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Falando de Helicópteros

Os Primeiros Helicópteros da Força Aérea Portuguesa

Noções Técnicas Básicas

Com os novos materiais disponíveis, uma boa dose de conhecimentos, estudo cuidadoso, carolice e maturidade, não é preciso ser um génio para construir e por a voar um pequeno avião de recreio. Depois de bem compensado estruturalmente, do hélice bem equilibrado e ajustado ao motor - o que hoje é perfeitamente acessível em qualquer oficina especializada no ramo -, a montagem das superfícies móveis de controlo de voo, embora requeira cuidados especiais, não ultrapassa os níveis de exigência técnica normais.
Num helicóptero tudo é diferente:
A sustentação é conseguida por rotores - grandes hélices horizontais - constituídos por asas rotativas, chamadas pás; os tirantes dos comandos de voo vão actuar em superfícies rotativas a grande velocidade - uma das primeiras dificuldades técnicas do helicóptero.
Pelas mesmas razões de proporcionalidade e estabilidade, grosso modo, o disco descrito pela rotação do rotor tem o diâmetro aproximado da envergadura das asas dum avião do mesmo porte. A área do disco e alar da asa são também aproximadas.
As pás principais do helicóptero são asas rotativas; rectangulares, de grande alongamento: Compridas e estreitas. Com uma espessura relativa média, as pás do helicóptero são bastante delgadas, por isso muito flexíveis, porém duma grande resistência.
Como exemplo, tenha-se em conta: Uma secção de um quilo na ponta da pá, exerce no eixo longitudinal da mesma uma força de tracção centrífuga de dez toneladas.
Numa das opções técnicas, a construção da pá do helicóptero, vista em corte, tem o aspecto dum favo de mel: Consiste de finas folhas de liga de alumínio do comprimento da pá, as quais, depois caneladas longitudinalmente em trapézio, apostas e coladas entre si e ao revestimento com rezinas e métodos especiais, apresentam a configuração descrita.
De modo geral, para as mesmas manobras de voo accionadas pelo manche no avião, no helicóptero são precisos dois: O manche cíclico, que o piloto actua com a mão direita nas manobras horizontais; o manche colectivo, para a mão esquerda, para subir ou descer.
A realidade, todavia, não é assim tão linear: O colectivo actua mais como o comando do passo do hélice nos aviões... Mas, por agora, fiquemos por aqui.

Componentes básicos do helicóptero:

a) Uma estrutura central, o corpo: Para instalar tripulantes e passageiros, os equipamentos;
b) Uma estrutura de cauda: Para equilíbrio e estabilidade do helicóptero;
c) Um ou mais motores, Para fornecerem a potência aos rotores;
d) Um rotor principal: Equivale as asas nos aviões; para sustentar o helicóptero no ar;
e) Um rotor de cauda: Anula o efeito torque do rotor principal, serve de leme de direcção.

Comandos de voo do rotor principal

O rotor principal é constituído pelas pás - duas ou mais - pelo cubo, onde aquelas se unem, por dispositivos de amortecimento, pelos comandos de voo.
Como já vimos, perceber a mecânica e o funcionamento dum leme na superfície fixa duma asa não é das coisas mais complicadas na técnica aeronáutica: Ao fim e ao cabo, um leme roda no bordo de fuga da asa como uma porta guarda-vento nas dobradiças. Para além dos superiores cuidados técnicos - como tudo em aviação - pouco mais tem de especial.
No helicóptero, os lemes são as próprias superfícies sustentadoras: As pás do rotor principal, mas a rodar a grande velocidade - um problema na aplicação dos comandos de voo.
Como também já se aflorou, deve entender-se a superfície descrita pelas pás do rotor como um disco a rodar sobre o helicóptero. O helicóptero manobra "pendurado" como um pêndulo no disco... conforme o disco inclina, assim o helicóptero altera a posição.
A dificuldade é inclinar o disco: Que, - principalmente por acção do efeito giroscópico, já nosso conhecido - não é tecnicamente praticável fazê-lo por inclinação do eixo.
Mas há uma solução: Fazendo variar o ângulo de incidência das pás num determinado sector do círculo descrito pelas pás, conforme se pretenda aumentar ou diminuir a sustentação nesse sector, para que o disco incline de acordo com a direcção pretendida.
Para seguir em frente, por exemplo: A pá de trás aumenta de incidência - a aumenta a sustentação atrás - o disco inclina para a frente.
Repare-se: Quando se diz "a pá atrás" quer dizer-se, "a pá que num instante (i) se encontra no ponto (p), no sector atrás, referido ao centro do disco e ao eixo do helicóptero".
As pás estão em constante movimento de rotação: De facto, a rodar a 360 rotações por minuto, a pá que se encontra atrás logo estará na posição diametralmente oposta, como qualquer das outras durante a rotação.
No exemplo referido, não é "uma das pás" que aumenta a incidência quando passa no ponto (p), é "a pá", que naquele instante passa naquele ponto.
A incidência da pá descreve uma linha sinuosa durante a rotação: É máxima em (p), diminui até ao ponto diametralmente oposto, volta a aumentar até atingir de novo o ponto (p).
Pronto. Já sabemos que as pás variam o ângulo de incidência, que a variação deste altera a sustentação na área descrita pelas pás, que esta diferença de sustentação provoca a inclinação do disco. Mas como?
Vejamos as imagens relativas a esta matéria:
O rotor principal não roda solto no ar. É fixado pelo cubo a um veio vertical: O mastro do rotor, por assim dizer o "eixo" que arrasta todo o conjunto; o acessório mais importante do helicóptero, que sustenta todos os esforços, no qual vão "pendurados" do equipamento mais leve ao passageiro ou tripulante mais corpolento.

Um conjunto de dois acessórios similares, o prato cíclico, por cima, e o colectivo, por baixo, atravessado perpendicularmente pelo mastro, fica situado entre o cubo do rotor e a caixa de transmissão principal. O prato cíclico, o superior, é solidário ao mastro. Roda com este à mesma velocidade; mas roda também acoplado no prato colectivo como o aro exterior do rolamento roda no interior. O prato colectivo, o inferior, é fixo, não roda; inclina numa rótula pela acção de três tirantes de comando que actuam, vertical e perifericamente a 60º entre si. Se são solidários, quando o prato colectivo inclina, o cíclico inclina também.
Um braço de torção na raiz da pá está ligado ao prato cíclico. Se este inclina, o tirante vai actuar no braço, a pá torce longitudinalmente, altera o ângulo de incidência.
A imagem correspondente é esclarecedora.

Comandos do rotor de cauda

Como exemplo fácil, um helicóptero comporta-se no ar como um berbequim: Tende a rodar em sentido contrário ao da "broca" se não o evitarem. De facto, vistas bem as coisas, um rotor ou um hélice têm o mesmo desempenho no ar que uma broca a perfurar a madeira.
No ar, não está lá ninguém para impedir o helicóptero de rodar sobre si mesmo.
Sem um sistema para contrariar esse efeito, o aparelho não pararia de rodar.
O rotor de cauda serve para isso mesmo: Contraria o efeito torque do rotor principal, ao mesmo tempo pode actuar como leme de direcção.
A complexidade dos comandos do rotor de cauda tem pouco a ver com a do rotor principal: Salvo nas dúvidas que pode sugerir o comprimento do veio e a fiabilidade dos seus apoios, da caixa de transmissão principal ao rotor de cauda, tanto o comando da rotação como o ângulo das pás não oferecem grandes dificuldades de compreensão.
Basicamente, o rotor de cauda funciona como um hélice de passo variável, colocado na cauda, perpendicular aos eixos longitudinal e vertical do helicóptero: Recebe movimento de rotação duma pequena caixa de transmissão; esta, por sua vez, da caixa de transmissão principal, por um veio do comprimento da cauda apoiado em chumaceiras.
Dependendo do tipo de helicóptero, o comando do ângulo das pás até à cauda pode ser feito por tirantes rígidos ou flexíveis. Um sistema de alavancas em (T) faz o resto: Conforme actua no ângulo de torção das pás, assim a acção do rotor aumenta ou diminui.

Caixa de transmissão principal

Salvo nos aviões mais antigos - e em muitos modernos de recreio - os hélices não rodam à mesma velocidade do veio motor: São accionados por engrenagens redutoras, com idêntica função à das caixas de velocidades dos automóveis - maximizar a potência.
De resto, sabendo dos fenómenos transónicos na alta velocidade, hélices de grande diâmetro não eram claramente uma boa opção técnica. No helicóptero, só com o rotor em movimento, sem considerar a velocidade de deslocação, as pontas das pás dum rotor principal com dez metros de diâmetro rodam a grande velocidade, na ordem dos 700 quilómetros por hora; em deslocação, para a pá lateral que avança, são mais 200 quilómetros por hora, próxima da máxima velocidade para uma boa eficiência.
O helicóptero descola na vertical, precisa de muita potência disponível, duma grande desmultiplicação. A caixa de transmissão principal tem essa função: Reduz a velocidade do motor ao rotor principal, aumenta a potência.
Mas não só: A caixa de transmissão principal está instalada sobre o helicóptero, um pouco atrás da cabina, na vertical do centro de gravidade.
É solidária de tal modo à estrutura principal que, se não for em serviço de manutenção, nem o acidente mais destrutivo consegue separá-la da estrutura a que está ligada.
Já falámos do mastro, o acessório que suporta todos os esforços. É, com efeito; mas a caixa de transmissão principal é que o suporta por sua vez e lhe dá movimento.
Uma das dúvidas do iniciado na técnica de aviação é a aparente fragilidade dos apoios do motor ao avião: Como é que quatro "simples" parafusos conseguem suportar um motor de milhares de quilos, "rebocar" um avião de várias toneladas pelo ar, "aguentar" manobras violentas, aterragens bruscas e missões de combate.
No helicóptero apenas um rolamento faz tudo isso. Veja na imagem o trabalho da caixa de transmissão principal: O sistema de desmultiplicação, as funções do rolamento.

Considerações gerais

a) A função da embraiagem:

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b) A roda livre

Se o motor dum avião - mesmo monomotor - pára em voo, o hélice pára também; contudo, numas "boas mãos", nada está definitivamente perdido: É sempre possível conseguir chegar ao chão com maior ou menor sucesso, com mais ou menos estragos.
O motor do helicóptero também pode parar em voo. Não é um drama; é mesmo mais seguro que a mesma avaria no avião. Mas o rotor principal não pode parar, isso seria trágico; não há nenhum procedimento que possa fazer face a uma emergência dessas.
Já falámos dos órgãos de sustentação do helicóptero; dos esforços a que são sujeitos o rotor principal, o mastro, também a caixa de transmissão principal. Mas se o rotor principal parasse de rodar ou simplesmente perdesse velocidade a uma paragem ou avaria do motor, de pouco valeriam as características de resistência daqueles órgãos.
O rotor principal, todavia, não pára de rodar à paragem do motor; basta para isso actuar a preceito nos comandos de voo. O sistema de transmissão do motor ao rotor principal passa por uma roda livre: Entre o motor e a caixa de transmissão principal no Alouette, dentro da própria caixa de transmissão principal nos helicópteros da Bell.
Funciona como qualquer roda livre: Da bicicleta ao ponto morto no automóvel.

c) A aterragem sem motor - Auto-rotação

Como foi dito, desde que haja uma clareira no chão onde caiba o rotor principal sem bater em lado nenhum, a paragem do motor do helicóptero em voo não é um drama. Nem é preciso grande experiência como piloto de helicóptero: Basta baixar o manche colectivo, controlar a velocidade de rotação do rotor principal com a de translação e o plano de descida. Se a "travagem" da descida ocorrer à altitude conveniente, a rotação do rotor principal chega perfeitamente para aterrar o helicóptero sem grandes maselas.
Como isso se consegue, já é mais difícil de explicar.
Mas isso é quando as coisas são postas assim, de caras, sem mais nem menos: Porque, se nos recordarmos que as pás do helicóptero mais não são afinal que asas rotativas, e do que foi dito sobre o comportamento do perfil em função da incidência, já não será assim tão difícil começar a descortinar algo de familiar.
Voltemos atrás, recordemos da aerodinâmica as forças que actuam no voo planado.
Vejamos: Em "auto-rotação", com o motor parado, embora com ângulos diferentes em função da linha de descida, as pás estão nos mínimos de incidência; como num moínho de vento, é o próprio escoamento do ar no bordo de fuga que impele a pá para a frente, que até lhe aumenta a velocidade de rotação se a linha de descida não for controlada.

d) Assimetrias

A respeito das limitações nas velocidades periféricas nos hélices e nos rotores, também já falámos da "pá que avança": No caso, a pá perpendicular ao eixo longitudinal, que roda no mesmo sentido da deslocação do helicóptero. Nos exemplos considerados é a pá da direita do helicóptero, que vista do lugar do piloto, roda da direita para a esquerda. Consideremos no nosso exemplo, num dado momento, as duas pás perpendiculares ao eixo longitudinal do helicóptero: A do lado direito, que "avança" no mesmo sentido da deslocação do helicóptero; a do lado esquerdo, que "recua" no sentido contrário.
Como também já vimos, se a velocidade periférica das pás for de 700 quilómetros, será, em voo, de 700 quilómetros mais a velocidade do helicóptero na pá que avança, a da direita, e de 700 quilómetros menos a velocidade do helicóptero na pá que recua, a da esquerda.
A diferença de velocidades entre as duas pás não é, todavia, localizada quando as pás se encontram diametralmente opostas na perpendicular ao eixo longitudinal do helicóptero: Seja qual for o ponto do disco varrido pelas pás, é sempre maior a velocidade de translação da pá que se encontra à direita do que a pá que se encontra do lado esquerdo.
Para mesma incidência, se aumenta a velocidade, aumenta a sustentação. Mas aumenta em toda a metade direita do disco do rotor em relação à metade da esquerda:
Com maior sustentação do lado direito, o rotor inclina para o lado oposto, o helicóptero tende a rodar no mesmo sentido, sobre si mesmo, em torno do seu eixo longitudinal.
Meia dúzia de graus de inclinação, numa haste vertical de 70 centímetros, é uma assimetria demasiado pequena para ser facilmente visível a olho nu na prática diária. No Alouette, por exemplo, nem o próprio piloto repara que o manche está inclinado para um dos lados. Assim que toma o lugar aos comandos, a sua tendência natural é centrar o manche entre os joelhos: Automaticamente está a compensar o prato cíclico; vai equilibrar as diferenças de sustentação dos dois lados do disco assim que o helicóptero levantar voo.
Em aeronáutica, a não ser que daí resulte também alguma performance, não são muito utilizados os arrebiques externos: Não é para embelezar que um avião tem as asas em diedro, o trém retráctil ou flutuadores em vez de rodas. De facto, também não é para enfeite que os helicópteros de maior dimensão têm o rotor de cauda acima do nível médio da fuselagem, no extremo superior do estabilizador vertical.
Vejamos a imagem dum helicóptero deste tipo; recordemos a função do rotor de cauda.
Neste caso, a força do rotor de cauda não actua directamente no eixo longitudinal do helicóptero: Actua numa "alavanca" perpendicular àquele - o estabilizador vertical - que força o helicóptero a rodar sobre si mesmo, em torno do eixo longitudinal.
Num helicóptero de pequenas dimensões bastam alguns graus de inclinação no manche para equilibrar as diferenças de sustentação lateral do rotor principal; num de maior porte isso não chega, é a disposição do rotor de cauda que passa a desempenhar essa função.

e) Servo-comandos

Os comandos de voo do aeroplano resumem-se a relativamente pequenas superfícies móveis nas asas ou nos estabilizadores. Em geral, mesmo em aviões de grande porte, até porque são accionados à distância por cabos flexíveis através roldanas, só raramente requerem grandes esforços físicos durante a pilotagem.
No helicóptero, os comandos de voo, são as próprias asas rotativas, as quais, só por si - como facilmente se deduz - muito mais "pesadas" que os lemes dos aviões.
E não podem ser accionados por tirantes flexíveis, por meio de roldanas. A redução do esforço feito no comando de voo até às mãos do piloto é quase inexistente.
Só por curiosidade: É tão "pesado" de pilotar um helicóptero com cerca duma tonelada, como um bombardeiro de mergulho com oito.
Além disso, o helicóptero é um "colibri", não é um "gavião": Precisa de outra mobilidade, de pousar aqui e ali; é para isso que serve. O helicóptero descola e aterra em espaços limitados, necessita de muito mais e contínuas compensações nos comandos.
E comandos "pesados", em voo horizontal, uma vez por outra, toleram-se; mas em sucessivas manobras, não seria a melhor das motivações para pilotos de helicóptero.
No Alouette III, é tal o esforço para controlar o helicóptero, que só com extrema precaução se pode desligar o servo-comando, mesmo assim só em voo de ensaio, em curtas e suaves manobras de dois ou três minutos; num helicóptero de maior porte, do tipo Puma ou Bell 212, nem vale a pena pensar em semelhante operação.
No fim de contas, o servo-comando no helicóptero, não é mais nem menos que a direcção assistida num carro. Com uma diferença: Com mais ou menos esforço, um carro pesado consegue-se conduzir... ou encosta à beira da estrada; o helicóptero anda no ar.
Embora elementar, o funcionamento do servo-comando é difícil de explicar... Não há palavras que possam substituir o esquema dum equipamento em operação.

O motor do helicóptero

Não é preciso ser entendido para saber que levantar um peso do chão na vertical não é mesma coisa que fazê-lo deslizar por um plano inclinado. Não sendo o único, terá sido este um dos problemas técnicos mais difíceis de superar no helicóptero: De facto, se por um avião no ar fazendo-o deslizar por uma pista já não é para qualquer teco-teco que fumega e fazê-lo sair da água não é para qualquer motor de trotineta, levantar do chão um aparelho na vertical com centenas de quilos, a coisa é mais complicada.
A dificuldade de compatibilizar o peso com a potência não é nova em aeronáutica. Nem é uma característica do helicóptero. Sendo desde sempre a "peça" mais pesada da aeronave, todavia a fundamental, o motor foi desde sempre o quebra cabeças. E o problema não era apenas fazer motores cada vez mais potentes... Era conseguir que o ganho da potência não fosse absorvida pelo aumento do peso. A eterna limitação em aeronáutica.
Aliás: O feito dos Irmãos Wright não foi o invento do avião em si; mas sim a descoberta de um motor ao mesmo tempo leve e leve e potente, capaz de fazer um aparelho voar.
Por outras palavras: Por maior potência que se conseguisse dum motor, não teria depois qualquer utilidade se o próprio avião nem sequer era capaz de o transportar.
Atingiu-se o Wasp Major, da Pratt and Whitney, de 28 cilindros em estrela quádrupla e 3.500 cavalos, já em pleno desenvolvimento do turbo-hélice, culminou-se com o R-3350-32W Turbo-Compounde, também de 3.500 cavalos, mas de 18 cilindros em estrela dupla. Ao que o autor sabe, de máxima performance em motores alternativos, ficou-se por aí.
Quando se trata de helicópteros, o problema da potência é bem mais complicado.
É que a utilidade do helicóptero não é a de operar em locais com pistas de aterragem, mas, pelo contrário, precisamente onde os outros meios aéreos não têm acesso.
Por princípio, o avião desloca-se mais ou menos na horizontal; manobra em função da velocidade. O helicóptero opera aos saltos, geralmente em distâncias muito mais curtas; nestas manobras a velocidade de translação tem pouca importância.
É evidente que isto envolve um esforço muito maior a qualquer máquina. Até no ser humano: Uma coisa é uma corrida em pista, a outra é uma prova em corta mato.
O motor do avião sofre um esforço mais ou menos contínuo, com eventuais solicitações de potência adicional. No helicóptero é o inverso: As solicitações de potência adicional são normais, as condições de voo horizontal é que são muito menos a sua função normal.
Na máquina humana é o coração que mais sofre as consequências do esforço físico; o coração do avião ou do helicóptero é o motor.
Como já se disse, um motor que satisfaça estas condições e apresente ao mesmo tempo uma boa relação de peso potência não é fácil de realizar.
A dificuldade funciona mais ou menos assim: Se aumenta a potência, consequentemente aumenta o peso e a dimensão do motor. Para um motor maior e mais pesado, a estrutura do aparelho tem de ser reforçada. O peso aumenta mais uma vez.
Terá compensado o acréscimo de potência?
Como também já se adiantou, o que de melhor se conseguiu de relação peso potência em motor alternativo, foi o turbo-compounde de dezoito cilindros em estrela dupla.
Mas só para avião. Porque, para além do duplo aumento de peso, o sobreaproveitamento deste motor é conseguido por turbocompressores de turbinas. E turbinas não ligam com acelerações nem aumentos de potência bruscos e continuamente repetidos.
O que de melhor se conseguiu em helicóptero com um motor clássico de pistão foi com um motor em estrela simples de nove cilindros.
Segundo os conhecimentos actuais do autor, terão sido os Sykorsky UH-19 e H-34 os dois modelos de helicóptero mais conseguidos com o tipo de motor descrito: O primeiro com um motor Wright GR - 1300 - 3; o segundo com motor Pratt Whitney R-985 NA-5.
Para quem percebe um pouco destas coisas, se alguém fala de relação peso potência, é o motor de jacto que salta para a berlinda. Entende-se. A diferença é abismal.
Compare-se: Um motor alternativo dos mais bem aproveitados, tem várias vezes o peso de um reactor com a mesma potência. Com 880 HP, o motor de Alouette III, nem 200 quilos pesa; o do H-19, para uma potência semelhante, pesava mais de uma tonelada.
Se isto é muito importante no ramo automóvel, no aeronáutico, onde o peso é um eterno Calcanhar de Aquiles, é fundamental. Então, com o advento da era do jacto, ficava por fim resolvido o problema do helicóptero. Pois é. Só que o motor de jacto não é pau para toda a obra. Também tem os seus quês: É um motor de turbina... E, como já se referiu, turbinas não combinam com acelerações rápidas nem com acréscimos bruscos de potência.
Para voar mais ou menos a direito, é do melhor. Sair dos 500 para os 1500 quilómetros por hora, faz-se gradualmente; saltar do "0" à potência máxima em meia dúzia de segundos, a conversa é outra. O motor de pistão responde bem a acelerações, mas não tem potência disponível; o motor de jacto tem-na, não pode é usá-la num golpe de acelerador.
O Modelo 47, da Bell, foi - e ainda é - um helicóptero de extraordinárias performances.
Tinha um motor alternativo, de seis cilindros opostos entre si na horizontal, que respondia na perfeição à particular versatilidade do helicóptero: Contudo, como se pode deduzir da imagem e das especificações, devido ao excessivo peso só do motor, a margem para carga, combustível e tripulantes nem chegava aos 400 quilos.
O Bell 47 é um bom exemplo da dificuldades encontradas até à segunda metade da década de cinquenta para conseguir uma boa performance com um motor clássico: Neste caso tinha resultado o compromisso... porém, a partir daqui, por cada mais meia dúzia de quilos, regressava-se ao dilema dos Irmãos Wright.
O motor turbo-hélice estava em desenvolvimento; até já equipava alguns aviões da época. A sua aplicação ao helicóptero foi resolvida pela Turbomeca, com o Artouste: Um pequeno motor turbo-hélice adaptado, que aliado a uma alta rotação permitia uma boa relação peso/potência, com oscilações diminutas de rotação nas variações de potência.
Mais coisa menos coisa, tanto o Artouste como o Alison, como qualquer outro motor de helicóptero, não difere muito dum turbo-hélice adaptado a uma função específica. Embora com uma só câmara de combustão, como qualquer motor de turbina, não deixa por isso de ter as três secções clássicas: A de compressão, a de combustão, a de turbinas.

O regulador de velocidade

Duas coisas que não combinam com acelerações bruscas, são grandes diâmetros e elevadas rotações. O helicóptero tem as duas: Rotores com grande diâmetro, motores muito rotativos. Para manter a velocidade do rotor, o motor tem de trabalhar a uma rotação constante.
Nos motores alternativos, às solicitações de potência respondem acelerações; nos motores de jacto é uma injecção adicional de combustível nas câmaras que repõe a potência.
O regulador é para isso mesmo: Se pela solicitação de mais potência as rotações tendem a baixar, o regulador ejecta mais combustível nas câmaras, se tendem a aumentar, estrangula o fluxo de combustível, as rotações decrescem às condições normais.

Aperte os cintos... Pode descolar