Hélice (aeronáutica)

As primeiras referências de voo vertical vieram da China. Cerca de 400 AC, crianças chinesas brincavam com brinquedos de bambu voadores. Este "bambucóptero" voa ao girar o palito ligado a um rotor com a mão. O giro do rotor gera sustentação e o brinquedo voa quando solto. O livro taoista do quarto século DC Baopuzi por Ge Hong (抱朴子 "O mestre que abraça a simplicidade") descreve algumas das ideias referentes a aeronaves de asas rotativas. Projetos similares a esse brinquedo chinês apareceram em pinturas renascentistas e outros trabalhos. No início da década de 1480, Leonardo da Vinci criou um projeto de uma máquina voadora. Suas notas sugerem que construiu pequenos modelos voadores, mas não havia uma forma de parar o rotor. Com o conhecimento tecnológico avançando e se tornando mais aceito, homens continuaram a perseguir a ideia de um voo vertical. Muitos dos modelos posteriores lembram muito o brinquedo de bambu com asas giratórias, ao invés da máquina de Leonardo.

Uma hélice bem desenhada tem uma eficiência de cerca de 80% quando operando em seu melhor regime. A eficiência da hélice é influenciada pelo ângulo de ataque (α). Isto é definido como α = Φ - θ, onde θ é o ângulo helicoidal (o ângulo entre a velocidade relativa resultante e a direção de rotação da pá) e Φ é o ângulo do passo da pá. Passos e ângulos helicoidais muito pequenos fornecem um bom desempenho contra resistência, mas fornecem um baixo empuxo, enquanto ângulos maiores têm o efeito oposto. O melhor ângulo helicoidal é quando a pá está agindo como uma asa, fornecendo muito mais sustentação do que arrasto. O ângulo de ataque é similar a razão de avanço para as hélices. A eficiência mecânica de uma hélice é determinada por Hélices são similares a um aerofólio como de uma asa de baixa arrasto, e como tal, são ruins quando não estão operando em seu ângulo de ataque ótimo. Desta forma, algumas hélices usam um mecanismo de passo variável para alterar o passo das hélices a medida que a velocidade do motor e da aeronave são alteradas.

As hélices de passo fixo, foram as primeiras utilizadas na aviação. Esse tipo de hélice tem a vantagem de ser de produção mais simples a um menor custo, normalmente são mais leves e requererem menos manutenção. No entanto, devido à menor flexibilidade operacional, elas não apresentam bom desempenho em todas as faixas de operação. Cabe aos projetistas definirem as necessidades operacionais em todas as faixas de operação críticas, como tração na decolagem ou eficiência em voo, e considerando isso, projetar, ou escolher, a hélice que melhor se encaixe nestes aspectos.

O propósito de variar o passo de uma hélice é manter um ângulo de ataque ótimo para as pás da hélice, dando o maior eficiência em vários regimes de voo.

Motores contra-rotativos são usados em alguns aviões bimotores, com motores montados sobre a asa. As hélices giram em direção oposta uma em relação a outra, para balancear os efeitos de torque e de pá assimétrica. O virabrequim de cada motor é responsável por girar uma hélice para cada lado. Uma aeronave que utiliza este conceito é o Piper Seneca. Normalmente, as hélices em ambos os motores das aeronaves bimotoras convencionais giram no sentido horário (visto por trás da aeronave). Para eliminar o problema de motor crítico, os motores giram normalmente para "dentro" da fuselagem - horário no lado esquerdo e anti-horário no motor direito - mas existem exceções, como o P-38 Lightning que girava ambas as hélices para "fora" da fuselagem e o Airbus A400M cujos motores internos e externos giram em direções opostas no mesmo lado da asa.

Uma hélice contra-rotativa coaxial coloca duas hélices contra-rotativas em eixos concêntricos, de forma que uma aproveita o empuxo gerado pela outra. Isto traz o benefício de ter hélices contra-rotativas em um único motor. A hélice dianteira fornece a maior parte do empuxo, enquanto a hélice traseira também recupera a energia perdida no movimento giratório do ar utilizando o ar jogado pela hélice dianteira. A contra-rotação aumenta também a habilidade de uma hélice absorver potência de um dado motor sem aumentar o diâmetro da hélice. Entretanto, o custo adicional, complexidade, peso e ruído deste sistema, raramente o torna viável e é utilizado apenas em aeronaves onde o alto desempenho é mais importante que a eficiência.

Um fan é uma hélice com um grande número de pás. Um fan produz uma grande quantia de empuxo para um dado diâmetro, mas a proximidade das pás significa que cada uma afeta o fluxo ao redor da outra. Se o fluxo é supersônico, esta interferência pode ser benéfica se o fluxo pode ser comprimido através de uma série de ondas de choque ao invés de uma. Ao colocar o fan em um duto (em inglês: Ducted fan), padrões de fluxo específicos podem ser criados dependendo da velocidade de voo e do desempenho do motor. Com a entrada do ar no duto, sua velocidade é reduzida enquanto a pressão e temperatura aumentam. Se a aeronave está em uma alta velocidade subsônica, isto traz duas vantagens: o ar entra no fan em uma velocidade Mach inferior; e a temperatura maior aumenta a velocidade do som local. Apesar de haver uma perda na eficiência pelo fato do fan estar em uma área menor do fluxo livre e, portanto, usando menos ar, isto é balanceado pelo "ducted fan" mantendo a eficiência em altas velocidades, onde a eficiência de uma hélice convencional seria ruim. Um "ducted fan" ou uma hélice também tem certos benefícios em baixas velocidades, mas o duto precisa ter um formato diferente em relação a um utilizado em altas velocidades. Mais ar é recebido e então o fan opera em uma eficiência equivalente a uma hélice maior sem duto. O ruído também é reduzido quanto é utilizado um duto e se uma pá se soltar, o duto auxiliaria a conter o dano. Entretanto, ele adiciona peso, custo, complexidade e arrasto.

Hélices toroidais apresentam caacterísticas interesantes como menores níveis de ruído. Esse tipo de hélice tem usos tanto nas áreas de transporte aéreo quanto naval.