CAPÍTULO 20
TEORIA DE VOO
DE ALTA VELOCIDADE
NOTA - O leitor deverá verificar se a matéria deste capítulo faz parte do programa exigido para o seu curso.
INTRODUÇÃO
O voo dos aviões de alta velocidade é afetado pelo aparecimento de diversos fenômenos aerodinâmicos que não ocorrem em baixa velocidade.
Esses fenômenos dão características especiais ao voo dos modernos aviões executivos e comerciais a reação, surgindo daí a necessidade dos seus pilotos conhecê-los antes de operar cada equipamento específico.
VOO EM BAIXA VELOCIDADE
Durante um voo em baixa velocidade, o avião desloca as partículas de ar que estão à sua frente.
Essa camada de ar, por sua vez, desloca as partículas de ar situadas mas à frente. Essa onda de impulsos em cadeia propaga-se sob forma de ondas de pressão esféricas, conforme mostra a figura abaixo (Imagem 2), à velocidade do som (aproximadamente 340m/s ou 1220 km/h ao nível do mar).
Graças a essa onda de impulsos, o ar atmosférico situado muito à frente do avião desloca-se antecipadamente, preparando-lhe a passagem. O escoamento do ar é, portanto suave e gera pequeno arrasto.
Quando o avião voa na mesma velocidade do som, as ondas de pressão não conseguem afastar-se do avião, pois este é tão veloz quanto elas.
Em conseqüência, as ondas de pressão ficam acumuladas no nariz do avião, formando uma fina parede de ar comprimido chamada Onda de Choque.
É fácil compreender que, na velocidade do som, as camadas de ar à frente do avião não podem ser "avisadas" da aproximação deste.
Elas são colhidas de surpresa e recebem o impacto do avião, sendo então comprimidas e achatadas na onda de choque.
Neste caso, esta recebe o nome de onda de proa, porque forma-se na proa (nariz) do avião.
É uma onda normal (ou seja, perpendicular) à direção do voo. O ar comprimido dentro dessa onda dificulta o avanço do avião, criando assim grande arrasto.
Quando o avião coa em velocidade superior à do som, a onda de proa deixa de ser normal e torna-se oblíqua, tomando a forma de um cone, que recebe o nome de Cone de Mach.
A abertura do cone forma o ângulo de Mach, conforme mostra a figura abaixo (Imagem 6).
Quanto maior a velocidade do avião, menor será o ângulo de Mach.
NÚMERO DE MACH
As velocidade elevadas são medidas através do Número de Mach, que é a razão entre a velocidade verdadeira do avião e a velocidade do som no mesmos nível de voo.
O termo "Mach" vem de Emst Mach, um físico austríaco que teve notável destaque no estudo de fluxo supersônico.
A velocidade do som depende unicamente da temperatura. Entretanto, o Número de Mach de um avião subindo a uma velocidade constante aumentará com a altitude.
Isso acontece por que a temperatura diminui com aumento da altitude, tornando menor a velocidade do som. Portanto, o número Mach aumenta não devido ao aumento da altitude, mas devido à diminuição da temperatura.
NÚMERO DE MACH CRÍTICO
Já sabemos que a velocidade do ar sofre aumento no extradorso da asa. isso dá origem a um fenômeno de alta velocidade que será explicado no exemplo a seguir.
Suponhamos que um avião esteja voando a 800 km/h em uma altitude onde a velocidade do som seja igual a 1000 km/h. Seu número mach será então de 0,8.
A figura abaixo (Imagem 3) mostra o perfil da asa desse avião, onde podemos notar que o escoamento atinge a velocidade de 1000 km/h (Mach 1) em um determinado ponto do extradorso da asa.
Se essa velocidade for excedida, surgirá ai uma onda de choque, que poderá fazer a asa entrar parcialmente em estol.
No exemplo da imagem acima, a onda de choque aparece pela primeira vez no avião em um ponto sobre o extradorso da asa, junto à fuselagem (onde a espessura do perfil é maior), quando o avião ultrapassa o Número Mach 0,8. Dizemos então que o Número de Mach Crítico desse avião é igual a 0,8.
CAMADA LIMITE
É uma fina camada de ar de baixa velocidade aderente à superfície externa do avião, a qual mantém os filetes superiores do ar escoando suavemente, acompanhando o perfil aerodinâmico do avião.
Se a camada limite separar-se da asa por um motivo qualquer, os filetes de ar deixarão também de acompanhar o perfil da asa, criando-se então uma turbulência a partir do ponto de separação.
Nota - A espessura da camada limite foi bastante exagerada para clareza.
Quando um avião ultrapassa o Número de Mach Crítico, aparece uma onda de choque sobre a asa. As pressões elevadas que existem dentro dessa onda de choque dificultam o avanço da camada limite, que poderá inclusive para sobre o extradorso. Se isso acontecer, a camada limite separar-se-á da asa, gerando um turbilhonamento.
Portanto a asa deve ser construída de modo que a onda de choque apareça o mais tardiamente possível; ou seja, de modo que o Número de Mach Crítico seja o maior possível.
Para aumentar o Número de Mach Crítico, podem ser usados perfis laminares ou perfis especiais chamados supercríticos. Nesses perfis, a curvatura do extradorso é pouco acentuada, evitando grandes aumentos de velocidade; como resultado, a onda de choque só aparecerá em velocidades (ou Números de Mach) mais elevadas.
Na imagem abaixo podemos notar que o perfil comum possui um extradorso muito protuberante próximo ao bordo de ataque, o que acontece com o perfis laminar é supercrítico.
O Número de Mach Crítico pode também ser aumentado através do uso de asas enflechadas, Nessas asas, a componente da velocidade do ar no sentido perpendicular ao comprimento da asa é menor do que a velocidade do vento relativo sobre o avião, conforme mostra a figura abaixo (Imagem 7). Isso faz com que a onda de choque no extradorso apareça mais tardiamente.
O deslocamento ou separação da camada limite pode ser evitado através de Geradores de Vórtice ("Vortex Generators", em inglês). Esses geradores são lâminas inclinadas que funcionam como se fossem pequenas pontas de asa.
O turbilhonamento induzido (Estudado anteriormente) cria um filete de ar em espiral de alta velocidade que choca-se de encontro à camada limite prestes a estagnar, dando-lhe um novo impulso.
A camada limite torna-se turbulenta, mas evitará o deslocamento, por que possui maior velocidade, ou seja, mais energia.
CLASSIFICAÇÃO DOS AVIÕES
De acordo com a velocidade do coo, o avião é geralmente considerado como sendo de baixa velocidade até 350 kt ou 650 km/h, e alta velocidade acima desse limite (não há concordância universal quanto a esse valor). Temos ainda um outro critério de classificação:
LIMITES DE VELOCIDADE
Os aviões de alta velocidade devem respeitar dois limites de velocidade a VMO e o MMO.
ONDAS DE EXPANSÃO
INTRODUÇÃO
O voo dos aviões de alta velocidade é afetado pelo aparecimento de diversos fenômenos aerodinâmicos que não ocorrem em baixa velocidade.
Esses fenômenos dão características especiais ao voo dos modernos aviões executivos e comerciais a reação, surgindo daí a necessidade dos seus pilotos conhecê-los antes de operar cada equipamento específico.
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| Imagem 1 |
VOO EM BAIXA VELOCIDADE
Durante um voo em baixa velocidade, o avião desloca as partículas de ar que estão à sua frente.
Essa camada de ar, por sua vez, desloca as partículas de ar situadas mas à frente. Essa onda de impulsos em cadeia propaga-se sob forma de ondas de pressão esféricas, conforme mostra a figura abaixo (Imagem 2), à velocidade do som (aproximadamente 340m/s ou 1220 km/h ao nível do mar).
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| Imagem 2 |
Graças a essa onda de impulsos, o ar atmosférico situado muito à frente do avião desloca-se antecipadamente, preparando-lhe a passagem. O escoamento do ar é, portanto suave e gera pequeno arrasto.
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| Imagem 3 |
Quando o avião voa na mesma velocidade do som, as ondas de pressão não conseguem afastar-se do avião, pois este é tão veloz quanto elas.
Em conseqüência, as ondas de pressão ficam acumuladas no nariz do avião, formando uma fina parede de ar comprimido chamada Onda de Choque.
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| Imagem 4 |
É fácil compreender que, na velocidade do som, as camadas de ar à frente do avião não podem ser "avisadas" da aproximação deste.
Elas são colhidas de surpresa e recebem o impacto do avião, sendo então comprimidas e achatadas na onda de choque.
Neste caso, esta recebe o nome de onda de proa, porque forma-se na proa (nariz) do avião.
É uma onda normal (ou seja, perpendicular) à direção do voo. O ar comprimido dentro dessa onda dificulta o avanço do avião, criando assim grande arrasto.
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| Imagem 5 |
Quando o avião coa em velocidade superior à do som, a onda de proa deixa de ser normal e torna-se oblíqua, tomando a forma de um cone, que recebe o nome de Cone de Mach.
A abertura do cone forma o ângulo de Mach, conforme mostra a figura abaixo (Imagem 6).
Quanto maior a velocidade do avião, menor será o ângulo de Mach.
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| Imagem 6 |
As velocidade elevadas são medidas através do Número de Mach, que é a razão entre a velocidade verdadeira do avião e a velocidade do som no mesmos nível de voo.
O termo "Mach" vem de Emst Mach, um físico austríaco que teve notável destaque no estudo de fluxo supersônico.
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| Imagem 1 |
A velocidade do som depende unicamente da temperatura. Entretanto, o Número de Mach de um avião subindo a uma velocidade constante aumentará com a altitude.
Isso acontece por que a temperatura diminui com aumento da altitude, tornando menor a velocidade do som. Portanto, o número Mach aumenta não devido ao aumento da altitude, mas devido à diminuição da temperatura.
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| Imagem 2 |
NÚMERO DE MACH CRÍTICO
Já sabemos que a velocidade do ar sofre aumento no extradorso da asa. isso dá origem a um fenômeno de alta velocidade que será explicado no exemplo a seguir.
Suponhamos que um avião esteja voando a 800 km/h em uma altitude onde a velocidade do som seja igual a 1000 km/h. Seu número mach será então de 0,8.
A figura abaixo (Imagem 3) mostra o perfil da asa desse avião, onde podemos notar que o escoamento atinge a velocidade de 1000 km/h (Mach 1) em um determinado ponto do extradorso da asa.
Se essa velocidade for excedida, surgirá ai uma onda de choque, que poderá fazer a asa entrar parcialmente em estol.
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| Imagem 3 |
No exemplo da imagem acima, a onda de choque aparece pela primeira vez no avião em um ponto sobre o extradorso da asa, junto à fuselagem (onde a espessura do perfil é maior), quando o avião ultrapassa o Número Mach 0,8. Dizemos então que o Número de Mach Crítico desse avião é igual a 0,8.
CAMADA LIMITE
É uma fina camada de ar de baixa velocidade aderente à superfície externa do avião, a qual mantém os filetes superiores do ar escoando suavemente, acompanhando o perfil aerodinâmico do avião.
Se a camada limite separar-se da asa por um motivo qualquer, os filetes de ar deixarão também de acompanhar o perfil da asa, criando-se então uma turbulência a partir do ponto de separação.
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| Imagem 4 |
Nota - A espessura da camada limite foi bastante exagerada para clareza.
Quando um avião ultrapassa o Número de Mach Crítico, aparece uma onda de choque sobre a asa. As pressões elevadas que existem dentro dessa onda de choque dificultam o avanço da camada limite, que poderá inclusive para sobre o extradorso. Se isso acontecer, a camada limite separar-se-á da asa, gerando um turbilhonamento.
Portanto a asa deve ser construída de modo que a onda de choque apareça o mais tardiamente possível; ou seja, de modo que o Número de Mach Crítico seja o maior possível.
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| Imagem 5 |
Para aumentar o Número de Mach Crítico, podem ser usados perfis laminares ou perfis especiais chamados supercríticos. Nesses perfis, a curvatura do extradorso é pouco acentuada, evitando grandes aumentos de velocidade; como resultado, a onda de choque só aparecerá em velocidades (ou Números de Mach) mais elevadas.
Na imagem abaixo podemos notar que o perfil comum possui um extradorso muito protuberante próximo ao bordo de ataque, o que acontece com o perfis laminar é supercrítico.
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| Imagem 6 |
O Número de Mach Crítico pode também ser aumentado através do uso de asas enflechadas, Nessas asas, a componente da velocidade do ar no sentido perpendicular ao comprimento da asa é menor do que a velocidade do vento relativo sobre o avião, conforme mostra a figura abaixo (Imagem 7). Isso faz com que a onda de choque no extradorso apareça mais tardiamente.
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| Imagem 7 |
O deslocamento ou separação da camada limite pode ser evitado através de Geradores de Vórtice ("Vortex Generators", em inglês). Esses geradores são lâminas inclinadas que funcionam como se fossem pequenas pontas de asa.
O turbilhonamento induzido (Estudado anteriormente) cria um filete de ar em espiral de alta velocidade que choca-se de encontro à camada limite prestes a estagnar, dando-lhe um novo impulso.
A camada limite torna-se turbulenta, mas evitará o deslocamento, por que possui maior velocidade, ou seja, mais energia.
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| Imagem 8 |
CLASSIFICAÇÃO DOS AVIÕES
De acordo com a velocidade do coo, o avião é geralmente considerado como sendo de baixa velocidade até 350 kt ou 650 km/h, e alta velocidade acima desse limite (não há concordância universal quanto a esse valor). Temos ainda um outro critério de classificação:
- Aviões Subsônicos - Quando voam abaixo do Número de Mach Crítico.
- Aviões Transônicos - Quando voam acimado Número de Mach Crítico, porém abaixo de Mach 1.
- Aviões Supersônicos - Quando voam acima de Mach 1
LIMITES DE VELOCIDADE
Os aviões de alta velocidade devem respeitar dois limites de velocidade a VMO e o MMO.
- VMO - Velocidade Máxima operacional, que é estabelecida pelo fabricante da estrutura. Acima da VMO, o avião pode sofrer danos estruturais.
- MMO - Mach Máximo Operacional, que é estabelecido pelo fabricante em função do tipo de operação. Por exemplo, um avião do tipo subsônico não pode ultrapassar o MMO sem que apareçam perigosas tendências de voo causadas pelo aparecimento de ondas de choque.
ENVELOPE AERODINÂMICO
Como a VMO e o MMO variam conforme a altitude em que o avião está voando, foi criado um gráfico chamado Envelope Aerodinâmico, que serve para indicar rapidamente a velocidade máxima que o piloto poderá permitir que avião desenvolva em uma determinada altitude.
No envelope apresentado abaixo (Imagem 9), observamos que existe uma Altitude de Transição. Abaixo dessa altitude, o piloto deverá evitar que a VMO seja excedida. Ele não precisará preocupar-se com o MMO, por que o avião atingirá a VMO antes do MMO. Acima da altitude de transição, ocorre o contrário: o piloto deverá observar o MMO, evitando que o avião o exceda.
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| Imagem 9 |
É o efeito contrário ao da onda de choque. A onda de expansão aparece quando o fluxo de ar em alta velocidade é obrigado a expandir-se. Passando através de uma onda de expansão, a densidade e a pressão do ar diminuem bruscamente e a velocidade aumenta.
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| Imagem 10 |
Em um aerofólio supersônico aparecem ondas de expansão e ondas de choque, conforma mostra a figura abaixo (Imagem 11).
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| Imagem 11 |
Elas são aproveitadas para criar regiões de alta e baixa pressão, as quais geram sustentação. Existem diversos tipos de perfis supersônicos. A imagem acima mostra um perfil em forma de cunha.
FLUXO TRANSVERSAL
Sabemos que a pressão na parte central do perfil é menor do que na região do bordo de ataque e do bordo de fuga, devido ao aumento da velocidade do ar. Isso faz com que as linhas de fluxo em uma asa enflechada não sigam a direção original do escoamento.
No bordo de ataque, o ar se escoa em direção à fuselagem e no bordo de fuga, ele se escoa em direção às pontas das asas.
Esse fluxo curvo que está sendo mostrado a figura abaixo (Imagem 12), chama-se fluxo transversal do escoamento
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| Imagem 12 |
NOTA: O fluxo transversal mostrado ocorre sobre a asa, acima da camada limite. Dentro da camada limite, há um outro fluxo transversão, que será visto no item seguinte.
FLUXO TRANSVERSAL DA CAMADA LIMITE
A camada limite em uma asa enflechada escoa continuamente da raiz da asa em direção as pontas. Nesse percurso, ela perde velocidade devido ao atrito com a superfície da asa e pode descolar próximo às pontas, produzindo o estol nessas áreas.
Para evitar esse fenômeno causado pelo fluxo transversal da camada limite, são usadas barreiras chamadas wing fences.
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| Imagem 13 |
DEFLEXÃO AEROELÁSTICA DAS PONTAS
Quando uma asa enflechada produz sustentação, ela fica um pouco torcida, de modo tal que as pntas ficam com ângulo de ataque menor. Como resultado, a parte central da asa, que fica junto à fuselagem e localizada mais à frente do que as pontas, passa a produzir a maior parte da sustentação.
Se esse deslocamento for muito grande, o Centro de Pressão poderá ficar à frente do Centro de Gravidade, reduzindo a estabilidade longitudinal do avião (Conforme estudado anteriormente).
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| Imagem 14 |
FENÔMENOS DO VOO EM ALTA VELOCIDADE
O voo em alta velocidade pode dar origem aos mais variados fenômenos, alguns dos quais ainda hoje continuam em estudo, apesar de estarem sob controle.
A figura abaixo (Imagem 15) mostra três fenômenos típicos que resultam do descolamento em diferentes regiões de uma asa enflechada, geralmente ocorrendo inesperadamente quando o avião atinge um determinado Número de Mach. (As causas desses fenômenos não serão estudadas, pois fogem as finalidades do curso).
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| Imagem 15 |
O comportamento dos aviões em alta velocidade e altitude depende do número de Mach, e não da velocidade. Assim, o piloto efetuará o voo de cruzeiro mantendo um determinado número de Mach, observando o MMO e outros limites (definidos em números de Mach), a fim de evitar os problemas de controlabilidade e outros fenômenos de alta velocidade.
Por esse motivo, o piloto utilizará a indicação de velocidade fornecida pelo velocímetro somente nas baixas velocidades.
Durante o voo de cruzeiro, ele utilizará o número de Mach que o instrumento indica nas faixas mais elevadas de velocidade.
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| Imagem 16 |
E aqui terminamos os estudos do livro de Aerodinâmica e Teoria de Voo do Autor Jorge M. Homa
Meus parabéns a todos que chegaram até aqui!!! Bons estudos e espero ter ajudado!!!
Deixe seu comentário sobre o que achou dos estudos e o que podemos melhorar, pois sua participação é muito importante para melhorar o Blogger!
Parabéns pelo trabalho! Um material resumido porém com um alto grau de informação.
ResponderExcluirMuito bom mesmo me ajudou muito.
ResponderExcluirAgradeço muito sua informaçao, estou estudando para a prova de PLA na ANAC e é de grande ajuda! Mas por favor, me poderia confirmar se a velocidade maxima para o regime transonico é Mach 1? Eu pensava que o regime de voo transonico era de 0.75-1.20. Obrigado!
ResponderExcluirA aeronave começa a ter tendencias de comportamento transonico a +- 0.75, porém transonico mesmo só a MACH 1.
ExcluirObrigado!
Excluirmuito bom!
ResponderExcluirParabéns, pelo trabalho. Gostaria de saber a diferença entre a velocidade e o numero mach.
ResponderExcluirParabéns pelo trabalho! Um material resumido porém com um alto grau de informação.
ResponderExcluirgostaria que publicassem algo identificado com voo supersonico
ResponderExcluirDá uma lida neste post https://formacaopiloto.blogspot.com/2014/07/aerodinamica-e-teoria-de-voo-capitulo_23.html
ExcluirEstava estudando sobre camada limite para um trabalho da disciplina de fenômenos dos transportes. Muito obrigado!! Além de muito interessante, esse material me ajudou bastante!
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