A hélice da aeronave consiste em duas ou mais lâminas e um cubo central ao qual as lâminas estão presas. Cada lâmina de uma hélice de aeronave é essencialmente uma asa rotativa. Como resultado de sua construção, as pás da hélice são como aerofólios e produzem forças que criam o impulso para puxar ou empurrar a aeronave pelo ar. O motor fornece a potência necessária para girar as pás da hélice pelo ar em altas velocidades, e a hélice transforma a potência rotativa do motor em impulso para frente.

Uma seção transversal de uma lâmina de hélice típica é mostrada em

Comparável a uma seção transversal de uma asa de aeronave. Uma superfície da lâmina é curvada ou curvada, semelhante à superfície superior de uma asa de aeronave, enquanto a outra superfície é plana como a superfície inferior de uma asa. A linha de corda é uma linha imaginária desenhada através da lâmina, desde a borda de ataque até a borda de fuga. Como em uma asa, a borda de ataque é a borda espessa da lâmina que encontra o ar enquanto a hélice gira.

O ângulo da lâmina, geralmente medido em graus, é o ângulo entre a corda da lâmina e o plano de rotação e é medido em um ponto específico ao longo do comprimento da lâmina. [Figure 4-36] Como a maioria das hélices tem uma “face” de lâmina plana, a linha de corda geralmente é desenhada ao longo da face da lâmina da hélice. O passo não é o ângulo da lâmina, mas porque o passo é amplamente determinado pelo ângulo da lâmina, os dois termos são frequentemente usados de forma intercambiável. Um aumento ou diminuição em um geralmente está associado a um aumento ou diminuição do outro.

O passo de uma hélice pode ser designado em polegadas. Uma hélice designada como “74-48” teria 74 polegadas de comprimento e um passo efetivo de 48 polegadas. O passo é a distância em polegadas, que a hélice aparafusando no ar em uma revolução se não houvesse deslizamento.

Ao especificar uma hélice de passo fixo para um novo tipo de aeronave, o fabricante geralmente seleciona uma com um passo que opera com eficiência na velocidade de cruzeiro esperada da aeronave. Cada hélice de passo fixo deve ser um compromisso, pois pode ser eficiente apenas em uma determinada combinação de velocidade no ar e rotações por minuto (RPM). Os pilotos não podem alterar essa combinação em voo.

Quando a aeronave está em repouso no solo com o motor operando ou movendo-se lentamente no início da decolagem, a eficiência da hélice é muito baixa porque a hélice é impedida de avançar com velocidade suficiente para permitir que suas lâminas de passo fixo alcancem sua eficiência total. Nessa situação, cada lâmina de hélice gira pelo ar em um AOA que produz um impulso relativamente pequeno para a quantidade de energia necessária para girá-la.

Para entender a ação de uma hélice, considere primeiro seu movimento, que é tanto rotativo quanto para frente. Conforme mostrado pelos vetores das forças da hélice na Figura 4-36, cada seção de uma lâmina de hélice se move para baixo e para frente. O ângulo em que este ar (vento relativo) atinge a lâmina da hélice é seu AOA. A deflexão do ar produzida por este ângulo faz com que a pressão dinâmica no lado do motor da lâmina da hélice seja maior que a pressão atmosférica, criando assim um impulso.

A forma da lâmina também cria um impulso porque é curvada como a forma de aerofólio de uma asa. À medida que o ar passa pela hélice, a pressão de um lado é menor do que no outro. Como em uma asa, uma força de reação é produzida na direção da pressão menor. O fluxo de ar sobre a asa tem menos pressão e a força (elevação) é para cima. No caso da hélice, que é montada em um plano vertical em vez de horizontal, a área de pressão diminuída está na frente da hélice e a força (empuxo) está na direção dianteira. Aerodinamicamente, o impulso é o resultado da forma da hélice e do AOA da lâmina.

O impulso também pode ser considerado em termos da massa de ar manuseada pela hélice. Nesses termos, o impulso é igual a massa de ar manuseado multiplicado pela velocidade do slipstream menos a velocidade da aeronave. A potência gasta na produção de empuxo depende da taxa de movimento da massa de ar. Em média, o impulso constitui aproximadamente 80% do torque (potência total absorvida pela hélice). Os outros 20 por cento são perdidos em atrito e deslizamento. Para qualquer velocidade de rotação, a potência absorvida pela hélice equilibra a potência fornecida pelo motor. Para qualquer revolução única da hélice, a quantidade de ar manuseada depende do ângulo da lâmina, o que determina o tamanho da “picada” de ar da hélice. Assim, o ângulo da lâmina é um excelente meio de ajustar a carga na hélice para controlar a rotação do motor.

O ângulo da lâmina também é um excelente método para ajustar o AOA da hélice. Em hélices de velocidade constante, o ângulo da lâmina deve ser ajustado para fornecer o AOA mais eficiente em todas as velocidades do motor e da aeronave. As curvas de elevação versus arrasto, que são desenhadas para hélices, bem como asas, indicam que o AOA mais eficiente é pequeno, variando de +2° a +4°. O ângulo real da lâmina necessário para manter este pequeno AOA varia com a velocidade de avanço da aeronave.

As hélices de passo fixo e ajustável ao solo são projetadas para melhor eficiência em uma rotação e velocidade para frente. Eles são projetados para uma determinada combinação de aeronaves e motores. Pode ser usada uma hélice que fornece a máxima eficiência para decolar, subir, cruzar ou voar em alta velocidade. Qualquer mudança nessas condições resulta em diminuir a eficiência da hélice e do motor. Uma vez que a eficiência de qualquer máquina é a razão entre a saída de potência útil e a entrada de energia real, a eficiência da hélice é a razão entre a potência de empuxo e a potência do freio. A eficiência da hélice varia de 50 a 87 por cento, dependendo de quanto a hélice “escorrega”.

O deslizamento da hélice é a diferença entre o passo geométrico da hélice e seu passo efetivo. [Figure 4-37] O passo geométrico é a distância teórica que uma hélice deve avançar em uma revolução; O passo eficaz é a distância que ele realmente avança. Assim, o pitch geométrico ou teórico é baseado em nenhuma derrapagem, mas o passo real ou eficaz inclui o deslizamento da hélice no ar.

A razão pela qual uma hélice é “torcida” é que as partes externas das pás da hélice, como todas as coisas que giram em torno de um ponto central, viajam mais rápido do que as partes próximas ao cubo. [Figure 4-38] Se as lâminas tivessem o mesmo passo geométrico em seus comprimentos, partes próximas ao cubo poderiam ter AOAs negativos, enquanto as pontas da hélice ficariam paradas na velocidade do cruzeiro. Torção ou variações no passo geométrico das lâminas permitem que a hélice funcione com um AOA relativamente constante ao longo de seu comprimento durante o voo de cruzeiro. As lâminas da hélice são torcidas para alterar o ângulo da lâmina em proporção às diferenças na velocidade de rotação ao longo do comprimento da hélice, mantendo o impulso mais equalizado ao longo desse comprimento.

Normalmente, 1° a 4° fornece a relação de elevação/arrasto mais eficiente, mas em vôo a hélice AOA de uma hélice de passo fixo varia – normalmente de 0° a 15°. Essa variação é causada por mudanças na corrente de ar relativa, que por sua vez resulta de mudanças na velocidade da aeronave. Assim, a hélice AOA é o produto de dois movimentos: rotação da hélice em torno de seu eixo e seu movimento para frente.

Uma hélice de velocidade constante mantém automaticamente o ângulo da lâmina ajustado para máxima eficiência para a maioria das condições encontradas em vôo. Durante a decolagem, quando são necessárias potências e impulsos máximos, a hélice de velocidade constante está em um baixo ângulo ou inclinação da lâmina da hélice. O baixo ângulo da lâmina mantém o AOA pequeno e eficiente em relação ao vento relativo. Ao mesmo tempo, permite que a hélice manuseie uma massa menor de ar por revolução. Essa carga leve permite que o motor gire em altas rotações e converta a quantidade máxima de combustível em energia térmica em um determinado tempo. A alta RPM também cria o impulso máximo porque, embora a massa de ar manuseada por revolução seja pequena, a rotação de rpm e o fluxo de deslizamento são altas e, com a baixa velocidade da aeronave, há um empuxo máximo.

Após a decolagem, à medida que a velocidade da aeronave aumenta, a hélice de velocidade constante muda automaticamente para um ângulo mais alto (ou passo). Novamente, o ângulo de lâmina mais alto mantém o AOA pequeno e eficiente em relação ao vento relativo. O ângulo mais alto da lâmina aumenta a massa de ar manuseada por revolução. Isso diminui o RPM do motor, reduzindo o consumo de combustível e o desgaste do motor, e mantém o impulso no máximo.

Depois que a subida de decolagem é estabelecida em uma aeronave com uma hélice de passo controlável, o piloto reduz a potência do motor para subir a potência, primeiro diminuindo a pressão do coletor e, em seguida, aumentando o ângulo da lâmina para diminuir a rotação.

Na altitude de cruzeiro, quando a aeronave está em vôo nivelado e é necessária menos potência do que na decolagem ou subida, o piloto reduz novamente a potência do motor, reduzindo a pressão do coletor e, em seguida, aumentando o ângulo da lâmina para diminuir o RPM. Novamente, isso fornece um requisito de torque para corresponder à potência reduzida do motor. Embora a massa de ar manuseada por revolução seja maior, ela é mais do que compensada por uma diminuição na velocidade do slipstream e no aumento da velocidade no ar. O AOA ainda é pequeno porque o ângulo da lâmina foi aumentado com o aumento da velocidade do ar.

4.8.1 Torque e fator P #

Para o piloto, o “torque” (a tendência de giro à esquerda do avião) é composto por quatro elementos que causam ou produzem um movimento de torção ou rotação em torno de pelo menos um dos três eixos. Esses quatro elementos são: reação de torque do motor e da hélice, efeito de saca-rolhas da corrente de deslizamento, ação giroscópica da hélice e carregamento assimétrico da hélice (fator p).

4.8.2 Reação do torque #

A reação de torque envolve a terceira lei da física de Newton — para cada ação, há uma reação igual e oposta. Conforme aplicado à aeronave, isso significa que, à medida que as peças internas do motor e a hélice giram em uma direção, uma força igual está tentando girar a aeronave na direção oposta. [Figure 4-39]

Quando a aeronave está no ar, essa força está atuando em torno do eixo longitudinal, tendendo a fazer a aeronave rolar. Para compensar a tendência do rolo, algumas das aeronaves mais antigas são manipuladas de forma a criar mais sustentação na asa que está sendo forçada para baixo. As aeronaves mais modernas são projetadas com o deslocamento do motor para neutralizar esse efeito de torque.

Nota: a maioria dos motores de aeronaves construídas nos Estados Unidos giram a hélice no sentido horário, conforme visto do assento do piloto. A discussão aqui é com referência a esses motores.

Geralmente, os fatores de compensação são definidos permanentemente para compensar essa força em velocidade de cruzeiro, pois a maioria das aeronaves que operam em sustentação está nessa velocidade. No entanto, as guias de guarnição de aileron permitem ajustes adicionais para outras velocidades.

Quando as rodas das aeronaves estão no solo durante o rolamento de decolagem, um momento de giro adicional em torno do eixo vertical é induzido pela reação do torque. Como o lado esquerdo da aeronave está sendo forçado a descer pela reação de torque, mais peso está sendo colocado no trem de pouso principal esquerdo. Isso resulta em mais atrito no solo, ou arrasto, no pneu esquerdo do que à direita, causando um novo momento de giro para a esquerda. A magnitude desse momento depende de muitas variáveis. Algumas dessas variáveis são: tamanho e potência do motor, tamanho da hélice e RPM, tamanho da aeronave e condição da superfície do solo.

Este momento de guinada na rolagem de decolagem é corrigido pelo uso adequado do piloto do leme ou guarnição do leme.

4.8.3 Efeito de saca-rolhas #

A rotação de alta velocidade de uma hélice de aeronave dá um saca-rolhas ou uma rotação em espiral para o slipstream. Em altas velocidades de hélice e baixa velocidade para frente (como nas decolagens e abordagens para paradas de inicialização), essa rotação em espiral é muito compacta e exerce uma força lateral forte na superfície da cauda vertical da aeronave. [Figure 4-40]

Quando este fluxo de deslizamento em espiral atinge a aleta vertical, causa um momento de giro no eixo vertical da aeronave. Quanto mais compacta a espiral, mais proeminente é essa força. À medida que a velocidade de avanço aumenta, no entanto, a espiral se alonga e se torna menos eficaz. O fluxo de saca-rolhas da corrente deslizante também causa um momento de rolamento ao redor do eixo longitudinal.

Observe que esse momento de rolamento causado pelo fluxo de saca-rolhas do fluxo de deslizamento é para a direita, enquanto o momento de rolamento causado pela reação do torque é para a esquerda – na verdade um pode estar contrariando o outro. No entanto, essas forças variam muito e é responsabilidade do piloto aplicar a ação corretiva adequada pelo uso dos controles de vôo o tempo todo. Essas forças devem ser neutralizadas, independentemente de qual seja a mais proeminente na época.

4.8.4 Ação giroscópica #

Antes que os efeitos giroscópicos da hélice possam ser entendidos, é necessário entender o princípio básico de um giroscópio. Todas as aplicações práticas do giroscópio são baseadas em duas propriedades fundamentais da ação giroscópica: rigidez no espaço e precessão. O de interesse desta discussão é a precessão.

A precessão é a ação ou deflexão resultante de um rotor giratório quando uma força desviada é aplicada ao seu aro. Como pode ser visto na Figura 4-41, quando uma força é aplicada, a força resultante entra em vigor 90° à frente e na direção de rotação.

A hélice rotativa de um avião faz um giroscópio muito bom e, portanto, possui propriedades semelhantes. Sempre que uma força é aplicada para desviar a hélice de seu plano de rotação, a força resultante está 90° à frente e na direção de rotação e na direção da aplicação, causando um momento de inclinação, um momento de guinada ou uma combinação dos dois, dependendo do ponto em que a força foi aplicada.

Este elemento de efeito de torque sempre foi associado e considerado mais proeminente em aeronaves do tipo roda de cauda, e geralmente ocorre quando a cauda está sendo levantada durante o rolo de decolagem. [Figure 4-42] Essa mudança na atitude do passo tem o mesmo efeito de aplicar uma força no topo do plano de rotação das hélices. A força resultante que atua 90° à frente causa um momento de guinada para a esquerda em torno do eixo vertical. A magnitude desse momento depende de várias variáveis, uma das quais é a abruptatividade com que a cauda é elevada (quantidade de força aplicada). No entanto, a precessão, ou ação giroscópica, ocorre quando uma força é aplicada a qualquer ponto na borda do plano de rotação das hélices; A força resultante ainda será de 90° do ponto de aplicação na direção de rotação. Dependendo de onde a força é aplicada, o avião deve voar para a esquerda ou para a direita, para cima ou para baixo, ou uma combinação de pitching e guinada.

Pode-se dizer que, como resultado da ação giroscópica, qualquer guinada ao redor do eixo vertical resulta em um momento de inclinação, e qualquer inclinação ao redor do eixo lateral resulta em um momento de guinada. Para corrigir o efeito da ação giroscópica, é necessário que o piloto use adequadamente o elevador e o leme para evitar o arremesso indesejado e o guinada.

4.8.5 Carregamento Assimétrico (Fator P) #

Quando uma aeronave está voando com um alto AoA, a “mordida” da lâmina móvel descendente é maior do que a “mordida” da lâmina em movimento para cima. Isso move o centro do impulso para a direita da área do disco da hélice, causando um momento de guinada para a esquerda em torno do eixo vertical. Para provar que essa explicação é complexa, porque seria necessário trabalhar os problemas do vetor de vento em cada lâmina, considerando tanto o AOA da aeronave quanto o AOA de cada lâmina.

Esse carregamento assimétrico é causado pela velocidade resultante, que é gerada pela combinação da velocidade da lâmina da hélice em seu plano de rotação e da velocidade do ar que passa horizontalmente pelo disco da hélice. Com a aeronave sendo pilotada em AOAs positivos, a direita (vista de trás) ou lâmina descendente, passa por uma área de velocidade resultante que é maior do que a que afeta a lâmina esquerda ou ascendente. Como a lâmina da hélice é um aerofólio, o aumento da velocidade significa um aumento de sustentação. A lâmina downswing tem mais sustentação e tende a puxar (guia) o nariz da aeronave para a esquerda.

Quando a aeronave está voando em um AOA alto, a lâmina em movimento descendente tem uma velocidade resultante mais alta, criando mais sustentação do que a lâmina em movimento para cima. [Figure 4-43] Isso pode ser mais fácil de visualizar se o eixo da hélice foi montado perpendicularmente ao solo (como um helicóptero). Se não houvesse movimento de ar, exceto aquele gerado pelo

A própria hélice, seções idênticas de cada lâmina teriam a mesma velocidade do ar. Com o ar se movendo horizontalmente sobre essa hélice montada verticalmente, a lâmina avançando para o fluxo de ar tem uma velocidade maior do que a lâmina recuando com o fluxo de ar. Assim, a lâmina prosseguindo para o fluxo de ar horizontal está criando mais sustentação, ou impulso, movendo o centro do impulso em direção a essa lâmina. Visualize girar o eixo da hélice montado verticalmente em ângulos mais rasos em relação ao ar em movimento (como em uma aeronave). Esse impulso desequilibrado torna-se proporcionalmente menor e continua diminuindo até atingir o valor de zero quando o eixo da hélice é exatamente horizontal em relação ao ar em movimento.

Os efeitos de cada um desses quatro elementos de torque variam em valor com as mudanças nas situações de voo. Em uma fase de vôo, um desses elementos pode ser mais proeminente que outro. Em outra fase de vôo, outro elemento pode ser mais proeminente. A relação desses valores varia com as diferentes aeronaves, dependendo da estrutura da aeronave, do motor e das combinações de hélice, bem como de outros recursos de design. Para manter o controle positivo da aeronave em todas as condições de vôo, o piloto deve aplicar os controles de voo conforme necessário para compensar esses valores variados.