Introdução ao Projeto de Aeronaves. Aula 10 Características do Estol e Utilização de Flapes na Aeronave

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1 Introdução ao Projeto de Aeronaves Aula 10 Características do Estol e Utilização de Flapes na Aeronave

2 Tópicos Abordados O Estol e suas Características. Influência da Forma Geométrica da Asa na Propagação do Estol. Aerodinâmica da Utilização de Flapes na Aeronave.

3 Definição do Estol É possível se observar na curva característica C L versus α de uma asa finita, que um aumento do ângulo de ataque proporciona um aumento do coeficiente de sustentação, porém esse aumento de C L não ocorre indefinidamente, ou seja, existe um limite máximo para o valor do coeficiente de sustentação de uma asa. Este limite máximo é designado na industria aeronáutica por ponto de estol.

4 Ângulo de Estol Muitos são os parâmetros que contribuem para o estol, dentre eles, o principal é justamente a variação do ângulo de ataque, onde a análise da curva C L versus α permite observar que a partir de um determinado valor de α, o coeficiente de sustentação decresce rapidamente. Este ângulo de ataque é denominado ângulo de estol. O estudo do estol representa um elemento de extrema importância para o projeto de um avião, uma vez que proporciona a determinação de parâmetros importantes de desempenho, como por exemplo, a mínima velocidade da aeronave e a determinação dos comprimentos de pista necessários ao pouso e decolagem.

5 Características do Estol O estol é provocado pelo descolamento do escoamento na superfície superior da asa, esse descolamento é devido a um gradiente adverso de pressão que possui a tendência de fazer com que a camada limite se desprenda no extradorso da asa. Conforme o ângulo de ataque aumenta, o gradiente de pressão adverso também aumenta, e para um determinado valor de α, ocorre a separação do escoamento no extradorso da asa de maneira repentina. Quando o descolamento ocorre, o coeficiente de sustentação decresce drasticamente e o coeficiente de arrasto aumenta rapidamente.

6 Representação do Estol A figura mostra a curva característica C L versus α para uma asa qualquer, onde são apresentados dois pontos principais. No ponto A verificase o escoamento completamente colado ao perfil e, no ponto B nota-se o escoamento separado, indicando assim, uma condição de estol.

7 Velocidade de Estol Representa a mínima velocidade com a qual é possível se manter o vôo reto e nivelado da aeronave. Essa velocidade pode ser calculada a partir da equação fundamental da sustentação. Para se obter boas qualidades de desempenho de uma aeronave, é desejável que se obtenha o menor valor possível para a velocidade de estol, pois dessa forma, o avião conseguirá se sustentar no ar com uma velocidade baixa, além de necessitar de um menor comprimento de pista tanto para decolar como para pousar. v estol = 2 W ρ S C Lmáx

8 Análise da Equação da Velocidade de Estol Avaliando-se as variáveis presentes na equação, nota-se que um aumento do peso contribui de maneira negativa para a redução da velocidade de estol. Porém em projetos da natureza do AeroDesign, o aumento do peso é um ponto fundamental para um bom desempenho da equipe, uma vez que a carga útil carregada representa a conquista de muitos pontos. A densidade do ar também contribui de forma negativa, pois seu valor torna-se cada vez menor conforme a altitude aumenta, e, assim, a minimização da velocidade de estol passa a ser dependente somente dos aumentos da área da asa e do coeficiente de sustentação máximo. O aumento da área da asa de forma excessiva pode piorar em muito o desempenho da aeronave, pois da mesma forma que aumenta o valor da força de sustentação gerada, também proporciona um aumento na força de arrasto, portanto, conclui-se que o parâmetro mais eficiente para se reduzir à velocidade de estol é utilizar um valor de CLmáx tão grande quanto possível, e isso recai na escolha adequada do perfil aerodinâmico da asa.

9 Ensaio em Vôo para Determinação do Estol A fotografia apresentada mostra uma situação onde pode-se observar claramente o descolamento da camada limite próxima à raiz da asa, indicando assim uma situação de estol.

10 Influência da Forma da Asa na Propagação do Estol A forma como o estol se propaga ao longo da envergadura de uma asa depende da forma geométrica escolhida e representa um elemento importante para a determinação da localização das superfícies de controle (ailerons) e dispositivos hipersustentadores (flapes). Em uma asa trapezoidal, o ponto do primeiro estol ocorre em uma região localizada entre o centro e a ponta da asa, e sua propagação ocorre no sentido da ponta da asa. Esta situação é muito indesejada, pois uma perda de sustentação nesta região é extremamente prejudicial para a capacidade de rolamento da aeronave uma vez que os ailerons geralmente se encontram localizados na ponta da asa. Particularmente, essa situação é muito indesejada em baixas alturas de vôo, pois uma ocorrência de estol com perda de comando dos ailerons na proximidade do solo praticamente inviabiliza a recuperação do vôo estável da aeronave. Para o caso de uma asa com forma geométrica retangular, a região do primeiro estol ocorre bem próximo à raiz da asa, e, dessa forma, a região mais próxima da ponta continua em uma situação livre do estol, permitindo a recuperação do vôo da aeronave fazendo-se uso dos ailerons que se encontram em uma situação de operação normal. Da mesma forma que ocorre na asa retangular, uma asa com forma geométrica elíptica também proporciona uma propagação da região de estol da raiz para a ponta da asa.

11 Modelos de Propagação do Estol sobre a Asa A figura mostra as formas mais tradicionais citadas e suas respectivas propagações de estol.

12 Torção Geométrica A grande maioria das aeronaves possui asa afilada, e uma das soluções utilizadas para se evitar o estol de ponta de asa é a aplicação da torção geométrica, ou seja, as seções mais próximas à ponta da asa possuem um ângulo de incidência menor quando comparadas às seções mais internas. A torção geométrica é conhecida na nomenclatura aeronáutica por washout. A figura mostra um exemplo de torção geométrica em asas.

13 Utilização de Flapes na Aeronave Os flapes são dispositivos hiper-sustentadores que consistem de abas ou superfícies articuladas existentes nos bordos de fuga das asas de um avião, quando estendidos aumentam a sustentação e o arrasto de uma asa pela mudança da curvatura do seu perfil e do aumento de sua área. Geralmente, os flapes podem ser utilizados em dois momentos críticos do vôo: a) durante a aproximação para o pouso, em deflexão máxima, permitindo que a aeronave reduza a sua velocidade de aproximação, evitando o estol. Com isso a aeronave pode tocar o solo na velocidade mais baixa possível para se obter o melhor desempenho de frenagem no solo e reduzindo consideravelmente o comprimento de pista para pouso. b) durante a decolagem, em ajuste adequado para produzir a melhor combinação de sustentação (máxima) e arrasto (mínimo), permitindo que a aeronave percorra a menor distância no solo antes de atingir a velocidade de decolagem.

14 Localização dos Flapes Os flapes normalmente se encontram localizados no bordo de fuga próximos à raiz da asa como pode ser observado na figura.

15 Tipos de Flapes Basicamente os flapes podem ser utilizados em uma aeronave como forma de se obter os maiores valores de C Lmáx durante os procedimentos de pouso e decolagem sem penalizar o desempenho de cruzeiro da aeronave. Os flapes podem ser definidos como artifícios mecânicos que alteram temporariamente a geometria do perfil e conseqüentemente da asa. A figura mostra os principais tipos de flapes utilizados nas aeronaves.

16 Influência da Aplicação dos Flapes na Curva C L versus α O efeito provocado pela aplicação dos flapes pode ser visualizado na figura, onde, na qual, pode-se notar um considerável aumento no valor do C Lmáx sem que ocorra nenhuma mudança do coeficiente angular da curva C L versus α.

17 Modelo Matemático para Utilização de Flapes Como a aplicação dos flapes proporciona um aumento no arqueamento do perfil percebe-se que a curva C L versus α sofre um deslocamento para a esquerda acarretando em uma diferença de ângulo de ataque para se obter a sustentação nula e também um menor ângulo de estol quando comparado a uma situação sem flape. O coeficiente de sustentação máximo obtido pela aplicação dos flapes pode ser estimado de acordo com McCormick,pela aplicação da equação a seguir. A variável x representa a fração de aumento na corda do perfil originada pela aplicação dos flapes. C = (1 + x) Lmáxcf C Lmáxsf

18 Tema da Próxima Aula Distribuição Elíptica de Sustentação. Aproximação de Schrenk para Asas com Forma Geométrica Diferentes da Elíptica. Arrasto em Aeronaves. Efeito Solo.