Helicóptero: O vôo do desequilíbrio

Fátima Cardoso e Cláudio Lucchesi

Tão comum quanto ver um pássaro no céu é observar um helicóptero voando. Mais difícil é entender as complicadas forças que fazem o aparelho sair do chão e seguir estável. Parece um jogo de empurra, em que uma peça em movimento ora faz o helicóptero girar para o lado, ora o pende para baixo, ora o desestabiliza em alta velocidade — no fim das contas, ele voa. E o faz com uma agilidade ímpar, a ponto de ter se tornado uma arma de guerra única, capaz de invadir as linhas inimigas e chegar aonde tropas ou esquadrilhas de aviões não conseguem ir. Essas virtudes do helicóptero, que nenhum avião pode igualar — como a maneabilidade e a capacidade de parar docilmente no ar —, são exploradas em laboratório pela indústria de guerra, criando tecnologia depois passada ao uso civil. Ao mesmo tempo em que procura explorar o potencial do aparelho, a pesquisa tenta resolver as contradições de seu vôo, mais complexo conforme a velocidade aumenta. Como as asas de um avião, as pás do rotor de um helicóptero (a hélice que fica na parte de cima) têm perfil aerodinâmico, com um lado curvo, o bordo de ataque ao ar, e outro afilado, o bordo de fuga. O ar passa mais rápido por cima da pá do que por baixo, criando assim uma força de sustentação que mantém a aeronave no ar. Mas, quando se acionam as turbinas de um avião, ele se move para a frente. No helicóptero, chamado de avião de asas rotativas, o resultado é diferente. Quando a força das turbinas aciona o rotor principal, a potência aplicada em seu eixo causa automaticamente uma força de rotação da fuselagem da aeronave no sentido oposto — é a força de torque. Para anulá-la, o helicóptero precisa de um rotor auxiliar na cauda, que cria uma força igual à de torque para o lado, mas em sentido contrário. Alterando a força desse rotor antitorque, o piloto pode girar o corpo da aeronave sobre seu eixo com controle.

Em movimento, as pás do rotor principal sofrem dois tipos principais de forças. A primeira é chamada de batimento e faz com que as pontas das pás virem para cima. Existem várias soluções para compensar este movimento, como articulações ou materiais flexíveis. É por este motivo que, com o rotor parado, as pás têm as pontas viradas para baixo. A outra força acontece porque, durante o giro do rotor, as pás avançam acelerando e recuam desacelerando, alterando o ângulo entre elas por efeito da resistência do ar e do próprio movimento da aeronave. Essa é a força de arrasto.

É fácil entender que, no lado onde as pás recuam, a desaceleração diminui a velocidade do fluxo de ar e, como resultado, da força de sustentação. Como o contrário deveria ocorrer no avanço, imagina-se que o helicóptero teria uma sustentação muito maior no lado de avanço que no de recuo, fazendo a aeronave girar descontrolada sobre seu eixo longitudinal. Isso só não ocorre porque a velocidade maior causa um batimento também maior, e esta inclinação da pá para cima também causa perda da força de sustentação. Assim, o lado de avanço perde mais sustentação por batimento que o de recuo. E, no fim, os dois lados geram forças de igual valor para manterem a aeronave no ar.

Para controlar o vôo do helicóptero, o piloto dispõe de dois comandos que atuam de formas diferentes sobre o passo das pás — o ângulo de ataque, ou seja, a inclinação de cada pá em relação ao ar. Quando quer decolar, o piloto move o comando que aumenta o passo do coletivo, mudando o ângulo de ataque de todas as pás por igual, ganhando mais sustentação. No momento em que a sustentação for maior que o peso do aparelho, ele sobe. Outro comando é o manche cíclico, que atua na inclinação do conjunto do rotor. Inclinando o rotor para baixo na frente, por exemplo, as pás têm menor passo (e menor sustentação) na parte baixa e maior na parte de trás. A sustentação extra na traseira desequilibra o helicóptero, e faz com que ele se desloque à frente.

Esse vôo complicadíssimo é um prato cheio de desafios técnicos na hora de colocar o helicóptero num campo de batalha. Sua estréia no front aconteceu na Segunda Guerra Mundial, do lado alemão, mas o sucesso veio mesmo na Guerra da Coréia (1950-1953), em que, nas mãos americanas, o helicóptero se consagrou numa missão até então impossível — levar tropas, armas e resgatar pilotos abatidos atrás das linhas, em pleno território inimigo. Como os feridos eram transportados rapidamente pelos helicópteros, foi a guerra com menor taxa de mortalidade da história militar até então. Na Guerra do Vietnã (1955-1975), o potencial dos helicópteros foi explorado ao máximo pelos norte-americanos — fizeram resgates maciços de soldados e feridos, serviram como guindastes aéreos para transportar canhões pesados de artilharia, funcionaram como caçadores de veículos inimigos e como sentinelas eletrônicas. E instituíram uma nova era na técnica de ataque de soldados às posições inimigas, com a criação de “tropas de cavalaria aérea”. Sim, cavalaria — apesar de voar, o helicóptero normalmente não pertence ao comando aéreo, mas integra as forças terrestres nas batalhas.

Para se tornar uma máquina de combate tão versátil, foi fundamental para os helicópteros o desenvolvimento das turbinas, que Ihes deram motores leves e pequenos com grande potência. Até fins dos anos 40, eram usados motores a pistão, grandes e pesados, que exigiam engrenagens mirabolantes para transmitirem sua potência num ângulo de 90 graus ao eixo do rotor. Em 1955 voou o primeiro helicóptero propulsado por turbina, o francês Alouette II. A grande vitória das turbinas foi o ganho de carga útil.

Resolvida a questão do motor, a pesquisa com helicópteros partiu na busca de maior eficiência e proteção do rotor, mais agilidade, velocidade e capacidade de operar em quaisquer condições e sobreviver a danos em combate. Se só o vôo da aeronave já é complexo, imagine-se acrescentando tudo isso. A começar pelo rotor — os primeiros, e ainda mais comuns, são do tipo articulado, onde os movimentos de arrasto e batimento são assimilados por uma série completa de articulações entre as pás rígidas e o cubo, o conjunto que liga as pás ao eixo do rotor. Num tipo articulado, pode haver mais de 380 peças, que devem ser mantidas bem lubrificadas, um ponto sensível na manutenção.

Por outro lado, como essas engrenagens absorvem grande parte dos efeitos das mudanças de passo das pás, o resultado são helicópteros de controle bastante preciso e suave, especialmente eficazes num vôo pairado. Em contrapartida, são menos ágeis em manobras velozes. É o caso do McDonnell Douglas AH-64A Apache, fabricado a partir de 1982, que usa o tradicional rotor articulado para conseguir grande capacidade de se dissimular no terreno em lutas antitanque, o que significa muitas vezes ficar em vôo pairado a poucos metros do solo.

Em outra linha estão os rotores rígidos, propostos pela Lockheed em 1962. Neles, o cubo é projetado minuciosamente para ter a flexibilidade certa que absorva o arrasto e o batimento sem uso de articulações. O resultado é não apenas uma aeronave de manutenção simples, mas principalmente uma máquina de respostas rápidas aos comandos, capaz de manobrar com a agilidade de um caça, mas difícil de ser controlado em vôo pairado.

Hoje, as pesquisas usam as vantagens e resolvem os problemas desses dois tipos básicos de rotor. Foi o que a inglesa Westland fez ao criar o seu helicóptero Lynx, baseando-se num avanço do tipo rígido. Assim, o seu cubo é uma peça única de titânio forjado e usinado, e é a própria flexibilidade desse metal que anula o arrasto e o batimento. No novo Lynx III, os rolamentos lubrificados foram substituídos por mancais de elastômeros — sistemas que anulam o atrito entre peças de uma engrenagem, feitos de um material composto de lâminas de aço e borracha que resiste à compressão mas é flexível pelo deslizamento de suas camadas no plano longitudinal. Esses mancais dispensam qualquer manutenção. O trabalho da Westland gerou uma máquina de fácil controle em vôo pairado e agilidade sem precedentes em manobras de combate. Um outro caminho, tentado pela Aérospatiale francesa, usou um avanço do articulado para conseguir a mesma eficácia do Lynx. Em 1974, a Aérospatiale lançou o novo rotor Starflex em seu helicóptero Écureil. Considerado até hoje um projeto de ponta, esse rotor usa um sistema em que as pás são unidas ao cubo por “punhos” rígidos que suportam a força centrífuga, enquanto o próprio cubo é uma “estrela” de fibra de vidro cuja flexibilidade absorve o batimento e o arrasto. E, de forma pioneira, a máquina da Aérospatiale substituiu os rolamentos lubrificados pelos mancais de elastômero para os movimentos de mudança de passo. Comparado às 380 peças de um ariculado, o rotor Starflex não tem mais de 70.

Esses helicópteros de alta tecnologia são produzidos pela única fábrica do gênero na América Latina, a Helibrás, cujo sócia majoritária é a Aérospatiale. Situada em Itajubá, no sul de Minas Gerais, a empresa produz traje o Esquilo (o Écureil francês) HB 350B/B1 e sua versão biturbinada, HB 355F2; e o 365M Panther, de uso militar. Todos com rotor Starflex. Além da capacidade de manobras, outro problema sério é a velocidade máxima que um helicóptero pode conseguir. O recorde absoluto atual é de 1986, com um Lynx que atinge 400,87 quilômetros horários. A velocidade nos helicópteros depende totalmente do rotor, onde as pás são asas projetadas normalmente para velocidades subsônicas. Num helicóptero em vôo à frente, a velocidade em relação ao ar da pá que avança é uma soma com a velocidade da aeronave, e uma subtração na pá que recua. Assim, em alta velocidade, a pá que avança sofre problemas de sustentação por estar praticamente em velocidade supersônica, enquanto a própria aeronave nem chegou perto. É que acontece o estol de compressibilidade — a perda de sustentação que as asas desenhadas para velocidades subsônicas sofrem se ultrapassarem a barreira do som.

Uma solução apontada por pesquisas inglesas é um rotor de cinco pás num helicóptero equipado com turbinas para propulsão auxiliar a jato, como os motores de um avião. Ele decora com a força do rotor e, em vôo, as turbinas auxiliares lançam a aeronave a mais de 400 km/h. Nesse momento, o rotor é parado de modo que alinhe uma de suas pás à frente com o eixo longitudinal da aeronave, enquanto duas outras pás passam a ser literalmente asas enflechadas para a frente. O helicóptero já não voa pelo rotor, mas pela força criada pelas turbinas nas asas, como um avião — e sem limite de velocidade.

A pesquisa desse rotor parado é feita pela NASA e pelo Exército norte-americano, com uma aeronave de estudos Sikorsky S-72 RSRA. Ela tem esbarrado no problema espinhoso de, ao parar o rotor, uma das pás que seria uma asa estar em posição de recuo — ou seja, o seu perfil aerodinâmico está ao contrário, com o ar fluindo do bordo de fuga para o de ataque. Uma solução seriam pás de perfil elíptico (sem bordos de fuga ou ataque), com fendas nas bordas pelas quais um sistema de ar comprimido criaria uma camada de ar alterando o perfil real da pá. Esse sistema de rotor parado é uma maravilha na prancheta, mas é delicado demais e precisaria de manutenção impecável, além de sua fragilidade a danos em combate.

Essa fragilidade é um dos fatores críticos das aeronaves que operam no front. Com os problemas de peso e potência, os helicópteros de combate não são fáceis de proteger com blindagens de aço e chumbo. “A solução são os materiais compostos, que podem reduzir o peso dos metais por três”, diz o comandante João Bosco da Cunha Ferreira, diretor técnico da Helibrás. O uso de materiais compostos nos helicópteros aumentou drasticamente nos últimos anos, principalmente pelas vantagens de peso e resistência conseguidas com a nova tecnologia de fibras. Na última geração do Esquilo, praticamente toda a fuselagem e todas as “janelas” são feitas de policarbonatos, ficando o alumínio restrito ao cone de cauda e à barca (parte inferior do corpo da aeronave), enquanto o aço só é usado em partes especiais como a divisória que separa a área mecânica do compartimento de tripulantes e passageiros. As pás do rotor do Esquilo são inteiramente de fibra de vidro, enquanto no Panther são um sanduíche de fibras de vidro e carbono. A grande vantagem das pás de fibra é o seu nível de fadiga, que tende a zero, tornando praticamente desnecessária a manutenção.

Com o mesmo objetivo de eliminar pontos sensíveis a falhas e acidentes, o próprio rotor de cauda passa por pesquisas de novas soluções. Básico para o controle de vôo de qualquer helicóptero (exceto os de rotores principais duplos contra-rotativos), esse rotor teve sua primeira grande evolução somente com o sistema Fenestron da Aérospatiale, que o instalou no SA.341 Gazelle em 1968. No Fenestron, um rotor de onze pás fica embutido numa estrutura maciça de cauda, gerando a força antitorque à semelhança de uma turbina. Com isto, consegue um sistema bem menos suscetível a acidentes com o pessoal de terra, além de uma proteção muito maior contra danos de combate.Numa linha radical, porém, as pesquisas com o NOTAR, da McDonnell Douglas, simplesmente eliminaram o rotor de cauda. O NOTAR (No Tail Rotor, sem rotor de cauda) usa uma pequena turbina embutida num cone traseiro, em que uma série de fendas laterais controladas dirige o fluxo de ar de modo que contrabalance a força de torque. O primeiro modelo de série equipado com o sistema, o MD-520N NOTAR, está em estudo para ser o novo helicóptero leve do Exército norte-americano para o ano 2000. Com tantos estudos e pesquisas, o helicóptero é uma máquina muito cara, e são poucos aqueles desenvolvidos para uma única função de combate. Com os custos do projeto, o mais comum é um modelo ter várias versões específicas para cada missão, incluindo versões para uso civil. É o caso de um dos campeões de vendas da atualidade, o alemão BO-105, criado em 1967.Do lado russo, a surpresa mais recente é o Kamov Ka-50, chamado pela OTAN de Hokom e pelos russos de Lobisomem, projetado para ser uma máquina de ataque dos fuzileiros navais. Ele tem dois rotores que giram um em cima do outro e em sentido contrário. Não é preciso rotor de cauda pois não se cria força de torque na fuselagem. Além disso, a fuselagem do Ka-50 é esguia e aerodinâmica, com grandes asas fixas que não servem apenas para o transporte de armas e cargas, como a maioria dos helicópteros: elas possuem superfícies móveis de controle e sustentação, como flaps e ailerons, iguais às de um avião. Isso terá utilidade se o Hokum puder alcançar velocidades superiores aos 400,87 km/h do recorde estabelecido pelo Lynx em 1986.

Para saber mais:

Medo de avião

(SUPER número 12, ano 10)