DESEMPENHO DE AERONAVES

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1 DESEMPENHO DE AERONAVES Kamal A. R. Ismail Professor Titular Prof. Dr. Kamal A. R. Ismail DETF FEM UNICAMP Caixa Postal: 6122 CEP: Campinas São Paulo Brasil Tel. (019)

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3 DESEMPENHO DE AERONAVES Kamal A. R. Ismail Professor Titular Prof. Dr. Kamal A. R. Ismail DETF FEM UNICAMP Caixa Postal: 6122 CEP: Campinas São Paulo Brasil Tel. (019) iii

4 FICHA CATALOGRÁFICA ELABORADA PELA BIBLIOTECA DA ÁREA DE ENGENHARIA - BAE - UNICAMP Is5d Ismail, Kamal Abdel Radi Desempenho de aeronaves / Kamal Abdel Radi Ismail.--Campinas, SP: Ed. do autor, p. 1. Aerodinâmica. 2. Propulsão a jato. 3. Desempenho. I. Título. ISBN Índices para Catálogo Sistemático 1. Aerodinâmica Propulsão a jato Desempenho CDD iv

5 Prefácio Este livro visa apresentar os fundamentos de calculo de desempenho de aeronave que é uma das disciplinas fundamentais para qualquer curso de engenharia aeronáutica. A matéria apresentada nos diversos capítulos do livro visa fornecer os fundamentos aerodinâmicos necessários para construir bagagem necessária, enriquecido por exemplos numéricos. Cada capitulo é finalizado por uma lista de problemas sugeridos e uma lista de referencia bibliográfica para estudos e investigações mais detalhada. O texto pode ser usado para uma disciplina de 45 à 60 h em nível de graduação.o livro também pode ser usado por engenheiros praticantes, por pilotos e estudiosos que queiram aprender um pouco mais sobre o assunto. O livro pode ser de grande valia para grupo de interesse em aerodesign e projetos similares de interesse estudantil ou profissional. No capitulo 1 é apresentado a evolução histórica e rápida dos perfis aerodinâmicos, asas e finalmente das aeronaves passando do estado inicial e primitivo mas ainda de fundamental importância, de imitar os pássaros, a um projeto de aeronave de transporte supersônico que vão a numero de Mach 2,0 e em altitudes de ate 18 km acima do nível do mar. Tudo isto durante cerca de 100 anos, um período no qual teve participação brasileira da maior importância pelo Santos Dumon. No capitulo 2 é de forma simplificada e apresentada teorias básica de vôo em regime permanente e em regime de aceleração e o efeito de parâmetro importante como razão de arrasto/sustentação β, e o efeito de numero de Reynolds e o numero de Mach sobre a razão β. Capitulo 3 apresenta a aerodinâmica da aeronave de forma resumida voltada para o desempenho de aeronaves; são apresentados os aerofolios, as asas finitas, incluindo as asas flechadas e asas deltas. O arrasto, fuselagem e finalmente o polar de arrasto Mesmo que o tópico de propulsão é geralmente estudado numa disciplina especifica, optou-se incluir um resumo do assunto de ponto de vista de desempenho para deixar o texto mais completo. È apresentada uma discussão sobre motores a pistão, teorias de hélice, escolha de hélice, projeto de hélice para quem se interessa no assunto, turbo fan., turbo prop. e finalmente motor turbo jato. Capitulo 5 apresenta a aerodinâmica de sistema asa-fuselagem, onde apresentada a aerodinâmica de fuselagem de forma especifica em seguida a combinação asa-fuselagem e as interferências resultantes. v

6 Capitulo 6 trata-se dos elementos da aerodinâmica de estabilização e controle. Apresentados todos os elementos da aeronaves e sua aerodinâmica, o leitor tem condições de ser apresentado as técnicas de avaliação de desempenho de aeronaves. Este é dividido em duas partes. Primeira parte apresentada no capitulo 7 que trata de desempenho em regime permanente de operação. O capitulo 8 trata de operações e manobras em regime não permanente com decolagem, aterrissagem e manobras de virada. O empuxo vetorizado é apresentado no capitulo 9, onde inicialmente são apresentadas as equações governantes e em seguidas são discutidos e analisados os casos de pouso e decolagem verticais. Capitulo 10 apresenta o desempenho de aeronaves em regime transonico e supersônico. Kamal A.R. Ismail vi

7 Agradecimentos Gostaria de agradecer ao Conselho Nacional de Pesquisa, CNPQ, pela bolsa de produtividade em pesquisa PQ vii

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9 Dedicatória Dedico este livro aos meus alunos de graduação e pós-graduação e a todos que aprenderem ou pesquisaram comigo aerodinâmica e também a meus pequenos grandes amigos; Bela, Inca, Sacha, Sol, Pando, Vitória, Marrom, Luana, Pingo, Sofia, Dino, Bobi, Morena e Mel. Uma dedicação especial as minhas queridas amigas que me deixaram para sempre, as queridas Tana, Dona, Lua e o querido Bugri, que lutaram pela vida mas foram tristemente vencidas e partiram. ix

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11 CONTEUDO CAPITULO 1 TEORIA BÁSICA DE VÔO 1.1 Vôo em regime sem aceleração 1.2 A razão de arrasto/ sustentação ( β ) Efeito do número de Reynolds Re sobre β β = C / C Efeito do número de Mach M sobre D L Desempenho em subida Limites de altitude 14 Bibliografia 14 CAPITULO 2 AERODINAMICA DOS PERFIS E DAS ASAS 2.1 Nomenclatura de aerofólio As características de aerofólio Os aerofólios; Construção e comentários sobre seus desempenhos As forças e momentos aerodinâmicos O centro aerodinâmico Famílias de aerofólios Os aerofólios modernos Classificação por regime de vôo A filosofia da teoria ideal de aerofólio fino Teoria geral de aerofólio de envergadura infinita Solução do aerofólio simétrico ou placa plana A solução geral do aerofólio genérico As propriedades aerodinâmicas de aerofólio com arqueamento Aplicação para perfis NACA AERODINÂMICA DA ASA FINITA; TECNICAS DE LINHA DE SUSTENTAÇÃO Introdução Nomenclatura da asa Teoria aproximada de linha de sustentação de Prandtl Distribuição elíptica da circulação Distribuição genérica da circulação Influencia da razão de aspecto As asas flechadas Asas inclinadas sheared Asas flechadas de envergadura finita Asas de pequena razão de aspecto Cálculo da distribuição de pressão e de sustentação As características aerodinâmicas das asas flechadas 74 Bibliografia 76 CAPITULO 3 INTRODUÇÃO Á AERODINÂMICA DA AERONAVE 3.1 A sustentação de uma asa finita Asa reta de alta razão de aspecto Asa reta de pequena razão de aspecto Asas flechadas Asa delta Combinação fuselagem-asa Arrasto O arrasto subsônico Asa finita Fuselagem O arrasto transônico O arrasto supersônico O polar de arrasto 104 xi

12 O polar de arrasto 107 Bibliografia 111 CAPITULO 4 EMPUXO E PROPULSÃO 4.1 Introdução Características do motor a pistão Analise do hélice Teoria de momentum Teoria de elemento de pás Teoria de vórtice Relações aproximadas para hélices Escolha de um hélice Projeto de um hélice Turbo jato Descrição de turbina a gás Nivelamento de potencia dos motores Considerações sobre o desempenho de turbinas a gás Comparação de desempenho de motores de turbo jato turbo fan e turbo porp Características e desempenho dos motores á jato O motor turbo jato O motor turbo fan Motor Turbo prop 147 Bibliografia 148 CAPITULO 5 AERODINÂMICA DO SISTEMA ASA- FUSELAGEM 5.1 Aerodinâmica da fuselagem Geometria de fuselagem Forças e momentos sobre a fuselagem A fuselagem no escoamento incompressível Fuselagem num escoamento axial Fuselagem num escoamento não simétrico As soluções exatas Aerodinâmica do sistema asa- fuselagem Geometria de sistema asa/ fuselagem Os coeficientes aerodinâmicos Sistema asa/fuselagem em um escoamento incompressível Distribuição da sustentação sobre a fuselagem Distribuição da sustentação sobre a asa Arrasto e a sustentação máxima de um sistema asa-fuselagem Sistema asa-fuselagem num escoamento não simétrico 157 Bibliografia 194 CAPITULO 6 AERODINÂMICA DOS ELEMENTOS DE ESTABILIZAÇÃO 6.1 Aerodinâmica do estabilizador Função dos estabilizadores e superfície de controle Geometria das superfícies de cauda Aerodinâmica da cauda horizontal A cauda horizontal num escoamento incompressível 205 Bibliografia 220 CAPITULO 7 DESEMPENHO DE AERONAVES EM VÔO DE REGIME 7.1 Equações de movimento de uma aeronave Equações de movimento para vôo em nível plano e em regime Empuxo requerido Procedimento Gráfico Procedimento analítico Comentários relativos aos procedimentos gráficos e analíticos Os parâmetros fundamentais: Razão ( R / W ), ( W / S), ( C,, K ) e L D 235 T D o / As relações aerodinâmicas associadas com (CL/CD)max, C 3 / 2 L / CD, C 1/ 2 L / CD, temos: 236 xii

13 7.5 O empuxo disponível e a velocidade máxima da aeronave Aeronaves com propulsor Aeronave com propulsão a jato Velocidade de vôo máxima Potência requerida O procedimento gráfico Procedimento analítico Potência disponível e a velocidade máxima Aeronave com rotor propulsor Motores turbo jato e turbo tan A velocidade máxima Efeito de divergência de arrasto sobre a velocidade máxima Procedimento de Raymer A velocidade mínima, estolamento e dispositivo de alta sustentação Cálculo da velocidade de estol O fenômeno de estol Dispositivos de alta sustentação Taxa de subida Procedimento gráfico O procedimento analítico Vôo de plano sem potência Taxa de descida Tetos de Serviço absoluto Tempo de subida O procedimento gráfico O procedimento analítico Alcance (Range) O alcance para aeronave com rotor propulsor O alcance para aeronave a jato Outros comentários Duração de permanência no ar endurance Endurance para aeronave com rotor propulsor Endurance para uma aeronave a jato Comentários gerais sobre o alcance e duração de vôo contínuo endurance Caso de aeronave com rotor propulsor Caso da aeronave a jato Caso de aeronave com rotor propulsor Caso de aeronave a jato Efeito de vento Resumo dos resultados 297 CAPITULO 8 DESEMPENHO DE AERONAVE EM VÔO ACELERADO 8.1 Virada em nível Limites sobre fator de carga Limite em vôo Raio mínimo de curva Taxa mínima de virar Comentários sobre o projeto Manobras pull up e pull down Caso limite de alto fator de carga O diagrama V-n Comentários do projeto Taxa de subida com aceleração Altura energética de uma aeronave Potência especifica em excesso Os gráficos de Ps (Iso-Ps) Taxa de subida e tempo de subida em vôo acelerado Desempenho na decolagem Cálculo da distância percorrida na pista Cálculo da distância (enquanto sustentado no ar) para passar sobre um obstáculo 331 xiii

14 8.6 Desempenho em aterrissagem Cálculo da distância de aproximação Cálculo da distância de flare flutuação Resumo, 341 CAPITULO 9 EMPUXO VETORIZADO 9.1 As equações para vôo em regime O valor ótimo de θ F para vôo de cruzeiro e subida Vôo em nível a baixa velocidade Decolagem e pouso verticais Decolagem curta O uso de empuxo vetorizado durante o vôo 352 CAPITULO 10 VÔO TRANSONICO E SUPERSONICO 10.1 O arrasto Alcance para altas velocidades subsônicas Subida e Aceleração em vôo supersônico Alcance em velocidades supersônicas Virada em vôo supersônico A razão de arrasto/ sustentação ( β ) 380 BIBLIOGRAFIA GERAL 383 ANEXO A 391 xiv