Caracterização experimental do desempenho propulsivo e aeroacústico de hélices co-rotativas em tandem na geração de empuxo estático

Abstract

A crescente demanda por soluções sustentáveis no setor aeronáutico, impulsionada pelo avanço da mobilidade aérea urbana (UAM) e pelo desenvolvimento de aeronaves elétricas regionais, tem estimulado o estudo de sistemas propulsivos alternativos capazes de aliar eficiência energética e baixo impacto acústico. Nesse contexto, o presente trabalho investiga experimentalmente o desempenho aerodinâmico e aeroacústico de hélices co-rotativas em tandem, com o objetivo de compreender os efeitos do espaçamento axial e do ângulo de fase entre as hélices sobre a eficiência propulsiva e o ruído radiado. O estudo foi conduzido por meio de uma bancada instrumentada para medições simultâneas de empuxo, torque e pressão sonora. As configurações testadas variaram o espaçamento axial (S = 0.5 in, 1.2 in e 2.0 in) e o ângulo de fase (ψ = 0◦, 45◦ e 90◦), abrangendo condições representativas de arranjos propulsivos aplicáveis a eVTOLs e aeronaves de propulsão distribuída. Os resultados mostraram que a proximidade entre as hélices intensifica as perdas de desempenho devido à interferência da esteira, enquanto o aumento do espaçamento promove a recuperação do escoamento e a melhoria da eficiência. Em termos aeroacústicos, observou-se que o desfasamento angular entre as hélices contribui para a atenuação do ruído tonal, especialmente em ψ = 90◦, resultando em reduções de até 12 dB em relação à configuração em fase. As análises da Figura de Mérito indicaram que as combinações de maior espaçamento e defasagem angular apresentam o melhor compromisso entre eficiência e ruído. Os resultados obtidos confirmam o potencial das configurações co-rotativas em tandem para aplicação em aeronaves elétricas e sustentáveis, demonstrando que a otimização geométrica desses sistemas pode contribuir significativamente para o desenvolvimento de soluções propulsivas mais eficientes, silenciosas e ambientalmente responsáveis.

The growing demand for sustainable solutions in the aerospace sector, driven by the rise of Urban Air Mobility (UAM) and the development of regional electric aircraft, has motivated the investigation of alternative propulsive systems capable of combining high efficiency with low acoustic impact. In this context, the present work experimentally investigates the aerodynamic and aeroacoustic performance of co-rotating tandem propellers, aiming to understand the effects of axial spacing and phase angle between rotors on propulsive efficiency and radiated noise. The study was conducted in a wind tunnel using an instrumented test bench for simultaneous measurements of thrust, torque, and sound pressure. The tested configurations varied the axial spacing (S = 0.5 in, 1.2 in, and 2.0 in) and the phase angle (ψ = 0◦, 45◦, and 90◦), covering representative conditions of propulsive arrangements applicable to eVTOLs and distributed propulsion aircraft. Results showed that close propeller spacing intensifies performance losses due to wake interference, while increasing the distance allows partial recovery of the flow and improvement in overall efficiency. From an aeroacoustic perspective, it was observed that phase offset between the propellers contributes to tonal noise attenuation, especially at ψ = 90◦, leading to reductions of up to 12 dB compared to the in-phase configuration. The analysis of the Figure of Merit indicated that configurations combining larger spacing and angular offset provide the best trade-off between aerodynamic efficiency and noise emission. The results confirm the potential of co-rotating tandem propeller systems for application in electric and sustainable aircraft, demonstrating that the geometric optimization of such configurations can significantly contribute to the development of more efficient, quieter, and environmentally responsible propulsion solutions.