Introdução ao Projeto de Aeronaves. Aula 16 Vôo de Planeio, Desempenho de Decolagem e de pouso

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1 Introdução ao Projeto de Aeronaves Aula 16 Vôo de Planeio, Desempenho de Decolagem e de pouso

2 Tópicos Abordados Vôo de Planeio (descida não tracionada). Desempenho na Decolagem. Desempenho no Pouso.

3 Vôo de Planeio (Descida não Tracionada) O conhecimento das características de desempenho durante um vôo de descida também representa uma importante ferramenta para aeronaves que participam da competição AeroDesign uma vez que possibilita a realização de uma aproximação para pouso dentro de uma rampa de descida aceitável e que proporcione uma aterrissagem suave e com uma velocidade segura. Para a análise do vôo de planeio, considera-se que a tração disponível é nula, pois nesta condição a aeronave se encontra operando com o motor em marcha lenta, portanto, apenas são consideradas para efeitos de cálculos as forças de sustentação e arrasto, além do peso da aeronave. Valem as equações de equilíbrio da estática.

4 Forças Atuantes na Condição de Planeio D = W senγ L = W cosγ

5 Ângulo de Planeio O ângulo de planeio está diretamente relacionado com a eficiência aerodinâmica da aeronave, e assim, o ângulo de planeio será mínimo quando a relação L/D for máxima, ou seja, voando-se em uma condição de máxima eficiência aerodinâmica consegue-se um planeio com máximo alcance. O ângulo de planeio que proporciona o equilíbrio da aeronave não depende da altitude, do peso ou da área da asa, mas simplesmente da relação L/D. Porém, em uma determinada altitude, para que a relação L/D desejada seja obtida a aeronave deve voar com uma velocidade específica denominada velocidade de planeio, cujo valor depende diretamente da altitude, do peso e da área da asa. A velocidade de planeio para uma dada condição de altitude pode ser obtida pela solução da equação a seguir. Claramente percebe-se que a velocidade de planeio depende da variação da altitude através da variável ρ, onde quanto menor for a altitude menor será a velocidade de planeio considerando que a descida seja realizada com uma relação L/D constante, ou seja, o coeficiente de sustentação não muda durante o planeio. tg γ = 1 ( L / D) tg γ min = 1 ( L / D) máx v = 2 W cosγ ρ S C L

6 Planeio com Máximo Alcance Máxima Autonomia Para o caso de um planeio com máximo alcance ou máxima autonomia, o coeficiente de sustentação é calculado a partir da polar de arrasto conforme mostrado a seguir. Uma vez determinados o ângulo de planeio e a velocidade de planeio para uma determinada altitude e condição de vôo desejada, é possível determinar a razão de descida da aeronave (R D ) de forma rápida a partir do triângulo de velocidades. Alcance C * L = C D0 K Autonomia C L * 3 = C K D0 R D v h = v = v cosγ v = v senγ

7 Polar de Velocidades no Planeio A polar de velocidades apresentada mostra dois pontos em destaque, o ponto A representa um vôo de descida realizado para uma condição de máxima autonomia, e nesta situação, a razão de descida será mínima permitindo com que a aeronave permaneça mais tempo no ar antes de chegar ao solo. O ponto B representado no gráfico indica uma descida com máximo alcance, nesta situação a aeronave percorrerá uma maior distância horizontal antes de chegar ao solo. Como visto anteriormente, um vôo realizado para máximo alcance ocorre para uma condição de eficiência aerodinâmica máxima. Todos os outros pontos da polar de velocidades são obtidos considerando-se o coeficiente de sustentação característico para cada condição de vôo desejada.

8 Ângulo de Planeio de Distância Horizontal Para aeronaves que participam da competição AeroDesign é aconselhável que o planeio seja realizado para uma condição de máximo alcance de forma a se realizar a aproximação com o menor ângulo possível, portanto, para esta condição, o ângulo de planeio estará definido em função da máxima eficiência aerodinâmica e a distância horizontal percorrida antes que a aeronave toque o solo pode ser calculada pela relação trigonométrica mostrada nas Equações obtidas a partir da análise da figura. tg γ = h D D = h tgγ

9 Desempenho na Decolagem A análise do desempenho durante a corrida de decolagem de uma aeronave destinada a participar da competição AeroDesign representa um dos pontos mais importantes para o sucesso do projeto no quesito carga útil transportada, pois como o regulamento da competição restringe o comprimento de pista para a decolagem, a capacidade de decolar com o maior peso possível é diretamente afetada. Dessa forma, o peso total de decolagem da aeronave torna-se máximo quando dentro de todas as restrições existentes no regulamento da competição a equipe conseguir um excelente projeto aerodinâmico e que propicie durante a corrida de decolagem alçar vôo com a maior carga possível, portanto, uma polar de arrasto obtida com precisão propicia importantes melhoras no desempenho de decolagem, permitindo desse modo que se obtenha o maior peso total de decolagem para a aeronave em projeto.

10 Forças Atuantes na Decolagem Pode-se perceber analisando-se a figura, que além das quatro forças necessárias para o vôo reto e nivelado, também está presente durante a corrida de decolagem a força de atrito entre as rodas e o solo. Durante a corrida de decolagem a força normal diminui conforme a velocidade da aeronave aumenta, esse fato está relacionado ao aumento da força de sustentação que ocorre conforme a aeronave ganha velocidade R = µ N R = µ ( W L) Tipo do piso asfalto, concreto terra grama curta grama longa µ 0,02 até 0,03 0,05 0,05 0,10

11 Variação do C L na Corrida de Decolagem É importante ressaltar que durante uma análise de decolagem, o coeficiente de sustentação é constante durante toda a corrida de decolagem, e, para o propósito do AeroDesign é interessante que se utilize o C L ideal, pois dessa forma a relação entre a geração da força de sustentação necessária para a decolagem e a força de arrasto será a maior possível garantindo uma redução no comprimento de pista necessário para se decolar a aeronave. No instante em que a aeronave sai do solo, o ângulo de ataque aumenta de forma que a força de sustentação gerada se iguale ao peso, dessa forma, o C L também aumenta para um valor um pouco abaixo do C Lmáx. Nos instantes iniciais que sucedem a decolagem, como forma de se evitar o estol o piloto deve ser muito experiente, pois uma perda de sustentação a baixa altura praticamente inviabiliza uma recuperação do vôo ocasionando em queda da aeronave. C L ideal C LLO π e µ = 0 AR 2 φ

12 Equação para Cálculo do Comprimento de Pista Necessário para a Decolagem Como os valores da força de arrasto e da força de sustentação se alteram conforme a velocidade aumenta, o cálculo da equação segue modelo proposto por Anderson que sugere que seja realizada uma aproximação para uma força requerida média obtida em 70% da velocidade de decolagem, ou seja, os valores de L e D são calculados considerando v = 0,7v lo. Alguns autores assumem que a tração disponível é constante durante a corrida de decolagem, no presente curso definiu-se que a mesma varia com a velocidade, assim, a variável T presente na equação também tem seu valor em uma condição de v = 0,7v lo. Como forma de se manter uma margem de segurança durante o procedimento de decolagem e subida, a norma FAR-Part 23 (FAR Federal Aviation Regulation) sugere que a velocidade de decolagem não deve ser inferior a 20% da velocidade de estol, ou seja, v lo = 1,2 v estol. S Lo = g ρ S C Lmáx 1,44 W 2 { T [ D + µ ( W L) ]} 0,7vlo

13 Análise da Equação de Decolagem A partir da equação é possível verificar que o comprimento de pista necessário para a decolagem é sensível as variáveis peso, densidade do ar, área da asa e C Lmáx. Para aeronaves que participam da competição AeroDesign é de fundamental importância que a decolagem seja realizada com o maior peso possível no menor comprimento de pista, esta situação pode ser obtida a partir do aumento de área de asa, aumento da tração disponível através da escolha da melhor hélice ou então pelo aumento do C Lmáx com a escolha do melhor perfil aerodinâmico para o projeto em questão. Também é importante verificar que o aumento do peso provoca uma variação significativa no aumento da pista necessária para decolar, pois S lo varia com W², e, dessa forma, ao se dobrar o peso por exemplo, o valor de S lo é quadruplicado. Com relação à variação da altitude, percebe-se na equação que a redução da densidade do ar provoca o aumento de S lo, portanto, em aeroportos localizados em altitudes elevadas, a aeronave percorre um maior comprimento de pista durante a decolagem do que em aeroportos localizados ao nível do mar.

14 Gráficos Característicos na Decolagem Para a competição AeroDesign, é interessante que o peso total de decolagem seja mostrado em função do comprimento de pista necessário para decolar a aeronave em uma determinada condição de altitude em um gráfico cujo modelo genérico está apresentado na figura. A análise deste gráfico é muito importante durante a competição, pois permite à equipe definir a partir da altitude densidade local no momento do vôo qual será o peso máximo de decolagem para o comprimento de pista estipulado pelo regulamento.

15 Desempenho no Pouso Para a avaliação das características de pouso de uma aeronave, utiliza-se o mesmo modelo matemático e as mesmas considerações adotadas para o cálculo realizado durante a decolagem. Como forma de ilustrar as forças atuantes na aeronave durante o processo de desaceleração, a figura é similar a utilizada para a análise de decolagem. A única variável modificada é a tração disponível que durante o procedimento de pouso é considerada nula, pois o piloto reduz o motor a uma condição de marcha lenta.

16 Equação para o Cálculo do Desempenho de Pouso Esta equação é similar a que foi desenvolvida para o procedimento de decolagem e segue o modelo proposto por Anderson com todas as variáveis calculadas em um valor médio de 70% da velocidade de aproximação. A norma FAR Part-23 sugere por medida de segurança uma velocidade de aproximação 30% maior que a velocidade de estol. A equação representa uma forma aproximada para se prever o comprimento de pista necessário para o pouso de uma aeronave, sendo que para a competição AeroDesign, a aplicação dessa equação fornece resultados satisfatórios. S L = g ρ S C Lmáx 2 1,69 W [ D + µ ( W L)] 0,7 v t

17 Gráficos Característicos para o Pouso Para a competição AeroDesign, é importante que seja apresentado um gráfico que relacione o peso total da aeronave com o comprimento de pista necessário para o pouso, pois dessa forma, durante a competição a equipe terá em função das condições atmosféricas do local um panorama geral das qualidades de desempenho durante o pouso da aeronave. Um modelo genérico desse tipo de gráfico pode ser visualizado na figura apresentada a seguir.

18 Técnicas para se Reduzir o Comprimento de Pista para o Pouso Como alternativa para se reduzir o comprimento de pista necessário para o pouso, algumas técnicas de pilotagem podem ser utilizadas desde que o piloto possua experiência e habilidade para executá-las. Dentre essas técnicas, a principal é realizar o toque no solo com a menor velocidade possível, ou seja, garantir que a aeronave pouse com uma velocidade igual a velocidade de estol da aeronave. A obtenção desta condição é possível durante a manobra de arredondamento da aeronave nas proximidades do solo. Nesta situação ocorrem pequenas variações na equação apresentada anteriormente. S L = g ρ S C Lmáx 2 W [ D + µ ( W L)] 0,7estol

19 Utilização de Flapes e Spoilers Uma alternativa que pode ser utilizada para reduzir ainda mais o comprimento de pista é a utilização de flapes na aeronave que quando defletidos aumentam o arrasto e o valor do C Lmáx, contribuindo portanto para a redução de S L. Além dos flapes, também podem ser utilizados spoilers no extradorso da asa, que quando defletidos durante a desaceleração da aeronave atuam como forma de eliminar a sustentação e aumentar o arrasto parasita propiciando também a redução da S L. Normalmente a utilização de spoilers aumenta o arrasto parasita em torno de 10%. A utilização desses dispositivos acarreta em um acréscimo do peso vazio da aeronave devido a necessidade da adição de mais servos de comando na estrutura, portanto, a equipe deve ponderar todos esses aspectos e trabalhar como forma de se chegar ao objetivo almejado utilizando os melhores dispositivos para garantir uma desaceleração de aeronave dentro do espaço limite estipulado pelo regulamento da competição. Caso nenhuma das técnicas apresentadas proporcione o resultado esperado, uma solução certa para se garantir o pouso no comprimento de pista desejado é se trabalhar no sentido de aumentar o coeficiente de atrito através da adição de freios na aeronave.

20 Tema da Próxima Aula Diagrama v-n de Manobra. Desempenho em Curva. Envelope de Vôo e Teto Absoluto Teórico.