indefinido, e

grandes recirculações do escoamento. O fato de existir recirculação sobre o rotor provoca o

aumento da velocidade induzida e um escoamento não estacionário sobre o mesmo, com

modificações temporais no contorno do tubo-de-corrente, restringindo portanto a aplicação da

teoria da quantidade-de-movimento durante o estado de anéis de vórtices.

Para razões-de-descida próximas das condições- limites para o estado de molinete, a

expansão do “slipstream” é muito grande e então pode-se considerar a existência de

FZ

u

VD

VD = 2u VD = u

VD

u

FZ

VR

57

recirculação e turbulência. Conforme a razão-de-descida aumenta, desaparecem os efeitos de

recirculação e turbulência, e o “slipstream” se torna bem definido novamente, com o rotor

passando a operar no estado de molinete “windmill brake state” o que pode ser observado na

Figura II.13.

Nesta situação de vôo, o escoamento é para cima através do rotor devido ao vôo

descendente da aeronave, tendo já havido a inversão no sentido do escoamento também na

esteira pois VD>2u. Assim, nota-se que a velocidade de descida VD é maior que a velocidade

induzida u; portanto, a velocidade resultante RV é para cima, e o “slipstream” se expande

sobre o rotor.

Figura II.13 – Estado de molinete [19].

Para a aplicação da teoria da quantidade-de-movimento, deve-se encontrar um

“slipstream” definido, o que faz com que a teoria da quantidade-de-movimento só possa ser

aplicada para o estado de operação normal ou para o estado de molinete. Como no estado de

operação normal a aeronave está subindo ou pairando, a única condição possível para a

VD

VR

u

FZ VD > 2u

58

aplicação da teoria da quantidade-de-movimento no intuito de se calcular o desempenho da

aeronave em auto-rotação é no estado de molinete.

Dados experimentais indicam que a utilização da teoria da quantidade-de-movimento

para a previsão de desempenho da aeronave fornece bons resultados [19]. No Capítulo III do

presente trabalho é apresentado um estudo sobre a teoria da quantidade-de-movimento,

observando-se com os resultados obtidos a eficácia do método e comprovando-se que

teoricamente é possível a obtenção de resultados próximos aos experimentais a partir de

ensaios em túnel de vento.

Para ilustrar os estados de operação do rotor, a Figura II.14 representa uma série de

fotografias com escoamento representado por fumaça para vários estados de operação do rotor

em descida vertical. A seqüência das fotos indica um aumento da razão-de-descida de (a) para

(f). A Figura II.14a representa a condição de vôo pairado, onde claramente pode-se observar o

escoamento deslocando-se para baixo a partir do plano do disco devido a ação da velocidade

induzida. A seqüência de (b) até (e) representa um acréscimo da razão-de-descida, e,

principalmente, na situação (c) pode-se observar o estado de anéis de vórtices com a presença

de muita recirculação e turbulência o que inviabiliza a aplicação da teoria da quantidade-de-

movimento. Na Figura II.14f é possível se observar o estado de molinete no qual o rotor passa

a operar como se fosse um moinho extraindo energia do vento, e nessa situação, como

mencionado anteriormente, tem-se novamente um escoamento definido através do rotor, pois,

como pode-se observar, os efeitos de recirculação e turbulência desaparecem. Portanto, nesta

condição, a teoria da quantidade-de-movimento novamente pode ser aplicada.

59

Figura II.14 – Visualização dos estados de operação do rotor em descida vertical [19].

Na Figura II.15 podem ser observados os mesmos estados de operação do rotor

apresentados na Figura II.14, porém, com a aeronave realizando o vôo na condição de planeio

em vôo à frente. A seqüência das fotos indica um aumento da razão-de-descida de (a) para

(d). A Figura II.15a representa a condição de estado de operação normal, onde claramente

(a) Vôo Pairado

(f) Estado de molinete (e) Início do Estado de molinete

(b) Início do Estado de anéis de vórtices

(c) Estado de anéis de vórtices (d) Estado de anéis de vórtices

60

pode-se observar o escoamento deslocando-se de cima para baixo a partir do plano do disco

devido à ação da velocidade induzida. Nas Figuras II.15b e II.15c pode-se notar que com o

acréscimo da razão-de-descida ocorrem mudanças na direção do escoamento pelo plano do

disco do rotor, e, principalmente na situação (c) pode-se observar o estado de anéis de vórtices

com a presença de recirculação e turbulência, o que inviabiliza a aplicação da teoria da

quantidade-de-movimento. Na Figura II.15d é possível se observar o início do estado de

molinete no qual o rotor passa a operar como se fosse um moinho extraindo energia do vento.

Figura II.15 – Visualização dos estados de operação do rotor em vôo à frente [19].

É importante comentar que a teoria da quantidade-de-movimento apresenta uma

fotografia ideal do desempenho do rotor, pois omite as perdas viscosas e todas as perdas

causadas pela não-uniformidade do escoamento sobre o rotor. Como a teoria da quantidade-

(b) Inicio do estado de anéis de vórtices (a) Estado de operação normal

(c) Estado de anéis de vórtices (d) Início do estado de molinete

61

de-movimento não pode ser aplicada no estado de anéis de vórtices, pois não existe a presença

de uma condição física definida, pode-se notar que com a teoria da quantidade-de-movimento

obtêm-se a máxima eficácia possível do rotor, pois é aplicada em condições limites com altas

razões-de-descida.

No capítulo seguinte são estudados os modelos matemáticos para tratamento do

desempenho de um helicóptero em auto-rotação, visando a analisar o envelope operacional da

aeronave utilizando-se as teorias da quantidade-de-movimento e elemento-de-pá.

62

CAPÍTULO III

ESTUDO E DESENVOLVIMENTO DE MODELOS PARA O CÁLCULO DO

DESEMPENHO DE HELICÓPTEROS NO REGIME DE AUTO-ROTAÇÃO

III.1 – INTRODUÇÃO

Neste capítulo são estudados e desenvolvidos modelos que tratam do regime de auto-

rotação no momento em que ocorre a falha no motor, da transição do vôo pairado para a auto-

rotação e do estudo do regime auto-rotacional estável. É também apresentado um modelo

semi-empírico para o traçado do “diagrama altura versus velocidade”. Para o

desenvolvimento desses modelos, apresenta-se uma seqüência lógica de resolução iniciando-

se pelo estudo desenvolvido por Nikolsky & Seckel na Referência “An Analysis of the

Transition of a Helicopter From Hovering to Steady Autorotative Vertical Descent” [26],

onde é proposto um modelo analítico para o estudo da transição do vôo pairado para a

condição de auto-rotação estável utilizando-se equações da dinâmica.

Numa segunda etapa apresenta-se o estudo do regime de auto-rotação estável durante

o planeio da aeronave, baseado em Heyson, Referência “A Momentum Analysis of

Helicopters and Autogyros in Inclined Descent With Coments on Operational Restrictions”

[19], que modela o desempenho auto-rotativo utilizando-se da teoria da quantidade-de-

movimento.

Como complemento apresenta-se um modelo teórico, semi-empírico, proposto por

Pegg na Referência “An Investigation of the Helicopter Height-Velocity Diagram Showing

Effects of Density Altitude and Gross Weight” [29], e que trabalha com o traçado do

“diagrama altura versus velocidade”. Nesta referência, através de variações nos parâmetros

operacionais da aeronave, é proposta uma análise de sensibilidade a fim de se reduzir a área

de restrição imposta pelo diagrama.

63

Deve-se ressaltar que para a realização dessa pesquisa optou-se por um modelamento

matemático teórico devido a uma série de dificuldades encontradas em se desenvolver estudos

experimentais com escoamentos em rotores de helicópteros, pois são escassos os laboratórios

experimentais para estudos dessa natureza em nosso país.

Tais modelamentos são muito difundidos e amplamente utilizados, fornecendo

resultados muito próximos da realidade quando comparados aos ensaios em túnel-de-vento e

ensaios em vôo, conforme discutido nesta tese.

III.2 – FORMULAÇÃO BÁSICA DOS MODELOS ESCOLHIDOS

Normalmente, o estudo do desempenho auto-rotativo de um helicóptero é realizado

através de modelos teóricos e de ensaios em túnel-de-vento e de ensaios em vôo.

No presente trabalho são apresentados modelos teóricos seguidos de soluções

computacionais das equações apresentadas, que fo rnecem resultados importantes do ponto de

vista das características de desempenho.

Quando se estuda o desempenho auto-rotativo de um helicóptero na condição de vôo

vertical ou na condição de planeio, é comum dividir a análise em dois casos distintos:

primeiramente é realizada uma análise da transição entre o vôo pairado ou vôo reto e nivelado

e o regime auto-rotativo estável, e, em uma segunda etapa, analisa-se o desempenho auto-

rotativo quando tal regime já está estabilizado. As principais equações matemáticas utilizadas

para a solução do problema são apresentadas e resolvidas no presente capítulo, sendo os

resultados correspondentes apresentados e comentados no Capítulo V do presente trabalho.

64

III.2.1 – MODELO UTILIZADO PARA O ESTUDO DA TRANSIÇÃO DO VÔO

PAIRADO PARA A CONDIÇÃO DE AUTO-ROTAÇÃO EM DESCIDA VERTICAL

O modelo aqui estudado e desenvolvido é o proposto por Nikolsky & Seckel [26] para

a transição entre o vôo pairado e a auto-rotação estável em descida vertical. Tal modelo está

inserido no contexto de uma série de estudos sobre a entrada em auto-rotação, apresentando

uma solução analítica do problema onde o autor utiliza-se de equações básicas da dinâmica,

mostrando resultados de uma análise das variações da velocidade angular de rotação do rotor

e da velocidade de descida vertical em função do tempo após a falha do motor. Também se

estudam os efeitos do momento de inércia das pás e são investigados os efeitos da redução do

ângulo-de-passo após a perda de potência. Como resultados, observa-se que a fim de se evitar

estol excessivo nas pás do rotor, o ângulo-de-passo deve ser reduzido imediatamente após se

perceber a perda de potência.

III.2.1.1 – HIPOTESES BÁSICAS DO MODELO

Como estado inicial, assume-se que a aeronave se encontra em vôo pairado estável,

onde as quantidades físicas são representadas pelo subscrito 0. Para o estado final, quando a

descida auto-rotativa está estabilizada, o subscrito f é utilizado para denotar as quantidades

físicas.

Por conveniência, assume-se que a velocidade induzida u varia com o tempo t após a

falha do motor do seguinte modo:

( )ff uuuu −+= 0 kte − , (III.1)

onde o coeficiente k é arbitrário e pode assumir diferentes valores.

Assume-se também que o ângulo-de-passo θ varia com o tempo exponencialmente, de

acordo com:

65

tataf eAeA 21

21−− ++=θθ , (III.2)

onde θf representa a posição final do ângulo-de-passo, A1, A2, a1 e a2 são arbitrários, exceto

quando:

fAA θθ −=+ 021 , (III.3)

onde as constantes A1, A2, a1 e a2 são escolhidas de modo a propiciar uma rápida análise da

redução de passo após a falha.

No estudo apresentado, apenas pás sem torção e afilamento 1, )1( == rp ccλ , são

analisadas. As equações desenvolvidas podem ser aplicadas para qualquer pá, bastando para

isso que se utilize da corda equivalente e do ângulo-de-torção correspondente.

III.2.1.2– DETERMINAÇÃO DA RAZÃO-DE-DESCIDA E VELOCIDADE

ANGULAR DO ROTOR

A fim de se calcular as variações de razão-de-descida e velocidade angular do rotor em

função do tempo decorrido após a falha do motor podem-se utilizar as seguintes equações que

representam a aceleração vertical da aeronave e a aceleração angular do rotor:

+

−−=

•2

3

322ΩθΩρ

RuV

gW

bacRgV D , (III.4)

e

( ) ( ) ( )

++′−−

−−−−

−=

•2

2210212

22

1

4

432

22ΩθδθδδΩδθδδρΩ uV

Ra

uVR

aI

cRDD ,

(III.5)

66

onde:•

V = aceleração vertical da aeronave, g = aceleração local da gravidade, ρ = densidade do

ar, b = número de pás do rotor principal, a = coeficiente angular da curva de sustentação, c =

corda, R = raio da pá, W = peso do helicóptero, VD = velocidade do helicóptero ao longo do

planeio (velocidade de descida vertical), u = velocidade induzida para a condição de vôo

vertical, θ = ângulo-de-passo, Ω = velocidade angular do rotor, I1 = momento de inércia em

flap das pás do rotor , •

Ω = aceleração angular do rotor e δ0’, δ1 e δ2 são os coeficientes de Cd0

em função de α.

As Equações (III.4) e (III.5) são obtidas a partir do equilíbrio das forças atuantes no

helicóptero em auto-rotação, bem como através da utilização da teoria do elemento-de-pá com

o intuito de se determinar a tração e o torque no elemento-de-pá. A dedução matemática

dessas equações pode ser encontrada no Apêndice B do presente trabalho.

Diferenciando-se a Equação (III.5) com relação ao tempo, tem-se:

( )( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( )

+−++′

−−−

+

−+

−−−

−−

=

••

•••••••

221

22102

212

2

1

4

2423

32

2

ΩθδδθΩΩθδθδδ

Ωδθ

ΩΩδθδδρΩ

uVR

a

uVuVRa

uVuVR

aI

cR

D

DD

(III.6)

No instante de tempo igual a zero (momento da falha no motor), todos os termos das

Equações (III.4), (III.5), e (III.6) são conhecidos. Devido às variações em função do tempo

tanto na velocidade induzida quanto no ângulo-de-passo, não é aconselhável a solução das

Equações (III.4), (III.5), e (III.6) para um intervalo de tempo muito grande. Assim, um

processo passo-a-passo com pequenos intervalos de tempo (método de integração de Euler) é

utilizado, visando-se a encontrar resultados mais próximos da realidade, pois desse modo é

.

67

possível calcular os valores de velocidade de descida e velocidade de rotação do rotor em

cada fração de tempo analisado.

A partir dessas considerações, o primeiro passo para a solução do problema é o cálculo

das Equações (III.4), (III.5) e (III.6) com o objetivo de obter os valores iniciais ••••

000 ,, ΩΩV .

Após um certo intervalo de tempo, ∆t segundos, um novo valor da velocidade angular

do rotor pode ser encontrado a partir de uma série de Taylor truncada como na Equação

(III.7), e um novo valor da velocidade de descida vertical pode ser encontrado a partir da

Equação (III.8), que representa o método de integração numérica via regra do trapézio:

( ) ( )0

2

00 2

•••

++= Ω∆Ω∆ΩΩ∆t

tt , (III.7)

++=

••

tt VVt

VV ∆∆∆

00 2. (III.8)

Pode-se observar que a partir dos resultados numéricos obtidos nas Equações (III.4),

(III.5) e (III.6) surge um novo valor da velocidade angular do rotor que pode ser obtido

através da aplicação direta da Equação (III.7). Porém, o novo valor da velocidade de descida

vertical da aeronave ainda não pode ser determinado, pois como pode-se perceber na Equação

(III.8) existe um parâmetro desconhecido tV ∆

que representa a aceleração vertical da

aeronave após o intervalo de tempo adotado.

( )

+−−=

•2

3

322t

ttt

tt uV

RgW

bacRgV ∆

∆∆∆

∆∆ Ω

θΩρ. (III.9)

O valor numérico de tV ∆

pode ser obtido através da solução de um sistema formado

pelas Equações (III.8) e (III.9), o que é possível substituindo-se a Equação (III.8) na Equação

(III.9), obtendo-se tV ∆

, Equação (III.10). A Equação (III.9) é idêntica à Equação (III.4)

68

exceto pelo subscrito ∆t que é utilizado para denotar as características do final do intervalo de

tempo utilizado.

t

tt

tt

t

gWabcR

t

uVt

VRgW

bacRg

V

∆∆

∆∆

Ωρ∆

Ωθ∆Ωρ

81

32222

2

00

3

+

+

−+−

=

. (III.10)

Para obtenção de melhores resultados, o intervalo de tempo entre uma medida e outra

deve ser pequeno, pois quanto mais pontos são analisados mais precisos são esses resultados.

Para a realização do processo acima citado, o intervalo de tempo adotado se encontra entre

5.00 ≤≤ t∆ s.

Na Equação (III.10), os valores numéricos u∆t e θ∆t podem ser obtidos a partir das

soluções das Equações (III.1) e (III.2) no instante desejado.

Uma vez determinado o resultado numérico da Equação (III.10), a nova razão-de-

descida da aeronave após 0.5s pode ser encontrada a partir da Equação (III.8), finalizando

desse modo o processo de obtenção da variação da velocidade de descida vertical da aeronave

e da variação da velocidade angular do rotor após um pequeno intervalo de tempo.

Um processo passo-a-passo é utilizado, sendo a metodologia apresentada repetida

várias vezes, com os valores finais do passo anterior passando a ser considerados os valores

iniciais ••••

000 , ΩΩ eV do passo seguinte. Novamente um incremento de 0.5s é utilizado na

variação do tempo, e, novos valores de razão-de-descida e velocidade angular do rotor são

encontrados.

A questão principal desta análise é saber até que ponto o processo deve ser repetido.

Conforme observado no Capítulo II do presente trabalho, após uma entrada correta no regime

de auto-rotação, a tendência é que tanto a razão-de-descida da aeronave quanto a velocidade

angular do rotor se estabilizem, mantendo-se praticamente constante durante o vôo auto-

69

rotativo indicando que o equilíbrio foi atingido. Portanto, a repetição do processo deve ser

finalizada assim que se perceba uma constância dos valores numéricos encontrados na

solução das Equações (III.7) e (III.8), o que indica que a auto-rotação está estabilizada e, a

transição do vôo pairado para o regime auto-rotacional em descida vertical está completa.

Uma vez realizada a transição para o regime de auto-rotação, a preocupação é com o

comportamento da aeronave no regime de auto-rotação estável. Na seção seguinte, é

apresentado um modelo matemático teórico que se utiliza da teoria da quantidade-de-

movimento e permite avaliar as características do vôo na condição de auto-rotação estável

durante todo o planeio da aeronave tanto na condição de descida vertical como na condição de

descida inclinada.

III.2.2 – MODELO UTILIZADO PARA O ESTUDO DO REGIME DE AUTO-

ROTAÇÃO ESTÁVEL NA CONDIÇÃO DE DESCIDA VERTICAL E NA

CONDIÇÃO DE PLANEIO DA AERONAVE UTILIZANDO-SE A TEORIA DA

QUANTIDADE-DE-MOVIMENTO

O estudo desenvolvido e apresentado nesta seção baseia-se no trabalho apresentado

por Heyson [19], que analisa o regime de auto-rotação estável utilizando-se da teoria da

quantidade-de-movimento. O autor utiliza-se da teoria da quantidade-de-movimento para

modelar o escoamento sobre o rotor, encontrando variações de velocidade induzida e potência

no eixo do rotor conforme a razão-de-descida aumenta. A referência é rica em resultados.

As principais equações são apresentadas e resolvidas numericamente fornecendo

resultados que, quando comparados aos experimentais disponíveis, mostram que esta teoria

quando bem interpretada fornece bons subsídios para a predição do desempenho do rotor em

auto-rotação.

70

III.2.2.1– HIPÓTESES BÁSICAS DO MODELO

A teoria da quantidade-de-movimento se baseia nas leis básicas da conservação da

massa, da quantidade-de-movimento linear e da energia. No caso da aplicação em asas

rotativas, o rotor é modelado como um disco atuador de espessura infinitesimal e composto

por um número infinito de pás, acelerando uniformemente o ar através do disco e sem perdas

nas pontas. A potência requerida para produzir tração é dada apenas pela variação da energia

cinética axial do ar, desprezando-se as perdas por arrasto de perfil, rotação do escoamento e

efeitos viscosos.

No presente trabalho, a teoria da quantidade-de-movimento é aplicada com o rotor

operando no regime de auto-rotação, ou seja, as equações apresentadas dizem respeito a um

regime de vôo descendente onde se assume que o rotor possui uma velocidade uniforme VG ao

longo de uma rampa de planeio definida por um ângulo-de-planeio γ. Os diagramas de forças

que envolvem o rotor e as componentes das velocidades estão mostrados a seguir na Figura

III.1; onde: αR = ângulo de ataque do rotor, θFP = ângulo de atitude do plano das pontas das

pás (em relação ao plano horizontal de rotação do rotor), VG sen γ = componente vertical da

velocidade de planeio, VG cos γ = componente horizontal da velocidade de planeio, w0 =

componente vertical da velocidade induzida, u0 = componente horizontal da velocidade

induzida, VR = velocidade resultante atuante no rotor, FZ = componente vertical da tração no

rotor, FX = componente horizontal da tração no rotor e T = tração no rotor principal.

Com base na Figura III.1 é possível realizar o equacionamento da teoria da

quantidade-de-movimento durante o regime de auto-rotação. Utilizando-se as relações

geométricas presentes, podem-se encontrar relações matemáticas que determinam as

variações de velocidade induzida em função da velocidade de planeio da aeronave, bem como

a variação da potência no eixo conforme a razão-de-descida aumenta.

71

Também podem ser estudados os efeitos causados pela redução do ângulo-de-planeio

e do ângulo de atitude do plano das pontas das pás, bem como as influências dessas variações

na determinação da velocidade de descida da aeronave.

Figura III.1 – Diagrama de Forças sobre o Rotor [19].

III.2.2.2– DETERMINAÇÃO DA VELOCIDADE INDUZIDA

Nesta seção aplicam-se os conceitos da teoria da quantidade-de-movimento e

encontra-se uma relação matemática que fornece os valores da velocidade induzida conforme

a razão-de-descida da aeronave aumenta. Considerando-se que o fluxo mássico é dado por

RVR2ρπ , as componentes vertical e horizontal da tração no rotor principal podem ser

determinadas através das Equações (III.11) e (III.12):

Horizontal

Fz

Fx

T

θFP αR

γ

VG

VG cos γ

VG sen γ

VG cos γ u0

χ

-VG sen γ

-w0

VR

Plano das pontas das pás do rotor

Rampa de planeio

72

( )02 2wVRF RZ −= ρπ , (III.11)

( )02 2uVRF RX −= ρπ . (III.12)

Como o fluxo de massa através do rotor é constante, as componentes da tração FX e FZ

podem ser relacionadas diretamente com as componentes da velocidade induzida u0 e w0,

dividindo-se a Equação (III.12) pela Equação (III.11):

0

0

wu

FF

Z

X = . (III.13)

O vetor velocidade resultante para o rotor na condição de planeio pode ser obtido a

partir das relações geométricas do diagrama da Figura III.1, sendo representado por:

( ) ( )2

0

2

0 cossen uVVwV GGR ++−−= γγ . (III.14)

Generalizando-se o problema para qualquer tipo de helicóptero estudado, a Equação

(III.14) pode ser normalizada dividindo-se ambos os membros da equação pela componente

vertical da velocidade induzida -w0, e, utilizando-se da relação encontrada na Equação

(III.13). Tem-se, então:

2

0

2

00

sen1cos

++

+−= γγ

wV

FF

wV

wV G

Z

XGR . (III.15)

A partir desse ponto, é conveniente definir-se uma velocidade de referência wh, que

representa a componente vertical da velocidade induzida em vôo pairado; i.e., wh é o valor de

w0 quando VG e FX são nulos. Portanto, a Equação (III.15) pode ser solucionada, fornecendo

como resultado VR=-wh.

Aplicando-se este resultado na Equação (III.11), a velocidade de referência wh pode

ser determinada da seguinte forma:

22 RF

w Zh ρπ

−= . (III.16)

73

Deve-se observar que o sinal negativo na raiz quadrada da Equação (III.16) é adotado

para denotar que uma força positiva é produzida por uma velocidade induzida negativa.

Visando-se a simplificar o equacionamento do problema é interessante que se

relacionem as componentes da tração FX e FZ com o ângulo de atitude do plano das pontas das

pás, θFP. A partir do diagrama da Figura III.1 é possível encontrar a seguinte relação

trigonométrica:

FPZ

X tgFF

θ= . (III.17)

A partir das Equações (III.15), (III.16) e (III.17), faz-se uma série de substituições com

o intuito de se encontrar uma equação que forneça os valores de velocidade induzida em

função da velocidade de planeio da aeronave, que é representada por:

( ) ( ) 01cossen212

0

23

0

4

02 =−

+

++

+

hh

G

hFP

h

G

hFP w

wwV

ww

tgwV

ww

tg θγγθ . (III.18)

A Equação (III.18) pode ser facilmente resolvida numericamente, sendo o ponto de

partida para a análise do regime de auto-rotação proposto nesta seção do presente trabalho.

Em geral uma ou três raízes reais positivas podem ser obtidas para um dado valor de VG/wh.

Normalmente as raízes múltiplas ocorrem em altas velocidades de planeio ( hG wV > 2), e,

mais freqüentemente, para um ângulo-de-inclinação do plano da ponta das pás positivo. Como

essas raízes podem ser positivas ou negativas, reais ou imaginárias, são utilizadas apenas as

raízes reais positivas, desprezando as raízes complexas e as raízes reais negativas.

Uma vez fixados os valores do ângulo-de-planeio e do ângulo de atitude do plano das

pontas das pás, a Equação (III.18) fornece o valor normalizado adimensional da velocidade

induzida no rotor em função da velocidade de planeio da aeronave. A solução desta equação

74

fornece uma curva adimensional que quando bem interpretada, mostra claramente os estados

de operação do rotor durante o regime de auto-rotação, permitindo que se observe em quais

situações a teoria da quantidade-de-movimento pode ser aplicada. Também percebe-se que a

Equação (III.18) pode ser aplicada em qualquer situação de vôo, seja em vôo de planeio ou na

condição de vôo vertical, pois, o ângulo-de-planeio γ pode variar desde 0° até 90°.

III.2.2.3 – POTÊNCIA NO EIXO DO ROTOR PRINCIPAL EM AUTO-

ROTAÇÃO

Outro ponto de interesse durante a análise do regime de auto-rotação estável é a

determinação da potência no eixo do rotor principal que pode ser obtida através do produto

escalar entre os vetores força e velocidade. Utilizando-se a convenção de sinais aqui adotada,

tem-se que:

RS VTP •−= . (III.19)

Considerando-se que tanto a tração quanto a velocidade induzida atuante no rotor

possuem componentes nos planos vertical e horizontal, a Equação (III.19) pode ser reescrita

do seguinte modo:

( ) ( )γγ sencos 00 GZGXS VwFuVFP +−+−= . (III.20)

Considerando-se a condição de vôo pairado, a potência é obtida quando u0 e VG são

nulos, nesta situação nota-se que w0=wh. Portanto, a potência no eixo durante o vôo pairado é

dada por:

hZh wFP −= . (III.21)

Um valor adimensional para a potência pode ser obtido dividindo-se a Equação

(III.20) pela Equação (III.21). Substituindo-se a Equação (III.13) na relação encontrada,

obtém-se assim um resultado que após algumas simplificações é representado por:

75

γγ sen1cos 0

2

h

G

hZ

X

h

G

Z

X

h

S

wV

ww

FF

wV

FF

PP

+

++

= . (III.22)

Visando-se a encontrar uma equação que forneça a relação de potência tanto em

função da velocidade de planeio da aeronave como em função da velocidade induzida,

substitui-se a Equação (III.17) na Equação (III.22) obtendo-se:

γθ

γθ sencos

cos 20

h

G

FP

hFP

h

G

h

S

wVww

tgwV

PP

++= . (III.23)

Resolvendo-se numericamente a Equação (III.23) é possível analisar em quais

situações o rotor está fornecendo potência ao escoamento ou extraindo potência do mesmo.

Esta análise é fundamental no modelamento do vôo auto-rotativo quando se utiliza a teoria da

quantidade-de-movimento, pois também permite uma clara visualização dos estados de

operação do rotor.

O significado físico dos três termos do lado direito da Equação (III.22) são

importantes e notórios. O termo central representa a potência induzida requerida para produzir

as forças vertical e horizontal do rotor; w0/wh representa a potência requerida para produzir a

força vertical e ])/(1[ 2zx FF+ é um fator de expansão que indica que a resultante das forças

no rotor é uma soma vetorial das forças vertical e horizontal. O termo final representa uma

redução na potência causada pela redução da energia potencia l conforme o rotor perde altura.

O primeiro termo do lado direito da Equação (III.22) é de interesse particular pois os efeitos

são diferentes dependendo do sinal de FX/FZ. Se FX/FZ é negativo, este termo é positivo e

representa potência requerida para manter uma tração horizontal propulsiva, como por

exemplo, vencer o arrasto parasita da fuselagem. Por outro lado, se FX/FZ é positivo, o citado

76

termo é negativo e então o rotor está extraindo potência do ar no sentido de reduzir a potência

requerida.

No estudo realizado, nota-se que as Equações (III.22) e (III.23) contêm todos os

termos normalmente considerados na análise do desempenho de um rotor, com exceção da

potência de arrasto de perfil. É importante observar que o termo w0/wh é uma função implícita

de VG/wh, FX/FZ e γ. Assim, os termos das Equações (III.22) e (III.23) são interdependentes e,

particularmente em baixas velocidades, a mudança em um dos termos afeta os termos

remanescentes.

Como pode-se perceber, a Equação (III.23) é dependente do resultado encontrado na

Equação (III.18), pois, para cada valor de velocidade de planeio VG, existe um valor

correspondente de velocidade induzida w0, sendo a solução da Equação (III.23) possível

apenas quando os valores da velocidade induzida são conhecidos.

Durante a análise auto-rotativa utilizando-se a teoria da quantidade-de-movimento, a

solução numérica das Equações (III.18) e (III.23) é suficiente para a predição do desempenho

do rotor. Existe, porém, um caso particular onde o regime de auto-rotação é estabilizado em

descida vertical. Nesta situação específica de vôo, as mesmas equações podem ser aplicadas,

mas com algumas simplificações em relação ao regime de planeio. Na seqüência do trabalho é

apresentado esse caso particular e são comentadas e analisadas as principais diferenças

encontradas.

III.2.2.4 – CASO ESPECÍFICO (AUTO-ROTAÇÃO EM VÔO VERTICAL)

Quando a perda de potência ocorre a partir do vôo pairado, torna-se impraticável

estabilizar-se o regime de auto-rotação na condição de planeio, pois não existe uma

velocidade de translação horizontal da aeronave. Nessas condições específicas, o regime auto-

77

rotativo ocorre na condição de descida vertical da aeronave, ou seja, o ângulo-de-planeio γ é

igual a 90°.

Nesta seção é considerado este caso particular. Para a realização detalhada do estudo

proposto, as mesmas equações utilizadas na análise da condição de planeio podem ser

aplicadas para o vôo vertical, notando-se com clareza que tanto a Equação (III.18) como a

Equação (III.23) fornecem os valores de velocidade induzida e potência no eixo na condição

de auto-rotação vertical. No entanto, esses valores podem ser obtidos de um modo mais

simples em relação à condição de planeio.

A seguir são apresentadas as soluções simplificadas dessas equações, propiciando um

método mais rápido de solucionar o problema na condição de descida vertical.

III.2.2.4.1 – DETERMINAÇÃO DA VELOCIDADE INDUZIDA EM AUTO-

ROTAÇÃO VERTICAL

A velocidade induzida sobre o rotor pode ser calculada na condição de vôo auto-

rotativo em descida vertical considerando-se o ângulo-de-planeio γ igual a 90º e o ângulo de

atitude do plano das pontas das pás, θFP, igual a 0º. A partir dessas condições específicas,

pode-se escrever que:

2

0

4

0

1

1

+

=

wVw

w

Gh

, ou (III.24a)

0112

0

4

0 =−

+

wV

ww G

h

. (III.24b)

78

A Equação (III.24b) representa uma equação biquadrada, cuja solução é dada por:

0110

2

0 =−

+

wV

ww G

h

, e (III.25a)

0110

2

0 =+

+

wV

ww G

h

. (III.25b)

É importante observar que as Equações (III.25a) e (III.25b) são idênticas exceto pelos

sinais do segundo termo. As soluções para essas equações são, respectivamente,

421

21

2

0 +

+−=

h

G

h

G

h wV

wV

ww

, e (III.26a)

421

21

2

0 −

±−=

h

G

h

G

h wV

wV

ww

. (III.26b)

As Equações (III.26a) e (III.26b) representam uma forma simplificada da Equação

(III.18) utilizada na análise da condição de planeio. Nota-se que três raízes reais positivas

podem ser encontradas.

Na Equação (III.26a) observa-se um contínuo aumento da velocidade induzida

conforme a razão-de-descida aumenta. Na Equação (III.26b) dois valores reais positivos

podem ser encontrados, porém, devido à convenção de sinais presentes na equação, pode-se

observar que a mesma aplica-se apenas em altas razões-de-descida, ou seja, quando VG>2wh.

III.2.2.4.2 – POTÊNCIA NO EIXO DO ROTOR PRINCIPAL EM AUTO-

ROTAÇÃO VERTICAL

Para a condição de vôo vertical, a Equação (III.23) também pode ser aplicada; porém,

como citado, considera-se o ângulo-de-planeio γ igual a 90° e, o ângulo de atitude do plano

79

das pontas das pás, θFP, igual a 0°. A partir dessas condições específicas, a citada equação se

reduz a:

h

G

hh

S

wV

ww

PP

+= 0 . (III.27)

Na Equação (III.27), o primeiro termo do lado direito da equação representa a potência

induzida requerida para produzir tração. O termo final representa a redução na potência

requerida devido à redução da energia potencial conforme a aeronave perde altura. Se a

potência induzida permanecer constante durante o planeio, pode-se escrever o seguinte:

h

P

h

S

PE

PP

+= 1 , (III.28)

onde •

pE representa a redução da energia potencial da aeronave em função do tempo durante

a descida.

Observando-se as Equações (III.26a) e (III.26b), nota-se que em vôo vertical, a parcela

correspondente à potência induzida é dependente da razão-de-descida.

Substituindo essas equações na Equação (III.27), tem-se como resultado um par de

equações que fornecem a relação de potência em função da razão-de-descida da aeronave:

421

21

2

+

+=

h

G

h

G

h

S

wV

wV

PP

, e (III.29a)

421

21

2

±=

h

G

h

G

h

S

wV

wV

PP

. (III.29b)

A principal diferença encontrada em relação ao regime de planeio, deve-se ao fato que

em descida vertical, as Equações (III.29a) e (III.29b) podem ser resolvidas considerando-se

apenas a razão-de-descida da aeronave, ou seja, não existe a necessidade de se determinar a

80

velocidade induzida atuante no rotor, pois a mesma se encontra implicitamente inserida nessas

equações.

As Equações (III.26a) e (III.29a), podem ser aplicadas a pequenas razões-de-descida,

e, como VG/wh é negativo, fica evidente que a relação Ps/Ph na Equação (III.29a) sempre será

positiva, indicando que o rotor está fornecendo potência ao escoamento. Assim, nesta situação

a aeronave encontra-se na transição entre o vôo pairado e o regime de auto-rotação estável.

O regime de auto-rotação estável requer potência igual a zero ou negativa; portanto, a

mínima razão-de-descida em auto-rotação estável, prevista pela teoria em questão, é dada por

VG/wh=-2. Nesta razão-de-descida, a Equação (III.29b) fornece uma relação de potência igual

a –1, indicando que o rotor está extraindo potência do ar.

III.2.2.5 – REGIME DE AUTO-ROTAÇÃO IDEAL

Teoricamente uma situação ideal pode ser aplicada à operação de um rotor de

helicóptero. Sob essas condições específicas, a teoria da quantidade-de-movimento é aplicada

considerando-se que não existe potência líquida no eixo do rotor.

Como o regime de auto-rotação ideal se caracteriza por uma situação teórica,

impossível de se obter na prática, o modelo aqui apresentado é utilizado apenas a título de

ilustração, e os resultados teóricos são comparados aos obtidos nos ensaios em túnel-de-vento

comentando-se as principais diferenças entre um regime ideal e uma situação real.

III.2.2.5.1 - AUTO-ROTAÇÃO IDEAL EM DESCIDA VERTICAL

Na condição de auto-rotação em descida vertical, o regime ideal pode ser obtido a

partir da Equação (III.27), onde, considerando-se a relação de potência PS/Ph nula, obtém-se a

velocidade de planeio VG em função da componente vertical da velocidade induzida w0

através da seguinte equação:

81

0wVG −= . (III.30)

Substituindo-se a Equação (III.30) na Equação (III.15), e, considerando-se o ângulo-

de-planeio, γ, igual a 90°, é possível observar que durante um regime de auto-rotação ideal, a

velocidade resultante sobre o rotor é nula, i.e.,

0=RV . (III.31)

Nesta situação pode-se dizer que não existe escoamento através do rotor.

A componente de força vertical atuante no rotor em uma condição de auto-rotação

ideal pode ser determinada a partir de uma análise- limite da Equação (III.11). Considerando-

se a velocidade resultante VR tendendo a zero, e, a componente vertical da velocidade

induzida w0 tendendo a infinito, a citada equação pode ser reescrita do seguinte modo:

2

00

22 wwV

RF RZ

−= ρπ . (III.32)

Resolvendo-se a Equação (III.11) para w0, dividindo-se o resultado encontrado por

wh², Equação (III.16), obtém-se a relação (w0/wh²)=(-1/VR). Assim, pode-se escrever que

(w0/wh)²=(-w0/VR), ou (-VR/w0)=(wh/w0)². A partir dessas considerações, a Equação (III.32)

pode ser simplificada , resultando em:

222 hZ wRF ρπ= . (III.33)

Como não existe fluxo mássico pelo rotor, pode-se observar que a componente de

força vertical se mantém constante, podendo ser expressa em termos de wh conforme a

Equação (III.33), que somente pode ser obtida quando a componente vertical da velocidade

induzida w0 se aproxima de infinito. Em outras palavras, teoricamente, a auto-rotação ideal na

condição de vôo vertical só é possível em infinitas razões-de-descida [19], Equação (III.30).

82

A auto-rotação ideal pode ser ilustrada através de um gráfico obtido pela aplicação

direta da Equação (III.30) em conjunto com as Equações (III.26a) e (III.26b), que demonstra

que a Equação (III.30) é uma assíntota comum às curvas representadas pelas Equações

(III.26a) e (III.26b), indicando graficamente que a situação de auto-rotação ideal somente

pode ser obtida em infinitas razões de descida. Na figura apresentada a seguir, obtida no

Capítulo V desta tese, pode-se observar graficamente as regiões de não-aplicabilidade da

teoria da quantidade-de-movimento, do ponto de vista teórico. Análise detalhada desta

situação pode ser encontrada no Capítulo V.

Figura III.2 – Representação gráfica do regime de auto-rotação ideal.

III.2.2.5.2 - AUTO-ROTAÇÃO IDEAL EM DESCIDA INCLINADA

Na condição de planeio, o regime ideal pode ser obtido a partir da Equação (III.20),

onde, considerando-se a potência PS no eixo do rotor nula, pode-se encontrar uma relação

entre as componentes horizontal e vertical da tração atuantes no rotor e as componentes de

velocidade:

( )γγ

cossen

0

0

G

G

Z

X

VuVw

FF

++−

= . (III.34)

Túnel de vento qdm aplicável qdm não aplicável auto-rotação ideal

-VG/wh

w0/

wh

83

Observando-se a Figura III.1, nota-se que o termo presente do lado direito da Equação

(III.34) é simplesmente a cotangente do ângulo de inclinação da esteira, χ, e, a partir da

Equação (III.17), a relação FX/FZ representa a tangente do ângulo de atitude do plano das

pontas das pás, θFP, portanto, tem-se que tan θFP= cotg χ, ou:

χθ −= º90FP . (III.35)

A Equação (III.35) mostra que em regime de auto-rotação ideal, o ângulo de atitude do

plano das pontas das pás, θFP, é o complemento do ângulo de inclinação da esteira, χ.

Portanto, na condição de planeio, pode-se observar na Figura III.1 que o vetor velocidade

resultante VR encontra-se exatamente sobre o plano do rotor.

A principal diferença entre a condição para auto-rotação ideal em vôo à frente e a

encontrada para o vôo vertical está no fato de que, no planeio, a velocidade resultante VR não

é necessariamente igual a zero.

Neste regime de operação, é interessante encontrar uma equação onde a velocidade no

planeio VG, o ângulo de atitude do plano das pontas das pás θFP, e ângulo-de-planeio γ, que

resultam na auto-rotação ideal, possam ser determinados.

Aplicando-se a teoria da quantidade-de-movimento no diagrama de velocidades

apresentado na Figura III.1 chega-se à seguinte equação:

+

= γθ sen1sen

0

2

0

wV

ww G

hFP . (III.36)

Resolvendo-se a Equação (III.36), encontra-se uma relação que permite o cálculo da

velocidade induzida conforme a velocidade de planeio da aeronave varia:

FPh

G

h

G

h wV

wV

ww θγγ sen4sen

21

sen21 2

2

0 +

+−= . (III.37)

84

Considerando-se a potência PS no eixo do rotor igual a zero, a Equação (III.23), pode

ser resolvida para w0/wh, encontrando-se uma relação que também fornece a variação da

velocidade induzida em função da velocidade de planeio da aeronave:

( )γθθ +−

= FPFPh

G

h wV

ww

sencos0 . (III.38)

Tanto a Equação (III.37) como a Equação (III.38), fornecem o valor da velocidade

induzida conforme a velocidade de planeio varia. Mas, como citado, o ponto de interesse para

a análise do regime ideal de auto-rotação na condição de planeio é encontrar uma relação que

forneça a velocidade de planeio da aeronave em função do ângulo-de-planeio, γ, e do ângulo

de atitude do plano das pontas das pás, θFP. Esta relação pode ser obtida substituindo-se a

Equação (III.37) na Equação (III.38) obtendo-se:

( )γθθ +=

FPFPh

G

wV

2sencos2

2

. (III.39)

A Equação (III.39), fornece θFP, γ , e VG para a auto-rotação ideal, ou seja, uma vez

fixados os valores do ângulo-de-planeio, γ, e do ângulo de atitude do plano das pontas das

pás, θFP, o valor da ve locidade de planeio VG da aeronave pode ser calculado.

III.2.3 – MODELO UTILIZADO PARA O TRAÇADO DO “DIAGRAMA

ALTURA VERSUS VELOCIDADE”

A capacidade de um helicóptero realizar um pouso seguro em regime de auto-rotação

após ocorrer uma perda de potência está limitada por seu design estrutural e aerodinâmico

para certas combinações de altura do solo e velocidade de vôo à frente. Se ocorrer uma perda

de potência dentro da região de vôo restrito definida pelas citadas combinações, tem-se como

resultado um alto risco de danos tanto para a aeronave como para seus ocupantes.

85

Por muitos anos, modelos analíticos para o tratamento do “diagrama altura versus

velocidade” de helicópteros vêm sendo desenvolvidos.

Experimentos têm sido levados a cabo pela “Federal Aviation Administration” (FAA),

no intuito de se reduzir as restrições impostas pelo diagrama.

A proposta central do estudo dessa seção no presente trabalho é apresentar um modelo

semi-empírico que demonstra os efeitos de altitude densidade e peso bruto da aeronave no

“diagrama altura versus velocidade” para helicópteros monomotores com características

similares. Este modelo é baseado no trabalho publicado por Pegg [29] em 1968. Na presente

tese algumas modificações são realizadas com relação ao método original a fim de se

encontrar analiticamente a potência requerida em vôo à frente e a velocidade de vôo à frente

para potência mínima, pois, o trabalho apresentado por Pegg utiliza-se de gráficos e curvas

totalmente empíricos para o cálculo desses parâmetros.

A idéia central do método baseia-se na constatação que os diagramas obtidos

experimentalmente para diversos helicópteros de configuração convencional (1 rotor principal

e 1 rotor de cauda) apresentam formas aproximadamente similares, não importando qual seja

a condição de vôo do helicóptero testado. Através de um processo de adimensionalização

aplicado às coordenadas de altura e velocidade obtidas experimentalmente, é possível a

obtenção de um diagrama adimensional geral; que independe do tipo, e condição de operação

do helicóptero. Uma vez obtido esse diagrama adimensional, é possível obter um diagrama

dimensional através do processo inverso de dimensionalização proposto no presente trabalho.

Pode-se notar que a grande utilidade do método é a possibilidade de se estimar os

diagramas dimensionais para diversas condições de peso, altitude, parâmetros geométricos

(como área do rotor principal e solidez) e configuração da aeronave. Portanto, utilizando-se de

apenas alguns dados que determinam as características da aeronave, é possível a obtenção de

todo o diagrama e avaliar o efeito da variação de um determinado parâmetro sem a realização

86

de um vôo de teste. Isso permite que durante as fases iniciais do projeto de um novo

helicóptero seja possível a comparação de diversas configurações propostas para um

helicóptero a fim de se obter a menor restrição operacional possível.

III.2.3.1 – ADIMENSIONALIZAÇÃO DO “DIAGRAMA ALTURA VERSUS

VELOCIDADE”

Através de um método de adimensionalização, o “diagrama altura versus velocidade”

apresentado na Figura III.3 pode ser obtido, e, verifica-se que possui aparência similar para

qualquer tipo de helicóptero convencional analisado.

Este processo é baseado nos resultados dos testes realizados pela FAA e apresentados

na Referência [29], que indicam que para três combinações de altura e velocidade, hlo, hhi, e

(Vcr, hcr), as quais variam linearmente com a altitude e o peso bruto da aeronave, diagramas

similares são obtidos para qualquer tipo de helicóptero convencional testado.

Para o diagrama adimensional representado na Figura III.3, pode-se notar que:

a) O ponto crítico ( hcr,Vcr ) adimensionalisado possui coordenadas (1,1).

b) A altura máxima hhi e mínima hlo adimensionalisadas possuem coordenadas (0,0).

c) A velocidade normalizada adimensional de vôo à frente µcr está contida no intervalo

10 ≤≤ crµ .

d) X1 e X2 representam respectivamente as distâncias verticais superior e inferior ao

ponto de abscissa de valor unitário hcr adimensional e estão contidos no intervalo 10 ≤≤ X .

e) Duas curvas adimensionais são obtidas, uma para o ramo superior ao ponto (hcr,Vcr)

e uma para o ramo inferior ao ponto (hcr,Vcr). Portanto, existem na análise dois sistemas de

eixos verticais.

87

Figura III.3 – “Diagrama altura versus velocidade” em sua forma adimensional [29].

O primeiro passo para a realização do processo de adimensionalização, é encontrar

uma relação que forneça uma velocidade normalizada adimensional de vôo à frente µcr, que

pode ser obtida dividindo-se a velocidade dimensional de vôo à frente VFF, pela velocidade

crítica Vcr, fornecendo a seguinte equação:

cr

FFcr V

V=µ . (III.40)

0

0

1.0

1.0

(hcr,Vcr)

VFF/Vcr

hx1

Vx

hlo

hhi

hx2

crhi

xhi

hhhh

X−−

= 11

locr

lox

hhhh

X−−

= 22

88

O segundo passo do processo é encontrar uma altura adimensional, que pode ser

obtida dividindo-se a curva em duas regiões, uma superior ao ponto (hcr, Vcr), que é

representada pela altura adimensional X1, e a outra inferior ao mesmo ponto que é

representada pela altura adimensional X2.

Estes parâmetros de adimensionalização são dados por:

crhi

Xhi

hh

hhX

−= 1

1 , (III.41)

locr

lox

hh

hhX

−= 2

2 , (III.42)

onde: hlo, hhi, e hcr são fixos e hx1 e hx2 são as alturas do ramo superior e inferior da curva real

para um dado VFF.

III.2.3.2 – PROCESSO DE OBTENÇÃO DO DIAGRAMA DIMENSIONAL

As três combinações de altura e velocidade que devem ser determinadas antes da

curva atual de ensaio ser transformada em uma curva adimensional ou vice versa pelo uso do

método proposto, podem ser definidas como apresentado no Capítulo I do presente trabalho

do seguinte modo:

a) A altura mínima hlo, representa a altura onde, abaixo da qual, se uma perda de

potência ocorrer no vôo pairado consegue-se a realização de um pouso sem maiores danos

para a tripulação ou para a aeronave.

b) A altura representada por hhi, representa a altura onde, acima da qual, consegue-se

um pouso auto-rotativo seguro a partir do vôo pairado.

c) O ponto médio (Vcr,hcr), é a máxima velocidade na qual consegue-se estabilizar a

auto-rotação na altura hcr.

89

A seção anterior mostrou como calcular o diagrama adimensional a partir de um

diagrama dimensional obtido experimentalmente em vôo. No entanto, não se está interessado

em obter o diagrama adimensional, pois, como citado anteriormente, o diagrama adimensional

praticamente não varia de um helicóptero para outro. O que realmente interessa ao projetista

da aeronave, é justamente o processo inverso, ou seja, a partir de um diagrama adimensional,

calcular o diagrama dimensional levando-se em conta todos os parâmetros de operação e

configuração da aeronave.

A partir das Equações (III.40), (III.41) e (III.42) obtidas anteriormente, podem-se

escrever as equações que fornecem o diagrama dimensional em função do diagrama

adimensional do seguinte modo:

crcrFF VV µ= , (III.43)

( )crhihix hhXhh −−= 11, e (III.44)

( )crlolox hhXhh −+= 22, (III.45)

onde: hlo, hhi, e hcr são fixos e X1 e X2 são alturas do ramo superior e inferior da curva

adimensional para um dado valor de µcr.

Os valores de X1 e X2 podem ser lidos diretamente da Figura III.3, não importando

qual seja o helicóptero em questão. Assim, fica claro que a solução do problema se resume à

obtenção dos valores de hlo, hhi, hcr e Vcr.

A partir da análise dos resultados apresentados na Referência [29], podem-se

relacionar os gráficos obtidos com expressões matemáticas, visando desse modo a encontrar

uma solução analítica para o traçado do “diagrama altura versus velocidade” para um

determinado peso bruto e altitude, conforme comentado abaixo.

90

a) Para a determinação da variação da altura hlo com altitude-densidade e peso bruto da

aeronave, a equação para hlo deve ser calculada utilizando-se do equilíbrio das forças atuantes

no helicóptero.

b) Indicações da FAA demonstram que o ponto médio (hcr, Vcr) encontra-se próximo

de 95ft (29 m). Esta aproximação é determinada por resultados de ensaio em vôo.

c) Os dados também demonstram que através da análise de diagramas, o valor de hhi,

varia diretamente com o quadrado de Vcr.

Na seqüência são apresentadas as equações que determinam as combinações críticas

de altura e velocidade de vôo à frente, a fim de se aplicar o processo de geração de pontos

necessários à determinação do “diagrama altura versus velocidade” dimensional de um

helicóptero.

III.2.3.2.1 – OBTENÇÃO DA ALTURA MÍNIMA hlo

As equações que fornecem o ponto de altura mínima em relação ao solo são

desenvolvidas considerando-se a somatória das forças verticais do helicóptero. Este método é

válido somente como uma solução de primeira ordem do problema, não sendo utilizado para

se obter as características durante o tempo decorrido na análise de trajetórias. Como resultado

dessa análise, obtêm-se os efeitos de peso bruto e altitude densidade da aeronave no ponto de

altura mínima em relação ao solo.

Inicialmente assume-se que a aeronave está pairando com uma certa altura em relação

ao solo. A Figura III.4, representada a seguir, mostra as forças verticais que atuam no

helicóptero.

91

Figura III.4 - Forças atuantes no helicóptero durante a auto-rotação em descida vertical [29].

A somatória das forças verticais na aeronave, fornece as seguintes equações:

,

( )1−=••

ngh , (III.46)

onde n é o fator de carga a que está sujeita a aeronave.

Integrando-se a Equação (III.46), encontra-se a velocidade vertical da aeronave:

( )tnghh 10 −+=••

. (III.47)

O deslocamento vertical do helicóptero é obtido integrando-se a Equação (III.47):

hlo

T

hr

W

Solo

WThm −=••

92

( )2

12

0

tngthhhlo

∆∆ −+==•

. (III.48)

Se a velocidade vertical de impacto estiver especificada (Considerações estruturais do

trem de pouso), a partir da Equação (III.47), tem-se que:

1+=tg

Vn D

avg ∆, (III.49)

onde ∆t representa o tempo decorrido entre a falha do motor e o pouso da aeronave, podendo

ser representado do seguinte modo:

ΛΩ

ΩΩ

∆req

dR

d

f

PI

t550

12

−= , (III.50)

onde IR corresponde a inércia do rotor, Preq corresponde a potência requerida em HP, Λ é o

parâmetro de efeito solo, sendo a relação de velocidade angular Ωf /Ωd dada por:

σΩ

ΩT

d

f C24.2= , (III.51)

onde Ωf representa a velocidade angular de rotação do rotor no momento em que a aeronave

toca o solo após a falha do motor, e, Ωd representa a velocidade angular de projeto para o

rotor principal, sendo as Equações (III.50) e (III.51) obtidas a partir da Referência [29].

A partir das Equações (III.49), (III.50) e (III.51), pode-se obter a Equação (III.52) que

determina o valor de hlo expresso em ft:

−−=

σΛΩ T

req

DdRlo

CP

VIh 24.21

1100

2

, (III.52)

onde VD representa a velocidade de descida vertical da aeronave.

O parâmetro Λ presente na Equação (III.52), conhecido como parâmetro de efeito

solo, é definido como a relação entre a potência requerida sob a influência do efeito solo e a

potência requerida fora do efeito solo.

93

A partir da Figura III.5, que é uma curva experimental, o valor do parâmetro de efeito

solo Λ pode ser obtido em função da altura do rotor em relação ao solo hr, e, do raio da pá do

rotor R.

Figura III.5 – Parâmetro de efeito solo [29].

III.2.3.2.2 – OBTENÇÃO DA ALTURA CRÍTICA hcr

Através de vários testes realizados pela Federal Aviation Administration (FAA),

constatou-se que o valor de hcr é independente da densidade e do peso da aeronave, e

praticamente não varia, assumindo um valor constante em torno de 95 ft.

Portanto, pode-se escrever a equação para hcr da seguinte forma:

hcr = 95 ft. (III.53)

III.2.3.2.3 – OBTENÇÃO DA VELOCIDADE CRÍTICA Vcr

O valor de Vcr é obtido a partir da Figura III.6, uma curva experimental que mostra a

variação de Vcr em função de Vmin e CL/σ.

Parâ

met

ro d

e ef

eito

sol

o

hr/2R

94

Utilizando-se uma função analítica traçada a partir de dados experimentais, este

gráfico pode ser traduzido para a seguinte equação, onde o valor de Vcr é obtido em knots:

3.17254.584.2 min −+=σ

Lcr

CVV , (III.54)

onde CL representa o coeficiente de sustentação e σ representa a solidez do rotor principal,

indicando quanto da área do disco do rotor é ocupada pelas pás.

Na Equação (III.54), CL/σ é um dado do helicóptero e Vmin representa a velocidade de

vôo à frente que minimiza a potência requerida. Vale ressaltar que nos testes realizados em

ensaios em vôo, o coeficiente de sustentação é mantido constante através de uma relação

constante m/ρ, ou seja, considera-se que a diminuição da densidade do ar com a variação da

altitude é compensada pela redução de peso obtida com o consumo de combustível da

aeronave.

Figura III.6 – Obtenção da velocidade crítica [29].

CL/σ 16 14 12 10 8 6 4 2

(kno

ts)

(knots) Velocidade para mínima potência requerida Vmin (knots)

Vel

ocid

ade

Crí

tica

Vcr

(kno

ts)

95

A fim de se determinar o valor de Vmin, pode-se utilizar um gráfico de variação da

potência requerida em função da velocidade de vôo à frente da aeronave e então observar que:

a) A potência induzida é a maior componente da potência total na condição de vôo

pairado, mas ela diminui rapidamente com o aumento da velocidade em vôo à frente.

b) A potência de arrasto de perfil apresenta um ligeiro aumento com a velocidade.

c) A potência parasita é praticamente desprezível em baixas velocidades, mas aumenta

proporcionalmente ao cubo da velocidade, e, portanto, em altas velocidades pode passar a ser

considerada a parcela dominante.

Portanto, pode-se notar que a potência total requerida apresenta um alto valor em vôo

pairado, e possui um valor mínimo em algum ponto VFF>0 e novamente volta a apresentar um

valor alto em altas velocidades devido ao aumento excessivo da potência parasita ou da

potência de perfil, uma vez que em altas velocidades efeitos de estol e compressibilidade

aumentam o valor desta última. Observa-se que para um dado peso da aeronave, existe uma

velocidade Vmin na qual a potência requerida é mínima. Este ponto é de grande importância,

pois, através dele é possível calcular Vcr.

A velocidade Vmin, na qual a potência requerida é mínima, pode ser facilmente obtida

através da curva de potência requerida; porém, um método analítico proposto por Johnson

[20] é utilizado na realização do presente trabalho, considerando-se para estimar esta

velocidade, a potência em vôo à frente da aeronave, do seguinte modo:

( ) 322

21

6.4182

0 µµσ

µ AfCkC

C dTP +++= , (III.55)

96

onde: R

µ = é a razão de avanço do helicóptero, µ2

2TkC

é o termo devido a potência

induzida; ( )26.418

0 µσ

+dC

é o termo devido a potência de perfil e 3

21 µ

Af

é o termo devido

a potência parasita, sendo f a área equivalente de placa plana.

Pode-se então concluir que o ponto de potência requerida mínima é obtido derivando-

se a Equação (III.55) em relação à µ:

0=∂∂

µPC

, (III.56)

ou seja, os valores de µ procurados são tais que satisfaçam a seguinte equação:

02

315.1

2

2

2

2

0=++−

Af

CkC

dT µσµ

µ. (III.57)

Uma vez determinado o valor da velocidade na qual a potência requerida é mínima,

Vcr pode ser calculado a partir da Equação (III.54), considerando-se a relação CL/σ para a

aeronave em questão. Este procedimento é uma forma equivalente, em forma analítica, à

utilização da Figura III.6 na determinação de Vcr. Pode-se notar que a Equação (III.57) pode

fornecer como resultados raízes reais e complexas, positivas ou negativas, porém apenas as

raízes reais positivas têm o significado físico de interesse para a determinação da velocidade

de vôo à frente que minimiza a potência requerida. Assim desprezam-se as raízes negativas e

complexas que podem ser obtidas a partir da solução da Equação (III.57).

III.2.3.2.4 – OBTENÇÃO DA ALTURA MÁXIMA hhi

A Figura III.7, mostra alguns valores de hhi em função da velocidade crítica Vcr obtidos

experimentalmente pela FAA para três helicópteros diferentes ensaiados em diversas altitudes

97

e pesos diferentes. Pode-se através da curva experimental da Figura III.7, extrapolar-se uma

equação que relaciona hhi e Vcr, dada por:

218.01.205 crhi Vh += . (III.58)

Figura III.7 – Variação de Vcr e hhi [29].

Uma vez determinada a velocidade crítica Vcr, o valor de hhi pode ser obtido

diretamente do gráfico experimental representado na Figura III.7, pois como pode-se

perceber, a curva praticamente não varia de um helicóptero para outro. Porém, é importante

que o valor numérico de hhi seja obtido através da Equação (III.58), pois assim tem-se a

possibilidade de um cálculo analítico facilitando o trabalho do projetista quando o mesmo não

possui um gráfico experimental para análise.

h hi (

ft)

Vcr ² (knots²)

Ponto Altitude Peso Helicóptero A 10250ft 2415lb 4500ft 2650lb 200ft 2850lb Helicóptero B 6900ft 1450lb -300ft 1600lb Helicóptero C -300ft 9100lb 5000ft 10100lb 4425ft 11100lb

98

III.2.3.3 – ANÁLISE DE SENSIBILIDADE COM RELAÇÃO AOS

PARÂMETROS DE PROJETO DE MODO A MINIMIZAR A ÁREA DE

RESTRIÇÃO IMPOSTA PELO “DIAGRAMA ALTURA VERSUS VELOCIDADE”

A análise anterior mostra que a forma do “diagrama altura versus velocidade” está

intimamente relacionada com os valores dos parâmetros hlo, hhi, e Vcr. Portanto, pode-se

concluir que o estudo da diminuição da área de restrição recai na análise de sensibilidade dos

valores de hhi, hlo, e Vcr levando-se em consideração as restrições das características de projeto

e operação da aeronave.

A região D do diagrama da Figura I.1 não é estudada nesta análise por se tratar de uma

região onde a aeronave se encontra com altas velocidades de vôo à frente e baixas altitudes.

Um processo de análise de sensibilidade dessa área produz efeitos praticamente

imperceptíveis e de pouca aplicação prática. No entanto, o piloto da aeronave deve estar

sempre atento às limitações encontradas nessa região quando operar dentro do regime de vôo

conhecido por NOE “nap of earth”, ou seja, vôo rasante a superfície. Se uma falha ocorrer no

motor nesta situação de vôo e a aeronave se encontrar dentro dos limites restritivos de altura e

velocidade de vôo à frente, limitadas pela região D do diagrama, não há tempo hábil

suficiente para uma entrada segura em auto-rotação e portanto ocorre um choque com o

solo/água onde toda energia cinética de rotação do rotor e de deslocamento da aeronave como

um todo é convertida em energia de impacto, ocasionando sérios danos tanto para os

tripulantes como para a aeronave.

A seguir são apresentadas algumas sugestões de projeto que, quando aplicadas de

maneira correta, podem contribuir para a redução da área de restrição imposta pelo diagrama.

99

III.2.3.4.1 – ANÁLISE DE SENSIBILIDADE DE hlo

A Equação (III.52) mostra que hlo é dado por:

−−=

σΛΩ T

req

DdRlo

CP

VIh 24.21

1100

2

.

É desejáve l que se tenha hlo o maior possível, porém, devido aos limites de restrição

estrutural do trem de pouso torna-se impraticável uma variação sensível no valor de hlo

visando a minimizar a área de restrição imposta pelo diagrama.

Levando-se em conta que VD é negativo, é desejável que se maximize o termo

ΛΩ

req

DdR

PVI

1100

2

e que se minimize o termo σ

TC.

Uma das possíveis soluções seria adicionarem-se pequenos pesos nas pontas das pás

do rotor, o que aumentaria a inércia IR; ou então aumentar o raio do rotor na intenção de se

aproveitar melhor o efeito solo, diminuindo desse modo o parâmetro Λ.

Também seria interessante que se diminuísse o peso da aeronave na intenção de se

reduzir CT/σ. No entanto, mesmo que se tenha uma aeronave cada vez mais leve, hlo possui

um limitante dado por:

ΛΩ

req

DdRlo P

VIh

1100

2

−= , (III.59)

que representa a condição limite para W = 0.

III.2.3.4.2 – ANÁLISE DE SENSIBILIDADE DE hhi

A Equação (III.58) fornece o valor de hhi. A intenção é que hhi possua um valor tão

baixo quanto possível, de onde se conclui que o valor de Vcr também deve ser o menor

100

possível. Portanto a redução de hhi recai na redução de Vcr. No entanto, mesmo que Vcr seja

nulo, hhi possui um limitante dado por:

hhi=205.1 ft. (III.60)

III.2.3.4.3 – ANÁLISE DE SENSIBILIDADE DE Vcr

Levando-se em conta que o “diagrama altura versus velocidade” possui um limitante

inferior dado pela Equação (III.59) e um limitante superior dado pela Equação (III.60), um

modo eficiente de reduzir a área de restrição imposta pelo diagrama seria tentar achatar o

diagrama, de forma que o ponto (Vcr, hcr) fique o mais próximo possível do eixo vertical.

Como hcr é fixo e não pode ser alterado, Vcr deve ser trabalhado de modo a ser

reduzido e apresentar um valor o mais conveniente possível.

O valor ótimo de Vcr, é representado por crV , e verifica-se de que forma as

características da aeronave devem ser alteradas para obtê- lo.

Matematicamente o valor numérico de Vcr é representado pela Equação (III.54):

3.17254.584.2 min −+=σ

Lcr

CVV .

A fim de se obter o valor de crV , isola-se Vmin na equação acima, de modo que a

seguinte relação seja obtida:

67.60951.1352.0min +−=σ

Lcr

CVV . (III.61)

Dividindo-se ambos os membros da Equação (III.61) por 0.592ΩR (fator de

conversão, pois na equação acima a unidade de Vmin é knots), tem-se:

+−= 48.102296.3595.0

1min σΩ

µ Lcr

CV

R, (III.62)

onde ΩR é dado em ft/s.

101

Substituindo a Equação (III.62) na Equação (III.57) e multiplicando ambos os

membros da equação por µ², obtém-se:

( ) ( ) 248.102296.3595.0

2

348.102296.3595.0

15.1 24

4

3

30 TL

crL

crd kCC

VRA

fCV

RC

=

+−+

+−

σΩσΩσ . (III.63)

Portanto, pode-se perceber que uma vez fixado o valor de crV , a Equação (III.63)

representa uma situação na qual as demais variáveis devem obedecer uma relação onde ao

final dos cálculos a velocidade critica Vcr apresente o valor pré-estabelecido crV .

Pode-se notar que, matematicamente, Vcr pode ser tão pequeno quanto se desejar desde

que as variáveis que definem as características da aeronave possuam uma combinação de

valores que satisfaça a Equação (III.63).

Obviamente, limitações de caráter físico ou tecnológico se encontram presentes, e

podem inviabilizar a solução da Equação (III.63) para determinadas faixas de valores de crV .

Observa-se que de qualquer forma a área de restrição imposta pelo diagrama poderia ser

teoricamente reduzida a um segmento de reta sobre o eixo vertical se o valor de crV for fixado

em zero.

Fazendo-se crV =0 na Equação (III.63), a seguinte equação é obtida:

( ) ( ) 248.102296.3

2

348.102296.3

15.1 24

4

3

30 TLLd kCC

RAfC

RC

=

+−+

+−

σΩσΩσ . (III.64)

Se esta última relação for estabelecida, as restrições impostas pelo diagrama só se

aplicariam para a condição de vôo pairado. Caso o helicóptero possua certa velocidade de vôo

à frente não nula, não existiria nenhuma restrição imposta.

No capítulo seguinte são apresentados os parâmetros físicos utilizados no presente

estudo a fim de se validar os modelos teóricos apresentados. Também é apresentada a

metodologia de solução das teorias apresentadas neste capítulo, comentando-se o processo de

solução das equações e o método computacional utilizado.

102

CAPÍTULO IV

DESENVOLVIMENTO COMPUTACIONAL DOS MODELOS APRESENTADOS

IV.1 – INTRODUÇÃO

A sistemática de solução adotada para as equações apresentadas no Capítulo III é

baseada em códigos computacionais elaborados no “software” Mathematica, tendo por

referência para o desenvolvimento da programação a publicação “Aritmética, Álgebra e

Cálculo com o Mathematica” [10].

Todas as rotinas construídas solucionam as equações propostas e fornecem resultados

gráficos que são analisados qualitativa e quantitativamente visando a encontrar soluções para

os principais problemas relacionados ao regime de auto-rotação.

Também são apresentados os principais dados numéricos utilizados no estudo dos

modelos de transição do vôo pairado para a auto-rotação em descida vertical e vôo de planeio

utilizando-se a teoria da quantidade-de-movimento e estudo do “diagrama altura versus

velocidade”. Também são apresentados parâmetros físicos e características operacionais de

alguns helicópteros, proporcionando desse modo validar os resultados numéricos (teóricos),

tendo por base resultados de ensaios operacionais do helicóptero.

IV.2 – METODOLOGIA UTILIZADA PARA O ESTUDO DA TRANSIÇÃO DO

VÔO PAIRADO PARA A AUTO-ROTAÇÃO VERTICAL

Ao realizar-se o estudo da transição entre o vôo pairado e a auto-rotação em descida

vertical algumas considerações sobre variação da velocidade induzida u e variação do ângulo-

de-passo θ foram apresentadas no capítulo anterior. Assim, o ponto de partida para a

realização dessa análise é a solução das Equações (III.1) e (III.2) que fornecem diagramas

representando as variações de u e θ em função do tempo decorrido após a falha do motor. A

103

partir dos diagramas obtidos, é possível encontrar os valores de u e θ em cada instante

desejado, o que contribui na sequência de solução do problema, pois os valores da variação da

velocidade de descida V em função do tempo t, e da variação da velocidade de rotação do

rotor Ω em função do tempo t, são dependentes da velocidade induzida e do ângulo-de-passo.

Uma vez calculados os valores de u e θ em cada instante desejado, torna-se possível a

solução numérica das Equações (III.4), (III.5) e (III.6), onde todas as variáveis são conhecidas

e podem ser encontradas no final dessa seção.

Durante a solução das equações citadas, três análises diferentes são realizadas com o

intuito de encontrar a melhor situação para se efetuar uma entrada segura em auto-rotação:

(1) Transição do vôo pairado para auto-rotação sem redução do ângulo-de-passo, ou

seja, mantendo-se o ângulo-de-passo na posição do instante da falha.

(2) Transição do vôo pairado para auto-rotação com redução lenta do ângulo-de-

passo.

(3) Transição do vôo pairado para auto-rotação com redução acelerada do ângulo-de-

passo.

A metodologia utilizada para a solução do problema está baseada na obtenção dos

valores de V e Ω para um determinado instante, onde esses valores podem ser obtidos a partir

das Equações (III.7) e (III.8).

Como os valores de u e θ sofrem variações conforme o tempo passa, fica claro que

para cada instante de tempo tem-se um valor diferente para V e Ω. Assim, as Equações (III.7)

e (III.8) não podem ser resolvidas considerando-se que u e θ são constantes e que apenas o

tempo varia. Dessa forma, para solucionar o problema, desenvolve-se um método passo a

passo de solução com pequenos intervalos de tempo, visando-se a obter o maior número de

pontos possíveis, obtendo resultados com maior precisão.

104

O intervalo de tempo total escolhido é ∆t=15 s, pois indica através dos resultados

obtidos, que tanto a velocidade de descida como a velocidade de rotação do rotor, já se

encontram estabilizadas após esse intervalo.

A rotina desenvolvida realiza em uma primeira etapa, a solução das Equações (III.1), e

(III.2), fornecendo uma tabela com os valores da velocidade induzida e do ângulo-de-passo

em função do tempo. Em seguida, são calculados os valores numéricos das Equações (III.4),

(III.5) e (III.6) considerando-se o instante de tempo igual a zero, ou seja, momento da falha do

motor, obtendo desse modo os valores iniciais 0

V , 0

Ω , e 0

••

Ω .

Uma vez obtidos os valores iniciais, a rotina desenvolvida se encarrega

automaticamente do cálculo da Equação (III.10), utilizando-se para tal solução os valores de

velocidade induzida e ângulo-de-passo quando ∆t=0.5 s, obtendo desse modo o valor da

aceleração vertical da aeronave tV ∆

, meio segundo após a falha do motor.

Com valores de 0V , 0

V , tV ∆

, 0Ω , 0

Ω e 0

••

Ω armazenados na memória do

computador, a rotina se encarrega do cálculo das Equações (III.7) e (III.8). Considerando-se o

intervalo de tempo ∆t=0.5 s, a solução dessas equações fornece os novos valores para V e Ω

em função do tempo decorrido, finalizando desse modo o primeiro passo para a solução do

problema.

Para a obtenção das combinações desejadas de velocidade de descida em função do

tempo e velocidade de rotação do rotor em função do tempo, repete-se o processo para os

trinta intervalos de tempo determinados. Esta repetição é realizada automaticamente pela

rotina desenvolvida através de um processo de “feedback”, onde os valores finais do intervalo

de tempo anterior, tornam-se os valores iniciais do intervalo seguinte.

No intuito de se validar o método proposto no presente trabalho, são utilizadas

algumas características físicas que permitem a solução numérica das equações propostas.

105

Esses valores são dados de entrada para os cálculos, obtendo-se resultados em forma

gráfica para análise e comparação entre si, de modo a indicar qual é a melhor situação para se

efetuar uma entrada segura em auto-rotação.

As características físicas utilizadas no desenvolvimento do trabalho podem ser

observadas na Tabela IV.1 representada abaixo.

Tabela IV.1 – Parâmetros físicos utilizados na transição entre o vôo pairado e o regime de

auto-rotação em descida vertical [26].

Peso bruto do helicóptero W = 2700 lb Número de pás b = 3 Raio da pá R = 20 ft Corda c = 1.25 ft Gradiente da curva de sustentação a = 5.6/rad Coeficiente de arrasto de perfil da seção cd0 = 0.0087 – 0.0216αr + 0.400αr

2 Inércia das pás em flap I1 = 100, 200, 400 slug ft2

As condições iniciais em vôo pairado são as seguintes:

Tabela IV.2 – Condições iniciais em vôo pairado [26].

Para transição com redução de passo após a falha do motor, as condições do estado

final são as seguintes:

Tabela IV.3 – Condições finais com redução de passo após a falha do motor [26].

Velocidade final do helicóptero Vf = 31.2 ft/s Velocidade angular final do rotor Ωf = 20.8 rad/s Velocidade induzida final uf = 25.1 ft/s Ângulo-de-passo final da seção θf = 4º = 0.0698 rad

Velocidade inicial do helicóptero V0 = 0 Velocidade angular inicial do rotor Ω0 = 25.1 rad/s Velocidade induzida inicial u0 = 21.25 ft/s Ângulo-de-passo inicial da seção θ0 = 7.25º = 0.1265 rad

106

Para transição sem redução de passo após a falha do motor, as condições do estado

final são as seguintes:

Tabela IV.4 – Condições finais sem redução de passo após a falha do motor [26].

Velocidade final do helicóptero Vf = 30.5 ft/s Velocidade angular final do rotor Ωf = 16.5 rad/s Velocidade induzida final uf = 26.4 ft/s Ângulo-de-passo final da seção θf = 7.25º = 0.1265 rad

IV.3 – METODOLOGIA UTILIZADA PARA O ESTUDO DA AUTO-

ROTAÇÃO ESTÁVEL

A finalidade principal desta seção do trabalho é estudar as variações de velocidade

induzida e potência conforme a velocidade de descida da aeronave aumenta, tanto em descida

vertical como na condição de planeio. Para tal, uma análise paramétrica é realizada com o

intuito de se verificar os principais efeitos da variação do ângulo-de-planeio e do ângulo de

atitude do plano das pontas das pás no valor da potência em auto-rotação.

O ponto de partida para a análise é a solução numérica da Equação (III.18), que

fornece os valores da velocidade induzida w0 em função da velocidade de planeio VG. Fixados

os valores do ângulo-de-planeio e do ângulo de atitude do plano das pontas das pás, é possível

solucionar a Equação (III.18) para diversos valores de VG.

Nesta análise também é realizado um processo de solução passo-a-passo, pois, como

apresentado no capítulo anterior, a Equação (III.18) fornece, em alguns pontos, três raízes

reais positivas e em outros pontos uma única raiz real positiva. Portanto, a rotina desenvolvida

deve ser capaz de selecionar apenas as raízes reais positivas, ou seja, as que fornecem algum

significado físico aplicável à teoria da quantidade-de-movimento.

A solução numérica da Equação (III.18) fornece uma tabela com os valores da

componente vertical da velocidade induzida w0 em função da velocidade de planeio VG da

aeronave. Como esses valores podem ser positivos ou negativos, reais ou imaginários, a rotina

107

desenvolvida realiza a seleção apenas das raízes reais positivas, desprezando as raízes

complexas e as raízes reais negativas.

Na seqüência, são determinados os valores da variação da potência à medida que a

velocidade de planeio da aeronave aumenta. Fixados os valores de γ e θFP, a rotina

desenvolvida se encarrega de soluciona r a Equação (III.23), onde os valores de velocidade

induzida obtidos na solução da Equação (III.18) são aplicados para cada valor da velocidade

de planeio correspondente, pois como pode-se observar, a Equação (III.23) é dependente dos

valores encontrados na Equação (III.18).

Durante o regime de auto-rotação estável, aplicando-se a teoria da quantidade-de-

movimento, a solução das duas equações citadas é suficiente para uma análise completa dos

estados de operação do rotor. É interessante, no entanto, a realização de uma análise

paramétrica com o intuito de se determinar qual a melhor condição para que o regime de auto-

rotação se estabilize.

A análise paramétrica é realizada através de várias soluções seguidas das Equações

(III.18) e (III.23), adotando-se os valores sugeridos por Heyson [19]. Em uma primeira etapa,

faz-se a fixação do ângulo-de-planeio desde 0º (vôo horizontal) até 90º (auto-rotação em

descida vertical) com intervalos de 30º entre uma medida e outra; e, varia-se o ângulo de

atitude do plano das pontas das pás desde 20º até –20º com intervalos de 10º entre uma

medida e outra. Esta solução permite a obtenção de vários gráficos que fornecem a variação

da velocidade induzida em função da velocidade de planeio da aeronave, bem como a

variação da potência em função da velocidade de planeio. Quando comparadas entre si, essas

curvas demonstram claramente qual é a melhor situação para o regime de auto-rotação, ou

seja, pode-se notar qual é o melhor ângulo-de-planeio e qual o ângulo de atitude do plano das

pontas das pás mais adequado para que seja obtida a menor razão-de-descida.

108

Em uma segunda etapa, a análise paramétrica é realizada com a finalidade de se obter

um gráfico de potência em função do ângulo-de-planeio, onde, a partir de um valor fixo para a

velocidade de planeio, a Equação (III.23) é resolvida diversas vezes originando várias curvas

que quando comparadas entre si, demonstram para a região aplicável da teoria da quantidade-

de-movimento que quanto maior é o ângulo de planeio, maior é o valor da potência extraída

do ar pelo rotor. Este é um resultado de muita importância na análise auto-rotativa, sendo

comentado com maiores detalhes no Capítulo V do presente trabalho.

Para a condição de vôo vertical, as Equações (III.18) e (III.23) ficam reduzidas às

Equações (III.26) e (III.29), que fornecem os valores da velocidade induzida e potência em

função da velocidade de descida, respectivamente. O sistema de solução empregado pela

rotina de cálculos é o mesmo que para a condição de planeio; porém, considera-se o ângulo-

de-planeio γ=90° e o ângulo de atitude do plano das pontas das pás θFP=0°.

Os resultados obtidos através da teoria são comparados diretamente com resultados

práticos de ensaio em túnel de vento, e, demonstram com clareza os estados de operação do

rotor, bem como em quais situações a teoria da quantidade-de-movimento pode ser aplicada.

No caso da auto-rotação ideal, a rotina desenvolvida utiliza a Equação (III.30) para a

condição de vôo vertical, e resolve a Equação (III.38) para o vôo de planeio, fornecendo os

valores da variação da velocidade induzida em função da velocidade de planeio da aeronave

para ambas as condições de vôo em questão. Esses resultados são demonstrados em conjunto

com os obtidos anteriormente, pois desse modo é possível a comparação da situação ideal

com um regime real de vôo.

Para a aplicação da rotina especificada nesta seção do presente trabalho, são

fornecidos a seguir os principais dados numéricos necessários, onde são utilizadas variações

no ângulo-de-planeio e no ângulo de atitude do plano das pontas das pás, como pode ser

observado na Tabela IV.5 representada abaixo:

109

Tabela IV.5 – Parâmetros utilizados para o estudo da teoria da

quantidade-de-movimento [19].

Ângulo-de-planeio 0º≤γ≤ 90º Ângulo de atitude do plano das pontas das pás

20º ≤θFP ≤ –20º

Velocidade de planeio normalizada 0≤ hG wV ≤3

É interessante notar que parâmetros geométricos de projeto do rotor, não são

necessários durante a solução matemática quando se utiliza a teoria da quantidade-de-

movimento.

IV.4 – METODOLOGIA UTILIZADA PARA O ESTUDO DO TRAÇADO DO

“DIAGRAMA ALTURA VERSUS VELOCIDADE ”

A solução adotada nesta rotina, está baseada nas equações apresentadas e

desenvolvidas na Seção III.2.3 do capítulo anterior. A rotina inicia-se pelo processo de

adimensionalização dos diagramas dimensionais obtidos experimentalmente em vôo para os

três helicópteros apresentados na Referência [29]. Para isso utilizam-se as Equações (III.40),

(III.41) e (III.42). Este processo é realizado com o intuito de demonstrar que o “diagrama

altura versus velocidade” praticamente não varia de helicóptero para helicóptero.

Os valores de hhi, hlo, hcr e Vcr, aplicados nas equações citadas anteriormente, podem

ser obtidos diretamente do diagrama dimensional encontrado no ensaio em vôo, e, a partir daí

a rotina se encarrega de traçar todos os pontos do diagrama adimensional.

Como demonstrado no capítulo anterior, o que interessa ao projetista da aeronave é

justamente o processo inverso, i.e., a partir dos dados teóricos do projeto, obter o diagrama

dimensional de um helicóptero utilizando-se o processo inverso de dimensionalização. Desta

forma, o ponto principal desta análise é a solução numérica das Equações (III.43), (III.44) e

110

(III.45), onde os valores de hhi, hlo, hcr, e Vcr podem ser determinados através do processo

semi-empírico de dimensionalização.

A rotina desenvolvida inicia o processo de obtenção do diagrama dimensional a partir

da solução da Equação (III.52), que fornece o valor numérico de hlo, onde todos os parâmetros

geométricos de projeto para a aeronave em questão podem ser encontrados nesta seção.

O segundo passo de solução da rotina é a determinação da altura crítica, como

apresentado anteriormente, onde o valor de hcr praticamente não varia. No decorrer dessa

análise utiliza-se hcr=95 ft.

Para a obtenção de Vcr, faz-se a solução direta da Equação (III.54), na qual o valor de

Vmin é obtido a partir da solução matemática da Equação (III.57).

O valor de hhi é obtido através da solução da Equação (III.58), pois, como o valor

numérico de Vcr já é conhecido, a rotina utiliza-se deste valor e realiza a solução da citada

equação.

Uma vez conhecidos os parâmetros básicos para o traçado do diagrama, as Equações

(III.43), (III.44) e (III.45) são resolvidas obtendo-se as respectivas combinações dimensionais

de altura e velocidade.

Com o intuito de se reduzir a área de restrição imposta pelo diagrama, são testadas no

presente trabalho algumas alterações de parâmetros geométricos do rotor tais como: inércia do

rotor e área equivalente de placa plana. Também são testadas diversas variações de peso bruto

da aeronave e altitude de vôo.

Os resultados encontrados nesta seção são apresentados no Capítulo V com os

respectivos comentários sobre as alterações realizadas.

As principais características físicas aplicadas no desenvolvimento dessa rotina estão

representadas abaixo, onde algumas alterações são aplicadas no desenvolver da mesma de

111

modo a verificar quais as principais influências da variação do peso e da variação da inércia

do rotor no “diagrama altura versus velocidade”.

Tabela IV.6 – Valores práticos para o traçado do “diagrama altura versus velocidade” [29].

Área do disco do rotor principal A = 960 ft 2 (89.2 m 2) Área equivalente de placa plana f = 8 ft 2 (0.74m) Número de pás b = 3 Relação entre coeficiente de sustentação e solidez

CL/σ = 5.9

Coeficiente de arrasto de perfil Cd0 = 0.013 Inércia do rotor IR = 760 slug ft2 (1030 kg m2) Raio da pá R = 17.5 ft (5.34 m) Velocidade na ponta da pá Vt = 650 ft/s (198.1 m/s) Velocidade de descida VD = -8 ft/s (-2.44 m/s) Altura do rotor em relação ao solo hr = 7.0 ft (2.13 m) Peso do helicóptero W = 3700 lb (13656 N) Solidez σ = 0.0591 Aceleração angular do rotor •

Ω = -3.5 rad/s2 Velocidade angular de projeto Ωd= 37.1 rad/s²

Os valores apresentados a seguir são resultados experimentais encontrados pela FAA e

apresentados na Referência [29], sendo utilizados no desenvolver do presente trabalho.

Tabela IV.7– Valores experimentais obtidos em ensaio em vôo [29].

Altitude densidade ft m

CT/σ

Preq,∞

Nível do mar 5000

9000

Nível do mar 1524 2743

0.0648 0.0752 0.0851

300 310 320

No capítulo seguinte são apresentados os resultados gráficos obtidos a partir das

teorias apresentadas; também é realizada uma análise qualitativa e quantitativa dos mesmos

visando a encontrar respostas adequadas aos principais problemas relacionados ao regime de

auto-rotação.

112

CAPÍTULO V

APRESENTAÇÃO E ANÁLISE GLOBAL DOS RESULTADOS

V.1 – INTRODUÇÃO

No presente capítulo são apresentados os resultados obtidos pelos modelos teóricos

aqui estudados realizando-se comparações com os encontrados por outros métodos. Também

é feita uma análise desses resultados comentando-se as principais diferenças observadas entre

os métodos utilizados no presente trabalho e outros métodos utilizados por diversos autores

que fornecem resultados semelhantes.

Os resultados são apresentados seguindo a ordem de solução das teorias apresentadas

no Capítulo III: resultados do estudo da transição do vôo pairado para a auto-rotação em

descida vertical, resultados do estudo da auto-rotação utilizando-se da teoria da quantidade-

de-movimento e, finalmente, resultados obtidos para o estudo do “diagrama altura versus

velocidade”.

V.2 – APRESENTAÇÃO DOS RESULTADOS PARA O ESTUDO DE

TRANSIÇÃO ENTRE O VÔO PAIRADO E O REGIME DE AUTO-ROTAÇÃO EM

DESCIDA VERTICAL

Os resultados encontrados para o estudo da transição do vôo pairado para o regime de

auto-rotação em descida vertical fornecem importantes observações quanto à análise das

variações de velocidade de descida da aeronave e velocidade angular do rotor. Os mesmos são

diretamente influenciados pela variação da velocidade induzida em função do tempo e pela

rapidez com a qual o piloto realiza a redução do ângulo-de-passo. As variações de velocidade

induzida e ângulo-de-passo podem ser observadas nas Figuras V.1 e V.2 apresentadas a

seguir.

113

Figura V.1- Variação da velocidade induzida em função do tempo após a falha do motor.

Figura V.2 – Variação do ângulo-de-passo em função do tempo após a falha do motor.

As Figuras V.1 e V.2 são baseadas em uma variação assumida de velocidade induzida

e ângulo-de-passo. A Figura V.1 mostra a variação da velocidade induzida em função do

tempo após a falha do motor. A Equação (III.1) é utilizada a fim de se encontrar a magnitude

da velocidade induzida em cada instante desejado e duas condições distintas são consideradas:

Sem redução do passo Redução lenta do passo Redução moderada do passo Instantânea

Tempo após a Falha (s)

Âng

ulo-

de-P

asso

(gra

us)

Sem redução de passo k=1 Com redução de passo k=1 k=∞

Tempo após a Falha (s)

Vel

ocid

ade

Indu

zida

(ft/

s)

114

a) com redução do ângulo-de-passo e, b) sem redução do ângulo-de-passo (manter o ângulo-

de-passo na posição inicial do momento da falha do motor).

Pode-se observar que, quando o ângulo-de-passo é reduzido, obtêm-se menores

valores de velocidade induzida em relação à não-redução do mesmo. Na solução com

redução do ângulo-de-passo, dois valores para o coeficiente de declínio k são adotados. Em

uma primeira análise, adota-se o coeficiente k=1 e pode-se observar nesta situação, que a

velocidade induzida varia exponencialmente em função do tempo decorrido após a falha do

motor, partindo do valor inicial u0 e atingindo o valor final uf em (aproximados) 4s, indicando

que a transição para o regime auto-rotacional estável já está praticamente concluída. Quando

se adota o coeficiente k=∞ pode-se verificar na Equação (III.1) que a velocidade induzida

assume um valor constante igual a uf desde o instante em que ocorre a falha do motor. A

explicação teórica para esta situação pode ser creditada a uma hipotética redução instantânea

do ângulo-de-passo por parte do piloto da aeronave assim que se perceba a falha do motor.

Logicamente que em uma situação real de vôo esta alteração é praticamente impossível de ser

realizada. Portanto, a curva representada por k=∞ na Figura V.1 é apenas apresentada a título

ilustrativo no presente trabalho indicando que teoricamente um regime estável de auto-rotação

poderia ser obtido instantaneamente.

A Figura V.2 mostra a variação do ângulo-de-passo em função do tempo após a falha

do motor. No contexto do presente trabalho, a Figura V.2 ilustra com clareza o tempo de

reação do piloto após perceber a falha do motor. As curvas apresentadas podem ser obtidas

matematicamente através da solução direta da Equação (III.2), que fornece como resultado o

valor do ângulo-de-passo a cada instante desejado.

Deve-se observar que os pilotos reagem de diferentes maneiras quando percebem a

falha do motor. Existem aqueles que não efetuam a redução no ângulo-de-passo, ou seja,

apenas mantém o mesmo na posição do instante da falha, colocando em risco uma entrada

115

segura em auto-rotação. E existem aqueles que efetuam a redução no ângulo-de-passo, alguns

com mais agilidade que os outros.

As curvas exponenciais representadas na Figura V.2 são obtidas considerando-se

quatro situações diferentes. Em um primeiro caso, considera-se a não-redução do ângulo-de-

passo, e, nessa situação, verifica-se como resultado que θf=θ0, ou seja, não existe um

comando por parte do piloto com o intuito de se reduzir o ângulo-de-passo.

A curva denominada instantânea representa uma situação teórica, impossível de se

obter na prática, já comentada na análise da Figura V.I. Por mais rápida que seja a reação do

piloto ao perceber a falha do motor, é impossível que a redução do ângulo-de-passo seja

realizada de maneira instantânea.

Os tempos de reação podem ser observados com mais clareza nas curvas que

representam uma redução lenta do ângulo-de-passo e uma redução moderada do ângulo-de-

passo. Naturalmente, uma infinidade de curvas pode ser obtida, e cada uma delas indica a

rapidez com que o comando é aplicado. Matematicamente a Equação (III.2) é utilizada, e

pode-se observar que as variáveis de controle do tempo de reação são a1 e a2, onde esses

valores são adotados e estão contidos no intervalo ]0,1[, podendo fornecer infinitas respostas

diferentes. Para a análise realizada na Figura V.2, os valores de a1 e a2 adotados são os

seguintes: a) redução lenta do ângulo-de-passo: a1=0.3 e a2=0.4; b) redução moderada do

ângulo-de-passo: a1=0.5 e a2=0.6.

A maneira com a qual o piloto da aeronave realiza a redução do ângulo-de-passo,

influencia de modo direto tanto a razão-de-descida da aeronave como a velocidade de rotação

angular do rotor. Estas variações podem ser observadas na análise das Figuras V.3 e V.4 que

mostram os efeitos da variação do ângulo-de-passo tanto na razão-de-descida da aeronave

quanto na velocidade angular de rotação do rotor.

116

Os resultados obtidos nas Figuras V.3 e V.4 são comentados em conjunto, com a

finalidade de propiciar ao leitor maior clareza na análise das variações de razão-de-descida e

velocidade angular de rotação do rotor, onde é possível notar a influência da redução do

ângulo-de-passo logo após se perceber a perda de potência.

Figura V.3 – Efeito da redução do ângulo-de-passo na variação da razão-de-descida da

aeronave em função do tempo decorrido após a falha do motor, I1=200 slug ft2.

Figura V.4 - Efeito da redução do ângulo-de-passo na variação da velocidade angular do rotor

em função do tempo decorrido após a falha do motor, I1=200 slug ft2.

Redução instantânea do passo Redução moderada do passo Redução lenta do passo Sem redução do passo

Tempo após a Falha (s)

Vel

ocid

ade

Ang

ular

(ra

d/s)

Redução instantânea do passo Redução moderada do passo Redução lenta do passo Sem redução do passo

Tempo após a Falha (s)

Raz

ão d

e D

esci

da (

ft/s)

117

Percebe-se, claramente, que os segundos iniciais após a perda de potência são de

grande importância, pois se tem uma grande variação na razão-de-descida da aeronave, com

os valores partindo de zero (vôo pairado) até um pico onde a auto-rotação se estabiliza. Nota-

se que o tempo necessário para a auto-rotação estável se encontra em torno de 10s, a partir do

qual tanto a razão-de-descida quanto a velocidade angular se estabilizam em um valor

praticamente constante.

Pode-se observar nas situações onde o ângulo-de-passo é reduzido, que, nos instantes

iniciais após ocorrer a perda de potência, a velocidade angular de rotação é afetada de maneira

significativa. Isto ocorre, pois o rotor ainda não atingiu o equilíbrio auto-rotativo, e, portanto,

o mesmo ainda não está extraindo potência do ar o suficiente para manter a velocidade

angular de rotação dentro de valores aceitáveis para um vôo seguro da aeronave, ocasionando

assim um aumento excessivo da razão-de-descida da aeronave. Pode-se observar também que

após estabilizar a auto-rotação, a velocidade angular do rotor se mantém constante e com um

valor um pouco abaixo que o inicial (cerca de 16%). Isto só é possível, porque o rotor

converte a energia potencial gravitacional perdida durante a descida em energia cinética de

rotação.

É importante ressaltar que com a redução do ângulo-de-passo, a velocidade angular se

estabiliza em um mesmo valor, não importando qual o tipo de reação do piloto, mas, quando o

ângulo-de-passo é mantido na posição inicial tem-se que a velocidade de rotação cai a um

valor cerca de 34% menor que o valor inicial.

Comparando-se as quatro situações apresentadas nas Figuras V.3 e V.4, pode-se notar

que todas as curvas obtidas apresentam características semelhantes, ou seja, na Figura V.3

nota-se um considerável aumento na razão-de-descida da aeronave nos instantes iniciais,

seguido de uma pequena redução no valor da mesma entre 5s e 10s, estabilizando-se após esse

período, indicando que a transição entre o vôo pairado e a auto-rotação vertical está

118

concluída. No caso da Figura V.4, a velocidade angular de rotação sofre uma substancial

redução nos instantes iniciais, recuperando-se entre 4s e 10s estabilizando-se após esse

período.

Quando se considera uma hipotética redução instantânea do ângulo-de-passo, pode-se

observar que a velocidade de rotação angular se estabiliza após 2s, indicando que a transição

para o regime auto-rotacional ocorre de modo mais acelerado, o que pode ser percebido na

curva que representa a variação da razão-de-descida, onde se observa nos instantes iniciais um

maior ganho de velocidade em relação às outras situações.

No caso da redução lenta e moderada do ângulo-de-passo, pode-se observar que a

velocidade angular de rotação decresce consideravelmente nos instantes iniciais, recuperando-

se posteriormente a atingindo um valor igual ao da situação na qual o ângulo-de-passo é

reduzido de maneira instantânea. Porém, nota-se que a recuperação da velocidade angular

depende muito do tempo de reação do piloto, pois quanto mais acelerada é a aplicação do

comando, mais rápida é a recuperação mesma. O beneficio obtido com esta situação é notado

na curva que mostra redução moderada do ângulo-de-passo, representada na Figura V.3, onde

é possível observar que a máxima razão-de-descida ocorre aproximadamente 1s antes que na

situação com redução lenta do ângulo-de-passo. Como a recuperação da velocidade angular

de rotação é mais acelerada, é de se esperar que a razão-de-descida se estabilize antes.

Portanto, uma redução mais acelerada do ângulo-de-passo é aparentemente benéfica para o

regime de transição entre o vôo pairado e a auto-rotação em descida vertical. Porém deve-se

ressaltar que a rapidez em se atingir a velocidade angular de rotação estável, pode ser

prejudicial a uma entrada suave em auto-rotação, pois pode ocasionar vibrações na aeronave

devido a uma mudança brusca de atitude da mesma. Portanto, é aconselhável que a redução

do passo seja realizada logo após a perda de potência, porém a mesma deve ser feita de

maneira lenta e suave.

119

Na situação onde o ângulo-de-passo é mantido na posição inicial, pode-se notar que a

velocidade angular de rotação se estabiliza em um valor abaixo dos demais, porém a razão-de-

descida da aeronave se estabiliza em um valor igual. Neste caso pode-se esperar que com uma

menor velocidade angular de rotação do rotor, a razão-de-descida seja bem maior, pois a

sustentação gerada é menor, reduzindo assim a relação de eficácia L/D ocasionando maiores

razões-de-descida. Porém, na solução matemática apresentada no Capítulo III do presente

trabalho, é possível notar que embora a velocidade de rotação se encontre reduzida, o valor do

ângulo-de-passo permanece o mesmo, ou seja, na Equação (III.10) é possível notar que existe

uma compensação no termo (θ∆t/3)Ω∆t2 resultando em acelerações quase idênticas às

encontradas quando o ângulo-de-passo é reduzido, proporcionando desse modo razões-de-

descida semelhantes às encontradas naquela situação. Como a partir de 10s a velocidade

angular, o ângulo-de-passo e a velocidade induzida são praticamente constantes, a Equação

(III.10) fornece como resultado numérico acelerações próximas de zero, fazendo com que a

razão-de-descida da aeronave também permaneça constante e com um valor igual ao da

situação quando o ângulo-de-passo é reduzido. Porém, vale ressaltar que este é um resultado

incoerente, uma vez que a modelagem assumida para variação da velocidade induzida não é

capaz de captar adequadamente a física presente no regime de transição entre o vôo pairado e

a auto-rotação em descida vertical. Para se obter uma solução mais adequada do problema,

Johnson [20], apresenta um modelo analítico para a determinação da velocidade induzida.

As Figuras V.5 e V.6 mostram a variação da razão-de-descida e da velocidade angular

de rotação do rotor em função do tempo decorrido após a falha do motor quando o fator

exponencial k é considerado na análise da variação de velocidade induzida comentada na

Figura V.1. Novamente uma análise conjunta é realizada, e nesta situação, é possível observar

que praticamente não existe influência do valor de k quando a redução do ângulo-de-passo é

realizada.

120

Figura V.5 - Efeito da variação da velocidade induzida na variação da razão-de-descida da

aeronave em função do tempo decorrido após a falha do motor.

Figura V.6 - Efeito da variação da velocidade induzida na variação da velocidade angular do

rotor em função do tempo decorrido após a falha do motor.

Velocidade induzida k=1 k=∞

Tempo após a Falha (s)

Vel

ocid

ade

Ang

ular

(rad

/s)

Velocidade induzida k=1 k=∞

Tempo após a Falha (s)

Raz

ão d

e D

esci

da (

ft/s)

121

Pode-se observar que o valor da razão-de-descida da aeronave varia de maneira

semelhante nos dois casos. Porém deve-se ressaltar que quando o valor k=∞ for utilizado na

Equação (III.1) tem-se a velocidade induzida u tendendo a uf instantaneamente, e, pode-se

observar na Figura V.1 esse aumento instantâneo na velocidade induzida.

Na Figura V.5 observa-se esta característica apenas nos instantes iniciais, onde existe

uma pequena diferença entre as duas curvas representadas, e posteriormente os valores

praticamente não diferem demonstrando que para a solução do método apresentado no

Capítulo III, qualquer valor de k pode ser utilizado para o cálculo da velocidade induzida,

pois, nota-se que não existe influência da velocidade induzida sobre o valor da razão-de-

descida da aeronave quando a mesma se encontra no processo de transição entre o vôo

pairado e a auto-rotação em descida vertical. Essa é, naturalmente, uma limitação imposta

pela própria utilização da teoria aplicada neste trabalho para a análise do fenômeno.

A Figura V.6 mostra os mesmos efeitos quando se analisa a velocidade angular de

rotação do rotor. Também é possível observar que a velocidade induzida não afeta os valores

da velocidade angular de rotação do rotor, onde os mesmos são praticamente idênticos. Nesta

figura fica claro a extração de potência do ar pelo rotor, principalmente entre 4s e 6s, onde é

possível observar um sensível ganho na velocidade angular demonstrando que o rotor está

começando a operar no estado de molinete e o “slipstream” novamente fica definido. Nesta

situação, o rotor está extraindo potência do ar a fim de manter a velocidade angular em níveis

aceitáveis de vôo.

Nas Figuras V.7 e V.8 analisa-se a variação da inércia do rotor tanto no valor da

velocidade de descida da aeronave em função do tempo decorrido após a falha do motor como

no valor da velocidade angular de rotação do rotor em função do tempo decorrido após a

falha.

122

Figura V.7 - Efeito da variação da inércia do rotor na variação da razão-de-descida da

aeronave em função do tempo decorrido após a falha do motor.

Figura V.8 - Efeito da variação da inércia do rotor na variação da velocidade angular do rotor

em função do tempo decorrido após a falha do motor.

Momento de inércia I1 100 slug ft2 200 slug ft2 400 slug ft2

Tempo após a Falha (s)

Vel

ocid

ade

Ang

ular

(rad

/s)

Momento de inércia I1 100 slug ft2 200 slug ft2 400 slug ft2

Tempo após a Falha (s)

Raz

ão d

e D

esci

da (

ft/s)

123

As Figuras V.7 e V.8 são baseadas em uma redução lenta do ângulo-de-passo, que

como citado anteriormente, corresponde a uma entrada mais suave em auto-rotação durante os

instantes iniciais após a falha do motor. Analisando-se primeiramente a Figura V.7, é possível

observar que quanto menor é o valor da inércia do rotor, inicialmente, para o intervalo 0 ≤ t ≤

4s, menos suave é a transição entre o vôo pairado e a auto-rotação, notando-se na curva que

representa inércia igual a 100 slug ft² que os valores da razão-de-descida variam mais

rapidamente em relação às curvas que representam valores mais altos da inércia do rotor. Ao

contrário, para o intervalo 4 ≤ t ≤ 15s, menor inércia significa transição mais suave e rápida

para a razão-de-descida estabilizada como pode ser observado.

Da simples observação das Equações (III.5) e (III.6) nota-se que quanto menor for o

valor da inércia do rotor, maiores são os valores de •

Ω e ••

Ω , instantaneamente. Assim, com

uma maior velocidade angular, é possível a obtenção de maior sustentação, conseguindo desse

modo uma recuperação antecipada da velocidade angula r de rotação do rotor em relação ao

que se passa quando um maior valor da inércia está presente, como mostra a curva amarela da

Figura V.8.

Esta recuperação antecipada da velocidade angular de rotação do rotor se traduz em

uma diminuição da razão-de-descida da aeronave como pode ser observado na Figura V.7. A

curva amarela, que representa menor inércia, teoricamente apresenta uma redução no valor da

razão-de-descida a partir de 4s, ou seja, a partir do ponto no qual a velocidade angular de

rotação do rotor começa a se estabilizar.

Principalmente nos instantes iniciais, quanto menor a sua inércia, mais rápida é a taxa

de aceleração angular do rotor, tendo-se, portanto, uma recuperação mais acelerada da

velocidade de rotação perdida, garantindo desse modo que o equilíbrio auto-rotativo seja

atingido com alguns segundos de antecedência. Esta situação apresenta-se com clareza na

124

curva que representa inércia igual a 100 slug ft². É importante notar que com uma maior

aceleração do rotor, mais rápida é a transição entre o vôo pairado e a auto-rotação vertical,

garantindo mais segurança ao vôo da aeronave, pois quanto antes se conseguir um regime de

auto-rotação estável semelhante às características do vôo com potência, melhor é a situação.

Naturalmente que deve haver uma solução-de-compromisso entre a rapidez em se atingir a

velocidade angular de rotação estável em auto-rotação e as condições de vibração devido às

maiores acelerações angulares envolvidas logo após a perda de potência, - no intervalo (0 ≤ t

≤ 4s) por exemplo - para se garantir que é melhor a utilização de um valor menor de inércia

do rotor principal do helicóptero.

V.3 – APRESENTAÇÃO DOS RESULTADOS PARA O ESTUDO DO REGIME

DE AUTO-ROTAÇÃO ESTÁVEL EM VÔO À FRENTE UTILIZANDO-SE A

TEORIA DA QUANTIDADE-DE-MOVIMENTO

Nesta seção são apresentados os principais resultados obtidos a partir do estudo do

regime de auto-rotação estável em vôo à frente utilizando-se a teoria da quantidade-de-

movimento. Com exceção da curva que representa os resultados obtidos na Re ferência [3]

para ensaios realizados em túnel de vento, todos os resultados da teoria da quantidade-de-

movimento (qdm aplicável e qdm não aplicável), bem como os resultados obtidos para o

regime de auto-rotação ideal foram numericamente calculados neste trabalho.

As equações propostas para o estudo da teoria da quantidade-de-movimento

apresentadas no Capítulo III do presente trabalho são tratadas de maneira normalizada

adimensional visando a encontrar uma solução genérica para qualquer tipo de helicóptero

estudado.

O primeiro resultado obtido mostra a variação da velocidade induzida em função da

velocidade de planeio da aeronave, como pode ser observado na Figura V.9.

125

Figura V.9 – Comparação teórica da relação de velocidade induzida com os dados

experimentais da Referência [3] (γ = 90º; θFP = 0º).

A Figura V.9 compara os resultados numéricos obtidos a partir da teoria da

quantidade-de-movimento apresentada neste trabalho com resultados de ensaios realizados em

túnel de vento a partir da Referência [3]. Deve-se ressaltar que para o intervalo,

20 ≤≤ hG wV a teoria da quantidade-de-movimento não pode ser aplicada para um regime

de auto-rotação estável, pois não se conseguem definir linhas de corrente contínuas através do

rotor, com o “slipstream” ficando de certa forma não estacionário devido à presença de

recirculação e turbulência.

Observando-se os resultados, nota-se que os valores obtidos através da Referência [3]

mostram relações de velocidade induzida maiores que os resultados obtidos para a parte não

aplicável da teoria da quantidade-de-movimento, ou seja, entre 5.10 ≤≤ hG wV , quando a

aeronave se encontra na transição entre o vôo pairado e a auto-rotação em descida vertical.

Nesta situação, tanto a velocidade angular quanto o vetor sustentação estão se ajustando para

uma condição de equilíbrio auto-rotativo, onde é possível observar um aumento na velocidade

Túnel de vento qdm aplicável qdm não aplicável auto-rotação ideal

-VG/wh

w0/

wh

126

induzida devido à recirculação presente sobre o rotor, bem como uma redução momentânea

da sustentação que acompanha a perda de potência.

Conforme a velocidade de planeio aumenta, a velocidade induzida decresce

rapidamente, indicando que o equilíbrio auto-rotativo está sendo atingido e que a energia

potencial perdida está sendo convertida em energia cinética no rotor. Nesta situação, o

“slipstream” se encontra definido, e a recirculação sobre o rotor desaparece, fazendo com que

a velocidade induzida se estabilize em um valor próximo à velocidade induzida para o vôo

pairado.

A equação que rege a teoria da quantidade-de-movimento é a Equação (III.18) e pode-

se perceber na análise da Figura V.9 que a mesma somente pode ser aplicada quando

2>hG wV (auto-rotação estável), fornecendo assim algum significado físico próximo do

encontrado em túnel de vento. Na Figura V.9, embora a Equação (III.18) tenha sido aplicada

para valores entre 30 ≤≤ hG wV , somente no intervalo entre 32 ≤≤ hG wV é que uma

análise prática pode ser realizada, pois neste caso tem-se o rotor operando no estado de

molinete e a aeronave encontra-se no regime de auto-rotação estável. Comparando-se os

resultados obtidos pela Referência [3] (curva vermelha da Figura V.9) com os resultados

obtidos pela teoria da quantidade-de-movimento na região aplicável da mesma, pode-se

observar que os resultados teóricos obtidos apresentam uma situação mais favorável que os

resultados obtidos durante o ensaio em túnel de vento, ou seja, para uma mesma velocidade

induzida, obtêm-se através da teoria menores valores de velocidade de planeio. Este fato pode

ser creditado às hipóteses adotadas na formulação da teoria da quantidade-de-movimento

apresentadas no Capítulo III do presente trabalho, no qual o rotor é modelado como um disco

de espessura infinitesimal composto por um número infinito de pás, acelerando o ar de

maneira uniforme e sem perdas nas pontas, o que permite ao rotor ser capaz de gerar, para um

127

mesmo valor de velocidade induzida, razões-de-descida menores quando comparadas às do

ensaio realizado em túnel de vento.

Realizando-se a aná lise da auto-rotação na condição de planeio, as Figuras V.10, V.11

e V.12 mostram a relação entre a componente vertical da velocidade induzida e a componente

vertical da velocidade de planeio (razão-de-descida da aeronave).

Os valores de velocidade induzida são calculados a partir da Equação (III.18) e a

velocidade de planeio multiplicada por senγ a fim de se utilizar apenas a componente vertical

da mesma, que representa a razão-de-descida da aeronave.

Figura V.10 - Comparação teórica da relação de velocidade induzida com os dados

experimentais da Referência [3] (γ = 70º; θ FP= 0º).

Túnel de vento qdm aplicável qdm não aplicável auto-rotação ideal

-VG/wh* senγ

w0/

wh

128

Figura V.11 - Comparação teórica da relação de velocidade induzida com os dados

experimentais da Referência [3] (γ = 50º; θFP = 0º).

Figura V.12 Comparação teórica da relação de velocidade induzida com os dados

experimentais da Referência [3] (γ = 20º; θ FP= 0º).

Túnel de vento qdm aplicável qdm não aplicável auto-rotação ideal

-VG/wh* senγ

w0/

wh

Túnel de vento qdm aplicável qdm não aplicável auto-rotação ideal

-VG/wh* senγ

w0/

wh

129

Quando se comparam os resultados teóricos obtidos com a condição de vôo vertical

(Figura V.9), pode-se observar que, para uma mesma razão-de-descida, são encontrados

menores valores de velocidade induzida conforme o ângulo-de-planeio diminui. Este fato

pode ser creditado a presença de menor recirculação e turbulência conforme o ângulo-de-

planeio diminui.

Comparando-se a teoria com os resultados encontrados na Referência [3], na qual os

ensaios são realizados apenas no estado de anéis de vórtices, ou seja, no intervalo

5.10 ≤≤ hG wV , região na qual a teoria da quantidade-de-movimento não fornece um

significado físico confiável, devido a presença de recirculação e turbulência, pode-se observar

que os valores obtidos neste trabalho não diferem de maneira significativa com relação aos

resultados experimentais encontrados pela Referência [3]. As diferenças encontradas entre os

valores teóricos e os valores experimentais são creditadas às hipóteses simplificadoras da

teoria da quantidade-de-movimento aplicadas no presente trabalho e que já foram comentadas

em análise anterior.

Pode-se observar com clareza das Figuras V.10, V.11 e V.12 que, conforme o ângulo-

de-planeio diminui, ocorre uma redução na velocidade induzida sobre o rotor, indicando uma

menor recirculação presente sobre o mesmo, ocasionando assim uma transição para o regime

de auto-rotação mais suave e com menos turbulência. Na Figura V.12, pode-se observar que

para baixos ângulos-de-planeio, por exemplo, γ = 20°, praticamente não existe recirculação

sobre o rotor, e que os valores de velocidade induzida não variam de maneira brusca durante o

período de transição entre o vôo com potência e a auto-rotação. Nesta mesma figura, no

intervalo entre 5.10 ≤≤ hG wV , o que se observa é uma redução da velocidade induzida no

domínio correspondente ao estado de anéis de vórtices, indicando que a transição ocorre de

modo mais suave.

130

Na Figura V.13 é possível observar a relação de potência em função da velocidade de

planeio da aeronave.

Figura V.13 - Comparação teórica da relação de potência com os dados experimentais da

Referência [3] (γ = 90º; θFP = 0º).

Quando são comparados os resultados teóricos obtidos com os resultados de ensaio da

Referência [3] nota-se que a teoria da quantidade-de-movimento prediz um valor menor de

potência para manter o vôo da aeronave, o que é compatível com os resultados da Figura V.9,

onde um menor valor para velocidade induzida é previsto pela teoria.

Nota-se também que para pequenas razões-de-descida, sendo a relação VG/wh negativa,

a relação de potência sempre resultará em um valor positivo, o que pode ser verificado da

própria análise da Equação (III.29a) (auto-rotação em descida vertical).

Auto-rotação estável requer potência igual a zero ou negativa e portanto não pode ser

obtida a menos que a razão-de-descida seja grande o suficiente para tal condição. Portanto,

teoricamente, a mínima razão-de-descida aplicável em auto-rotação completa ocorre quando

Túnel de vento qdm aplicável qdm não aplicável

-VG/wh

Ps/P

h

131

VG/wh=-2. Nesta razão-de-descida, a Equação (III.29b) indica a relação de potência igual a –1,

ou seja, o rotor está extraindo potência do ar a fim de tentar manter uma razão-de-descida

aceitável. Assim, quanto mais potência o rotor extrair do ar, melhor é a eficiência do mesmo.

Com razões-de-descida mais elevadas, VG/wh>-2, um “slipstream” definido pode ser

encontrado e fisicamente a teoria da quantidade-de-movimento pode ser aplicada. Nesta

situação, a auto-rotação já está estabilizada, e o rotor opera no estado de molinete, extraindo

potência do ar para vencer o arrasto e produzir sustentação necessária para uma aceitável

razão-de-descida.

Novamente pode-se observar que os valores obtidos numericamente através da teoria

da quantidade-de-movimento fornecem resultados abaixo que os encontrados a partir da

Referência [3] durante a realização do ensaio em túnel de vento. Essa diferença ocorre devido

aos fatores citados na análise da Figura V.9, onde a teoria da quantidade-de-movimento

aplicada neste trabalho possui algumas simplificações que na prática são impossíveis de

serem obtidas. Pode-se perceber claramente na análise das Figuras V.9 e V.13 que a teoria da

quantidade-de-movimento apresenta uma fotografia ideal da performance do rotor, pois a

mesma omite todas as perdas viscosas e todas as perdas causadas pela não-uniformidade da

transferência de quantidade-de-movimento. Portanto, os resultados obtidos através da teoria

aqui aplicada são aparentemente melhores que os resultados obtidos no ensaio em túnel de

vento, pois como pode ser observado a partir da Figura V.13, para manter uma mesma razão-

de-descida o rotor extrai um valor menor de potência do ar em relação ao ensaio realizado em

túnel de vento.

As Figuras V.14, V.15 e V.16 correlacionam valores teóricos de potência em função

da razão-de-descida da aeronave, encontrados a partir da teoria da quantidade-de-movimento

e os obtidos nos ensaios realizados na Referência [3].

132

Figura V.14 - Comparação teórica da relação de potência com os dados experimentais da

Referência [3] (γ = 70º; θFP = 0º).

Figura V.15 - Comparação teórica da relação de potência com os dados experimentais da

Referência [3] (γ = 50º; θFP = 0º).

Túnel de vento qdm aplicável qdm não aplicável

-VG/wh* senγ

Ps/P

h

Túnel de vento qdm aplicável qdm não aplicável

-VG/wh* senγ

Ps/P

h

133

Figura V.16 - Comparação teórica da relação de potência com os dados experimentais da

Referência [3] (γ = 20º; θFP = 0º).

O enfoque da comparação, encontra-se no estado de anéis de vórtices, onde, embora a

teoria não forneça um significado físico confiável, o cálculo foi efetuado numericamente com

a finalidade de se verificarem os valores teóricos encontrados e compará- los com os valores

experimentais. Pode-se observar que existe uma correlação com os valores da Referência [3],

ou seja, os valores teóricos encontrados não diferem muito da situação experimental e as

diferenças encontradas são, novamente, atribuídas às limitações impostas pela própria teoria

da quantidade-de-movimento.

Na análise dos resultados, é possível notar que para baixas velocidades de descida

(estado de anéis de vórtices) tem-se uma relação de potência positiva, ou seja, o rotor ainda

não atingiu o equilíbrio auto-rotativo, pois, tanto o vetor sustentação como a velocidade de

rotação, estão se ajustando para aquela condição.

Quando esses resultados são comparados com a condição de vôo vertical (Figura

V.13), nota-se que nos domínios do estado de anéis de vórtices, para uma mesma razão-de-

Túnel de vento qdm aplicável qdm não aplicável

-VG/wh* senγ

Ps/P

h

134

descida, uma menor potência é encontrada. Isto se dá pois, com a redução do ângulo-de-

planeio, a componente tangencial do peso da aeronave aumenta, e como a mesma deve

balancear o arrasto, uma menor potência é requerida para vencer o arrasto e manter o vôo

seguro da aeronave.

Na região aplicável da teoria da quantidade-de-movimento, ou seja, VG/wh>2, quando

se comparam as Figuras V.14 (γ =70°), V.15 (γ =50°) e V.16 (γ =20°) com a Figura V.13

(auto-rotação vertical), pode-se observar que quanto menor é o ângulo-de-planeio, para uma

mesma relação de potência se consegue menores razões-de-descida. Como visto

anteriormente, isto ocorre porque existe uma menor recirculação sobre o rotor e a potência

extraída do ar deve suprir o arrasto parasita e gerar sustentação, e como, quanto menor for o

ângulo-de-planeio maior é a componente tangencial do peso da aeronave, que, em auto-

rotação, deve equilibrar o arrasto parasita, parte da potência extraída do ar é utilizada para

vencer o arrasto e a maior parte que sobra é utilizada para gerar sustentação. Com uma

sustentação maior é possível a obtenção de menores razões-de-descida. Isso é conseqüência

de, na condição de planeio, o arrasto ser menor que em vôo vertical.

Nota-se, que a teoria da quantidade-de-movimento quando utilizada de maneira

correta, considerando as limitações de caráter físico presentes, fornece resultados próximos

aos realizados nos ensaios, mesmo nas regiões onde teoricamente a mesma não fornece um

significado físico confiável.

As Figuras V.17, V.18, e V.19 mostram uma análise paramétrica com os valores de

potência variando em função da velocidade de planeio da aeronave.

135

Figura V.17 – Análise paramétrica da variação de potência em relação à velocidade de planeio

da aeronave com ângulo de planeio γ = 0º.

Figura V.18 - Análise paramétrica da variação de potência em relação à velocidade de planeio

da aeronave com ângulo de planeio γ = 30º.

θFP = -20º

θFP = -10º

θFP = 0º

θFP = 10º

θFP = 20º

-VG/wh

Ps/P

h

θFP=-20º

θFP=-10º

θFP=0º θFP=10º

θFP=20º

-VG/wh

Ps/P

h

136

θFP=20º 10º

-10º -20º

-VG/wh

Ps/P

h

Figura V.19 - Análise paramétrica da variação de potência em relação à velocidade de planeio

da aeronave com ângulo de planeio γ = 60º.

Nota-se na Figura V.17 o comportamento da relação de potência em função da

velocidade de planeio conforme o ângulo de atitude do plano das pontas das pás do rotor é

alterado. Nesta situação específica o ângulo-de-planeio é igual a 0°, ou seja, a aeronave se

encontra em vôo reto e nivelado com certa velocidade de vôo à frente, não tendo ainda

ocorrido a falha do motor. Conforme a velocidade de deslocamento da aeronave aumenta, a

potência requerida para gerar sustentação e manter o vôo nivelado da aeronave tanto pode

aumentar como pode diminuir. Na situação onde o ângulo de atitude do plano das pontas das

pás do rotor θFP é igual a -20º, pode-se observar que quanto maior é a velocidade de

deslocamento da aeronave, maior é a potência requerida para manter o vôo nivelado. Este fato

pode ser creditado à potência parasita do rotor (que representa, em outras palavras, o arrasto

parasita do rotor), que em altas velocidades torna-se a parcela dominante da potência

requerida total. Assim, surge a necessidade de maior potência para vencer o arrasto parasita

do rotor e produzir tração para manter o vôo reto e nivelado da aeronave. O valor da potência

é positivo pois o rotor obriga o escoamento a atravessá- lo de cima para baixo. Conforme se

realiza uma análise paramétrica, com o aumento do ângulo de atitude do plano das pontas das

137

pás de –20º para 20º, nota-se que quanto maior é a velocidade de deslocamento, menor é a

potência requerida para manter o vôo nivelado da aeronave. Isto ocorre, pois, nesta condição,

tem-se um aumento do ângulo-de-ataque do disco do rotor, fazendo desse modo com o vento

relativo ataque o rotor da parte de baixo do disco para a parte superior do mesmo, resultando

assim em um menor valor de potência parasita do rotor, onde potência é extraída do

escoamento. Isto implica em uma menor potência requerida no eixo do rotor para se manter o

vôo reto e nivelado. Em suma, da Figura V.17, teoricamente, a aplicação da teoria apresentada

neste trabalho fornece como resultados para maiores valores de velocidades e de ângulos de

atitude do plano das pontas das pás, valores de potência negativos, indicando que ao invés de

o rotor fornecer potência ao escoamento, o mesmo está extraindo potência do mesmo. Assim,

dependendo do ângulo de atitude do plano das pontas das pás e da velocidade de vôo à frente,

é possível se manter o vôo reto e nivelado da aeronave com uma potência requerida no eixo

bem menor que a potência requerida, por exemplo, durante o vôo pairado, pois como se pode

perceber da análise da Figura V.17, parte da potência requerida advém diretamente do

escoamento, minimizando desse modo a potência fornecida pelo motor ao rotor.

Analisando-se a Figura V.18, verifica-se um comportamento paramétrico semelhante

ao apresentado na Figura V.17. A diferença se encontra no fato de que, como o rotor está

descendo sob um ângulo-de-planeio de 30°, a potência parasita do rotor diminui com o

aumento da velocidade de planeio, mesmo para o ângulo de atitude do plano das pontas das

pás de -20°. Na prática, essa diminuição da potência é reflexo da maior extração de potência

do escoamento, aproveitando-se que a aeronave se encontra numa rampa de descida. Daí os

valores de potência, para um determinado valor da velocidade de planeio, serem mais

negativos que os correspondentes na curva para o vôo reto e nivelado.

Comparando-se os resultados obtidos na Figura V.17 (vôo nivelado) com os resultados

obtidos na Figura V.18 (auto-rotação), pode-se observar que com a falha do motor, a aeronave

138

é obrigada a iniciar o vôo de planeio adquirindo um ângulo de planeio diferente de zero, pois

não existe mais tração no rotor principal para manter o vôo nivelado resultando, então, em

perda de altura em relação ao solo. A comparação dos resultados deixa claro que com ângulo-

de-planeio igual a 30º, a potência requerida é menor que para o vôo nivelado. Isto ocorre, pois

a potência requerida deve ser suficiente apenas para manter uma razão-de-descida aceitável da

aeronave e não para manter o vôo nivelado da mesma. Novamente pode-se observar que com

um maior ângulo trajetória de vôo do rotor, em altas velocidades de planeio, o rotor passa a

extrair potência do escoamento, ou seja, trabalhando como um moinho (estado de molinete).

Para uma dada velocidade de planeio, fica claro que com o aumento do ângulo-de-

planeio, a velocidade de descida vertical da aeronave (razão-de-descida) também é maior,

porém a componente horizontal da velocidade de planeio é cada vez menor. Uma análise

idêntica à da Figura V.18 pode ser feita para a Figura V.19, neste caso, com o ângulo-de-

planeio aumentado para 60°. Para valores do ângulo de atitude do plano das pontas das pás

entre 0 e –20°, através da análise da Figura III.1, é possível observar que o aumento do

ângulo-de-planeio acarreta no aumento do ângulo-de-ataque do disco do rotor. Comparando-

se as situações para estes valores do ângulo de atitude do plano das pontas das pás

apresentadas na Figura V.19 com as mesmas situações apresentadas na Figura V.18, pode-se

observar que, com o aumento do ângulo-de-planeio de 30º para 60º, na região onde é

aplicável a teoria da quantidade-de-movimento, ou seja, VG/wh>2, para se manter uma dada

velocidade de planeio, o escoamento pelo rotor passa a extrair mais potência do ar quando

comparado ao menor ângulo-de-planeio. Isto ocorre devido ao maior arrasto parasita do rotor

provocado pelo aumento do ângulo-de-planeio. A situação representada na Figura V.18 é

mais favorável que a situação representada na Figura V.19 no qual o ângulo-de-planeio é

maior, pois se observa que quanto menor o ângulo-de-planeio, maior é a componente

horizontal da velocidade de planeio e menor é a razão-de-descida da aeronave, permitindo

139

uma maior distância de planeio, propiciando ao piloto da aeronave o tempo suficiente para

escolher um local seguro para realizar o pouso da aeronave.

É interessante observar no entanto que para os valores do ângulo de atitude do plano

das pontas das pás positivos (θFP = 10°, 20°) o comportamento da curva de potência em

termos da velocidade de planeio presente na Figura V.19 passa a se assemelhar ao que ocorre

para a condição de auto-rotação em vôo vertical (Figura V.13), já analisada.

Uma análise paramétrica é realizada nas Figuras V.20, V.21 e V.22 que mostram a

variação de potência em função do ângulo-de-planeio para diversos valores da velocidade de

planeio e para três situações distintas para o ângulo de atitude do plano das pontas das pás do

rotor, ou seja, θFP = -20º, θFP = 0º e θFP = 10º.

Figura V.20 - Análise paramétrica da variação de potência em relação ao ângulo de inclinação

de planeio da aeronave com ângulo de atitude do plano das pontas das pás do rotor θFP = -20.

VG/wh=0

-2.4 -2.2

-2

-1.8

-1.6

-1.4

-1

-1.2

-0.8 -0.6 -0.4 -0.2

Ps/P

h

Ângulo de Inclinação do Planeio (graus)

140

Figura V.21 - Análise paramétrica da variação de potência em relação ao ângulo de inclinação

de planeio da aeronave com ângulo de atitude do plano das pontas das pás do rotor θFP = 0º.

Figura V.22 - Análise paramétrica da variação de potência em relação ao ângulo de inclinação

de planeio da aeronave com ângulo de atitude do plano das pontas das pás do rotor θFP = 10º.

VG/wh=0

-2.4

-2.2

-2

-1.8

-1.6

-1.4

-1 -1.2

-0.8 -0.6 -0.4 -0.2

Ps/P

h

Ângulo de Inclinação do Planeio (graus)

VG/wh=0

-2.4

-2.2

-2

-1.8

-1.6

-1.4

-1

-1.2

-0.8 -0.6 -0.4 -0.2 P

s/Ph

Ângulo de Inclinação do Planeio (graus)

141

Pode-se observar com clareza nas três figuras, que para uma relação de velocidade de

planeio VG/wh>2, que representa uma situação onde o regime de auto-rotação já está

estabilizado, conforme o ângulo-de-planeio aumenta, maior é a potência que o rotor extrai do

ar a fim de manter o vôo da aeronave. Isto ocorre porque, quanto maior é o ângulo-de-planeio,

maior é a componente normal do peso da aeronave, e, portanto, maior deve ser a sustentação

gerada a fim de manter uma condição de equilíbrio segura de vôo para a aeronave

consumindo-se mais potência induzida para isso.

Para velocidades de planeio 2>hG wV , o rotor encontra-se operando no estado de

molinete e o que pode se observar, é que com o aumento do ângulo de planeio, o rotor extrai

cada vez mais potência do ar a fim de vencer o arrasto e gerar sustentação. Porém quanto

menor é o ângulo-de-planeio, menor é a componente normal do peso da aeronave, garantindo

desse modo uma menor razão-de-descida.

Nota-se também que em baixas velocidades de planeio 2≤hG wV , conforme se

aumenta o ângulo-de-planeio, a relação de potência é em sua maior parte positiva indicando

que o rotor não está extraindo potência do ar, pois tanto o vetor sustentação quanto a

velocidade angular estão se ajustando para uma condição de equilíbrio auto-rotativo. Além do

que, nessas condições, existem as presenças de recirculação e turbulência, típicas do estado de

anéis de vórtices. Uma comparação entre as três figuras permite avaliar as condições de

mudança do ângulo de atitude do plano das pontas das pás de θFP = -20º para θFP = 0º e

posteriormente para θFP = 10º. Pode-se observar que conforme o ângulo de atitude do plano

das pontas das pás aumenta, ou seja, passa de um valor negativo para um valor positivo, nota-

se que para um mesmo ângulo-de-planeio na região aplicável da teoria da quantidade-de-

movimento (VG/wh>2), tem-se uma pequena variação nos valores da relação de potência. Esta

variação é importante pois pode-se observar que conforme se aumenta o ângulo de atitude do

142

plano das pontas das pás, o rotor passa a extrair potência do escoamento antecipadamente,

permitindo desse modo, a obtenção de um regime de auto-rotação com maior rapidez.

Observando-se a região de estado de anéis de vórtices (VG/wh<2), pode-se observar

que com o aumento do ângulo-de-planeio, o rotor fornece inicialmente menos potência ao

escoamento, voltando essa a aumentar para grandes valores do ângulo-de-planeio. Este fato

pode ser creditado à presença de recirculação sobre o rotor que ocasiona um aumento na

velocidade induzida que por sua vez provoca a variação na relação de potência.

Na Figura V.23 tem-se uma comparação direta dos valores de variação de potência

com relação ao ângulo-de-planeio para duas condições distintas, onde, θFP =-10º e θFP =10º.

Figura V.23 – Comparação da análise paramétrica da variação de potência em relação ao

ângulo-de-planeio da aeronave com ângulo de atitude do plano das pontas das pás

θFP = -10º e θFP=10º.

VG/wh=0 -0.4

-0.8

-1.2

-1.6

-2.0

-2.4

θFP=10º θFP=-10º

Ps/P

h

Ângulo de Inclinação do Planeio (graus)

143

Nota-se, principalmente, que para ângulos-de-planeio compreendidos entre 0º e 60º, os

valores da potência são consideravelmente menores para θFP =10º que para θFP =-10º.

Novamente pode-se citar como causa o aumento do ângulo-de-ataque do rotor. É possível

observar também que quando γ =90º (descida vertical), os valores da relação de potência são

os mesmos tanto para θFP =10º, como para θFP =-10º. Isto ocorre, pois ao se observar as

Equações (III.29a) e (III.29b) nota-se que em descida auto-rotativa vertical os valores da

relação de potência não são influenciados nem pelo ângulo-de-planeio, nem pelo ângulo de

atitude do plano das pontas das pás do rotor.

V.4 – APRESENTAÇÃO DOS RESULTADOS PARA O ESTUDO DO

“DIAGRAMA ALTURA VERSUS VELOCIDADE”

Os resultados obtidos através da implementação numérica descrita no Capítulo IV são

apresentados e comparados com os de ensaio-em-vôo da Referência [29]. Para efeito de

estudos do comportamento do “diagrama altura versus velocidade”, algumas situações são

testadas, como por exemplo: variação de altitude, variação de peso, área equivalente de placa

plana e variação da inércia do rotor.

As Figuras V.24 e V.25 mostram os diagramas dimensionais e adimensionais,

respectivamente, para três helicópteros com características operacionais diferentes.

A finalidade principal da análise das Figuras V.24 e V.25 é mostrar que, independente

do tipo e configuração da aeronave (aeronave convencional), o “diagrama altura versus

velocidade” adimensional apresenta características semelhantes.

144

Figura V.24 – “Diagrama altura versus velocidade” em sua forma dimensional para os

helicópteros UH-60L, UH60A e BK117.

BK-117 UH-60L UH-60A

Velocidade de Vôo à Frente (knots)

Altu

ra (f

t)

145

Figura V.25 – “Diagrama altura versus velocidade” em sua forma adimensional para os

helicópteros UH-60L, UH60A e BK117.

Na Figura V.24 pode-se observar os diagramas em sua forma dimensional para os

helicópteros BK-117, UH-60L e UH 60A, traçados para uma condição de vôo ao nível do mar

considerando-se atmosfera padrão. Os três helicópteros apresentados possuem dois motores, o

que contribui para a redução da área de restrição imposta pelo “diagrama altura versus

velocidade”. As curvas são traçadas, porém, considerando-se um dos motores inoperantes, ou

seja, os diagramas são apresentados com a maior área de restrição operacional. Assim, pode-

se observar para o helicóptero BK-117 uma menor área de restrição em relação aos

helicópteros UH-60L e UH-60A. Esta redução da área de restrição é devido ao peso bruto do

helicóptero BK-117 ser bem menor que o peso bruto dos outros dois. O peso utilizado para o

helicóptero BK-117 é W=7000lb; para os helicópteros UH-60L e UH-60A o peso utilizado é

igual a W=20000lb. Portanto, pode-se notar que para uma mesma altitude, quanto mais leve é

a aeronave, menor é a área de restrição operacional da mesma.

BK-117 UH-60L UH-60A

Velocidade de Vôo à Frente Normalizada Adimensional

Altu

ra A

dim

ensi

onal

146

Embora o peso das aeronaves UH-60L e UH-60A sejam os mesmos, pode-se notar que

a área de restrição para o helicóptero UH-60A é maior que a área encontrada para o

helicóptero UH-60L. A explicação para este fato pode ser creditada à diferença de potência

fornecida pelo motor do helicóptero UH-60L (1940HP) em relação à potência fornecida pelo

helicóptero UH-60A (1560HP), gerando desse modo uma maior velocidade de ponta de pá

ΩR, envolvendo, em conseqüência, maior energia cinética de rotação. Esses valores podem

ser consultados no Apêndice A do presente trabalho, onde podem ser encontradas as

principais características operacionais e de projeto dos helicópteros envolvidos na análise.

Através da aplicação do modelo de adimensionalisação proposto no Capítulo III,

obtém-se a Figura V.25 que mostra o diagrama em sua forma adimensional para os três

helicópteros em questão. Nota-se que independente do tipo e configuração da aeronave

(aeronave convencional), o diagrama adimensional possui características semelhantes, ou

seja, as combinações de altura e velocidade de vôo à frente adimensional, são as mesmas para

qualquer tipo de helicóptero estudado. Portanto, pode-se concluir que durantes as fases

iniciais do projeto de um novo helicóptero, é possível iniciar a análise da área de restrição

imposta pelo “diagrama altura versus velocidade” a partir de um modelo adimensional como

o apresentado no Capítulo III do presente trabalho.

Nas Figuras V.26 e V.27 é realizada a mesma análise, porém com um único

helicóptero sendo testado para variações de peso e altitude de vôo. A aeronave testada possui

as características operacionais do helicóptero Bell 47G-5 A, chamado de helicóptero (a) na

Referência [29].

147

W=2850 lb nível do mar W=2415 lb nível do mar W=2415 lb h=5000 ft W=2415 lb h=10000 ft

Altu

ra (f

t)

Velocidade de Vôo à Frente (knots)

Figura V.26 – Diagrama dimensional para o helicóptero Bell 47G-5 A, apresentado como

helicóptero (a) na Referênc ia [29], considerando-se variações de peso e altitude.

Figura V.27 – Diagrama adimensional para o helicóptero Bell 47G-5 A, apresentado como

helicóptero (a) na Referência [29], considerando-se variações de peso e altitude.

W=2850 lb nível do mar W=2415 lb nível do mar W=2415 lb h=5000 ft W=2415 lb h=10000 ft

Velocidade de Vôo à Frente Normalizada Adimensional

Altu

ra A

dim

ensi

onal

148

A Figura V.26 mostra a influência da variação da altitude de vôo na área de restrição

imposta pelo “diagrama altura versus velocidade”, além da variação do peso da aeronave,

que foi previamente comentada na análise anterior. Pode-se observar que quanto maior a

altitude, maior é a área de restrição operacional, pois com o aumento da altitude tem-se uma

diminuição da densidade do ar e um conseqüente aumento da potência requerida para manter

o vôo da aeronave.

Através das equações propostas no Capítulo III do presente trabalho, pode-se observar

que todos os parâmetros de controle do “diagrama altura versus velocidade” são

influenciados de maneira negativa em relação ao aumento da altitude.

No caso da determinação de hlo, pode-se notar que com o aumento da altitude, tanto a

potência requerida Preq, como o coeficiente de tração CT aumentam, ocasionando desse modo

uma redução no valor de hlo dado pela Equação (III.52).

Para a determinação de Vcr, pode-se observar que um aumento da potência requerida

vem acompanhado de um aumento na ve locidade para mínima potência requerida em vôo à

frente Vmin , e, portanto, um conseqüente aumento na velocidade critica Vcr, como pode ser

observado na Equação (III.54), considerando-se a relação CL/σ constante.

Na determinação de hhi, o aumento de altitude também atua de maneira negativa, pois,

como pode ser observado na Equação (III.58), hhi é dependente de Vcr². Portanto, com o

aumento de Vcr, tem-se um substancial aumento no valor de hhi.

Pode-se, assim, observar que o aumento da altitude de vôo aumenta de maneira

significativa a área de restrição imposta pelo diagrama, restringindo a operação da aeronave a

baixas alturas do solo.

Na Figura V.27, observam-se as curvas apresentadas na Figura V.26 após a realização

do processo de adimensionalisação comentado anteriormente. Novamente é possível observar

149

a independência com relação a peso e altitude de vôo. O diagrama em sua forma adimensional

possui características semelhantes.

Portanto, conclui-se que um modelo adimensional genérico para qualquer tipo de

helicóptero convencional estudado, pode ser aplicado para predizer as características

dimensionais do “diagrama altura versus velocidade” através de um processo inverso de

dimensionalisação, como apresentado no Capítulo III do presente trabalho.

Com a finalidade de se validar o método proposto, as Figuras V.28a, V.28b e V.28c,

mostram os resultados do modelo semi-empírico proposto na Referência [29] e os obtidos a

partir das equações apresentadas na presente tese, considerando-se variação de altitude para

um mesmo peso bruto da aeronave.

Figura V.28a – Diagrama dimensional obtido na Referência [29] através da aplicação do

método semi-empírico considerando-se a variação de altitude.

Nível do mar 5000 ft 9000 ft

Altu

ra (f

t)

Velocidade de Vôo à Frente (knots)

150

Figura V.28b – Diagrama dimensional obtido na presente tese através da aplicação do método

analítico proposto considerando-se a variação de altitude.

Os parâmetros do helicóptero em questão podem ser encontrados na Tabela IV.6,

apresentada no Capítulo IV. As características propostas são semelhantes às do helicóptero

Aerospatiale AS350 B.

Na Figura V.28a, podem ser observados os resultados numéricos obtidos na

Referência [29] através da utilização do método semi-empírico proposto por Pegg para a

solução do problema, valendo-se de diversos gráficos obtidos através de ensaios em vôo. Na

Figura V.28b, são mostrados os resultados numéricos obtidos através da teoria proposta, que é

baseada no processo de dimensionalisação utilizando-se uma solução analítica para o

Nível do mar 5000 ft 9000 ft

Altu

ra (f

t)

Velocidade de Vôo à Frente (knots)

151

problema. Com o intuito de se comparar os resultados obtidos na Referência [29] com os

resultados obtidos no presente trabalho, a Figura V.28c mostra a sobreposição das Figuras

V.28a e V.28b, na qual é possível observar que os resultados são praticamente idênticos,

indicando que a teoria apresentada é válida e pode ser aplicada para qualquer configuração de

helicóptero convencional.

Figura V.28c – Comparação da teoria apresentada no presente trabalho com os resultados

obtidos através do método semi-empírico aplicado na Referência [29].

Comparando-se os resultados obtidos na Figura V.28c, é possível notar que o método

analítico proposto no Capítulo III pode ser aplicado, fornecendo resultados semelhantes aos

encontrados através da aplicação do método semi-empírico e mostrados na Referência [29].

Pegg [29] Nível do mar 5000 ft 9000 ft Tese Nível do mar 5000 ft 9000 ft

Altu

ra (f

t)

Velocidade de Vôo à Frente (knots)

152

Como citado em análise anterior, é possível notar que um aumento da altitude de vôo,

atua de maneira negativa no aspecto do “diagrama altura versus velocidade”. Na análise

realizada, o peso bruto da aeronave é mantido constante (W=3700lb), assim como as demais

características de caráter físico do projeto do rotor.

Na análise da Figura V.28c, pode-se notar que um aumento na altitude de vôo, do

nível do mar para 5000ft, acarreta em uma deformação no aspecto do diagrama. Nota-se que

os pontos de controle do diagrama não variam do mesmo modo, ou seja, cada um deles é

influenciado de modo diferente com relação à variação de altitude. Por exemplo, a velocidade

crítica Vcr passa de Vcr=23knots para Vcr=38knots, ao se variar a altitude de vôo do nível do

mar para 5000 ft, o que representa um aumento percentual de 65% em relação ao valor inicial.

A altura hhi passa de hhi=300ft para hhi=470ft, representando um aumento percentual de 56%

em relação ao valor inicial. Para a altura hlo, pode-se perceber que praticamente não existe

influência na variação de altitude, pois as diferenças encontradas são muito pequenas quando

comparados aos demais fatores de controle do diagrama. Quando a altitude passa de 5000ft

para 9000ft, pode-se observar que novamente os principais fatores que se alteram são Vcr e hhi.

Em termos percentuais, pode-se verificar que Vcr passa de Vcr=38knots para Vcr=48knots,

respectivamente, ou seja, um aumento equivalente a 26%. No caso da altura hhi, se tem uma

variação de hhi=470ft para hhi=630ft, um aumento equivalente a 34%. Portanto, pode-se

perceber que o “diagrama altura versus velocidade” não se deforma do mesmo modo em

relação aos parâmetros de controle do mesmo.

Na Figura V.29, tem-se a representação do diagrama dimensional para um helicóptero

semelhante ao Aerospatiale AS 350B considerando-se variação de peso da aeronave para uma

altitude equivalente ao nível do mar, atmosfera padrão e relação CL/σ constante. É possível

observar que para uma determinada altitude, a redução no peso da aeronave acarreta em uma

redução na área de restrição imposta pelo diagrama e o aumento em um aumento daquela.

153

Figura V.29– Representação do diagrama dimensional para o helicóptero da Referência [29]

considerando-se variação de peso da aeronave.

É importante observar que os parâmetros hlo, hhi, e Vcr não se comportam da mesma

maneira com relação à variação do peso, sendo alguns parâmetros mais sensíveis que outros

devido ao aumento ou diminuição do peso. Portanto, ao variar o peso da aeronave, o diagrama

não aumenta ou diminui de maneira proporcional; o que realmente ocorre é uma deformação

no aspecto da curva considerando-se que os parâmetros envolvidos se modificam de formas

distintas, como ocorre com a variação de altitude apresentada anteriormente.

Os resultados apresentados mostram que um aumento no peso da aeronave acarreta em

um aumento indesejável nos valores de hhi e de Vcr, sendo que uma diminuição no mesmo

Variação do peso 0.8W0 0.9W0 1.0W0 1.1W0 1.2W0

Altu

ra (f

t)

Velocidade de Vôo à Frente (knots)

154

possui um efeito benéfico principalmente com relação a uma significativa redução no valor de

Vcr.

Fisicamente fica claro que um aumento no peso da aeronave acarreta em um aumento

na potência requerida ocasionando em um aumento de Vmin, aumentando também o valor de

Vcr e hhi, que pode ser observado matematicamente nas Equações (III.54) e (III.58). Nota-se

também que o aumento da potência requerida representa uma diminuição no valor de hlo

demonstrado na Equação (III.52) embora pouco perceptível graficamente. Assim, um

aumento excessivo no peso da aeronave também é prejudicial à área de restrição do

“diagrama altura versus velocidade”.

Pode-se notar na Figura V.29 que uma redução em 10% no peso da aeronave, acarreta

em uma redução de 44% no valor de Vcr e uma redução de 24% no valor de hhi. Para uma

redução em 20% no peso da aeronave, tem-se uma redução de 79% no valor de Vcr e uma

redução de 30% no valor de hhi. Em uma situação real, é difícil no entanto, se reduzir o peso

da aeronave no intuito de diminuir a área de restrição operacional do diagrama, pois

fisicamente existe um limite de peso proporcionado pelos próprios componentes do

helicóptero. Portanto, a melhor situação possível para a redução da área de restrição imposta

pelo diagrama considerando-se a variação do peso, é a operação da aeronave sem carga e sem

passageiros, apenas o piloto operando o equipamento, pois assim, se teria o helicóptero mais

leve possível.

Até o presente ponto, foram estudados apenas fatores que contribuem de maneira

negativa para a área de restrição imposta pelo “diagrama altura versus velocidade”. A

redução na área de restrição imposta pelo diagrama, é algo que há muito tempo vêm se

buscando atingir. Um intuito do presente trabalho é propor uma solução que seja benéfica

para a redução da área de restrição imposta pelo diagrama. A partir desse ponto algumas

155

mudanças nos parâmetros operacionais do helicóptero em questão são testadas com a

finalidade de se tentar reduzir a área de restrição original.

Nas Figuras V.30 e V.31 são realizadas variações em alguns parâmetros de projeto do

rotor com o intuito de tentar reduzir a área de restrição imposta pelo “diagrama altura versus

velocidade”. São testados: aumento da inércia do rotor e variação da área equivalente de placa

plana do helicóptero.

Na Figura V.30, é testado o aumento da inércia do rotor, com a finalidade de se

observar os efeitos causados no aspecto do “diagrama altura versus velocidade”.

Figura V.30 – Representação do diagrama dimensional para o helicóptero da Referência [29]

considerando-se variação da inércia do rotor principal.

Variação da inércia 0.8IR 0.9IR 1.0IR 1.1IR 1.2IR

Altu

ra (f

t)

Velocidade de Vôo à Frente (knots)

156

A Figura V.31 mostra o diagrama dimensional para o helicóptero da Referência [29]

considerando-se variação da área equivalente de placa plana f .

Figura V.31 – Representação do diagrama dimensional para o helicóptero da Referência [29]

considerando-se variação da área equivalente de placa plana f.

Analisando-se a Figura V.30, pode-se notar que com a variação da inércia, o

parâmetro afetado é hlo, com hhi e Vcr permanecendo constantes, pois, como apresentado nas

Equações (III.54) e (III.58), a variação da inércia do rotor não provoca variações na

determinação de Vcr e hhi. Uma maneira de se tentar otimizar o valor de hlo pode ser a adição

de pequenos pesos nas pontas das pás do rotor, o que provoca aumento na inércia do rotor.

f=8 ft² f=10 ft² f=12 ft²

f=14 ft²

Altu

ra (f

t)

Velocidade de Vôo à Frente (knots)

157

Com um pequeno aumento na massa, consegue-se um maior valor de IR, contribuindo assim

para o aumento de hlo.

Nota-se, também que com o aumento da inércia, o valor do parâmetro hlo também

aumenta. Como visto anteriormente é desejável que se tenha o maior valor possível para o

parâmetro hlo, sempre respeitando os limites de resistência estrutural do trem de pouso. Isto

mostra que o aumento da inércia é uma das opções possíveis a fim de se otimizar hlo.

Observa-se na Figura V.30 que o aumento da inércia do rotor fornece um resultado

satisfatório com relação ao vôo pairado (aumento de cerca de 3m levando-se em conta o

domínio de inércia analisado), não oferecendo vantagens, no entanto, para os demais valores

de velocidade em vôo à frente.

Uma outra maneira para se tentar reduzir a área de restrição, é a variação da área

equivalente de placa plana, que pode variar desde 5ft² até 60ft² [33], dependendo do tipo e

configuração do helicóptero.

A partir da Equação (III.57), é possível se reduzir o valor da velocidade que minimiza

a potência requerida, porém nota-se que essa redução deve ser compensada por algum

parâmetro presente na própria equação. Considerando-se todos os parâmetros com um valor

constante, pode-se variar a área equivalente de placa plana e verificar qual a influência

provocada no valor de Vmin .

Através da análise da Figura V.31, pode-se observar que com o aumento no valor de f,

tem-se uma redução no valor de Vmin, e uma conseqüente redução no valor hhi, com hlo

permanecendo inalterado. Pode-se observar que a partir da configuração original onde f=8ft²,

é possível reduzir a área de restrição imposta pelo diagrama através do aumento da área

equivalente de placa plana, com o valor numérico variando de f=8ft² até f=14ft², representando

assim, um aumento na parcela referente ao arrasto parasita.

158

Quando se altera o valor de f de 8ft² para 14ft², pode-se observar que tanto o parâmetro

Vcr como hhi sofrem variações que reduzem a área de restrição imposta pelo diagrama.

Portanto, pode-se notar que uma escolha adequada do fator f, ao mesmo tempo é capaz de

reduzir Vcr e hhi, sendo desse modo uma possível solução para a redução da área de restrição

imposta pelo “diagrama altura versus velocidade” utilizando-se o modelo proposto no

presente trabalho. Porém, é importante comentar que o aumento de f produz aumento da

potência requerida parasita, comprometendo diretamente o desempenho e as qualidades do

vôo da aeronave na condição de vôo à frente.

Pode-se perceber a partir da análise realizada na Figura V.31, que a área de restrição

imposta pelo “diagrama altura versus velocidade” fica reduzida em relação à situação

original, porém, há que se lembrar que existe uma solução-de-compromisso entre a redução

da área de restrição imposta pelo diagrama e características operacionais da aeronave em

outras condições de vôo diferentes do regime de auto-rotação, comprometendo desse modo a

aplicação de modificações nos parâmetros testados no presente trabalho.

Matematicamente, a área de restrição imposta pelo diagrama pode ser reduzida a um

segmento de reta sobre o eixo vertical do mesmo se o valor de crV for fixado em zero. Assim,

a Equação (III.64) fornece a possibilidade matemática de que as restrições impostas sejam

aplicadas apenas ao vôo pairado.

No capítulo seguinte são apresentadas as conclusões obtidas durante a realização do

presente trabalho, bem como sugestões para trabalhos futuros.

159

CAPÍTULO VI

CONCLUSÕES E SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS

VI.1 – INTRODUÇÃO

A intenção de desenvolver como tese de mestrado esse tema deve-se à preocupação

em encontrar soluções aos problemas mais freqüentes no que diz respeito à segurança

operacional da aeronave, e, principalmente, de seus ocupantes, pois, como pôde ser observado

durante a pesquisa realizada, o regime de auto-rotação é uma característica particular de

helicópteros e autogiros que permite o pouso da aeronave mesmo após completa perda de

potência.

A partir dos resultados obtidos podem ser apresentadas algumas conclusões sobre o

procedimento que se deve ter quando em uma situação de emergência, visando a obter o

regime de auto-rotação. Também são deixadas algumas sugestões com a finalidade de se

continuar o estudo realizado no presente trabalho.

IV.2 – SOBRE A TRANSIÇÃO DO VÔO PAIRADO PARA A AUTO-

ROTAÇÃO EM DESCIDA VERTICAL

Métodos analíticos são utilizados para a análise da transição entre o vôo pairado e a

auto-rotação em descida vertical e algumas conclusões podem ser apontadas:

1 – Em uma situação de emergência, é desejável que a redução do ângulo-de-passo

seja realizada de maneira lenta e suave logo após se perceber a perda de potência.

2 – Como os valores inicial e final da velocidade induzida foram assumidos, a

variação da velocidade induzida praticamente não interfere nas variações da razão-de-descida

e velocidade angular do rotor quando se considera a teoria apresentada na presente tese.

160

3 – Quanto menor a inércia do rotor, mais rápida é a transição entre o vôo pairado e a

auto-rotação em descida vertical.

4 - O tempo médio para que ocorra a transição a partir do vôo pairado é em torno de

dez segundos, para as situações investigadas no presente estudo.

VI.3 – SOBRE O ESTUDO DA AUTO-ROTAÇÃO ESTÁVEL UTILIZANDO-

SE A TEORIA DA QUANTIDADE-DE-MOVIMENTO

A teoria da quantidade-de-movimeto apresentada neste trabalho modela o

comportamento específico de rotores de helicópteros monomotores em vôo descendente.

Como principais conclusões sobre esse estudo, pode-se citar:

1 – A descida vertical deve ser evitada sempre que possível, pois como estudado, na

condição de planeio se consegue uma menor razão-de-descida.

2 – Se não for possível evitar a descida vertical, o piloto da aeronave deve estar atento

às restrições de operação do “diagrama altura versus velocidade” e à mínima razão-de-

descida possível.

3 – Embora a operação no estado de anéis de vórtices não forneça uma situação física

definida para aplicação da teoria da quantidade-de-movimento, pôde-se constatar no presente

trabalho que os resultados numéricos encontrados não diferem significativamente dos

resultados encontrados nos ensaios realizados em túnel de vento.

4 – Os pilotos devem estar preparados para rápidas atitudes de comando durante a

descida.

5 – O vôo descendente deve ser limitado a pequenos ângulos-de-planeio e a

velocidade ao longo da rampa de planeio deve ser mantida elevada, preferencialmente maior

que duas vezes o valor da velocidade induzida.

161

6 - A auto-rotação em vôo à frente foi analisada e comparada com resultados

encontrados em ensaio de túnel de vento demonstrando boas aproximações com as razões-de-

descida obtidas a partir da teoria.

VI.4 – SOBRE O ESTUDO DO TRAÇADO DO “DIAGRAMA ALTURA

VERSUS VELOCIDADE”

Com relação ao estudo do “diagrama altura versus velocidade”, as seguintes

conclusões podem ser citadas:

1 - O diagrama adimensional apresentado independe do tipo e configuração da

aeronave e, portanto, possui um grande poder de generalização, podendo ser aplicado para

qualquer tipo de helicóptero de estrutura convencional.

2 - O diagrama adimensional apresentado foi obtido experimentalmente pela FAA,

utilizando-se pilotos de prova experientes, no qual os pontos encontrados representam o vôo

da aeronave na condição limite de segurança dos helicópteros testados. Daí conclui-se que os

diagramas dimensionais obtidos através do método apresentado por Pegg [29] são diagramas-

limites, que minimizam a área de restrição e que não são aplicados a pilotos menos

experientes. Portanto, esses diagramas devem ser utilizados somente com o intuito de projeto,

a fim de se comparar às diversas possibilidades de configuração da aeronave, mas não devem

ser utilizados para constar nos manuais de vôo das aeronaves, pois, nestes manuais os

diagramas encontrados devem ser aplicados mesmo aos pilotos menos experientes.

3 - A fim de minimizar a área de restrição imposta pelo “diagrama altura versus

velocidade” conclui-se que a melhor maneira de se otimizar o problema é através da

diminuição do valor de Vcr, pois, dessa forma, consegue-se, ao mesmo tempo, uma

aproximação da curva em direção ao eixo vertical e uma redução no valor de hhi, entretanto,

162

limitações de caráter físico ou tecnológico podem estar presentes dependendo da combinação

de parâmetros escolhidos para minimizar Vcr.

VI.5 – SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS

Não há dúvida que o estudo das características auto-rotacionais no desempenho de

helicópteros é de grande importância no contexto de uma operação segura da aeronave. O

trabalho aqui apresentado buscou tratar os principais problemas relacionados ao estudo da

auto-rotação, mas como pôde ser observado, o tema estudado possui uma série de parâmetros

envolvidos, e, somente com a sua continuidade poderão ser encontradas soluções mais

completas do que as aqui apresentadas.

Seguem algumas sugestões para continuidade do presente trabalho.

1 – Análise envolvendo aplicação do movimento de “flap” das pás e seus efeitos nos

valores da razão-de-descida da aeronave e da velocidade angular do rotor.

2 – Realização do estudo da transição entre o vôo com potência e a auto-rotação na

condição de planeio, pois no presente trabalho apenas realizou-se o estudo da transição na

condição de descida vertical.

3 – Utilização da teoria combinada (quantidade-de-movimento/elemento-de-pá), que

permite reduzir as restrições de caráter físico presentes na teoria da quantidade-de-

movimento, possibilitando a obtenção de resultados mais próximos da realidade.

4 – Aplicação de variações de solidez, corda da pá e número de pás com o intuito de se

reduzir a área de restrição imposta pelo “diagrama altura versus velocidade”.

163

APÊNDICE A

CONFIGURAÇÕES BÁSICAS DOS HELICÓPTEROS UTILIZADOS NO

PRESENTE TRABALHO

1 – AEROSPATIALE AS 350 B

Figura A.1 – Helicóptero AEROSPATIALE AS 350 B.

Tabela A.1 – Parâmetros técnicos do helicóptero AEROSPATIALE AS 350 B.

Pesos (kg) [lb] Motores Vazio 1051 [2317] Quantidade/Tipo 1 – Turbomeca

Arriel IB Peso máximo de

decolagem 1950 [4299] Potência disponível 441 kW - 591.4 Hp

Capacidade de combustível

405 [893]

Parâmetros do rotor Rotor principal Raio (m) [ft] R 5.345 [17.53]

Corda (m) [ft] c 0.3 [0.98] Solidez σ 0.0536

Número de pás b 3 Velocidade na ponta

da pá (m/s) [ft/s] ΩR 213 [698.8]

Alcance coletivo (graus)

θ -0.2 até 15

Momento de inércia polar

(kg m²) [slug ft²]

IR

995 [733.9]

164

2 – MBB/KAWASAKI BK 117

Figura A.2 – Helicóptero MBB/KAWASAKI BK117.

Tabela A.2 – Parâmetros técnicos do helicóptero MBB/KAWASAKI BK117.

Pesos (kg) [lb] Motores Vazio 1700 [3747] Quantidade/Tipo 2–Lycoming

LTS101-650B-1 Peso máximo de

decolagem 3200 [7054] Potência disponível 632 kW – 847.52Hp

Capacidade de combustível

478 [1053]

Parâmetros do rotor Rotor principal Raio (m) [ft] R 5.5 [18.04]

Corda (m) [ft] c 0.32 [1.04] Solidez σ 0.074

Número de pás b 4 Velocidade na ponta

da pá (m/s) [ft/s] ΩR 221 [725.06]

Alcance coletivo (graus)

θ -1.8 até 13.3

Momento de inércia polar

(kg m²) [slug ft²]

IR

1256 [926.4]

165

3 – SIKORSKY UH-60 A

Figura A.3 – Helicóptero SIKORSKY UH-60A.

Tabela A.3 – Parâmetros técnicos do helicóptero SIKORSKY UH-60A.

Pesos (kg) [lb] Motores Vazio 4944 [10901] Quantidade/Tipo 2 – General Electric

T700-GE-700 Peso máximo de

decolagem 9979 [22000] Potência disponível 1163 kW - 1560 Hp

Capacidade de combustível

1021 [2253]

Parâmetros do rotor Rotor principal Raio (m) [ft] R 8.17 [26.83]

Corda (m) [ft] c 0.52 [1.73] Solidez σ 0.082

Número de pás b 4 Velocidade na ponta

da pá (m/s) [ft/s] ΩR 221 [725]

Alcance coletivo (graus)

θ 9.9 até 25.9

Momento de inércia polar

(kg m²) [slug ft²]

IR

9572 [7060]

166

4 – SIKORSKY UH-60 L

Figura A.4 – Helicóptero SIKORSKY UH-60L.

Tabela A.4 – Parâmetros técnicos do helicóptero SIKORSKY UH-60L.

Pesos (kg) [lb] Motores Vazio 5443 [12000] Quantidade/Tipo 2 – General Electric

T701-GE-701C Peso máximo de

decolagem 10432 [23000] Potência disponível 1446 kW - 1940 Hp

Capacidade de combustível

1133 [2500]

Parâmetros do rotor Rotor principal Raio (m) [ft] R 8.17 [26.83]

Corda (m) [ft] c 0.52 [1.73] Solidez σ 0.082

Número de pás b 4 Velocidade na ponta

da pá (m/s) [ft/s] ΩR 274.9 [902]

Alcance coletivo (graus)

θ 9.9 até 25.9

Momento de inércia polar

(kg m²) [slug ft²]

IR

9572 [7060]

167

5 – BELL 47G-5 A

Figura A.5 – Helicóptero BELL 47G-5 A.

Tabela A.5 – Parâmetros técnicos do helicóptero BELL 47G-5 A.

Pesos (kg) [lb] Motores Vazio 786 [1732] Quantidade/Tipo 1 – Avco Lycoming

VO-435-B1A Peso máximo de

decolagem 1293 [2850] Potência disponível 193 kW - 260 Hp

Capacidade de combustível

-

Parâmetros do rotor Rotor principal Raio (m) [ft] R 5.66 [18.56]

Corda (m) [ft] c 0.3 [0.98] Solidez σ 0.03374

Número de pás b 2 Velocidade na ponta

da pá (m/s) [ft/s] ΩR 200 [656.2]

Alcance coletivo (graus)

θ 1.5 até 14.5

Momento de inércia polar

(kg m²) [slug ft²]

IR

750 [553.2]

168

APÊNDICE B

DEDUÇÃO DAS PRINCIPAIS EQUAÇÕES UTILIZADAS NO PRESENTE

TRABALHO

B.1 – DEDUÇÃO DAS EQUAÇÕES (III.4) E (III.5)

As Equações (III.4) 5 (III.5) podem ser deduzidas a partir do equilíbrio das forças

atuantes no helicóptero e a partir da determinação da tração e do torque no elemento de pá

como representado a seguir.

Para a condição de vôo auto-rotativo, pode-se aplicar a segunda lei de Newton para as

forças atuantes na aeronave, resultando em:

−=− VmWT . (B.1)

Sabe-se que:

gWm /= . (B.2)

Portanto:

WgT

gV −=•

. (B.3)

A contribuição da tração no elemento-de-pá para um rotor com b pás e raio r pode ser

representada por:

drRr

vVrRRabcdT D

+=Ω

θΩρ 22

21

. (B.4)

Integrando-se ao longo da envergadura da pá para o intervalo entre 0 ≤ r ≤ 1, obtém-

se:

+=RvV

RabcT D

ΩθΩρ

2321 32 . (B.5)

169

Substituindo-se a Equação (B.5) na Equação (B.3), chega-se a Equação (B.6) que na

presente tese é representada pela Equação (III.4):

+

−−=

•2

3

322ΩθΩρ

RuV

gW

bacRgV D . (B.6)

De maneira similar o elemento de torque é dado por:

drCrRbcRr

uVRr

uVrRabcrdDragdQ D

DD

+

+−== 0342342

21

21

ΩρΩΩ

θΩρ . (B.7)

Integrando-se ao longo da envergadura da pá tem-se:

+

+−= 04242

81

21

321

DDD CRbc

RuV

RuV

RabcQ ΩρΩΩ

θΩρ . (B.8)

Resolvendo-se a Equação (B.8) para Ω e derivando-se no tempo, chega-se a Equação

(B.9), que representa a Equação (III.5).

( ) ( ) ( )

++′−−

−−−−

−=

•2

2210212

22

1

4

432

22ΩθδθδδΩδθδδρΩ uV

Ra

uVR

aI

cRDD .(B.9)

B.2 – DEDUÇÃO DA EQUAÇÃO (III.10)

A partir das Equações (III.8) e (III.9), chega-se na Equação (III.10) através da seguinte

dedução:

Substituindo-se a Equação (III.8) na Equação (III.9), obtém-se:

+

++−=

•••2

00

3

3222t

ttt

tt uVV

tV

RgW

abcRgV ∆

∆∆∆

∆∆ Ω

θ∆Ωρ . (B.10)

Chamando-se os termos constantes de A, B, C e D obtém-se:

gW

abcRA

2

3ρ= , (B.11)

170

RB t

2∆Ω

= , (B.12)

2t

C∆

= , e (B.13)

2

3 ttD ∆

∆ Ωθ

= . (B.14)

Substituindo-se as Equações (B.11), (B.12), (B.13) e (B.14) na Equação (B.10),

obtém-se:

+

++−=

•••

DuVVCVBAgV ttt ∆∆∆ 00 . (B.15)

Resolvendo-se a Equação (B.15):

ADABuVABCVABCABVgV ttt −+−−−=•••

∆∆∆ 00 . (B.16)

Portanto,

ADABuVABCABVgABCV tt −+−−=+••

∆∆ 00)1( , (B.17)

)1(00

ABCADABuVABCABVg

V tt +

−+−−=

••

∆∆ . (B.18)

Assim, chega-se a Equação (B.19), que representa a Equação (III.10):

t

tt

tt

t

gWabcR

t

uVt

VRgW

bacRg

V

∆∆

∆∆

Ωρ∆

Ωθ∆Ωρ

81

32222

2

00

3

+

+

−+−

=

. (B.19)

171

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175

FOLHA DE REGISTRO DO DOCUMENTO

1. CLASSIFICAÇÃO/TIPO

TM

2. DATA

26 Setembro 2001

3. DOCUMENTO N° CTA/ITA-IEM/TM-009/2001

4. N° DE PÁGINAS 174

5. TÍTULO E SUBTÍTULO:

ESTUDO DO DESEMPENHO DE HELICÓPTEROS MONOMOTORES OPERANDO NO REGIME DE AUTO-ROTAÇÃO

6. AUTOR(ES):

LUIZ EDUARDO MIRANDA JOSÉ RODRIGUES

7. INSTITUIÇÃO(ÕES)/ÓRGÃO(S) INTERNO(S)/DIVISÃO(ÕES): Instituto Tecnológico de Aeronáutica. Divisão de Engenharia Mecânica-Aeronáutica – ITA/IEM

8. PALAVRAS-CHAVE SUGERIDAS PELO AUTOR:

AUTO-ROTAÇÃO, HELICÓPTEROS, DESEMPENHO, TEORIA DA QUANTIDADE DE MOVIMENTO, TEORIA DO ELEMENTO-DE-PÁ

9.PALAVRAS-CHAVE RESULTANTES DE INDEXAÇÃO:

Helicópteros; Desempenho de aeronaves; Auto-rotação; Asas rotativas; Aerodinâmica de rotores; Equações de movimento; Engenharia aeronáutica; Engenharia mecânica

10. APRESENTAÇÃO: X Nacional Internacional

ITA, São José dos Campos, 2001.

11. RESUMO:

Nesta pesquisa são estudados os efeitos provocados pela perda de potência líquida através do rotor de helicópteros monomotores ocasionando o regime de operação

conhecido como auto-rotação. São deduzidas as equações correspondentes desde o momento em que ocorre a perda de potência até quando o regime de auto-rotação já está

estabilizado. Para o estudo realizado, faz-se uso das teorias da quantidade-de-movimento e do elemento-de-pá. Também é apresentado um modelo semi-empírico para o traçado do “diagrama altura versus velocidade”. Nele estão demonstradas as regiões nas quais o vôo da aeronave fica restrito no caso da auto-rotação. Análises

qualitativa e quantitativa do estudo realizado são levadas a cabo por meio de comparações dos resultados obtidos neste trabalho com os obtidos por diversos autores

e disponíveis na literatura.

12. GRAU DE SIGILO:

(X ) OSTENSIVO ( ) RESERVADO ( ) CONFIDENCIAL ( ) SECRETO