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Hélices de aviões.

Atualizado: 5 de jan.

História

Estima-se que a origem da hélice remonte aos tempos do Antigo Egito mas sabe-se que na Antiga China as hélices já eram usadas para propulsionar embarcações. No século III a.C. o filósofo grego Arquimedes desenvolveu o parafuso de Arquimedes com o objetivo de transportar água até à superfície e por volta de 1090 Cruzados Europeus encontraram moinhos de vento no médio oriente. Leonardo da Vinci desenhou planos para um helicóptero primitivo que fazia uso de uma hélice sólida, sem pás.

A primeira hélice montada num motor, foi instalada pelo engenheiro escocês James Watt em Birmingham na Inglaterra, que a usou no seu motor a vapor. A primeira hélice movida por um motor de combustão interna, foi instalada num pequeno barco (hoje conhecido como lancha) por Frederick William Lanchester também em Birmingham e foi testada em Oxford. No entanto a hélice só se tornou popular quando Isambard Kingdom Brunel decidiu aplica-la em vez de uma roda de água (paddle wheel em inglês) para mover o navio SS Great Britain.

A forma de aerofólio torcido nas hélices dos aviões modernos foi introduzida pelos irmãos Wright quando descobriram que o conhecimento que havia de hélices (sobretudo naval) era obtido por tentativa e erro e que ninguém sabia ao certo como funcionavam. Eles descobriram que uma hélice funciona como uma asa e usaram dados por eles conseguidos nas suas experiências com asas no túnel de vento. Também descobriram que o ângulo de ataque em relação ao movimento variava de ponto para ponto nas pás e portanto seria necessário introduzir nas pás da hélice uma curvatura, ou torção, ao longo da envergadura de cada pá. As suas pás de hélice originais são apenas menos 5% eficientes que as suas equivalentes atuais - cerca de um século depois.

Alberto Santos Dumont foi outro pioneiro, tendo projetado hélices antes dos irmãos Wright apesar de não serem tão eficientes. Ele aplicou o conhecimento adquirido de experiências com aeronaves para fazer uma hélice com veio de aço e pás de alumínio no seu biplanador 14 bis. Alguns dos seus projetos usam uma folha de alumínio dobrado como pás, criando um aerofólio. Estas tinham pouca curvatura e não tinham qualquer torção ao longo da envergadura, o que fez com que fossem menos eficientes que as dos irmãos Wright. Esta foi a primeira vez que o alumínio foi usado na construção de hélices.


Hélices de Aviões

Uma hélice bem projetada tem uma eficiência de cerca de 80% quando está a trabalhar no melhor regime. Há vários factores que contribuem para a eficiência de uma hélice como o ângulo de ataque das pás, ou o ângulo entre a direção da velocidade resultante do escoamento e a direção de rotação das pás. Um ângulo de ataque das pás pequeno tem um bom desempenho em relação à resistência mas gera pouco impulso enquanto que ângulos grandes têm o efeito contrário. O melhor ângulo de ataque das pás é quando estas atuam como pequenas asas, gerando mais sustentação do que resistência. As hélices são semelhantes em secção de perfil alar a asas de baixa resistência e como tal não são eficientes quando operam em ângulos de ataque que não o ótimo. São necessários sistemas de controlo para sincronizar com precisão o ângulo de ataque das pás com a velocidade de voo e com a velocidade do motor.


Passo da hélice & feathering

O objectivo de variar o ângulo da pá com uma hélice de passo variável, é manter um ângulo ótimo (maximizando o rácio de sustentação sobre resistência) nas pás da hélice enquanto a velocidade do avião varia. Este tipo de controle que era no início feito manualmente pelo piloto, passou a ser feito por sistemas automáticos que compensam o momento torsor provocado pela centrifugação nas pás com contrapesos numa mola e com as forças aerodinâmicas nas pás. Estes sistemas tinham a vantagem de serem simples e não necessitarem de controlo externo, mas era difícil associar um desempenho particular da hélice às condições do avião. Um avanço nesta tecnologia foi a criação da hélice a velocidade constante. Estas hélices permitiam ao piloto escolher uma velocidade angular para obter potência máxima no motor ou máxima eficiência, e um dispositivo de controlo (governor device em inglês) atuava em ciclo fechado para variar o ângulo da pá, mantendo as RPM (rotações por minuto) selecionadas pelo piloto. Na maioria dos aviões este sistema é hidráulico, com óleo do motor a atuar como fluido hidráulico. As hélices controladas eletricamente foram desenvolvidas durante a Segunda Guerra Mundial e foram usadas extensivamente em aviões militares.

Existem hélices de passo variável em que as pás podem ser rodadas paralelamente ao escoamento para reduzir a resistência e aumentar a distância a planar em caso de avaria do motor. Isto denomina-se "feathering" (terminologia inglesa - de "feather" ou pena, significa tornar o avião mais "leve" ou aerodinâmico, oferecendo menos resistência aerodinâmica de modo a poder planar a uma maior distância). As hélices com "feathering" foram desenvolvidas para caças militares antes da Segunda Guerra por estarem mais sujeitos a falhas e avarias nos combates, que os bombardeiros por exemplo, que tinham mais que um motor. No entanto as hélices com "feathering" atuais são apenas usadas em aviões com mais do que um motor com o objectivo de melhorar a velocidade mínima de controlo em ar do avião (Vmca). A maioria destes sistemas detectam uma queda na pressão do óleo e movem as hélices para a posição em feather, tendo o piloto que puxar o controlo das hélices para trás de modo a desativar os pinos de paragem de ângulo elevado antes de o motor parar. Os sistemas de controlo dos turbopropulsores possuem um sensor de torque negativo nas engrenagens que move as pás para a posição em feather quando o motor deixa de fornecer potência às hélices. Dependendo do design, o piloto pode ter que accionar um interruptor para anular os pinos de paragem e completar o processo de "feathering", noutros casos o processo pode ser totalmente automático.

Nalguns aviões (por exemplo, o C-130 Hercules), o piloto pode cancelar manualmente o mecanismo de velocidade constante para inverter o ângulo de ataque das pás manualmente, dando impulso no sentido oposto ao original. Isto é usado para desacelerar o avião após a aterragem para evitar o desgaste de travões e pneus e alguns casos o avião pode mesmo andar de marcha-a-trás na pista.

Obs.: o processo de "feathering" é conhecido no jargão aeronáutico em português como "embandeiramento".


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