ESTUDO PRELIMINAR DA TURBULÊNCIA DO VENTO NO CENTRO DE LANÇAMENTO DE FOGUETES DE ALCÂNTARA ( CLA ) CORRÊA, C. S.* e FISCH, G.

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1 ESTUDO PRELIMINAR DA TURBULÊNCIA DO VENTO NO CENTRO DE LANÇAMENTO DE FOGUETES DE ALCÂNTARA ( CLA ) CORRÊA, C. S.* e FISCH, G. ** * Oficial Meteorologista da FAB ( CMA-I / DPV-PA ) CINDACTA II, Aeroporto Salgado Filho, , Porto Alegre, RS, Brasil cleber@netmarket.com.br ** Centro Técnico Aeroespacial ( CTA/ IAE - ACA ) São José dos Campos, , SP, Brasil gfisch@aca.iae.cta.br. ABSTRACT This work shows a preliminary analysis of the atmospheric turbulence at the Brasilian Space Launch Center ( CLA ) having in mind rocket launchings. The wind data were obtained with a Gill Propeller during 10 days at the dry season, with a sample rate of 0.1 Hz. The data were analyzed statistically and their velocity spectra were obtained. 1. INTRODUÇÃO As atividades de lançamento de foguetes requerem um conhecimento apropriado das condições ambientais, tais como a direção dos ventos, ocorrência de precipitação, atividades convectivos próximos com descargas elétricas, nebulosidade, etc. Johnson ( 1993 ), por exemplo, faz uma compilação completa dos principais elementos climáticos dos campos de lançamentos de foguetes nos Estados Unidos. Em relação aos ventos, o conhecimento de sua estrutura vertical ( perfis médios, valores extremos e rajadas de vento) é importante, pois os foguetes são projetados e construídos para suportarem uma determinada carga pela ação do vento, além do fato de que a trajetória, controle e guiagem dos mesmos serem determinados pelo perfil do vento próximo à superfície. Segundo Magalhães (1996), os dados de vento são necessários para o cálculo da trajetória dos foguetes, sendo que, até a altitude de 1000 m, 88% das correções na trajetória são devido ao vento. Acima de 5000 m, por exemplo, o vento influência na trajetória em apenas 3%. A região de facilidades espaciais para lançamentos de foguetes do Centro de Lançamento de Alcântara ( CLA ) apresenta características típicas, pois possui uma região de rugosidade abrupta: superfície lisa próxima a superfície rugosa. Além disso, nesta descontinuidade, ocorre uma relativa variação topográfica ( falésias do mar ), com desnível em torno de 50 m. Próximo à esta região de transição abrupta ( litoral ), encontra-se a rampa de lançamento de foguetes do CLA, a qual sofre fortemente a influência dos dois fatores citados anteriormente. Esta rampa situa-se cerca de 50 m da costa, em uma altitude de 42 m. Neste caso, os foguetes colocados na rampa sofrem a influência da forte turbulência, devido a influência do perfil do vento da camada limite superficial. O vento, inicialmente em equilíbrio com a superfície oceânica, interage com a vegetação arbustiva ( altura média das arvores de 3 m ), modificando-

2 se. Aumentando a complexidade desta situação, ocorre o deslocamento vertical da superfície, devido as falésias. São estas situações que os foguetes encontrarão ao ascenderem verticalmente. O objetivo deste trabalho é o de estudar a estrutura atmosférica do CLA, através da análise do comportamento da turbulência no decorrer de 24 horas. Sendo selecionado um período durante o dia característico das condições da Camada Limite Convectiva ( CLC ) e outro à noite, representando a Camada Limite Estável ( CLE ). 2. MATERIAL E MÉTODOS 2.1 DADOS EXPERIMENTAIS O sitio experimental de coleta de dados é o Centro de Lançamento de Alcântara do Ministério da Aeronáutica ( MAer ), com coordenadas geográficas de 2 24`S, 44 24`W, com 55m de altura acima do mar, situando-se na costa litorânea do litoral maranhense, a 20 Km de São Luiz ( MA ), o CLA é o atual campo de lançamento de foguetes brasileiros. O regime de precipitação na região da costa litorânea norte do MA é tipicamente dividido em dois períodos: durante os meses de janeiro à junho ocorrem chuvas intensas, sendo os meses de março-abril os mais chuvosos, com total mensal de precipitação superior à 300 mm por mês. Por outro lado, os meses de julho à dezembro são meses de seca, sendo os meses de setembro e outubro os mais secos, com precipitação inferior à 15 mm por mês. O total anual de precipitação é de aproximadamente de 2000 mm. O regime de ventos é bastante particular e apresenta-se com comportamento bem distinto entre as épocas chuvosa e seca. Durante a estação chuvosa o vento é de leste ( direção de 90 ) até aproximadamente m de altitude, com velocidades do vento em torno de 7,0-8,0 m/s nos níveis entre e m. Por outro lado, para a estação seca, o vento é de leste ( direção de 90 ) até aproximadamente m de altitude, com velocidades do vento em torno de 7,0-9,0 m/s. O vento é bem forte na camada mais baixa ( até m ), com ventos entre 10,0 e 10,5 m/s, apresentando uma pequena rotação para sudeste. Este comportamento do vento está associado com a intensificação do fenômeno de brisa marítima, que possui sua influência máxima ( contraste térmico oceano-continente ) durante esta época ( em particular nos meses de setembro à novembro ). Os elementos climáticos de temperatura do ar e umidade relativa não apresentam variações sazonais e seus valores são típicos da atmosfera tropical. Uma descrição detalhada da climatologia local encontra-se em Fisch ( 1997 ). Os dados utilizados neste estudo foram coletados em um mastro anemométrico de 8,5 m de altura. Neste mastro foi instalado um sensor de velocidade do vento Gill Propeller ( R. M. Young, Tranverse, USA ). Este equipamento é composto de 3 eixos ortogonais que medem as variações rápidas de velocidade do vento e são úteis nas analises de turbulência. Neste caso foram medidos apenas as componentes horizontais do vento, com uma taxa de amostragem de 0,1 Hz. O mastro anemométrico foi instalado próximo à rampa de lançamento do VLS. Antes e depois da coleta dos dados o anemômetro Gill foi ensaiado no túnel de vento do CTA/ITA e praticamente não houve modificação nas constantes do anemômetro, mostrando a boa robustez do equipamento. 2.2 METODOLOGIA As análises da turbulência foram realizadas considerando-se uma série de definições usualmente utilizadas em estudos de aplicação de meteorologia em problemas de engenharia ( Plate ( 1982 ), Bergstrom ( 1987 ), Kristensen et al ( 1991 ), entre outros ). O estudo das rajadas

3 de vento é uma das formas de se analisar a estrutura da turbulência de um determinado local, sendo que estas podem ser definidas como o aumento ou diminuição repentina da velocidade do vento em ciclos muito pequenos e contínuos. A seguir serão descritas as variáveis utilizadas neste trabalho, tais como amplitude máxima de rajadas ( B ), vento máximo, vento mínimo, vento médio e intensidade da turbulência. Amplitude máxima é calculada com o objetivo de estudar como ocorrem as variações sucessivas da velocidade do vento ( rajadas ) em intervalos de tempo curto, ou seja: B = máximo { V( t + 1 ) - V( t ) } A intensidade da turbulência foi calculada utilizando-se a seguinte fórmula: Int. Turb. = σ/ V médio onde σ é o desvio padrão da amostra utilizada para o cálculo da velocidade média e V médio é a velocidade média do vento. Na análise do espectro da freqüência dos dados da velocidade do vento foi utilizado o algoritmo computacional STATISTICA ( versão 5.0 da Copyright Statsoft, Inc. ) para ambiente windows. 3. RESULTADOS E DISCUSSÃO O conjunto de dados foi separado em 2 horários representativos das condições diurnas ( 1109 à 1338 hora local ) e noturnas ( 2109 à 2359 hora local ), sempre preservando a obtenção de 1024 pares de valores, para a análise de FFT posterior. A Tabela 1, para os períodos de seca no CLA (agosto e setembro de 97), mostra os valores dos ventos (máximos, mínimos e médios), das rajadas (máximos e médios) e das intensidades da turbulência nos horários diurnos e noturnos citados, de onde se conclui que a velocidade máxima típica durante o dia é 11,0 m/s, decrescendo este valor para 8,5 m/s à noite. Os valores da velocidade média mostram este comportamento, com valores de 6,8 m/s durante o dia e de 5,2 m/s à noite. O pico de rajadas é praticamente o mesmo valor ( 1,6 ) tipicamente durante o dia e à noite, com o mesmo comportamento para a intensidade turbulenta I, que é de 0,23 durante o período diurno e de 0,22 para o período noturno. Tabela 1 - Tabela com os dados do vento sobre o CLA Horário Horário 1049/1338 horas 2109/2359 horas Dia Vento: máx min méd. Rajada: máx méd. Int. Turb. Vento: máx min méd. Rajada: máx méd. Int. Turb. 27/08/97 11,1 2,5 6,8 5,5 1,3 0,25 28/08/97 11,2 2,1 6,7 6,1 1,3 0,24 9,0 2,0 5,5 4,4 1,0 0,25 29/08/97 10,6 1,9 6,9 5,3 1,1 0,21 9,3 2,0 5,2 5,4 1,1 0,25 31/08/97 8,5 1,7 5,0 4,4 1,0 0,22 01/09/97 10,0 2,3 6,2 4,9 1,1 0,23 8,7 2,5 5,3 4,6 1,1 0,23 03/09/97 10,6 2,4 6,4 5,6 1,0 0,23 8,5 2,4 5,1 4,2 1,0 0,20 04/09/97 12,1 2,8 8,0 6,0 1,4 0,19 9,0 2,6 5,3 4,6 1,0 0,20 07/09/97 6,8 3,3 5,0 2,6 1,1 0,24 10/09/97 11,7 1,8 6,3 4,7 1,1 0,26 8,1 2,2 4,8 3,8 0,9 0,21 Valor Médio 11,0 2,3 6,8 5,4 1,2 0,23 8,5 2,3 5,2 4,2 1,0 0,22

4 Figura 1. Série temporal da velocidade do vento no dia 28 de Agosto de 1997 (período noturno). Figura 2. Espectro de Potência da Velocidade do vento no dia 28 de Agosto de 1997 (período noturno). O comportamento do vento é normalmente turbulento, como observa-se na Figura 1, onde uma amostra da velocidade do vento com vel. média de 5,5 m/s, apresenta valores extremos de 9,0 e 2,0 m/s para valores máximos e mínimos, respectivamente. Para um melhor entendimento destas características, foi realizado o espectro de potência da velocidade do vento, como se observou na Figura 2. O pico do espectro neste exemplo situa-se em 4,8 s -1, sendo que para todos os casos analisados este pico se localiza na faixa de 4,0 à 5,5 s -1.

5 4. CONCLUSÕES Os resultados são preliminares, pois envolvem períodos relativamente curtos de coletas de dados. Entretanto, algumas considerações podem ser feitas, com base nestes dados, a saber: A velocidade média do vento durante o dia foi de 6,8 m/s, decrescendo este valor para 5,2 m/s à noite. Este fato está associado com o acoplamento do vento superficial com a circulação de brisa marítima. Não se observa diferenças significativas, entre os períodos diurnos e noturnos, entre as características do vento, em termos de pico de rajada e ou intensidade da turbulência. Os espectros de potência da velocidade do vento são similares. AGRADECIMENTOS Os autores desejam expressar seus agradecimentos à Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo ( FAPESP ), que tem patrocinado estas pesquisas de turbulência atmosférica no CLA, através de Auxilio à pesquisa 96/ Este trabalho também possui o auxilio do Conselho Nacional de Desenvolvimento Cientifico e Tecnológico ( CNPq ) através de bolsa de produtividade em pesquisa ( /96-1 ) concedida à G. Fisch. REFERÊNCIAS BIBLIOGRAFICAS BERGSTROM, H. A statistical analysis of gust caracteristics. Boundary Layer Meteorology, v. 39, n. 1, p , FISCH,G. Ventos em altitude na costa litorânea do Maranhão. Hidroclima - Boletim de Monitoramente do Tempo, Clima e recursos Hídricos do Maranhão, v. 2, p ,1997 FISCH, G. Análise da turbulência atmosférica no centro de lançamento de foguetes de Alcântara. ( submetido a Revista Brasileira de Meteorologia ), JOHNSON, D.L. Terrestrial environment ( Climatic ) criteria guidelines for use in aerospace vehicle development, 1993 revision, NASA tm4511, Huntsville - AL, EUA, p.472,1993. KRISTENSEN, M.; CASANOVA, M.; COURTNEY, M.S.; TROEN, I.. In rearch of a gust definition. Boundary Layer Meteorology, v55, n. 1, p , 1991 MAGALHÃES, R. Correção da trajetória de foguetes devido à influência do vento no CLA. Comunicação pessoal, São José dos Campos, PLATE, E. Engineering Meteorology: studies in wind engineering and industrial aerodynamics. Amesterda, Elserir, P. 740, YOUNG, G.S.; Surface Layer Gusts for aircraft operation. Boundary Layer Meteorology; v.59,n.2, p , 1992