Pedro Alberto Godinho Ciloni, 2 Pedro Paglione, 2 Ricardo Wallach,

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1 ANÁLISE DA INFLUÊNCIA DO RECOLHIMENTO DE DISPOSITIVOS HIPERSUSTENTADORES NO RUÍDO DE SOBREVÔO DE UMA AERONAVE ATRAVÉS DE OTIMIZAÇÃO DE TRAJETÓRIA DE DECOLAGEM Pedro Alberto Godinho Ciloni, 2 Pedro Paglione, 2 Ricardo Wallach, 1 1 EMBRAER, Rodovia Presidente Dutra, km 134, São José dos Campos - SP 2 Instituto Tecnológico da Aeronáutica, Praça Marechal Eduardo Gomes, 50 Vila das Acácias CEP: São José dos Campos SP - Brasil Resumo: Atualmente durante a certificação de ruído de decolagem Part 36 não é permitido se alterar a configuração aerodinâmica da aeronave. Isto causa uma degradação no desempenho da aeronave, de forma que tanto a altitude final quanto a redução de tração poderiam ser maiores caso ocorresse recolhimento de flaps e slats durante a subida. O objetivo deste trabalho é estudar as possíveis melhorias no ruído de sobrevôo que possam advir do recolhimento de flaps e slats durante o procedimento de certificação de ruído. O estudo é feito através de otimização de trajetória e os resultados são comparados a uma trajetória de referência com o objetivo de quantificar a diminuição de ruído obtida. Os resultados apontam reduções da ordem de 1 db devidas ao recolhimento dos dispositivos hipersustentadores. Melhorias ainda maiores são produzidas quando a trajetória de decolagem é otimizada. Palavras-chave: ruído aeronáutico,otimização de trajetória, dispositivos hipersustentadores 1. INTRODUÇÃO O nível de poluição sonora causada por aeronaves nos aeroportos e arredores preocupa as autoridades em aeronáutica há mais de 50 anos e vem se tornando cada vez mais um problema para as companhias aéreas e fabricantes de aeronaves. Muito já foi feito para diminuir o nível de ruído do ponto de vista de desenvolvimento tecnológico, podendo se destacar o desenvolvimento dos motores como um dos grandes responsáveis pela queda no nível de ruído aeronáutico. Os órgãos homologadores também possuem um importante papel na redução do ruído aeronáutico, fazendo com que os requisitos se tornem cada vez mais restritivos, em benefício das comunidades existentes ao redor de aeroportos. Os requisitos de desempenho para certificação de ruído de decolagem atualmente não permitem mudança na configuração aerodinâmica da aeronave, de forma que esta permanece com flaps e slats em posição constante durante toda a subida. O uso de uma configuração aerodinâmica suja durante este procedimento degrada o desempenho em subida da aeronave, de forma que o ruído medido no microfone em solo seria menor caso os flaps e slats fossem recolhidos, já que o sobrevôo seria realizado a uma altitude maior e o próprio ruído de airframe seria menor. Além disso, uma melhor eficiência aerodinâmica devido ao recolhimento de flaps e slats possibilitaria uma maior redução de tração. O objetivo deste trabalho é investigar as vantagens de se recolher os dispositivos hipersustentadores durante a decolagem do ponto de vista de ruído de sobrevôo. Tal estudo será feito através de otimização da trajetória de decolagem visando aumentar a distância da aeronave em relação ao microfone quando o sobrevoa, ao mesmo tempo em que permite uma maior redução de tração, de forma que o nível de ruído seja menor. Os modelos aerodinâmico e motopropulsivo utilizados são de uma aeronave desenvolvida durante o PEE-Embraer e o modelo de ruído é semiempírico e considera como inputs a distância até o microfone, a motorização da aeronave e a redução de tração. 2. OTIMIZAÇÃO Com o objetivo de se otimizar a subida, foi gerado um algoritmo para simulá-la de acordo com os requisitos do Part 36. Esta trajetória foi modificada e uma nova proposta foi utilizada para a otimização, de acordo com a Figura 1. Será analisada somente uma posição de flaps e slats e será considerada ao final da subida uma redução de tração. A

2 otimização visa minimizar o EPNL (Nível de Ruído Efetivamente Percebido), ou seja, é uma otimização monoobjetivo. Figura 1 Comparação entre a trajetória de subida Part 36 (esquerda) e a trajetória de subida proposta (direita) Ao invés de ser realizada a uma velocidade calibrada constante (Part 36), a subida otimizada é realizada a um gradiente de subida constante. A subida é ainda dividida em 4 segmentos, de forma que cada um deles pode ser realizado a um gradiente diferente dos demais, sendo a velocidade uma conseqüência do gradiente de subida escolhido. A aeronave é considerada como uma massa pontual e invariável e a trajetória é considerada somente no plano longitudinal. Não é considerada a variação da massa por não ser significativa nesta análise. Tomando como base a subida proposta, a otimização será feita através das variáveis mostradas na Tabela 1. Tabela 1 Envelope de variáveis a ser utilizado na otimização de trajetória Variável Limite inferior Limite Superior Aumento de velocidade no 4 segmento em vôo reto e nivelado 0 KTAS 25 KTAS Gradiente no 1 segmento 0 % 27 % Gradiente no 2 segmento 0 % 27 % Gradiente no 3 segmento 0 % 27 % Gradiente no 4 segmento 0 % 27 % Será utilizado na otimização o método de Algoritmos Genéticos, por sua robustez e por evitar a convergência de mínimos locais. O código é desenvolvido em ambiente Matlab e a otimização é feita no modefrontier. A trajetória ao longo de toda a decolagem é determinada através de integração numérica das equações diferenciais do movimento, derivadas a partir da segunda lei de Newton. O modelo de ruído utilizado é semi-empírico, simples de ser implementado e pode ser encontrado no site da Universidade de Stanford, mostrado nas referências deste artigo. A redução de tração (cutback) é feita de acordo com os procedimentos do Part36. O objetivo da otimização é encontrar um balanço entre o quanto subir e o quanto acelerar a aeronave, de forma a se obter o menor nível de ruído (EPNL) possível, já que quanto mais alta a aeronave estiver, menor o nível de ruído e quanto mais rápida a aeronave estiver, maior será a redução de tração e menor será o nível de ruído. A redução de tração é feita de acordo com um cone de medição, como ilustra a Figura 2. Sempre que a aeronave atravessa este cone, a tração é reduzida.

3 Figura 2 Cone de medição utilizado para delimitar a redução de tração nas diversas trajetórias simuladas. 3. RESULTADOS A Figura 3 mostra os resultados obtidos na otimização. Pode ser observado que existe uma tendência em se obter menores níveis de ruído a medida em que se realiza a redução de tração a altitudes maiores, apesar de isto ter como conseqüência menores velocidades, ou seja, menores reduções na tração no ponto de cutback. Isto mostra que é preferível aumentar a distância da aeronave até o microfone do que reduzir a tração o máximo possível. Figura 3 - Influência da velocidade e da altitude de redução de tração no EPNL da aeronave. Em vermelho é representada a curva com os valores combinados e em azul as projeções desta curva em cada um dos três planos do gráfico.

4 A Figura 4 ilustra um dos planos verticais do gráfico anterior, evidenciando que existe na nuvem de resultados uma região ótima do ponto de vista de ruído. O indivíduo melhor avaliado durante esta otimização é mostrado na Tabela 2. Figura 4 - Influência da altitude de redução de tração no EPNL da aeronave para a posição 1 de flaps e slats. A Figura 5 ilustra a trajetória obtida por este indivíduo, juntamente com uma trajetória de referência realizada de acordo com o Part 36. A redução total de ruído obtida por este indivíduo foi de te 1.38 EPNdB, sendo que 1dB foi devido somente ao recolhimento dos dispositivos hipersustentadores e 0.38 db foi devido à otimização da trajetória. Tabela 2 Indivíduo melhor avaliado pela função objetivo na otimização de trajetória Variável / N do Indivíduo 966 Aumento de velocidade no 4 segmento em vôo reto nivelado 13 KTAS Posição de flaps e slats na decolagem 1 Gradiente no 1 segmento 20 % Gradiente no 2 segmento 0 % Gradiente no 3 segmento 2.5 % Gradiente no 4 segmento 27 % EPNdB db

5 Figura 5 Comparação da trajetória do melhor indivíduo (trajetória ótima) com a sua respectiva trajetória de referência (Part 36) 4. CONCLUSÃO Após realizar a otimização, pode-se observar que a maior redução de ruído obtida foi de 1.38 EPNdB. Isto evidencia o significativo potencial de redução de ruído devido ao recolhimento dos dispositivos hipersustentadores. A otimização de trajetória teve importante contribuição para esta redução no EPNL, porém o maior responsável ainda é o recolhimento dos flaps e slats. Como o modelo de ruído não leva em consideração o tempo de exposição ao ruído, se um modelo mais sofisticado fosse utilizado, poderia ser otimizado também o ponto de redução de tração, trazendo resultados ainda melhores. 5. REFERÊNCIAS Anônimo, Aircraft Design: Synthesis and Analysis Course Notes Noise. Disponível em: Acesso em 10/jul/2011. FAA, Federal Aviation Regulations Part 25 (FAR-25). Federal Aviation Administration (FAA), USA. FAA, Federal Aviation Regulations Part 36 Noise Standards: Aircraft Type and Airworthiness Certification. Federal Aviation Administration (FAA), USA. Ciloni, Pedro Alberto Godinho. Otimização de Trajetória de Decolagem com Recolhimento de Dispositivos Hipersustentadores Visando Ruído Mínimo f. Dissertação (Mestrado Profissionalizante) Instituto Tecnológico da Aeronáutica, São José dos Campos. 6. DIREITOS AUTORAIS Os autores são os únicos responsáveis pelo conteúdo do material impresso incluído no seu trabalho.

6 ANALYSIS OF THE INFLUENCE OF RETRACTION OF HIGH LIFT DEVICES ON THE FLY OVER NOISE OF AN AIRCRAFT THROUGH TAKE-OFF PATH OPTIMIZATION Pedro Alberto Godinho Ciloni, 2 Pedro Paglione, 2 Ricardo Wallach, 1 1 EMBRAER, Rodovia Presidente Dutra, km 134, São José dos Campos - SP 2 Instituto Tecnológico da Aeronáutica, Praça Marechal Eduardo Gomes, 50, Vila das Acácias, CEP , São José dos Campos SP Abstract. Currently during Part 36 take-off noise certification, it is not permitted to change the aircraft aerodynamic configuration. This procedure prejudices the aircraft performance in such a way that both the final altitude and the thrust reduction could be larger if retraction of flaps and slats occurred during climb. This work intends to study the possible improvement on an aircraft fly over noise due to retraction of the high lift devices during the noise certification procedure. The study is made through trajectory optimization and the results are compared to a reference path in order to quantify the noise reduction obtained. Results show reductions in noise of about 1 db due to high lift devices retraction. Even greater improvement on noise is obtained when the take-off trajectory is optimized. Keywords: aircraft noise, trajectory optimization, high-lift devices The authors are the only responsible for the printed material included in this paper.