INTRODUÇÃO À AERODINÂMICA DA AERONAVE

Transcrição

1 INTRODUÇÃO À AERODINÂMICA DA AERONAVE Kamal A. R. Ismail Fátima A. M. Lino 2011 Universidade Estadual de Campinas, UNICAMP

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3 INTRODUÇÃO À AERODINÂMICA DA AERONAVE Kamal A. R. Ismail Fátima A. M. Lino 2011 Universidade Estadual de Campinas, UNICAMP iii

4 FICHA CATALOGRÁFICA ELABORADA PELA BIBLIOTECA DA ÁREA DE ENGENHARIA E ARQUITETURA - BAE - UNICAMP Is5i Ismail, Kamal Abdel Radi Introdução à aerodinâmica da aeronave / Kamal Abdel Radi Ismail, Fátima A. M. Lino. --Campinas, SP: Ed. do autor, p. ISBN: Aeronaves. 2. Aerodinâmica. 3. Aeronáutica-Instrumentos. 4. Engenharia aeroespacial. 5. Aeronaves História. I. Lino, Fátima A. M. II. Título. CDD iv

5 Agradecimentos Os autores agradecem o CNPQ pela bolsa de produtividade em pesquisa para o primeiro autor e bolsa de doutorado para o segundo autor. v

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7 Prefácio Este livro visa a apresentar a aerodinâmica das aeronaves a alunos iniciantes do curso de aeronáutica e, também, a alunos de outras áreas e leitores interessados em aprender sobre aeronaves, numa versão menos descritiva, mais analítica, porém, de fácil de entendimento. O conteúdo apresentado nos cinco capítulos do livro visa a fornecer os fundamentos aerodinâmicos necessários de forma simplificada e enriquecida através da resolução de exemplos numéricos. Cada capítulo é finalizado com uma lista de problemas sugeridos e uma lista de referencias para estudos e investigações mais detalhadas. O texto pode ser usado para aplicação em disciplina de 45 h em nível de graduação. Entretanto, é aconselhável o uso de uma maquete de aeronave junto as aulas teóricas para que os alunos possam visualizar os diversos componentes e suas aplicações. O primeiro capítulo versa sobre a anatomia da aeronave onde explica os diversos componentes e respectiva função aerodinâmica na aeronave, forças e momentos de atuação, aerofólios e geração de diferença de pressão, sustentação e arrasto. A influência dos ângulos de ataque, número de Reynolds sobre os coeficientes de sustentação e arrasto do perfil e da asa. O segundo capítulo trata da evolução das aeronaves desde a era pré- Wright, era de bi-planos com barras e arame. A era da aeronave com rotor, propulsor moderno, era das aeronaves a jato. O terceiro capítulo trata da aerodinâmica dos aerofólios e das asas. Inicia pela aerodinâmica do aerofólio; construção e comentários sobre seus desempenhos, famílias de aerofólios, fundamentos filosóficos das soluções para aerofólios e conceito de vórtice de superfície, teoria do aerofólio infinito e sua aplicação para determinar as propriedades do aerofólio sem e com arqueamento, com e sem flap. O quarto capítulo trata da aerodinâmica da aeronave. Inicia com a revisão das forças aerodinâmicas, momentos, sustentação e arrasto, coeficientes aerodinâmicos, centro aerodinâmico, nomenclatura dos aerofólios NACA, sustentação de uma asa finita, asa reta de alta razão de aspecto, asa reta de pequena razão de aspecto, asas flechadas, asa delta, combinação corpo-asa, arrasto subsônico da asa e da fuselagem, arrasto transônico, arrasto supersônico, polar de arrasto. O quinto capítulo apresenta os parâmetros de desempenho da aeronave de forma suscinta, porém, precisa e enrequecida com exemplos resolvidos para faciltar a comprenssão. Inicia pelo processo de decolagem, vii

8 corrida na pista, distância airborne, comprimento balanceado de campo, taxa de subida, tempo de subida e tetos, tempo de subida, alcance, duração máxima no ar (Endurance), descida (Descent), pouso, rolagem na pista, curvas de alcance ( payload ), limites de operação, envelope de vôo, envelope de manobra (diagrama V-n), fatores de carga de vento (temporal), trajetórias otimizadas e estimativas rápidas de dimensionamento global de uma aeronave. Enfim, a intenção dos autores foi preparar um livro cujo conteúdo sirva como uma primeira leitura à você, leitor interessado no assunto, a obter o mínimo de embasamento para avançar numa leitura mais aprofundada. Esperamos que aproveite. Kamal A.R. Ismail e Fátima A. M. Lino viii

9 Sumário CAPITULO 1 ANATOMIA DA AERONAVE 1.1 Elementos principais de uma aeronave Princípios de estabilidade e de controle Flaps Flaps da borda de ataque Definições Aeronáuticas Geometria da asa Envergadura da asa Corda da asa Área da asa Corda média da asa Razão de aspecto Enflechamento para atrás Ângulo diedro Incidência, torção, wash-out and wash-in Geometria do aerofólio Arqueamento Distribuição da espessura História de desenvolvimento dos aerofólios Características de aerofólio Aerodinâmica básica Força e momento aerodinâmicos Sustentação L (-Z) Arrasto D(-X) Força de vento cruzado Y Momento de arfagem M Momento de rolagem Lfí Momento de guinada N Coeficientes de força e momento Distribuição de pressão sobre aerofólio Momento de arfagem Centro aerodinâmico Centro de pressão Tipos de arrasto Arrasto total Arrasto de atrito de pele ou arrasto de fricção na superfície Arrasto de pressão Arrasto induzido ou arrasto de vórtice Arrasto de onda Arrasto de forma ou arrasto de pressão na camada limite Arrasto de perfil ou arrasto da camada limite Comparação de arrasto para vários tipos de corpos Esteira Estimativa dos coeficientes aerodinâmicos a partir da distribuição da pressão Arrasto induzido Arrasto dependente da sustentação, Arrasto induzido Características do aerofólio Coeficiente de sustentação contra ângulo de incidência Efeito da razão de aspecto sobre a curva CL: α Efeito do número de Reynolds sobre a curva de CL: α Coeficiente de arrasto: coeficiente de sustentação Coeficiente de arrasto, coeficiente de sustentação Coeficiente de momento de arfagem 39 ix

10 Bibliografia CAPITULO 2 EVOLUÇÃO DAS AERONAVES 2.1 Introdução Era Pré-Wright Era de biplanos com barras e arames Era da aeronave com rotor propulsor moderno Era das aeronaves a jato 55 Bibliografia CAPITULO 3 AERODINÂMICA DE AEROFÓLIO E DA ASA FINITA 3.1 Aerodinâmica de aerofólio Aerofólios: construção e comentários sobre seus desempenhos Famílias de aerofólios Fundamentos filosóficos das soluções para aerofólios Vórtice de superfície Teoria de aerofólio infinito Propriedades de aerofólio com arqueamento Aerofólio com flap Aerodinâmica da asa finita Introdução Velocidade descendente e arrasto induzido Lei de Biot-Savart Casos especiais da lei de Biot-Savart Teoria da linha de sustentação de Prandtl Distribuição elíptica de sustentação Distribuição genérica de Sustentação Influência da razão de aspecto Características aerodinâmicas da asa com distribuição elíptica modificada Arrasto induzido para carregamento elíptico modificado Distribuição da circulação simétrica e não simétrica por series de Fourier Características aerodinâmicas de carregamento simétrico Características aerodinâmicas de carregamento não simétrico Determinação da distribuição de sustentação sobre dada asa Determinação das características aerodinâmicas do monoplano Solução da equação de monoplano 128 Bibliografia CAPITULO 4 AERODINÂMICA DA AERONAVE 4.1 Introdução Fonte das forças aerodinâmicas Momento, sustentação e arrasto Coeficientes aerodinâmicos Variação dos coeficientes de sustentação, do arrasto e do momento Centro aerodinâmico Nomenclatura dos aerofólios NACA Sustentação de uma asa finita Asa reta de alta razão de aspecto Asa reta de pequena razão de aspecto 151 x

11 4.11 Asas flechadas Asa delta Combinação Corpo-asa Arrasto O arrasto subsônico Asa finita Fuselagem Resumo Arrasto transônico Regra de área Aerofólio supercrítico Arrasto supersônico Polar de arrasto Polar de arrasto 176 CAPITULO 5 DESEMPENHO DE AERONAVES 5.1 Decolagem Corrida na pista Efeito do vento Distância airborne Comprimento balanceado de campo Taxa de subida, tempo de subida e tetos Curvas generalizadas de potência requerida Tempo de subida Alcance Permanência máxima no ar Endurance Descida Descent Pouso Rolagem na pista Curvas de alcance ( payload ) Limites de operação Envelope de vôo Envelope de manobra (diagrama V-n) Fatores de carga de vento (temporal) Trajetórias otimizadas Estimativas rápidas de dimensionamento global de uma aeronave 227 Bibliografia xi