O que é uma ‘hélice toroidal’ e poderia mudar o futuro dos drones? Um especialista explica

A configuração básica das hélices tradicionais não mudou fundamentalmente desde o primeiro voo motorizado dos irmãos Wright em 1903.

No entanto, à medida que os engenheiros aprendem mais sobre aerodinâmica e tentam novos experimentos, as hélices estão evoluindo para formas mais complexas. Estes apresentam várias lâminas, ângulos de varredura altos, dispositivos de ponta de lâmina e outros recursos para otimizar o desempenho em diferentes condições.

Um avanço recente na tecnologia de hélices são as hélices “toroidais”. Esses dispositivos são em forma de anel, com as lâminas girando umas sobre as outras. Alguns artigos e vídeos recentes têm divulgado isso – mas quão “revolucionários” eles são, realmente?

Refinando a forma

Em 2017, pesquisadores do MIT registraram uma patente para hélices toroidais. Sua patente afirma que a invenção é mais eficiente do que as hélices tradicionais e é menos barulhenta.

Coincidentemente, já em 2012, a empresa de engenharia americana Sharrow Marine também desenvolveu uma hélice toroidal para barcos; eles demonstraram que é mais eficiente e mais silencioso do que as hélices marítimas tradicionais.

A razão pela qual as hélices toroidais podem ser mais silenciosas é por causa de sua forma complexa – ela minimiza a força do vórtice (um movimento espiral de ar, água ou outro fluido) que ocorre naturalmente nas pontas das pás da hélice.

Isso acontece porque há uma região de alta pressão sob a lâmina e baixa pressão acima dela. À medida que o ar de alta pressão sob a lâmina se move em direção à região de baixa pressão acima dela, ele viaja em espiral – um vórtice.

Esse fenômeno não é exclusivo das pás das hélices, que são essencialmente asas rotativas. A asa de um avião também experimenta esse fenômeno. Os engenheiros fizeram muitas pesquisas sobre dispositivos de ponta de asa que podem minimizar isso.

O uso de estruturas de malha fechada – como em uma hélice toroidal – é uma forma de reduzir os vórtices de ponta.

Embora a forma básica da hélice tenha permanecido a mesma desde sua invenção, muitos projetos de pás de hélice foram apresentados. Para testá-los, os engenheiros precisam realizar estudos de trade-off de design. Algumas dessas abordagens foram testadas para tentar tornar as hélices e drones de helicópteros mais eficientes e menos barulhentos.

Sem hélice mágica

É importante entender que a geometria da hélice deve ser otimizada para um “envelope operacional” específico. Isso significa as propriedades do fluido ou ar em que opera, velocidade de rotação, velocidade de avanço e outros detalhes. Fora desse envelope, a hélice terá um desempenho ruim.

Até agora, ninguém conseguiu a geometria mágica da hélice que alcançará baixo ruído e alta eficiência para todas as condições e escalas de operação. As hélices toroidais não são exceção – dos escassos resultados disponíveis até agora, suas vantagens ainda não foram totalmente quantificadas.

Comparar uma hélice toroidal bem projetada com uma hélice tradicional mal projetada mostrará uma melhoria significativa, mas não é uma comparação justa.

Hélices toroidais bem projetadas podem ter vantagens em condições operacionais específicas, como fluidos densos ou uma faixa específica de velocidades. No entanto, permanece a questão de como uma hélice toroidal se compara a uma hélice tradicional bem projetada para as mesmas condições.

Isso é um desafio, pois as melhorias são sempre relativas a um benchmark, que pode não ser o design mais eficiente para começar.

Outro aspecto de uma comparação justa que parece não ter sido publicada para hélices toroidais é comparar diferentes hélices com a mesma força de empuxo. Só então você pode ver as verdadeiras vantagens em relação à redução de ruído e energia necessária para girar a hélice.

Experimentos caseiros não são representativos

Um anúncio do MIT no início deste ano sobre hélices toroidais ganhando um dos prêmios 2022 R&D 100 do MIT Lincoln Laboratory gerou uma empolgação significativa. Tem havido experimentação generalizada com hélices toroidais impressas em 3D, mas nem todas elas produziram resultados positivos.

Isso pode ser devido à geometria não otimizada e ao baixo rigor científico do público em geral que conduz alguns desses experimentos. Isso dá à comunidade científica uma oportunidade de pesquisa – para realmente avaliar e otimizar e hélices tradicionais para melhorar seu desempenho.

Estudos de otimização anteriores foram realizados, alguns dos quais até usam técnicas de aprendizado de máquina para identificar geometrias adequadas. Os engenheiros também estão tentando fazer hélices que soem menos irritantes, considerando como os humanos percebem o som.

Caro e difícil de escalar

As hélices toroidais também têm desvantagens claras. A principal delas é a dificuldade de dimensioná-los para produção em massa devido à sua geometria complexa, o que leva a altos custos de produção.

A estrutura complexa também requer cuidados especiais para evitar vibrações indesejadas – um problema significativo ao girar em altas velocidades. Isso também aumenta os custos de fabricação mais altos.

Quando se trata de usar hélices toroidais para drones, seu peso maior também terá implicações na capacidade de resposta e estabilidade do drone. Isso é crítico ao operar em condições de vento e turbulência, como tempo ventoso.

No geral, as hélices toroidais são um desenvolvimento recente empolgante no projeto de hélices, pelo menos em alguns casos. Embora possam ser mais silenciosos, eles ainda não substituirão completamente os acessórios tradicionais – não há um design de hélice único que se adapte a todas as situações.

Este artigo foi republicado de The Conversation sob uma licença Creative Commons. Leia o artigo original.