Sumário. CAPÍTULO 1 Os primeiros engenheiros aeronáuticos 1

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1 Sumário CAPÍTULO 1 Os primeiros engenheiros aeronáuticos Introdução Primeiros avanços Sir George Cayley ( ): o verdadeiro inventor do avião O interregno de 1853 a Otto Lilienthal ( ): o homem do planador Percy Pilcher ( ): estendendo a tradição do planador A aeronáutica chega à América Wilbur ( ) e Orville ( ) Wright, inventores do primeiro avião prático O triângulo aeronáutico: Langley, os Wrights e Glenn Curtiss O problema da propulsão Mais alto, mais rápido Resumo e revisão 49 Bibliografia 52 CAPÍTULO 2 Ideias fundamentais Quantidades físicas fundamentais de um fluido Pressão Densidade Temperatura Velocidade de fluxo e linhas de corrente A fonte de todas as forças aerodinâmicas Equação de estado para um gás perfeito Análise das unidades Volume específico Anatomia do avião Anatomia de um veículo espacial História: o NACA e a NASA Resumo e revisão 105 Bibliografia 107 Problemas 107 CAPÍTULO 3 A atmosfera padrão Definição de altitude Equação hidrostática Relação entre altitudes geopotenciais e geométricas Definição da atmosfera padrão Altitudes pressão, densidade e temperatura História: a atmosfera padrão Resumo e revisão 130 Bibliografia 132 Problemas 132

2 xiv Sumário CAPÍTULO 4 Aerodinâmica básica Equação de continuidade Fluxo incompressível e compressível Equação de momento Um comentário Termodinâmica elementar Fluxo isentrópico Equação de energia Resumo das equações Velocidade do som Túneis de vento subsônicos de baixa velocidade Mensuração da velocidade em relação ao ar Fluxo incompressível Fluxo compressível subsônico Fluxo supersônico Resumo Considerações adicionais Mais sobre o fluxo compressível Mais sobre velocidade equivalente em relação ao ar Túneis de vento supersônicos e motores foguete Discussão sobre compressibilidade Introdução ao fluxo viscoso Resultados para uma camada limite laminar Resultados para uma camada limite turbulenta Efeitos da compressibilidade na fricção de superfície Transição Separação do fluxo Resumo dos efeitos viscosos sobre o arrasto História: Bernoulli e Euler História: o tubo de pitot História: os primeiros túneis de vento História: Osborne Reynolds e seu número História: Prandtl e o desenvolvimento do conceito de camada limite Resumo e revisão 275 Bibliografia 280 Problemas 280 CAPÍTULO 5 Aerofólios, asas e outras formas aerodinâmicas Introdução Nomenclatura de aerofólios Coeficientes de sustentação, arrasto e momento Dados de aerofólios Asas infinitas versus asas finitas Coeficiente de pressão Como obter o coeficiente de sustentação de C P Correção de compressibilidade para o coeficiente de sustentação Número de Mach crítico e coeficiente de pressão crítica Número de Mach de divergência de arrasto Arrasto da onda (em velocidades supersônicas) Resumo do arrasto do aerofólio Asas finitas Cálculo do arrasto induzido Mudança da inclinação de sustentação Asas enflechadas Flape: um mecanismo para alta sustentação Aerodinâmica de cilindros e esferas 400

3 Sumário xv 5.19 Como a sustentação é produzida: algumas explicações alternativas História: aerofólios e asas Os irmãos Wright Aerofólios britânicos e americanos ( ) a Primeiros aerofólios de quatro dígitos do NACA Aerofólios do NACA posteriores Aerofólios modernos Asas finitas História: Ernst Mach e seu número História: o primeiro voo supersônico tripulado História: o X-15, o primeiro avião hipersônico tripulado e um trampolim para o ônibus espacial Resumo e revisão 432 Bibliografia 435 Problemas 435 CAPÍTULO 6 Elementos do desempenho do avião Introdução: a polar de arrasto Equações de movimento Empuxo necessário para voo em nível sem aceleração Empuxo disponível e velocidade máxima Potência necessária para voo em nível sem aceleração Potência disponível e velocidade máxima Combinação motor convencional-hélice Motor a jato Efeitos da altitude sobre a potência necessária e a potência disponível Razão de subida Voo de planeio Teto absoluto e teto prático de operação da aeronave Tempo de subida Alcance e autonomia: avião movido por hélices Considerações físicas Formulação quantitativa Fórmulas de Breguet (avião movido por hélices) Alcance e autonomia: avião a jato Considerações físicas Formulação quantitativa Relações entre C D,0 e C D,i Desempenho de decolagem Desempenho de aterrissagem Voo em curva e diagrama V n Razão de subida acelerada (método de energia) Considerações especiais para aviões supersônicos Veículos Aéreos Não Tripulados (VANTs) Microveículos aéreos Uma filosofia do projeto conceitual de aviões Um comentário História: redução de arrasto a carenagem NACA e o fillet História: primeiras previsões de desempenho de aviões História: Breguet e a fórmula de alcance História: projeto de aviões evolução e revolução Resumo e revisão 577 Bibliografia 581 Problemas 581

4 xvi Sumário CAPÍTULO 7 Princípios de estabilidade e controle Introdução Definição de estabilidade e controle Estabilidade estática Estabilidade dinâmica Controle Derivativa parcial Momentos no avião Ângulo de ataque absoluto Critérios para estabilidade estática longitudinal Discussão quantitativa: contribuição da asa a M cg Contribuição da cauda a M cg Momento de arfagem em torno do centro de gravidade Equações para estabilidade estática longitudinal Ponto neutro Margem estática Conceito de controle longitudinal estático Cálculo do ângulo do profundor para compensação Estabilidade estática de manche fixo versus manche livre Momento em torno da articulação do profundor Estabilidade estática longitudinal de manche livre Estabilidade estática direcional Estabilidade estática lateral Um comentário História: os irmãos Wright versus a filosofia europeia de estabilidade e controle História: o desenvolvimento de controles de voo História: o problema da picada Resumo e revisão 643 Bibliografia 645 Problemas 645 CAPÍTULO 8 Voo espacial (astronáutica) Introdução Equações diferenciais Equação de Lagrange Equação de órbita Força e energia Equação de movimento Trajetórias de veículos espaciais: alguns aspectos básicos Leis de Kepler A equação Vis viva (energia) Algumas manobras orbitais Mudanças de plano Transferências orbitais: transferências de impulso único e transferências de Hohmann Trajetórias interplanetárias Trajetórias hiperbólicas Esfera de influência Trajetórias heliocêntricas Método patched conics Trajetórias com assistência gravitacional Transferência lunar Controle de atitude de espaçonaves Introdução à entrada na Terra e à entrada planetária Atmosfera exponencial Equações gerais de movimento para entrada atmosférica Aplicação à entrada balística Aquecimento de entrada Entrada de sustentação, com aplicação ao ônibus espacial 729

5 Sumário xvii 8.18 História: Kepler História: Newton e a lei da gravitação História: Lagrange História: voo espacial não tripulado História: voo espacial tripulado Resumo e revisão 744 Bibliografia 747 Problemas 747 CAPÍTULO 9 Propulsão Introdução Hélice Motor convencional Propulsão a jato: a equação de empuxo Motor turbojato Acúmulo de empuxo para um motor turbojato Motor turbofan Motor estatorreator Motor-foguete Propelentes de foguete: considerações Propelentes líquidos Propelentes sólidos Um comentário Equação de foguetes Estágios de foguetes Requisitos de propelentes para manobras de trajetórias de espaçonaves Propulsão elétrica Propulsor de íons-elétrons Propulsor magnetoplasmadinâmico (MPD) Propulsor a arco eletrotérmico Um comentário História: o desenvolvimento inicial das hélices História: o desenvolvimento inicial do motor de combustão interna para aviação História: os inventores dos primeiros motores a jato História: os primeiros motores foguete Resumo e revisão 826 Bibliografia 828 Problemas 829 CAPÍTULO 10 Veículos hipersônicos Introdução Aspectos físicos do fluxo hipersônico Camadas de choque finas Camada de entropia Interação viscosa Efeitos de alta temperatura Fluxo de baixa densidade Recapitulação Lei newtoniana para o fluxo hipersônico Comentários sobre aviões hipersônicos Resumo e revisão 859 Bibliografia 860 Problemas 860

6 xviii Sumário APÊNDICE A Atmosfera padrão no Sistema Internacional (SI) 861 APÊNDICE B Atmosfera padrão no Sistema Imperial 870 APÊNDICE D Dados de aerofólios 877 Respostas 905 Índice 907 APÊNDICE C Símbolos e fatores de conversão 876