Batimento das pás, vibrações aerodinâmicas e instabilidades em helicópteros

 

Todo helicóptero vibra. Essa afirmação, embora verdadeira, pode levar a uma interpretação perigosa: a ideia de que qualquer vibração seja normal por fazer parte da natureza da aeronave.

O sistema de rotor trabalha sob cargas aerodinâmicas cíclicas. As pás avançam e recuam em relação ao vento relativo, mudam o ângulo de passo, realizam movimentos de batimento e, dependendo do tipo de rotor, também se deslocam no plano de rotação. Essas forças são transmitidas ao cubo, à transmissão e à fuselagem.

Existe, portanto, uma assinatura vibratória esperada para cada modelo, condição de voo e regime de potência. O problema começa quando essa assinatura muda: a amplitude aumenta, surge uma nova frequência, a vibração passa a ser sentida nos pedais ou comandos, aparece somente em determinada velocidade ou transforma-se rapidamente em oscilação.

Para interpretar corretamente o fenômeno, precisamos separar batimento das pás, batimento entre frequências, vibração periódica, buffet aerodinâmico e instabilidade aeroelástica.

O que significa batimento das pás?

Na aerodinâmica de helicópteros, batimento é o movimento da pá para cima e para baixo em relação ao plano de rotação. Em inglês, o fenômeno é chamado de flapping.

Esse movimento é necessário porque, durante o voo à frente, a pá que avança encontra velocidade relativa maior, enquanto a pá que recua encontra velocidade relativa menor. Sem algum mecanismo de compensação, existiria uma grande diferença de sustentação entre os dois lados do disco do rotor.

A pá que avança tende a produzir mais sustentação e sobe. Ao subir, seu ângulo de ataque efetivo diminui. A pá que recua tende a produzir menos sustentação e desce, aumentando seu ângulo de ataque efetivo. Esse movimento ajuda a compensar a dissimetria de sustentação.

O Rotorcraft Flying Handbook da FAA apresenta o batimento como uma característica essencial do funcionamento do rotor, e não como uma falha.

Nos rotores totalmente articulados, cada pá pode realizar seu próprio movimento de batimento. Nos sistemas semirrígidos de duas pás, o conjunto normalmente funciona como uma gangorra. Nos rotores rígidos, sem articulações convencionais, o movimento é obtido pela flexibilidade estrutural das pás e dos componentes do cubo.

Portanto, batimento não é sinônimo de vibração anormal. Ele é parte da solução aerodinâmica que permite o voo do helicóptero.

Batimento também pode significar interferência entre frequências

A palavra batimento possui outro significado no estudo de vibrações. Quando duas fontes produzem frequências muito próximas, elas podem interferir entre si. Em alguns momentos, as ondas se somam; em outros, se reduzem.

O piloto percebe uma vibração que cresce e diminui ciclicamente, como uma pulsação:

forte – fraca – forte – fraca.

A frequência dessa pulsação é aproximadamente a diferença entre as duas frequências originais:

fb​=∣f1​−f2​∣

Onde:

• fb​ é a frequência de batimento;
• f1​ e f2​ são as frequências das duas fontes.

Esse fenômeno não deve ser confundido com o batimento aerodinâmico das pás. Um é o movimento vertical necessário ao rotor; o outro é uma modulação causada pela interação entre frequências próximas.

Sem instrumentos, é difícil determinar a origem com segurança. O piloto pode descrever a sensação, mas a identificação técnica exige acelerômetros, sensores de fase e os procedimentos de diagnóstico previstos pelo fabricante.

Por que o helicóptero produz vibrações periódicas?

As pás encontram condições aerodinâmicas diferentes ao longo de cada rotação. Elas passam pela região dianteira do disco, recuam em relação ao vento relativo, cruzam o fluxo perturbado da fuselagem e podem interagir com a esteira de outras pás.

Como o movimento se repete, parte das forças também se repete em frequências relacionadas à rotação do rotor.

A FAA utiliza as expressões 1/rev e N/rev para descrever essas vibrações:

• 1/rev: um ciclo de vibração a cada volta do rotor;
• 2/rev: dois ciclos por volta;
• N/rev: número de ciclos correspondente ao número de pás.

Em um rotor de quatro pás, por exemplo, podem existir componentes em 1/rev, 2/rev, 3/rev e 4/rev. A passagem sucessiva das quatro pás também pode produzir uma resposta importante em 4/rev.

O guia da FAA sobre representação de vibrações em simuladores de helicóptero explica que as vibrações mais perceptíveis geralmente estão associadas à interação da fuselagem com os rotores, motores e transmissão. O documento também diferencia vibração periódica de buffet, que tende a ser mais transitório e relacionado a efeitos aerodinâmicos não uniformes. FAA – Helicopter FSTD Vibration Guidance

Uma frequência pode indicar a região, mas não fecha o diagnóstico

Na manutenção de helicópteros, existe a tentativa natural de associar cada sensação a uma causa:

• vibração lenta ao rotor principal;
• vibração mais rápida ao rotor de cauda;
• vibração de alta frequência ao motor ou à transmissão;
• movimento vertical a problema de trajetória das pás;
• vibração lateral a desequilíbrio de massa.

Essas relações podem orientar a investigação, mas não devem ser transformadas em diagnóstico automático. Diferentes falhas podem produzir sintomas semelhantes, e uma mesma vibração pode percorrer a estrutura antes de chegar ao assento, aos pedais ou ao cíclico.

Uma vibração 1/rev, por exemplo, pode envolver trajetória das pás, distribuição de massa, ajustes aerodinâmicos, componentes do cubo ou outros elementos do sistema. Somente o procedimento de track and balance e as inspeções previstas para aquele modelo podem determinar a correção aplicável.

Track e balance não são a mesma coisa

O tracking verifica se as pás percorrem trajetórias compatíveis. Se uma pá trabalha acima ou abaixo das demais, as forças produzidas pelo rotor deixam de se distribuir de maneira uniforme.

O balanceamento trata da distribuição de massa e da resposta dinâmica do conjunto. Um rotor pode apresentar trajetória aparentemente aceitável e ainda assim estar desequilibrado. Também pode ocorrer o contrário: uma tentativa de corrigir a trajetória sem compreender a causa pode apenas transferir a vibração para outra condição de voo.

O processo moderno utiliza sensores de vibração, referência de fase e voos ou regimes de verificação definidos pelo fabricante. Pequenos ajustes podem envolver pesos, compensadores, links de passo ou dispositivos específicos. Esses ajustes não podem ser improvisados.

Buffet aerodinâmico não é necessariamente defeito mecânico

O piloto pode perceber trepidação ao atravessar determinada condição de voo. Isso pode ocorrer durante:

• transição para o voo à frente;
• passagem pela sustentação translacional;
• turbulência;
• voo próximo a obstáculos;
• operação com vento de través ou de cauda;
• aproximação com baixa velocidade;
• estol da pá que recua;
• aproximação do estado de anéis de vórtice.

Nesses casos, a vibração pode resultar de escoamento não uniforme ou da interação da aeronave com sua própria esteira. O fenômeno pode desaparecer quando a condição aerodinâmica muda.

Isso não significa que deva ser ignorado. Um buffet pode ser um aviso de aproximação a uma região crítica do envelope.

Estol da pá que recua

À medida que a velocidade do helicóptero aumenta, a velocidade relativa sobre a pá que recua diminui. Para produzir a sustentação necessária, essa pá precisa operar com ângulo de ataque mais elevado.

Se o limite aerodinâmico for ultrapassado, parte da pá que recua entra em estol. O fenômeno pode produzir:

• vibração crescente;
• tendência de elevação do nariz;
• tendência de rolamento;
• aumento do esforço sobre os comandos;
• deterioração da controlabilidade.

O risco aumenta com velocidade elevada, peso alto, baixa rotação do rotor, elevada altitude-densidade, turbulência e manobras com grande fator de carga.

O estol da pá que recua é um dos fatores que limitam a velocidade nunca exceder, a VNE, de um helicóptero. O piloto não deve combater a vibração com comandos abruptos sem compreender a condição. A recuperação deve seguir o Manual de Voo da Aeronave, pois entradas inadequadas de cíclico podem agravar o ângulo de ataque da pá estolada.

Estado de anéis de vórtice

O estado de anéis de vórtice pode ocorrer quando o helicóptero desce com potência aplicada, baixa velocidade horizontal e razão de descida suficiente para que o rotor passe a operar dentro de seu próprio fluxo recirculante.

A aeronave pode apresentar:

• trepidação;
• aumento da razão de descida;
• resposta reduzida ao coletivo;
• oscilação de atitude;
• perda de eficiência do rotor.

Nesse caso, a vibração não é a causa principal. Ela é uma manifestação do escoamento desorganizado através do disco.

A recuperação precisa ser treinada conforme o modelo, o Manual de Voo e os procedimentos aprovados pelo operador. Aplicar mais coletivo sem interromper a condição pode aumentar a potência absorvida sem produzir a recuperação esperada.

Ressonância de solo: quando a oscilação cresce rapidamente

A ressonância de solo é uma instabilidade aeromecânica associada principalmente aos helicópteros com rotor totalmente articulado. Ela envolve o acoplamento entre o movimento das pás no plano de rotação, a fuselagem e o sistema de pouso.

Se uma pá sai de sua posição angular normal, o centro de massa do rotor pode deslocar-se. Ao mesmo tempo, o trem de pouso e a fuselagem oscilam. Se as frequências e fases se combinarem de maneira desfavorável, a energia passa de um sistema para o outro e a amplitude cresce rapidamente.

Pneus com pressão incorreta, amortecedores inadequados, componentes de arrasto desgastados e pouso com contato assimétrico podem favorecer o início do fenômeno.

A ressonância de solo não é uma simples vibração desconfortável. Pode tornar-se destrutiva em poucos segundos.

A orientação genérica da FAA diferencia duas situações: se o helicóptero possui rotação e condições para sair imediatamente do solo, a separação da aeronave do terreno pode interromper o acoplamento; se não existem condições para voar, a energia do rotor deve ser retirada. Entretanto, o procedimento aplicável é sempre aquele previsto no Manual de Voo do modelo. Não se deve improvisar uma resposta baseada apenas em uma regra genérica.

Os requisitos de certificação determinam que o helicóptero não apresente tendência perigosa de oscilar no solo com o rotor girando e exigem demonstração da confiabilidade dos meios empregados para prevenir o fenômeno. EASA – CS-27

Ressonância no ar

Existe também a chamada ressonância no ar, ou air resonance. Trata-se de uma instabilidade aeromecânica em que movimentos das pás podem acoplar-se aos modos de movimento da fuselagem durante o voo.

Ela é discutida principalmente no desenvolvimento e na certificação de rotores rígidos, semirrígidos avançados, articulados ou sem rolamentos convencionais. Estudos da NASA mostram que estabilidade aeroelástica, cargas do rotor, vibração da fuselagem e acoplamentos entre rotor e estrutura são problemas inseparáveis no projeto de helicópteros. NASA Technical Reports Server

A tripulação não deve tentar identificar “ressonância no ar” apenas pela sensação. Uma vibração nova, intensa ou crescente em voo deve ser tratada como anormalidade, independentemente do nome técnico que venha a receber posteriormente.

Flutter: uma instabilidade aeroelástica

Flutter é uma oscilação autoalimentada resultante da interação entre forças aerodinâmicas, elasticidade estrutural e inércia.

Quando a energia retirada do escoamento supera o amortecimento do sistema, a amplitude pode crescer. Em rotores, superfícies de cauda e componentes flexíveis, o flutter representa uma condição potencialmente destrutiva.

A certificação exige que rotores e pás sejam balanceados para evitar vibração excessiva e flutter dentro do envelope aprovado. Isso não elimina a necessidade de manutenção. Danos estruturais, reparos incorretos, alterações de massa, folgas ou componentes fora de tolerância podem modificar a resposta dinâmica do conjunto.

O piloto não precisa diagnosticar flutter em voo. Precisa reconhecer que uma vibração nova, de alta frequência ou rapidamente crescente exige ação imediata de acordo com o Manual de Voo.

Condições de baixo G e mast bumping

Em helicópteros com rotor semirrígido de duas pás, uma condição de baixo G pode descarregar o rotor. Com pouca sustentação no disco, a autoridade de rolamento produzida pelo rotor diminui, enquanto outras forças continuam atuando sobre a fuselagem.

Uma aplicação lateral inadequada de cíclico nessa condição pode levar a contato excessivo entre o cubo e o mastro, conhecido como mast bumping.

O fenômeno não deve ser confundido com vibração aerodinâmica comum. Ele está relacionado à dinâmica do rotor descarregado e pode resultar em falha estrutural.

A prevenção depende do respeito às limitações e às técnicas específicas do modelo. A recuperação de baixo G também deve seguir rigorosamente o procedimento do fabricante.

Instabilidade induzida pelo piloto

Nem toda oscilação nasce no rotor. O próprio piloto pode entrar em um ciclo de correções atrasadas ou excessivas.

Ele percebe uma atitude indesejada, corrige com amplitude elevada, espera a resposta e aplica uma correção oposta. Como existe atraso entre o comando e o movimento da aeronave, a nova entrada pode chegar quando o helicóptero já está retornando. A oscilação aumenta em vez de desaparecer.

Esse fenômeno é chamado de oscilação induzida pelo piloto, ou PIO. Pode ser favorecido por:

• elevada sensibilidade dos comandos;
• turbulência;
• referência visual inadequada;
• fadiga;
• tensão excessiva sobre o cíclico;
• falha ou degradação de sistemas de estabilidade;
• tentativa de “perseguir” cada movimento da aeronave.

A resposta exige reduzir a tendência de supercontrole e restabelecer entradas suaves e antecipadas, sempre considerando eventual falha de sistema. Se houver suspeita de anormalidade mecânica ou de comando, o problema não deve ser tratado apenas como deficiência de técnica.

Como o piloto deve descrever uma vibração?

“Está vibrando muito” ajuda pouco a manutenção. Um relato operacional útil deve informar:

• fase do voo;
• velocidade;
• potência ou torque;
• rotação do rotor;
• peso aproximado;
• condição de vento;
• posição dos comandos;
• local onde a vibração foi sentida;
• direção predominante;
• frequência aparente;
• intensidade;
• início súbito ou gradual;
• relação com velocidade, potência ou manobra;
• presença de ruído, aviso ou alteração de parâmetros.

Também é importante informar se a vibração apareceu após manutenção, lavagem, chuva forte, estacionamento prolongado, impacto de objeto, transporte externo ou mudança de configuração.

O perigo de normalizar uma vibração nova

A frase “helicóptero vibra mesmo” não pode encerrar uma análise.

Uma vibração que sempre esteve presente e corresponde à assinatura conhecida do modelo é diferente de uma vibração que:

• surgiu repentinamente;
• aumentou em relação aos voos anteriores;
• mudou de frequência;
• aparece em determinada velocidade;
• chega aos pedais ou comandos;
• é acompanhada por ruído;
• altera instrumentos ou espelhos;
• produz oscilação de cabine;
• ocorre depois de manutenção;
• cresce rapidamente.

A tripulação não deve prolongar o voo apenas para tentar descobrir a origem pelo tato. A prioridade é controlar a aeronave, verificar os parâmetros e avisos, evitar manobras que agravem a condição e pousar conforme a gravidade e os procedimentos do Manual de Voo.

A manutenção precisa tratar a vibração como dado

A percepção do piloto é importante, mas a análise técnica depende de medição.

Sistemas de monitoramento e procedimentos de track and balance podem utilizar:

• acelerômetros;
• sensores de fase;
• analisadores espectrais;
• registros de regimes de voo;
• tendências históricas;
• sistemas HUMS, quando instalados.

O espectro de frequências ajuda a relacionar a vibração às velocidades de rotação do rotor principal, rotor de cauda, eixos, motores e transmissão. A fase permite identificar onde determinada massa ou força atua dentro do ciclo.

Em helicópteros equipados com monitoramento de vibração, o valor mais importante nem sempre é uma leitura isolada. A tendência ao longo do tempo pode revelar degradação antes que o sintoma se torne evidente na cabine.

A EASA prevê requisitos específicos para sistemas de monitoramento da saúde por vibração quando eles são exigidos ou utilizados como meio certificado de detecção antecipada de falhas. EASA – CS-29

Conclusão

Batimento das pás, vibração e instabilidade são conceitos relacionados, mas não equivalentes.

O batimento vertical das pás é parte normal da aerodinâmica do rotor. O batimento entre frequências é uma modulação produzida por fontes próximas. Vibrações periódicas fazem parte da assinatura dinâmica da aeronave. Buffets podem indicar escoamento não uniforme ou aproximação de uma região crítica. Ressonância, flutter, estol da pá que recua e condições de baixo G pertencem a outra categoria de risco.

O piloto não precisa transformar-se em analista de vibrações. Precisa conhecer a assinatura normal da aeronave, perceber mudanças, evitar diagnósticos improvisados e fornecer informações precisas à manutenção.

Helicópteros vibram, mas uma vibração nova nunca deve ser considerada normal apenas porque existe um rotor sobre a cabine.

Marcuss Silva Reis
Piloto Comercial de asas fixas | Instrutor de escolas de aviação civil | Professor universitário de Ciências Aeronáuticas | Perito judicial em aviação | Economista | Pós-graduado em Ciências Aeronáuticas, Segurança da Aviação Civil e Docência do Ensino Superior | Técnico em Óptica
Fundador do Instituto do Ar

Referências consultadas

• FAA – Rotorcraft Flying Handbook
• FAA – Helicopter FSTD Vibration Guidance Bulletin
• FAA – Private Pilot Helicopter Airman Certification Standards
• FAA – Flight Instructor Helicopter Airman Certification Standards
• EASA – Certification Specifications for Small Rotorcraft, CS-27
• EASA – Certification Specifications for Large Rotorcraft, CS-29
• NASA – Rotary-Wing Aeroservoelastic Problems
• NASA – Airframe Structural Dynamic Considerations