Disciplina: Infraestrutura Industrial e Aeroportuária

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1 Disciplina: Infraestrutura Industrial e Aeroportuária Características de Aeronaves Relacionadas ao Projeto de Aeroportos Prof. Fernando Porto Parte 3

2 Condições Atmosféricas Assim como variam em características dimensionais, as aeronaves variam em capacidade para voar em determinadas velocidades e altitudes sobre certas distâncias. Além disso, ocorrem variações nos comprimentos de pista necessários para realizar com segurança operações de pouso e decolagem, bem como na quantidade das emissões de ruído e consumo. Muitas destas variações não são apenas funções das aeronave em si, mas dos ambientes em que operam.

3 1. Pressão e Temperatura do Ar A performance de todos os aviões é muito afetada pela densidade do ar no qual operam. Quanto mais denso o ar, mais moléculas de ar fluem sobre as asas, criando mais sustentação. Com uma menor densidade do ar, aeronaves exigem maior velocidade para manter a mesma sustentação. A densidade do ar é principalmente uma função da pressão de ar, medida em unidades inglesas como polegadas de mercúrio (inhg) e em unidades métricas como milibares (mb) ou Pascal.

4 A densidade do ar é afetada pela pressão e temperatura do ar. Com a redução da pressão ou aumento da temperatura, há redução da densidade do ar, e viceversa. Embora essas características da atmosfera variam de dia para dia e de lugar para lugar, por conveniência prática para comparar o desempenho de aeronaves, bem como para o planejamento e projeto de aeroportos, uma atmosfera padrão foi definida. A atmosfera padrão representa as condições médias encontrados na atmosfera real em uma região geográfica específica. Várias atmosferas normalizadas diferentes estão em uso, sendo que a FAA recomenda 15 o C e 101,3kPa como padrão para o nível do mar.

5 1. Na atmosfera normal, assume-se que, a partir do nível do mar até uma altitude de cerca de pés (10.973,8 m), conhecidos como troposfera, a temperatura diminui linearmente. 2. Acima disto até cerca de pés ( m), conhecida como a estratosfera, a temperatura permanece constante; 3. acima de pés, a temperatura sobe. Muitos aviões a jato convencional voam tão alto quanto pés (12.496,8 m), e o Concorde operava em pés ( m) ou mais.

6 A cada aumento de 1000 pés (304,8 m) na altitude, a temperatura diminui em cerca de 1,98 o C, até alcançar o valor de -56,5 o C. A pressão também varia em função da altitude: P = P. e.. k = ρ P Onde P 0 e 0 são pressão e densidade do ar ao nível do mar (101,3kPa e 1,225kg/m 3 ), g 0 é aceleração da gravidade ao nível do mar (9,80665 m/s 2 ), h, a altitude a ser verificada a pressão, em metros, e P h, a pressão na altitude h, em kpa.

7 Altitude sobre o nível do mar - h - (m) Temperatura - t - ( o C) Aceleração da gravidade - g - (m/s 2 ) Pressão absoluta - p - (10 4 N/m 2 ) Densidade - ρ - (10-1 kg/m3) ,50 9,810 11,39 13,47 1, ,00 9,807 10,13 12,25 1, ,50 9,804 8,988 11,12 1, ,00 9,801 7,950 10,07 1, ,49 9,797 7,012 9,093 1, ,98 9,794 6,166 8,194 1, ,47 9,791 5,405 7,364 1, ,96 9,788 4,722 6,601 1, ,45 9,785 4,111 5,900 1, ,94 9,782 3,565 5,258 1, ,42 9,779 3,080 4,671 1, ,90 9,776 2,650 4,135 1, ,50 9,761 1,211 1,948 1, ,50 9,745 0,5529 0,8891 1, ,60 9,730 0,2549 0,4008 1, ,64 9,715 0,1197 0,1841 1, ,80 9,684 0,0287 0, , ,654 0, , , ,13 9,624 0, , , ,57 9,594 0, , , ,51 9,564 0, , ,321 Viscosidade Dinâmica - μ - (10-5 N.s/m 2 ) US Standard Day em unidades SI (de a metros de altitude)

8 US Standard Day em unidades inglesas.

9 Altitude [m] Temperatura [oc] Pressão [kpa] 0 15,00 101, ,75 95, ,49 89, ,99 79, ,52 70, ,99 65, ,46 61, ,93 57, ,42 54, ,91 50, ,40 47, ,75 41, ,74 36, ,73 31, ,50 28, ,50 26, ,50 24, ,50 23, ,50 22, ,50 21,91 US Standard Day em unidades SI

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12 Altitude [km]

13 2. Velocidade e Direção do Vento Aeronaves dependem da velocidade do ar que flui sobre as suas asas para conseguir sustentação. Assim, a direção e velocidade do vento perto dos aeroportos têm grande efeito sobre o desempenho da aeronave no pouso e decolagem.

14 Velocidade de solo (groundspeed): a velocidade da aeronave em relação ao solo. Velocidade real (true airspeed): velocidade da aeronave em relação ao ar que flui sobre as superfícies de sustentação.

15 A velocidade indicada nos instrumentos é a true airspeed, enquanto a velocidade absoluta é a groundspeed, velocidade em relação ao solo.

16 Ventos contrários, frontais ou de proa (headwinds) permitem que uma aeronave obtenha sustentação em menores groundspeeds, e, assim, permitem pousos e decolagens com comprimentos de pista mais curtos. Ventos de cauda (tailwind) são preferíveis para aeronaves já em rota de voo, em altitude, pois permitem que os aviões alcancem maiores groundspeeds com menor consumo de combustível, mas não são preferíveis para pouso ou decolagem. Assim, aeroportos tendem a ter suas pistas planejadas de modo que as aeronaves possam operar na maioria das vezes com ventos frontais, orientando as pistas primárias na direção dos ventos dominantes.

17 Ventos laterais ou cruzados (crosswind): as aeronaves frequentemente pousam e decolam sem que os ventos estejam diretamente orientados contra ou a favor do movimento do avião, ou seja, não raro pousam e decolam com ventos atingindo lateralmente o avião. Ventos laterais afetam grandemente o movimento de aeronaves em pouso ou decolagem, forçando o piloto a caranguejar, pedalar ou adotar um crab angle. crab angle

18 Pista crab angle Rota Exemplo: Uma aeronave aproxima-se de uma pista a uma velocidade real (groundspeed) de 135 kn (knots, ou nós; 250 km/h) sob vento cruzado de 25 kn (46,3 km/h). O ângulo de caranguejo seria de 10,67. Este crab angle é reduzido a zero pouco antes da aterragem, de modo que a aeronave esteja apontada diretamente para o centro da pista.

19 Embora os pilotos sejam treinados para operar com segurança em condições de vento lateral, é desejável minimizar esta ocorrência. Além disso, a capacidade física de uma aeronave de pousar corretamente em condições de vento lateral é limitada pelo peso da aeronave, velocidade de pouso, e os ventos existentes. Muitas vezes, pequenos aviões não conseguem pousar com segurança se os crosswinds numa pista são muito grandes. Por esta razão, os aeroportos podem acomodar aviões menores e mais lentos em pistas secundárias com diferentes orientações, que permitam a estes encontrar condições de vento variáveis.

20 Chennai Airport

21 Ao contrário das pistas primárias que são orientados para os ventos predominantes, as pistas secundárias de vento lateral são orientadas na direção dos ventos que ocorrem com menor frequência. Dublin Airport Pistas secundárias Pista primária

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23 Características de Performance 1. Velocidade As performances de aeronaves são, em parte, definidas pelas diferentes velocidades com que podem realizar com segurança decolagem, cruzeiro, manobra e aproximação à terra. Essas velocidades são definidas nos manuais de desempenho como velocidades V (V-Speeds). Algumas destas velocidades, de maior interesse para a disciplina, são detalhadas a seguir.

24 V ne : Velocidade máxima ou velocidade que não deve ser excedida (Do-Not-Exceed Speed), velocidade máxima que o avião pode alcançar mantendo integridade estrutural. V a : velocidade de manobra (Design Maneuvering Speed), a velocidade recomendada para a realização de manobras em voo ou para operação em ar turbulento.

25 V lo : Velocidade de decolagem (Liftoff Speed), velocidade recomendada com qual a aeronave pode decolar em segurança. V r : velocidade de rotação (Rotate Speed), velocidade na qual o trem de nariz pode ser elevado da pista durante a decolagem.

26 V 1 : velocidade de decisão ou velocidade crítica de decolagem (Decision Speed). É a velocidade acima da qual, durante a corrida de decolagem, a decolagem continuará mesmo na ocorrência de falha de motor ou outro falha grave, tal como o colapso de um pneu. Se um avião desenvolve a falha antes de alcançar V 1, o piloto aborta a decolagem. Entretanto, abortar uma decolagem após ultrapassar V 1 é fortemente desencorajado porque a aeronave pode não ser capaz de parar antes do fim da pista. Esta velocidade depende de fatores tais como peso da aeronave, comprimento e superfície da pista, e portanto deve ser determinada pelo piloto antes da decolagem.

27 V so : Velocidade de estol em pouso (Stall Speed - landing configuration), mínima velocidade possível para o avião, em configuração de pouso (trem de pouso e flaps baixados), para manter sustentação. No caso do avião atingir uma velocidade menor, este perderá toda a sustentação e é dito estolar. Esta velocidade é também tipicamente na qual um avião tocará a pista no processo de pouso. V ref : Velocidade de referência (Reference Landing Approach Speed), velocidade na qual um avião se aproxima para o pouso. V ref é normalmente 1,3 V so.

28 Para o projeto de aeroportos, muitas destas velocidades contribuem para determinar os comprimentos de pista necessários para pouso e decolagem, bem como para determinar o número máximo de operações que podem ser realizadas ao longo de um determinado período de tempo.

29 Velocímetro do Cessna 150L V-speeds

30 Diagrama do envelope de voo do caça F-104A Starfighter mostrando V S (velocidade de estol a 1G), V C (velocidade de manobra) e V D (velocidade de mergulho) Envelope de voo: capacidade de um projeto em termos de velocidade indicada (airspeed) e fator de carga (aceleração G) ou altitude.

31 2. Carga Útil e Alcance A máxima distância que uma aeronave pode voar, dado uma determinada quantidade de combustível nos tanques, é conhecida como o alcance (range) da aeronave. Há uma série de fatores que influenciam o alcance de uma aeronave, estando entre os mais importantes a carga útil (payload). Normalmente, o alcance é aumentado quando a carga é diminuída, um compromisso de peso que ocorre entre o combustível necessário para voar para o destino e a carga que deve ser transportada.

32 A relação entre a carga útil e alcance é ilustrado a seguir. Carga Útil Alcance

33 O ponto A indica o máximo alcance (Ra) para um avião com o máximo de carga útil (Pa). Para voar uma distância Ra e transportar uma carga útil Pa a aeronave tem a decolar em seu peso estrutural máximo de decolagem; no entanto, os reservatórios de combustível não estarão completamente preenchidos.

34 O ponto B indica o alcance com o máximo de combustível, representando a maior distância (Rb) que uma aeronave pode voar se os reservatórios de combustível estiverem completamente preenchidos no início da viagem. A carga útil correspondente que pode ser transportada é Pb. Para viajar a distância Rb a aeronave deve decolar no seu peso estrutural máximo de decolagem.

35 Assim, para prolongar a distância da viagem a partir de um Ra a carga tem de ser reduzido em favor da adição de mais combustível. O ponto C representa a distância máxima que um avião pode voar sem qualquer carga útil. O alcance Rc é muito usado na entrega de aeronaves (ferry range).

36 Em alguns casos, o peso estrutural máximo de pouso pode ditar quanto tempo uma aeronave pode voar com uma carga estrutural máxima. Neste caso, a linha DE representa o compromisso entre a capacidade de carga e alcance. Lembrando que Ra é o máximo alcance para um avião com o máximo de carga útil

37 Desta forma, o compromisso carga útil versus alcance acompanha a linha DEBC em vez da linha ABC.

38 O compromisso carga útil versus alcance depende de uma série de fatores, como condições meteorológicas em rota, altitude de voo, velocidade, combustível, vento e quantidade de combustível de reserva. Para comparação do desempenho de diferentes aviões de forma aproximada, as curvas carga vrs. alcance geralmente são mostrados para o dia normal, sem vento, e configuração para cruzeiro de longo alcance. A carga real em aviões de passageiros normalmente é menor do que a carga útil máxima mesmo quando a aeronave estiver completamente cheia. Isto é devido à limitações na utilização do espaço. Para o estimativa de carga, passageiros e suas bagagens são normalmente considerados como unidades de 100kg (200 lb).

39 Esses diagramas são úteis no planejamento do aeroporto, permitindo determinar as características de peso mais prováveis das aeronaves. Finalizando, para efeito de concepção de pavimento de pista, considera-se que 5 por cento do peso da aeronave é suportado no trem de nariz e o restante sobre o trem principal. Assim, se existem duas pernas no trem de pouso principal, cada perna suporta 47,5 por cento do peso total.

40 Bibliografia R.M. Horonjeff, F.X. McKelvey, W.J. Sproule Planning and Design of Airports. McGraw-Hill Professional Publishing; 5th ed; ISBN-10: ISBN-13: