The Netherlands: Principled Pluralism and Separation Tradition

Um fator que limita a aplicação dos helicópteros é o alto nível de vibração e de ruído. Uma das tecnologias que é usada para o controlo das vibrações é o chamado controlo harmónico de alta- frequência (HHC – Higher Harmonic Control). O HHC é uma tecnologia de controlo ativo que permite reduzir os níveis de vibração do helicóptero. O sistema de controlo detecta vibrações originadas pelas forças aerodinâmicas que atuam nas pás do rotor e aplica, nestas pás, um movimento de picada harmónico de alta-frequência e com pequenos ângulos. O movimento harmónico é aplicado de modo a que o seu efeito suprima, ou reduza, a excitação aerodinâmica e, consequentemente, reduza o nível de vibração e ruído.

As principais componentes da força que atua nas pás do rotor são periódicas e de frequência igual à taxa de rotação do próprio rotor e das suas harmónicas. Um por revolução, ou "1P", são

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as forças de frequência igual a frequência de rotação do rotor (Bramwell 1976). As harmónicas são então múltiplas de "1P". Assim 2P, 3P, 4P e assim sucessivamente é a segunda, terceira, e quarta harmónica, respetivamente. Para o helicóptero OH – 6 A, o rotor roda em média 483 RPM ou 8.05 Hertz. Assim, a frequência da segunda harmónica é 16.1 Hertz, a da terceira harmónica é 24.15 Hertz, e assim sucessivamente. Portanto, 1P, 2P, 3P são múltiplos da velocidade de rotação do rotor. Em voo o rotor do helicóptero opera a uma velocidade de rotação quase constante, variando menos que 2%. Dado que a velocidade de rotação do rotor varia ligeiramente com o tempo, então as frequências associadas às harmónicas também variam em quantidades muito pequenas com o tempo (Martinus 1990).

A causa principal das forças vibratórias nas pás do rotor é a carga assimétrica nas pás durante o movimento de avanço do helicóptero. O voo de avanço faz com que as pás do rotor experimentem mudanças constantes do fluxo de ar. Estas mudanças criam uma variação periódica do ângulo de ataque na secção das pás do rotor. Além disso, cada pá interage com os vórtices libertados por outras pás do rotor. A variação da carga do ar e o escoamento não- uniforme de entrada causam a vibração das pás do rotor. Mais ainda, para velocidades de avanço elevadas as pás do rotor em retração experimentam perdas (stall), e as pás do rotor em avanço experimentam efeitos de compressibilidade (Prouty 1986). O rotor é a principal fonte de vibração num helicóptero. Estas vibrações são causadas essencialmente a uma única frequência. Os sistemas ativos de supressão das vibrações podem contrariar as vibrações de uma determinada frequência. O sistema HHC reduz a vibração pela modificação da excitação da carga aerodinâmica. Este sistema de controlo de vibrações, que envolve o uso de computadores, monitoriza continuamente as variações causadas pelo rotor e suprime-as através da picada das pás do rotor. O nome do sistema HHC adveio precisamente do facto de a frequência de picada das pás ser um múltiplo da frequência de rotação do rotor. O sistema HHC funciona através do disco oscilante, que é uma parte do sistema de controlo do helicóptero. O disco oscilante transmite informações de entrada a partir da estrutura estacionária ou fuselagem para a estrutura rotativa ou rotor. O disco é oscilado através de atuadores fixos à fuselagem com variações contínuas de amplitude, frequência, e fase. Determinadas combinações destes parâmetros podem resultar em reduções significativas de vibrações. O disco é oscilado a uma frequência igual ao produto entre o número de pás do rotor e a velocidade de rotação do rotor.

Existem vários modos do movimento do disco oscilante: lateral, longitudinal, e coletivo. O modo lateral refere-se à inclinação lateral do disco oscilante (side-to-side direction). O modo longitudinal refere-se à inclinação do disco oscilante na direção longitudinal (fore and aft

direction), e o modo coletivo refere-se ao movimento coletivo do disco oscilante ou somente

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Os primeiros testes de voo usando este conceito foram realizados pela empresa Bell com um helicóptero UH − 1A, com um rotor semi-rígido de duas pás. Testou-se um sistema passivo simples que gerava a segunda harmónica (2/rev) em 1960 (Wernicke & Drees 1963). No entanto, suspeitava-se que a variação do ângulo de picada da harmónica não estava na fase correta para a obtenção do máximo benefício. A Fig. 5.7 mostra a montagem do sistema HHC no UH − 1A. As amplitudes e os ângulos de fase em relação ao ângulo azimutal das pás foram ajustados com o helicóptero em voo.

Figura 5.7: Montagem do sistema HHC no veículo de teste 𝐔𝐇 − 𝟏𝐀 (Wernicke & Drees 1963).

Mais de 20 anos após os testes de voo da empresa Bell, a NASA e o exército dos Estados Unidos (US Army) realizaram conjuntamente testes num helicóptero OH − 6A, de quatro pás, com um rotor articulado (Wood et al. 1985; Wood & Powers 1980). O objetivo do estudo foi reduzir o conteúdo da vibração na fuselagem usando uma harmónica de frequência 3 − 5/rev. O teste realizado em 1982 com o helicóptero OH − 6A foi o primeiro caso de teste da aplicação de HHC bem-sucedido. A amplitude da HHC foi mantida constante a 0.5° e a fase foi variada. Concluíram que a configuração de controlo ótima para o caso em estudo foi de 0.22° de amplitude e 30° de fase. Estes valores foram obtidos manualmente, alterando primeiro a fase e depois a amplitude. Desta forma, um dos fatores que dificulta a precisão dos valores são as flutuações estocásticas durante as medições. Embora esta forma de regulação não tenha cancelado todas as vibrações, a redução de vibração resultante da componente da força normal foi bastante satisfatória (Kessler 2011). A Fig. 5.8 mostra o sistema HHC no helicóptero OH − 6A. Vários estudos sobre

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o projeto dos componentes mecânicos do sistema HHC foram então delineados (Wood et al. 1978; Wood & Powers 1980). Os autores estimaram um peso para o sistema HHC de 0.5% do peso do helicóptero.

Figura 5.8: Montagem do sistema HHC no veículo de teste 𝐎𝐇 − 𝟔𝐀 (Wood et al. 1985).

5.5 Proposta de conceito do controlo harmónico de alta-