Hélice aeronáutica é a responsável por converter o movimento rotativo de um motor aeronáutico ou outra fonte mecânica em propulsão. É composta de um cubo motorizado, que é ligado a várias pás no formato de um aerofólio, de forma que toda a hélice gire em um eixo longitudinal. O passo da hélice pode ser fixo, ajustável (em solo) ou variável, do tipo velocidade constante.
A hélice é ligada a uma fonte de potência por um eixo diretamente ou, em projetos maiores, através de uma caixa de redução.
A maior parte das hélices instaladas nos primeiros aviões eram fabricadas à mão a partir de madeira sólida ou laminada, enquanto que a construção em metal se tornou comum mais tarde. Mais recentemente, hélices de materiais compósitos vem sendo amplamente utilizadas.
As hélices podem ser utilizadas apenas em velocidades subsônicas, em velocidades de no máximo 770 km/h, pois nesta velocidade as pontas das pás da hélice começa a ficar em velocidade supersônica causando ondas de choque, ocasionando maior arrasto e outras dificuldades mecânicas.
História
thumb|Um bambu-cóptero taketombo japonês decorado thumb|Aeroplano e... thumb|...Helicóptero de Leonardo da Vinci.
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.
Em Julho de 1754, o russo Mikhail Lomonosov desenvolveu um modelo parecido com o chinês, mas potencializado por uma mola e demonstrou à Academia de Ciências da Rússia. Foi sugerido como um método de levar instrumentos meteorológicos a voo. Em 1783, Christian de Launoy e seu mecânico, Bienvenu, usaram um modelo similar ao de bambu que consistia de penas contra-rotativas de peru como pás do rotor e em 1784, demonstrou para a Académie des Sciences. Um dirigível foi descrito por Jean Baptiste Meusnier, apresentado em 1783. Os desenhos mostravam uma aeronave de com pequenos balões internos que podiam ser usados para regular a sustentação. O dirigível foi projetado para conter três hélices. Em 1784, Jean-Pierre Blanchard equipou um balão com uma hélice manual, sendo considerado o primeiro meio de propulsão carregado.Winter & Degner (1933), pp. 26–27. George Cayley, influenciado por uma fascinação desde criança com o brinquedo chinês, desenvolveu um modelo com penas, simular ao de Launoy e Bienvenu, mas com elásticos. Ao final do século, ele havia progredido ao usar folhas de lata nas pás da hélice e molas como propulsoras. Seus escritos acerca de suas experiências e modelos seria influência nos pioneiros da aviação que seguiriam.
thumb|upright|Protótipo criado por M. Lomonosov, 1754
William Bland enviou desenhos de seu "Atmotic Airship" para a Grande Exposição de Londres em 1851, onde um modelo foi exibido. Era um balão alongado com um motor a vapor girando duas hélices suspensas sob o balão. Alphonse Pénaud desenvolveu helicóptero de brinquedo em 1870, que também utilizavam elásticos. Em 1872 Dupuy de Lome lançou um grande balão navegável, que possuía uma grande hélice girada por oito homens. Hiram Maxim construiu uma máquina que pesava 3,5 toneladas, com uma envergadura de 34 metros e motorizada por dois motores a vapor de 360 hp (270 kW) girando duas hélices. Em 1894, sua máquina foi testada com trilhos para prevenir sua decolagem. Este teste demonstrou que tinha sustentação suficiente para decolar. Um dos brinquedos de Pénaud, dado como um presente por seu pai, inspirou os Irmãos Wright a perseguirem o sonho de voar. O formato da hélice de um aerofólio torcido foi criado pelos Irmãos Wright. Enquanto alguns engenheiros anteriores tentaram modelar hélices aeronáuticas iguais às hélices marítimas, mas os irmãos Wright perceberam que a hélice é essencialmente igual a uma asa, e foram capazes de usar dados de experiências anteriores em túneis de vento, introduzindo uma torção ao longo das pás. Isso era necessário para manter um ângulo de ataque mais uniforme da pá ao longo de seu comprimento. Sua hélice original tinha uma eficiência de cerca de 82%, comparado a eficiência de 90% das hélices modernas.
Mogno era a madeira preferida para construção de hélices durante a Primeira Guerra Mundial, mas a falta deste material durante a guerra fez com fossem usados também madeira de nogueira, carvalho, cerejeira e freixo. Alberto Santos Dumont foi outro pioneiro, desenhando hélices antes dos Irmãos Wright (apesar de menos eficientes) para seu dirigível. Ele aplicou o conhecimento que adquiriu com dirigíveis para fazer uma hélice com um eixo de aço e pás de alumínio para seu biplano 14-bis em 1906. Alguns de seus projetos usaram folhas dobradas de alumínio nas pás, criando um formato de aerofólio. Elas eram pouco arqueadas e pela falta da torção ao longo de seu comprimento, a fazia menos eficiente que as hélices de Wright.A teoria física da hélice era na época restrita à teoria Rankine-Froude, também conhecida como a "teoria do disco atuador" ou teoria do momento axial. Essa teoria, embora adequada, não dava a indicação de qual forma deveria ser usada em uma hélice. Isso seria resolvido por esta teoria apenas na década de 1920 pelo complemento da lei de Betz (Goldstein, Betz, Prandtl e Lanchester): William Graebel, Engineering Fluid Mechanics, p. 144 , , John Carlton, Marine Propellers and Propulsion, p. 169, . Os irmãos Wright, entretanto, estavam equacionando a pá da hélice como um aerofólio, para qual eles já haviam tereminado os padrões de comportamento aerodinâmico: John David Anderson, A History of Aerodynamics: And Its Impact on Flying Machines, Mesmo assim, este foi o primeiro uso de alumínio na construção de uma hélice. Originalmente, um aerofólio giratório atrás da aeronave, que a empurra, era chamada de hélice, enquanto a que puxava a aeronave a partir da parte frontal, era tração.Encyclopædia Britannica, 1910ª edição, volume 30 (suplemento de 1922), no artigo "Aeronautics" p. 20. Mais tarde, o termo "impulsor" foi adotado para o dispositivo montado na traseira em contraste com a configuração por tração e ambos ficaram conhecidos como hélices. A compreensão da aerodinâmica das hélices de baixa velocidade estava relativamente completa na década de 1920, mas requisitos posteriores de lidar com uma força maior em um diâmetro menor tornaram o problema mais complexo.
Teoria e desenho de hélices aeronáuticas
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 porProf. Z. S. Spakovszky. "11.7.4.3 Efficiency" MIT turbines, 2002. Thermodynamics and Propulsion, main page
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. thumb|right|Hélice de um ATR 72 em voo thumb|right|Hélice tripá de uma aeronave leve: o Van's Aircraft RV-7. thumb|right|Rotores de um helicóptero Bell 430.
Outra consideração é o número e formato das pás a serem usadas. Ao aumentar o alongamento das pás, o arrasto é reduzido, mas a quantidade de empuxo produzido depende da área da pá. Assim sendo, pás projetadas desta forma podem formar uma hélice de diâmetro excessivo. Outro balanceamento que deve ser percebido é que usar uma menor quantidade de pás reduz a interferência entre as pás, mas para ter área suficiente para fornecer um bom empuxo com poucas pás, significa ter uma hélice de grande diâmetro. Ao aumentar o número de pás, diminui também a quantidade de trabalho que cada pá irá efetuar, limitando o Número Mach local - um limitante de desempenho significativo em hélices.
O desempenho de uma hélice diminui a medida que a pá se aproxima de velocidades transônicas. Como o ar relativo em qualquer seção de uma hélice é a soma vetorial da velocidade da aeronave e da velocidade tangencial devido à rotação, a ponta da pá de uma hélice irá atingir uma velocidade transônica muito antes que a aeronave atinja. Quando o fluxo de ar sobre a ponta atinge uma velocidade crítica, o arrasto e a resistência ao torque aumentam rapidamente e ondas de choque se formam criando um rápido aumento no ruído. Aeronaves com hélices convencionais, por esta razão, comumente não voam mais rápido do que Mach 0.6. Existem aeronaves a hélice que atingiram a velocidade de Mach 0.8, mas a baixa eficiência da hélice nesta velocidade faz com que sejam aplicações raras.
Foram feitos alguns esforços para desenvolver hélices para aeronaves em velocidades subsônicas. A "correção" é similar ao desenho de uma asa transônica. A velocidade máxima relativa é mantida o mais baixo possível por controlar cuidadosamente o passo para permitir às pás terem ângulos helicoidais maiores; seções finas nas pás são usadas e um formato como de uma Cimitarra, em conjunto com um grande número de pás usadas para reduzir o trabalho por pá e consequente força; é utilizada então a contra-rotação. As aeronaves que utilizam este desenho são mais eficientes que os motores turbofan e sua velocidade de cruzeiro (Mach 0.7–0.85) é adequada para aviões comerciais, mas o ruído gerado é tremendo (alguns exemplos são o Antonov An-70 e o Tupolev Tu-95).
Forças agindo em uma hélice
Cinco forças agem nas pás da hélice de uma aeronave em movimento. Algumas dessas forças podem contrabalancear outras, reduzindo o estresse mecânico geral.Beaumont, R.A.; Aeronautical Engineering, Odhams, 1942, Capítulo 13, "Airscrews". Força de flexão de empuxo Cargas de empuxo nas pás, em reação à força empurrando o ar para trás, agem para flexionar as pás para frente. As pás então são normalmente colocadas para frente, de forma que a força centrífuga da rotação age para as flexionar para trás, balanceando os efeitos de flexão Forças de torção centrífugas e aerodinâmicas Uma força de torção centrífuga ocorre por qualquer objeto que gire de forma assimétrica. Na hélice, ela age ao torcer as pás da hélice para outro passo. O centro de pressão aerodinâmico é então comumente organizado um pouco para frente da sua linha central mecânica, criando um momento de torção para frente em direção ao passo largo e contrariando o momento centrífugo. Entretanto, em um mergulho em alta velocidade, a força aerodinâmica pode mudar significativamente e os momentos podem se desbalancear. Força centrífuga A força sentida pelas pás agindo para tirar elas do cubo quando girando. Pode ser utilizado para contrabalancear a força de torção, como descrito acima.