AERODINÂMICA E TEORIA DE VOO -> Capítulo XX - Teoria de Voo de Alta Velocidade

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.

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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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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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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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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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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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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.

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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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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.

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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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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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.

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.

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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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:

1. Aviões Subsônicos - Quando voam abaixo do Número de Mach Crítico.
2. Aviões Transônicos - Quando voam acimado Número de Mach Crítico, porém abaixo de Mach 1.
3. 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.

1. VMO - Velocidade Máxima operacional, que é estabelecida pelo fabricante da estrutura. Acima da VMO, o avião pode sofrer danos estruturais.
2. 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.

Imagem 9

ONDAS DE EXPANSÃO

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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Em um aerofólio supersônico aparecem ondas de expansão e ondas de choque, conforma mostra a figura abaixo (Imagem 11).

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

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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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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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).

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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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!

AERODINÂMICA E TEORIA DE VOO -> Capítulo XIX - Parafusos

CAPÍTULO 19 

PARAFUSOS

A figura abaixo (Imagem 1) mostra o avião sendo manobrado para entrar em parafuso.

Inicialmente, o piloto reduz o motor à marcha lenta e ergue gradualmente o nariz do avião.

Este perde velocidade e quando está prestes a estolar, o piloto pressiona um dos pedais o fundo, fazendo o avião derrapar.

A derrapagem faz uma das asas estolar. Essa asa desce e o avião entra em parafuso.

Imagem 1

O parafuso pode também ocorrer acidentalmente. Isso acontece quando o avião entra em estol assimétrico, sob influência de um dos fatores seguintes:

• Torque do Motor - Quando o avião está próximo ao ângulo crítico, o torque do motor tende a girar o avião no sentido contrário ao da rotação da hélice. Este efeito é muito mais pronunciado quando o avião entra em estol "com motor", ou seja, sem que a potência esteja reduzida.

• Asas com Incidências Diferentes - Para compensar a influência do torque do motor em voo de cruzeiro, o avião pode ter sido fabricado com incidências diferentes nas asas. Entretanto, isso não corrige o efeito do torque no voo próximo ao estol; pelo contrário, acentua-o ainda mais, porque a asa com incidência maior estola antes da outra, podendo dar início a um parafuso.

• Curvas - Durante uma curva muito inclinada, o piloto deve tomar cuidado para não entrar em estol. Se isso acontecer, o avião estará com excesso de inclinação e pouca sustentação. A glissada resultante e o efeito de diedro farão o avião entrar em parafuso girando no sentido contrário ao da curva.

RECUPERAÇÃO

Para fazer a recuperação de uma parafuso, o piloto deve primeiramente interromper a rotação, pressionando a funco o pedal do lado contrário ao da rotação.

A seguir, deverá sair do mergulho, puxando progressivamente o manche, para evitar o estol de velocidade.

Os parafusos não oferecem perigo ao avião, exceto quando ocorrem próximos ao solo.


PARAFUSO CHATO

Após dar algumas voltas em parafuso normal, os aviões de cauda pesada acabam erguendo o nariz, tornando o parafuso "chato", conforme mostra a figura abaixo (Imagem 2). Se isso acontecer, a recuperação através dos comandos de voo torna-se impossível.

Entretanto, em alguns aviões o piloto ocupa normalmente o assento traseiro quando voa só, nesse caso, ele pode mudar-se para o assento dianteiro, a fim de deslocar o centro de gravidade para a frente.

Com isso, o avião baixará o nariz, voltando ao parafuso normal, que possibilita recuperação conforme procedimento descrito no item anterior.

 

Imagem 2

Durante o parafuso chato, o avião desce girando em torno de si, no sentido vertical.

Portanto o ar escoa praticamente a 90º em relação ao eixo longitudinal do avião.

Isso cria fortes turbulências que tornam o profundor e o leme totalmente ineficazes para recuperar o avião do parafuso.

Por outro lado, essas mesmas turbulências criam forte arrasto, diminuindo consideravelmente a velocidade de descida do avião.

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O parafuso chato é sempre acidental, isto é, depende das características do avião e não dos comandos do piloto.

Portanto, quando não se tem certeza sobre a possibilidade do avião entrar em parafuso chato, é necessário iniciar a recuperação imediatamente quando ele entrar em parafuso normal, a fim de impedir um possível "achatamento"


O parafuso é também chamado auto-rotação porque, uma vez iniciado, o avião mantém a rotação por si só.

Mesmo em um parafuso normal, a velocidade do avião é moderada, por que uma das asas está estolada, provocando grande arrasto.

Todavia, quando a rotação é interrompida para iniciar a recuperação, cessa o estol (e o arrasto devido à turbulência), e a velocidade do avião aumenta rapidamente.

Por esse motivo, a recuperação do mergulho deve ser iniciada sem demora mas, conforme vimos, com a necessária suavidade.

AERODINÂMICA E TEORIA DE VOO -> Capítulo XVIII - Estabilidade Direcional

CAPÍTULO 18 

ESTABILIDADE 
DIRECIONAL

A estabilidade direcional refere-se ao equilíbrio de u avião em torno do seu eixo vertical.

Se pressionarmos o pedal direito durante o voo, o nariz do avião desviar-se-á para a direita.

Quando a pressão for aliviada, o comportamento do avião apresentará uma das características a baixo:

• Estaticamente Estável - O avião tende a voltar ao equilíbrio.

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• Estaticamente Instável - O avião tende a afastar-se do equilíbrio, derrapando cada vez mais fortemente.

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• Estaticamente Indiferente - O avião tende a permanecer fora do equilíbrio, continuando a derrapar.

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A estabilidade direcional é menos importante do que a estabilidade longitudinal porque gera esforços pequenos sobre o avião.

Isso significa que não há risco estrutural imediato quando o avião tem pouca estabilidade direcional, ele será simplesmente incômodo para pilotar.

Basicamente existem dois fatores que influem na estabilidade direcional:

• Enflechamento
• Efeito de Quilha

No capítulo anterior, vimos que esses dois fatores influem também na estabilidade lateral.

ENFLECHAMENTO

Quando um avião de asa enflechada sobre um desvio para um dos lados, ele derrapará, ficando com uma asa mais exposta ao vento relativo que a outra, criando mais arrasto.

Dessa forma, aparecerá uma guinada que pode equilibrar ou desequilibrar o avião, conforme o tipo de enflechamento

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EFEITO DE QUILHA

O efeito de quilha é provocado pela ação do vento relativo sobre as áreas laterais do avião.

Quando maior a área lateral atrás do centro de gravidade, maior será a estabilidade direcional do avião.

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ESTABILIDADE DINÂMICA DIRECIONAL

De maneira semelhante aos casos dos equilíbrios longitudinal e lateral, um avião estaticamente estável pode comportar-se de três diferentes maneiras quando tenta voltar ao equilíbrio:

• Dinamicamente Estável - O avião volta ao equilíbrio, amortecendo as oscilações.

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• Dinamicamente Instável - O avião tenta voltar ao equilíbrio, mas não o consegue, oscilando cada vez mais fortemente.

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• Dinamicamente Indiferente - O avião tenta voltar ao equilíbrio, mas não consegue amortecer as oscilações.

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NOTA - Por motivos didáticos, as estabilidades direcional e lateral foram estudadas separadamente. Na prática, os movimentos de oscilações da asa e da cauda sempre ocorrem juntamente, criando movimentos combinados complexos, que não serão estudados neste curso.

AERODINÂMICA E TEORIA DE VOO -> Capítulo XVII - Estabilidade Lateral

CAPÍTULO 17 

ESTABILIDADE 
LATERAL

Quando um avião sofre um desequilíbrio lateral, por exemplo, através de uma rajada assimétrica, ele pode apresentar um dos três tipos de comportamentos descritos abaixo:

1. Estaticamente Estável  - O avião tende a retornar ao equilíbrio inicial.
2. Estaticamente Instável - O avião tende a desequilibrar-se ainda mais.
3. Estaticamente Indiferente O avião tende a continuar fora do equilíbrio.

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A estabilidade lateral é menos importante do que a estabilidade longitudinal por que os esforços laterais no avião são geralmente pequenos.

Existem basicamente cinco fatores que influem na estabilidade lateral:

1. Diedro;
2. Enflechamento;
3. Efeito de Fuselagem;
4. Distribuição de Pesos;

DIEDRO (Ângulo formado entre eixo lateral e envergadura)

Quando um avião está com as asas lateralmente desequilibradas, ela glissa na direção da asa mais baixa.

Como resultado da glissada, surge um vento lateral sobre a asa. Dependendo do diedro, o avião poderá ser estável ou instável, conforme mostram as figuras abaixo:

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NOTA - Evidentemente, se o diedro for nulo, o avião tende a ser estaticamente indiferente.

ENFLECHAMENTO (Ângulo formado entre a linha bordo de ataque e eixo lateral)

Durante uma glissada ou derrapagem, o enflechamento faz com que uma das asas seja atingida mais diretamente pelo vento lateral, produzindo portanto mais sustentação do que a outra.

isso influi na estabilidade lateral, conforme mostram as figuras abaixo (Imagem 3):

Imagem 3

EFEITO DE QUILHA

O vento lateral produz forças sobre as superfícies laterais do avião, podendo torná-lo:

• Estável - Quando a área lateral acima do CG (Centro de Gravidade) é maior do que a área lateral abaixo do CG (ver figura abaixo).

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• Instável - Quando a área lateral abaixo do CG é maior do que a área acima do CG.

EFEITO DE FUSELAGEM

O efeito de fuselagem diminui a estabilidade lateral, pois ele prejudica o efeito de diedro.

Por exemplo, a fuselagem na figura abaixo impede que o vento lateral alcance o extradorso da asa direita do avião, diminuindo portanto a estabilidade lateral.

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DISTRIBUIÇÃO DE PESOS

Nos aviões de asa alta, a fuselagem age com se fosse um pêndulo, aumentando a estabilidade lateral.

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Nos aviões de asa baixa, o peso da fuselagem tende a aumentar o desequilíbrio lateral do avião, reduzindo a estabilidade.

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Um avião não dever ter estabilidade lateral exagerada, por que deixaria de obedecer adequadamente ao comando dos ailerons.

Por essa razão, em alguns aviões de asa alta, a fuselagem atua como um poderoso pêndulo estabilizador, cujo efeito precisa ser parcialmente neutralizado através de diedro negativo.

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ESTABILIDADE DINÂMICA LATERAL

Um avião estaticamente estável (quanto ao equilíbrio lateral) tende a voltar ao equilíbrio sempre que for lateralmente inclinado, porém nem sempre o conseguirá.

Existem três comportamentos possíveis:

• AVIÃO DINAMICAMENTE ESTÁVEL - O avião volta ao equilíbrio, amortecendo as oscilações.

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• AVIÃO DINAMICAMENTE INDIFERENTE - O avião tenta voltar ao equilíbrio, mas não consegue amortecer as oscilações.

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• AVIÃO DINAMICAMENTE INSTÁVEL - O avião tenta voltar ao equilíbrio, mas desequilibra-se cada vez mais.

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OBSERVAÇÃO - As figuras acima (Imagem 9, 10 e 11) mostram apenas o comportamento teórico do avião, porque as estabilidades lateral e direcional agem conjuntamente, tornando os movimentos do avião mais complexos.