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O que é um Anel de Vortex?

Vortex Ring, (uma condição de voo por vezes também chamada ‘settling with power’ ou ‘power settling’) é uma condição de voo em que um helicóptero que está a receber potência do(s) seu(s) motor(es) perde a elevação do rotor principal e subsequentemente sofre perda de controlo. O reconhecimento de que esta condição está se desenvolvendo pode ser difícil e o início rápido. Todos os tipos de helicópteros são vulneráveis a ela e pode ocorrer a qualquer altura fora do efeito do solo. Uma compreensão de como e porque se desenvolve é a melhor protecção contra um encontro.

Deve ser notado que o termo “Settling With Power” é frequentemente usado como uma alternativa ao Anel de Vortex para descrever a condição. Assentar Com Energia é na verdade uma condição sutilmente diferente e deve ser descrita com mais precisão como “Assentar Com Energia Insuficiente”. Esta última condição pode ocorrer quando se tenta parar uma baixa velocidade de descida, mas as exigências de potência não podem ser satisfeitas pelos motores dentro dos limites de potência correctos; isto não é verdade, o Vortex Ring, mas o Vortex Ring pode desenvolver-se a partir desta condição se não houver potência suficiente para evitar que a Taxa de Descida aumente. Da mesma forma, aterrissagens com excesso de velocidade podem ocorrer quando uma súbita e grande demanda de elevação, causada por uma rápida elevação da alavanca coletiva, pode gerar grandes forças de arrasto no rotor que reduzem rapidamente a rotação do rotor – se o(s) motor(es) não conseguir(em) reagir com rapidez suficiente para superar isso a aeronave está efetivamente operando com potência insuficiente e rotação reduzida do rotor com a correspondente perda de elevação. Em casos extremos os resultados podem ser catastróficos, mas esta condição não é o Vortex Ring.

Como acontece

A causa do verdadeiro Vortex Ring é dupla. Em todas as circunstâncias de voo existe um grau de circulação de ar nas pontas das pás onde o ar forçado para baixo gira aerodinamicamente em torno da ponta do aerofólio e forma um vortex; isto acontece com todos os aerofólios incluindo as asas fixas das aeronaves de asas. O vórtice gerado aumenta o arrasto e reduz a elevação. Se um helicóptero estiver descendo rapidamente, há um aumento do fluxo de ar nas pontas do rotor e isso aumenta rapidamente a força e o tamanho dos vórtices. Isto reduz a eficiência de elevação e aerofólio nas pontas das pás e requer mais potência do motor para superar o arrasto. Como as pás do rotor estão girando (ao contrário de fixadas em um avião) o vórtice viaja com as pás e o vórtice é formado em um anel em forma de “donut” na borda externa do disco do rotor.

Adicionalmente, como a taxa de descida aumenta, há um aumento do fluxo de ar nas raízes das pás. A velocidade das seções internas das lâminas é muito mais lenta do que a das pontas. À medida que a velocidade de descida aumenta, é possível que o ar ascendente modifique e aumente o ângulo de ataque local na extremidade da raiz, de tal forma que a extremidade da raiz da lâmina se estaque.

Se o passo colectivo for ainda mais aumentado quando a aeronave está neste estado, o ângulo de ataque ao longo de todo o comprimento da lâmina é aumentado. O efeito disto será aumentar a extensão do vortex da ponta que se estende mais para dentro da ponta. Consequentemente, a perda de elevação em ambas as extremidades das pás aumenta e a área ao redor da porção do meio da lâmina, que está realmente gerando elevação, diminui. A elevação total é reduzida e o helicóptero acelera para baixo. Esta aceleração aumenta o fluxo de ar para cima, o que agrava o estado de imobilização. No extremo, é possível que todo o comprimento das pás não produza mais nenhuma elevação.

Os efeitos de todos estes fatores são aumentados quando o helicóptero está com a massa toda para cima, porque é necessária mais potência para manter uma determinada condição de vôo, e é mais insidiosa quando operando a vento para baixo, como a ilusão visual de velocidade quando a vento para baixo mascara efetivamente a redução da velocidade do ar para frente.

Condições de habilitação

As pré-condições para o desenvolvimento do anel vortex são relativamente simples de identificar. Vão variar ligeiramente de tipo para tipo e com mudanças nas condições de operação como altitude de densidade, condições de vento e toda a massa ascendente. As 3 pré-condições são:

1. A aeronave tem de estar em voo motorizado. Se os motores não estiverem produzindo energia, a aeronave está em auto-rotação e o fluxo de ar (em vez de energia do motor) está sendo usado para impulsionar o movimento do rotor. Não é possível entrar no estado de anel de vórtice enquanto o helicóptero estiver em auto-rotação.
2. Tem que haver uma taxa de descida relativamente alta excedendo um valor real de aproximadamente 500’/minuto. (Note que devido a erros de pressão a baixa velocidade do ar e atraso do VSI, um valor de 300 fpm é normalmente dado como uma taxa máxima de descida). Sem a taxa de descida não há fluxo de ar para cima e não ocorre a inversão do fluxo de ar na raiz da lâmina. Da mesma forma, sem a descida, o vortex da ponta não é amplificado e por isso não é um fator significativo.
3. A aeronave tem que estar viajando a uma velocidade lenta para frente.Devido às indicações pouco confiáveis de ASI em sementes baixas, este é considerado como um IAS de menos de 30kt. Se houver maior velocidade de avanço então o fluxo vertical de ar é afetado pelo movimento para frente e os componentes verticais, que são os fatores geradores, são significativamente reduzidos ou até mesmo removidos à medida que o ar afetado é deixado para trás do disco do rotor.

Recognition

Vortex ring dá sintomas semelhantes em todos os helicópteros, mas a severidade pode variar consideravelmente de tipo para tipo. De fato, o projeto moderno da cabeça do rotor, particularmente onde há um sistema de amortecimento ativo da vibração, pode reduzir os sintomas do anel de vórtice incipiente. Quando os sintomas são perceptíveis, geralmente aparecem da seguinte forma:

• As condições do anel de vórtice incipiente são tipicamente:
  • aumento da vibração e bufê,
  • o início de pequenos ‘torques’ de amplitude em passo e evidência de instabilidade longitudinal, lateral e direcional.
• As condições estabelecidas do anel de vórtice são caracterizadas por:
  • um aumento muito rápido na taxa de descida para e acima de 3000fpm,
  • a eficácia reduzida das entradas cíclicas em rolo ou passo
  • a aplicação do passo colectivo falhando em parar a taxa de descida e geralmente aumentando-a.

Recuperação

• Estágio Incipiente. Uma vez reconhecido, uma resposta imediata é necessária. Mantenha a posição coletiva inalterada e aplique o ciclo para frente para alcançar uma atitude de aceleração (nariz para baixo) de modo a aumentar rapidamente a velocidade do ar para frente. Assim que for indicado um aumento constante da velocidade do ar, e acima de 30 KIAS, pode ser aplicada mais potência, se necessário, sem esperar até ser atingida a melhor taxa de velocidade de subida. Se esta acção não resolver a situação rapidamente então é melhor tratar a condição como estabelecida e tomar as acções abaixo.
• Condição Estabelecida. A recuperação só pode ser feita alterando o fluxo de ar ao redor do rotor e inevitavelmente levará a uma perda significativa de altura, o que torna impossível a recuperação de uma ocorrência de baixo nível. Existem duas ações teoricamente possíveis: Avançar o cíclico e baixar o colectivo. A combinação destas acções é susceptível de produzir a recuperação mais rápida com a menor perda de altura. A aplicação do cíclico para frente deve aumentar a velocidade do ar, mas um grande input mantido por vários segundos pode ser necessário antes que uma atitude significativa de inclinação e consequente mudança de velocidade seja alcançada, resultando em uma atitude significativa de nariz para baixo. Baixar o colectivo para reduzir a potência em direcção à auto-rotação, de modo a desarmar parte da parte interior das pás, também pode ser eficaz, mas a velocidade para a frente deve ser obtida antes da aplicação da potência durante a recuperação.

Aviso: Como a recuperação do anel de vórtice é susceptível de resultar numa perda de altitude muito grande, a melhor forma de recuperação é evitar que o estado surja, em primeiro lugar. A adesão estrita às taxas de monitoramento de descida a baixa velocidade é essencial, especialmente se a aeronave estiver operando com grande massa para cima e/ou a favor do vento.

• B412, arredores de Karlsborg Suécia, 2003 descreve um acidente no qual a tripulação de um helicóptero perdeu o controle da aeronave como resultado do mau manejo do piloto associado com o desenvolvimento de um Vortex Ring State.
• Offshore Helicopter Safety Review 2014 UK CAA
• Helioffshore Automation Guidance; uso eficaz da automação em helicópteros com múltiplas tripulações e defende SOPs baseados nele. V1.0 Publicado Dezembro 2016.