O programa BERP - da concepcao aos dias atuais

O programa BERP - da concepcao aos dias atuais

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O Programa BERP – da Concepção aos Dias Atuais

Waldir Eustáquio Gava wegava@yahoo.com.br

Aluno MP-Safety 2008

Instituto Tecnológico de Aeronáutica (ITA) 12228-900 São José dos Campos, SP, Brasil

Resumo

O BERP (British Experimental Rotor Program) tem gerado novas tecnologias de rotores desde 1975, e tem provido rotores avançados para aeronaves como o Sea King, Lynx e AW 101 Merlin. A especificação detalhada de requisitos e o desenvolvimento integrado do produto formam uma base sólida para que este programa audacioso atinja suas metas. Este artigo mostra uma breve visão histórica do seu desenvolvimento, destacando as características aerodinâmicas das pás BERP I e BERP IV.

Abstract

The BERP (British Experimental Rotor Program) has paved the way to new technologies of rotors since 1975, and has provided advanced rotors for aircraft like the Sea King, Lynx and AW101 Merlin. The detailed specification of requirements and the integrated development of the product has formed a solid basis so that this audacious program reaching its goals. This article shows a brief historical overview of its development, highlighting the aerodynamic characteristics of BERP I and BERP IV blades.

Palavras-chaves: Helicópteros; projetos; rotores; pás.

1. Introdução

Quando os primeiros helicópteros entraram em operação no início da década de 1940, muitos acreditavam que esta máquina não se sustentaria comercialmente até os dias de hoje. Este pessimismo era justificado pela grande quantidade de desafios a serem vencidos e pelos muitos anos de desenvolvimento gastos até que o primeiro helicóptero fosse fabricado em série. Se muitos desses desafios foram superados, outros continuam a ser enfrentados nos dias de hoje, como, por exemplo, as limitações associadas ao aumento do envelope operacional do helicóptero na condição de vôo à frente (DE ANDRADE, 2006).

Muitos aerodinamicistas, durante estes anos, têm dispensado diversas horas de pesquisas na tentativa de ampliar a faixa de velocidade de operação em cruzeiro dos helicópteros, e as indústrias têm investido em tecnologias para colocar seus produtos num mercado cada vez mais exigente.

O BERP (British Experimental Rotor Program) é um projeto da Westland, em parceria com o Ministério da Defesa Britânico (UK MoD), que desde a década de 1970 permitiu avanços na tecnologia de rotores, desenvolvendo produtos para um forte posicionamento no mercado mundial e abastecendo, particularmente, as Forças Armadas Britânicas com melhoramentos expressivos na capacidade operacional.

O propósito do programa é prover um pacote de pesquisas e desenvolvimento, financiado pela indústria e pelo UK MoD. O programa trata de desenvolvimento de alta tecnologia, além da estrutura de produção, provendo melhorias em todos os aspectos do projeto, fabricação e ensaios do rotor. Este desenvolvimento tem, subseqüentemente, sido explorado no ambiente de produção com programas de baixos riscos de custo e tempo.

Este artigo tem por objetivo descrever brevemente a evolução histórica desse projeto até os dias de hoje, enfatizando as principais características aerodinâmicas das pás BERP I e BERP IV. Não é do escopo deste artigo esgotar todas as informações sobre o programa.

O objetivo do primeiro programa BERP foi desenvolver conhecimentos estruturados e experiência em projetos e fabricação de pás de material compósito no período de 1975 a 1978.

Este objetivo foi atingido no projeto das pás de material compósito do rotor principal e de cauda do Westland Sea King. As primeiras pás de material compósito fabricadas tinham a mesma massa e as mesmas propriedades dinâmicas e de perfil da antiga pá metálica da Sikorsky. Entretanto, quando as pás foram introduzidas em serviço na Marinha e Força Aérea Britânicas, houve uma redução de 5% de combustível devido ao menor coeficiente de arrasto da pá (HARRISON et al., 2008).

O programa BERP I (1978-1980) expandiu as façanhas do BERP I, promovendo um desenvolvimento nas técnicas de manufatura e uma expansão da utilidade dos materiais compósitos qualificados a serem empregados em futuros programas. O programa também incluiu o aperfeiçoamento nos conceitos aerodinâmicos do projeto, como a ponta BERP e novas seções de aerofólio que foram demonstradas posteriormente em vôo durante o programa BERP I. O último objetivo deste trabalho foi capacitar, subseqüentemente, a produção de pás de material compósito com formas aerodinamicamente avançadas (HARRISON et al., 2008).

O cumprimento destas etapas iniciais do programa permitiu o alcance de metas ainda mais arrojadas nos estágios futuros, que são apresentados, de forma mais detalhada, a seguir.

O programa BERP I foi a continuação do BERP I e incluiu alguns avanços no projeto aerodinâmico e no desenvolvimento da manufatura de materiais compósitos. Respeitando o foco principal deste artigo, somente os avanços aerodinâmicos serão apresentados.

A pá do rotor BERP é inconfundível por causa da sua forma exclusiva de ponta de pá, a qual é mostrada na Figura 1. O progresso aerodinâmico que a pá BERP apresenta é o resultado de inovações tanto no design do aerofólio como na forma de sua ponta. A pá BERP possui torção aerodinâmica com três tipos de aerofólios de alto desempenho baseados na família RAE (Royal Aerospace Establishment), como mostrado na Figura 2. O aerofólio principal, que possui o máximo coeficiente de sustentação, é o RAE9645 com 12 % de espessura, localizado de 65% a 85% da pá. Até 65 % da pá é utilizado o aerofólio RAE9648, e na região da ponta, que se assemelha a ponta de um remo, utiliza-se o aerofólio RAE9634, com 8,5% de espessura, para fornecer pequenos momentos de arfagem e atrasar a formação de ondas de choque em altos valores de velocidade à frente.

Figura 1 – Ponta da pá BERP IFigura 2 – Aerofólios utilizados no projeto BERP I.

Como mostra a Figura 2, nos últimos 16% da pá, verifica-se um aumento progressivo da corda do perfil e do enflechamento, com um valor maior deste último na sua parte final. O resultado é uma redução eficaz dos efeitos de compressibilidade no rotor com o aumento da velocidade. Como o número de Mach varia linearmente ao longo da pá, o aumento progressivo do enflechamento minimiza e mantém aproximadamente constante o número de Mach no bordo de ataque da ponta da pá.

Outra diferença na pá BERP refere-se à distribuição de área na região da ponta, que é configurada para assegurar um centro de pressão próximo ao eixo elástico da pá. Por esta razão, a 86% da pá há uma descontinuidade do bordo de ataque, referido como notch (chanfro), que desloca a localização do eixo de ¼ da corda para frente (LEISHMAN, 2006).

Deve-se notar ainda que, embora o enflechamento da ponta minimize os efeitos de compressibilidade e, conseqüentemente, reduza o arrasto de perfil e diminua a necessidade de potência ainda mais elevada em altas velocidades de deslocamento à frente, ela não melhora necessariamente o desempenho do rotor com altos valores de ângulo de ataque na pá que recua (estol dinâmico). De fato, como mostra os resultados apresentados na Figura 3, o enflechamento pode ter um desempenho inferior no vôo à frente quando comparando com uma pá retangular (LEISHMAN, 2006).

Diante desta solução de compromisso, a pá BERP é especialmente projetada para maximizar seu desempenho tanto na região da pá que avança (com baixos ângulos de ataque), como também na região da pá que recua (com altos ângulos de ataque). Este atributo é obtido por meio da geração de um tip vortex estável que aumenta a sustentação e retarda o ponto de descolamento na região da ponta em altos ângulos de ataque (veja Figura 4).

Figura 3 - Coeficiente L/D para diferentes tipos de ponta de pá (McVEIGH & McHUGH, 1982).

Figura 4 – Tip Vortex na pá BERP I.

Quando o ângulo de ataque da pá é aumentado, este vórtex começa a se desenvolver no enflechamento do bordo de ataque. Em altos ângulos de ataque, o vórtex começa a aproximar-se da parte mais frontal do mesmo, próximo da região do chanfro. Experimentos feitos por Duque & Brocklehurst (1990) mostraram que um segundo vórtex é formado no chanfro, o qual escoa por sobre a pá. Esta esteira de vórtex gera uma região de baixa pressão no extradorso e, conseqüentemente, uma força de sustentação adicional. Desta maneira, a pá pode alcançar ângulos de ataque próximos a 22º antes de sofrer uma queda abrupta no coeficiente de sustentação, quando finalmente o turbilhonamento é muito significativo.

Figura 5 – Envelope de vôo do helicóptero Westland Lynx com pá padrão retangular e com pá BERP (PERRY et al.,1998).

O desempenho do rotor BERP é confirmado pelos resultados mostrados na Figura 5, a partir de ensaios em vôo do helicóptero Westland Lynx. Este gráfico relaciona o coeficiente de carregamento da pá em função da razão de avanço e mostra que o Lynx com as pás BERP, obtém um aumento significativo do envelope de vôo operacional, em comparação com as pás retangulares. Um prova destas características aerodinâmicas benéficas foi quando um helicóptero Lynx modificado bateu o recorde mundial de velocidade em 1986, mostrado na Figura 6. Este helicóptero conseguiu atingir a velocidade recorde de 216 kt; um recorde que se mantém até os dias atuais, aproximadamente 2 anos depois. Isto ocorreu devido a duas principais modificações: as características aerodinâmicas anteriormente comentadas da pá BERP I e um uso inovador da potência do motor (PROUTY, 1988).

Figura 6 – Quebra do recorde mundial de velocidade para helicópteros, com a aeronave modificada G-Lynx, em 1986.

Com o sucesso desta inovação tecnológica, o BERP I foi explorado nas aeronaves da

Augusta-Westland Lynx e AW101 Merlin (ou EH101). A frota militar britânica de helicópteros Lynx teve suas pás retrofitadas e o AW101 utiliza esta tecnologia desde o início de seu projeto. Ambas as aeronaves são capazes de operar com cerca de 40% a mais de carga na pá do que a tecnologia do rotor convencional, permitindo assim, uma sustentação adicional para um dado peso e tamanho de rotor.

Este segmento do artigo é baseado em recente artigo de autoria de HARRISON e outros. (HARRISON et al., 2008).

O programa BERP IV iniciou-se em outubro de 1997 a partir dos estudos dos programas anteriores, os quais estavam focados em objetivos simples de desenvolver materiais para aumentar o desempenho das aeronaves. O programa BERP IV, contudo, definiu metas para prover um amplo desenvolvimento em todos os aspectos de custo e de desempenho das aeronaves. Foi dada ênfase em se pesquisar uma plataforma genérica a fim de se produzir um rotor em série, que pode ser aplicado com baixo risco em qualquer tipo de aeronave, elevando o tempo de vida operacional associado.

7 A equipe do programa tinha então os seguintes objetivos:

• Desenvolver uma tecnologia para se reduzir diretamente o custo de vida, diminuir a complexidade do projeto, aumentar a robustez e melhorar a qualidade de produção;

• Aumentar a relação carga paga pelo alcance, incluindo um aumento do desempenho no vôo pairado e no vôo a frente, e uma redução do nível vibratório; e

• Aumentar a resistência do rotor no campo de batalha.

Não é difícil de perceber que cada um desses objetivos tem diferentes trajetos de exploração e requerem inevitavelmente soluções de compromisso diferentes.

Para se alcançar este objetivo audacioso, o programa foi subdivido em três fases que podem ser resumidas a seguir:

• Fase 1: Avaliação da tecnologia;

• Fase 2: Seleção e integração da tecnologia; e

• Fase 3: Detalhamento, manufatura e teste do projeto.

Logo após o lançamento do programa uma equipe de especialistas foi montada com os representantes de cada área específica para finalmente projetar, fabricar e ensaiar a pá. Esta equipe multidisciplinar e os processos simultâneos do projeto e da fabricação levaram este programa ao sucesso.

4.1 Características aerodinâmicas da pá BERP IV

O projeto aerodinâmico de BERP IV foi realizado dentro do contexto de um DIP

(Desenvolvimento Integrado de Produto), e como tal, todas as características de projeto propostas, por razões aerodinâmicas de desempenho, por exemplo, foram avaliadas também na perspectiva das demais equipes do projeto. Somente as características aerodinâmicas que eram aceitáveis ao restante da equipe eram aplicadas para um novo desenvolvimento e, finalmente, permitidas de serem utilizadas na pá.

Dois requisitos aerodinâmicos do projeto fluíram diretamente dos objetivos gerais do programa: melhor desempenho no vôo pairado e, ao menos, o mesmo nível de desempenho no vôo à frente, comparando-se com a BERP I.

Em relação ao desempenho no vôo pairado, foi escolhido o aumento da torção da pá, procurando uma solução de compromisso entre a torção geométrica e a torção aerodinâmica. Durante a primeira fase do BERP IV foram feitas análises numéricas e ensaios em túnel de vento em diversas pás com torção variando de -8º a -18º. Estas pesquisas concluíram que a torção de - 16º era a melhor relação entre um bom desempenho no pairado e um menor nível de vibração. Como é um grau relativamente elevado de torção, os processos seguintes do projeto tiveram que considerar uma forma de aerofólio e de ponta de pá que suportassem tamanha torção.

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