Aula 14 Conhecimentos Técnicos sobre Aviões

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1 Universidade Federal do ABC Aula 14 Conhecimentos Técnicos sobre Aviões AESTS002 AERONÁUTICA I-A

2 Suporte ao aluno Site do prof. Annibal: ts002-aeronautica-i-a

3 Tópicos desta aula Tração em aeronaves. Superfícies e dispositivos de comando de voo.

4 TEORIA DE VOO Tração TRAÇÃO A tração é a força produzida pelo grupo moto-propulsor. o Motor a pistão mais hélice o Motor turboélice mais hélice o Turbofan o Turbojato É responsável pela movimentação do avião e é a força que se opõe ao arrasto. Vamos tratar apenas do motor a pistão e hélice.

5 TEORIA DE VOO Tração TRAÇÃO As definições de Potências do Motor. IHP = BHP + FHP IHP => Indicated Horse Power o Potência Indicada BHP => Brake Horse Power o Potência Efetiva o É a potência que o motor fornece à hélice => Varia desde a marcha lenta até a potência máxima. o Potência efetiva máxima => Potência nominal => Tempo limitado. FHP => Friction Horse Power o Potência de Atrito

6 TEORIA DE VOO Tração TRAÇÃO THP => Thrust Horse Power o Potência Útil THP = *BHP = T * V Potência Necessária o É a potência que o avião necessita para manter voo nivelado em uma dada velocidade. Pn = D * V o A potência necessária depende do arrasto do avião e da velocidade. Se Pn = THP => Voo com altitude e velocidade constantes. Se Pn < THP => Subida com velocidade constante ou voo nivelado com aumento de velocidade. Se Pn > THP => Voo descendente com velocidade constante ou voo nivelado com redução de velocidade.

7 TEORIA DE VOO Hélice TRAÇÃO Converte potência efetiva em potência útil. Consiste numa asa rotativa que produz uma força, na qual pode ser decomposta em duas componentes: a tração (T) e a força de torção (Ft).

8 TEORIA DE VOO Hélice TRAÇÃO A pá da hélice é formada por seções em forma de aerofólios, na qual possui uma torção, sendo os ângulos maiores nas proximidades do cubo e menores na ponta. Perto do cubo a hélice deve ser espessa e estruturalmente resistente para suportar o grande esforço de flexão.

9 TEORIA DE VOO Hélice TRAÇÃO Os aerofólios da hélice estão sujeitos a dois movimentos: o Translação o Rotação Avançam e giram ao mesmo tempo => Descrevem uma trajetória helicoidal. O vento relativo terá a direção da resultante entre as velocidades de translação e rotação.

10 TEORIA DE VOO Hélice TRAÇÃO A velocidade de translação e a velocidade angular é a mesma para todos os aerofólios da hélice. A velocidade tangencial varia de acordo com a distância ao eixo de rotação. Exemplo: Embraer 712 Tupi a 2500 RPM (f = 1,93 metros) o 72 cm do centro de rotação => Velocidade tangencial = 368 kt o 20 cm do centro de rotação => Velocidade tangencial = 102 kt Se a pá da hélice do Tupi não tivesse torção e o ângulo da pá fosse igual a 20, quando a aeronave voasse a 110 kt, com 2500 RPM, os ângulos de ataque dos aerofólios a 20 cm e a 72 cm do cubo seriam vistos como na figura do próximo slide.

11 TEORIA DE VOO Tração x Hélice TRAÇÃO

12 TEORIA DE VOO Tração x Hélice TRAÇÃO Para manter as duas seções com o mesmo ângulo de ataque, o ângulo de torção da pá a 20 cm do cubo deveria ser mais de 30 maior que o ângulo da seção a 72 cm (estação 75%). Isso explica as torções encontradas em todas as hélices. Quanto mais próxima ao cubo, maior deve ser o ângulo de torção.

13 TEORIA DE VOO Tração x Hélice TRAÇÃO EFICIÊNCIA DA HÉLICE: A eficiência da hélice varia com a RPM e com a velocidade do avião. Depende do ângulo de ataque de seus aerofólios. o Em especial do ângulo de ataque da estação 75%, que é a seção que mais produz tração. o Ângulo de ataque ideal => Aquele que maximiza a relação T/Ft. T/Ft está para a hélice assim como C L /C D está para a asa. Se a figura representasse o aerofólio de uma hélice, a ângulo ótimo seria 4, onde a relação C L /C D é máxima.

14 TEORIA DE VOO Eficiência da Hélice TRAÇÃO EFICIÊNCIA DA HÉLICE: Releiam a Aula 7, o capítulo sobre Hélices... em especial sobre tipos de hélices. Hélice com Passo Variável - Automático Tipos de Hélices Passo Fixo Passo Ajustável Passo Variável Manual Automático Elétrica Hidromática Também conhecida como hélice de passo controlável ou hélice de velocidade constante. Funciona com velocidade constante. É automática. O funcionamento a velocidade constante permite ao motor manter sempre a rotação ideal a qual foi projetado. O controle automático é feito pelo governador. É a hélice mais eficiente. Numa hélice de passo fixo, quando o avião está parado com o motor em funcionamento, o a do aerofólio é igual ao ângulo da pá. Quando o avião aumenta sua velocidade, seu a será diminuído. O a pode ser modificado aumentando ou reduzindo a rotação. A cada combinação de velocidade do avião por rotação da hélice corresponderá um ângulo de ataque. Por esse motivo a hélice de passo fixo é projetada de forma a se obter o ângulo de ataque ótimo numa determinada combinação rotação-velocidade. Fora dessa faixa, haverá grande redução da eficiência da hélice. Pode ser projetada para obter máximo rendimento em subida ou cruzeiro.

15 Eficiência da Hélice Na hélice de velocidade constante, o governador modifica o ângulo da pá, de forma que o ângulo de ataque seja sempre próximo do ângulo ideal. Na decolagem, o ângulo da pá e o avanço (passo efetivo) são pequenos, permitindo que o motor desenvolva toda a rotação e toda a potência, aumentando o ângulo de ataque e o avanço nas velocidades maiores, como na fase de cruzeiro.

16 Eficiência da Hélice Nos bimotores, se um motor for cortado em voo, e a hélice continuar girando em molinete, produzirá grande arrasto. Algumas hélices de velocidade constante possuem um dispositivo de passo bandeira, que alinha a hélice com o vento relativo, impedindo- a de girar, reduzindo o arrasto. Outras possuem reverso para ajudar na tarefa de frenagem durante o pouso e em decolagem abortada.

17 TEORIA DE VOO Efeitos Adversos da Hélice Esteira da Hélice Quando a hélice gira, o ar que ela joga para trás descreve um movimento helicoidal (sidewash). A esteira atinge a deriva do lado esquerdo, produzindo uma guinada para a esquerda. Para compensar essa tendência, que é máxima na decolagem, alguns aviões possuem a deriva montada de uma maneira assimétrica em relação ao eixo longitudinal do avião.

18 Efeitos Adversos da Hélice Torque: Se a hélice gira no sentido horário (visto de trás), por reação a hélice tende a girar o motor/avião no sentido oposto. Durante a decolagem, com a maior rotação/potência do motor, esta tendência é máxima. O esforço sobre o trem de pouso esquerdo é maior que o direito, produzindo tendência de guinada para esquerda. Durante o voo, o efeito do torque é maior nas baixas velocidades porque os efeitos aerodinâmicos são menos intensos.

19 Efeitos Adversos da Hélice Efeito Giroscópio A hélice em rotação é um giroscópio, de modo que possui as características de rigidez giroscópica e precessão (ver Aula 8). Assim, num avião cuja hélice gira no sentido horário (visto de trás), se puxarmos o manche (movimento de cabrar), a precessão faz com que o avião guine para a direita. Se pisarmos no pedal esquerdo, o efeito da precessão faz com que o avião cabre.

20 TEORIA DE VOO Comando de Voo As manobras do avião são executadas em torno dos eixos do sistema de eixos do corpo : Eixo longitudinal Eixo lateral Eixo vertical Origem do sistema do corpo: Centro de gravidade Ailerons, profundores, lemes de direção e spoilers produzem forças e momentos aerodinâmicos que fazem com que o avião gire em torno desses eixos.

21 A Atitude Rotação dos aviões em torno dos eixos de referência: vertical: guinada (yaw) lateral: arfagem (pitch) longitudinal: rolagem (roll) AGA Aula 4a: Sondas e Satélites Artificiais 21

22 TEORIA DE VOO Comando de Voo

23 TEORIA DE VOO Comando de Voo Movimento de Rolamento Superfície => Ailerons e/ou spoilers. Acionamento => Manche com movimentos laterais. Movimento de Arfagem Cabrar => Nariz para cima. Picar => Nariz para baixo. Superfície => Profundores. Acionamento => Manche com movimentos para frente/trás. Movimento de Guinada Superfície => Leme. Acionamento => Pedais.

24 Comando de Voo

25 Comando de Voo

26 Comando de Voo Teoricamente, cada superfície de comando deveria produzir uma rotação em torno de um único eixo. Mas, na prática a rotação em torno de um eixo pode provocar rotação em torno de outro eixo. o A deflexão dos ailerons pode provocar uma guinada adversa (adverse yaw). o A deflexão dos spoilers pode provocar guinada proversa (proverse yaw). A deflexão de uma superfície de comando muda o escoamento e a distribuição de pressões, não só na superfície defletida, mas em todo o aerofólio. O efeito da deflexão é a variação da sustentação produzida pelo aerofólio.

27 Eixo Longitudinal Quando o piloto desloca o manche para a esquerda, o aileron da asa direita abaixa e o da asa esquerda sobe.

28 Eixo Longitudinal O ângulo de ataque da asa direita é aumentado, e o da esquerda é diminuído. o A asa direita produzirá mais sustentação, o que fará o avião rolar para a esquerda. o O arrasto induzido da asa direita também aumenta, devido ao aumento da sustentação. A operação provoca além do rolamento, uma guinada no sentido contrário à curva (guinada adversa). A redução da guinada adversa pode ser obtida utilizando ailerons diferenciais, ailerons frise, ARI (aileron-rudder interconnect).

29 Eixo Longitudinal

30 Eixo Longitudinal: Técnicas de Redução da Guinada Adversa AILERONS DIFERENCIAIS O aileron que levanta tem um curso maior. que o aileron que abaixa, aumentando seu arrasto e reduzindo a guinada adversa

31 Eixo Longitudinal: Técnicas de Redução da Guinada Adversa AILERONS TIPO FRISE Esses ailerons também aumentam o arrasto da asa que desce. o Quando o aileron sobe para abaixar a asa, seu bordo de ataque passa por baixo do intradorso da asa, aumentando o arrasto. o Na outra asa, o aileron que abaixa não ultrapassa o extradorso da asa. Esse tipo de aileron também pode ser operado diferencialmente.

32 Eixo Longitudinal: Técnicas de Redução da Guinada Adversa ARI AILERON-RUDDER INTERCONNECT Nesse tipo de arquitetura, o leme é ligado ao aileron, de forma que quando os ailerons são defletidos, o leme se move para evitar a guinada.

33 TEORIA DE VOO SUPERFÍCIES E DISPOSITIVOS DE EIXO LONGITUDINAL COMANDO DE VOO SPOILER Outra superfície que pode ser utilizada para rolamento do avião. O spoiler destrói a sustentação da asa: o Quando acionados simultaneamente em ambas as asas, funcionam como speed brake. o Quando acionados apenas de um lado, destrói a sustentação da asa que se deseja abaixar. o Pode ser usado para complementar ou substituir os ailerons. o Produz guinada proversa. Vantagem do spoiler sobre o aileron => Poder-se-ia aproveitar todo o bordo de fuga da asa para utilização de flapes.

34 TEORIA DE VOO Eixo Vertical Quando se aplica pressão nos pedais, o leme é defletido. Isto produz uma força aerodinâmica que gira o avião em torno de seu eixo vertical => Movimento de guinada. O leme pode ser defletido para direita ou esquerda, pressionando o pedal correspondente. A figura mostra que a deflexão do pedal à direita produz um aumento do ângulo de ataque da superfície deriva/leme, provocando uma força aerodinâmica que gira o avião para a direita. A eficiência do leme aumenta com a velocidade, de forma que nas baixas velocidades é necessário maiores deflexões e nas altas velocidades menores deflexões para o movimento de guinada.

35 Eixo Vertical GUINADA SEGUIDA POR ROLAMENTO A função do leme é produzir guinada. Isto eleva a velocidade da asa externa, o que aumenta a sustentação, provocando uma inclinação lateral => Portanto, um segundo efeito da deflexão do leme é a produção de uma inclinação lateral.

36 Eixo Lateral Quando se empurra o manche para frente, o profundor desce: o A superfície formada pelo estabilizador horizontal e o profundor terá aumentado seu ângulo de ataque e sua curvatura. o Isto produzirá um aumento de sustentação na empenagem horizontal, resultando numa elevação da cauda e, consequentemente, num movimento de arfagem.

37 TEORIA DE VOO Pressão nos Comandos Quando uma superfície de comando é defletida, a força aerodinâmica produzida se oporá a esta deflexão. O momento da força em relação ao eixo de articulação tende a fazer a superfície voltar à posição neutra, e o piloto necessita fazer força no comando (manche ou pedal) para mantê-la na posição desejada.

38 Pressão nos Comandos A medida que a velocidade aumenta, a pressão dinâmica sobre as superfícies de comando aumenta e as forças nos comandos também aumentam, de forma que são necessários recursos para aliviá-las. Para reduzir os esforços, pode-se utilizar os seguintes procedimentos: o Proeminência a frente da superfície (Horn) o Deslocamento do eixo de articulação da superfície o Emprego de compensadores (trim)

39 Pressão nos Comandos Proeminência a frente da superfície (Horn) O escoamento incidindo sobre a proeminência, também conhecida por horn, cria uma força na mesma direção em que se quer movimentar a superfície.

40 Pressão nos Comandos Deslocamento do eixo de articulação da superfície O ponto de articulação da superfície pode ser recuado, fazendo com que o escoamento crie uma contraforça aerodinâmica à frente do ponto de articulação da superfície, diminuindo o esforço para comandá-la.

41 Pressão nos Comandos Emprego de compensadores (trim) Os compensadores são pequenas superfícies que se localizam no bordo de fuga das superfícies de comando. Quando uma superfície é defletida, o compensador é defletido em sentido contrário. A força sobre o compensador reduz o esforço para mover a superfície.

42 Pressão nos Comandos Emprego de compensadores (trim) Os compensadores podem ser de 3 tipos: 1. Compensador Automático (Servo Tab/Balance Tab) 2. Compensador Fixo 3. Compensador Comandável (Trim Tab)

43 Pressão nos Comandos Emprego de compensadores (trim) 1. Compensador Automático (Servo Tab/Balance Tab) É atuado quando a superfície é movimentada. Quando a superfície é movimentada para baixo, o mecanismo desloca o compensador para cima. Desta maneira o esforço na atuação da superfície é reduzido.

44 Pressão nos Comandos Emprego de compensadores (trim) 1. Compensador Fixo 2. Compensador Fixo É uma placa fixa no bordo de fuga. Pode ser regulado no solo após a constatação de alguma tendência do avião (por exemplo, uma tendência em rolar para um determinado lado, mesmo com os comandos centrados) Esse tipo de compensador tem a função de corrigir essa tendência.

45 SUPERFÍCIES E DISPOSITIVOS DE COMANDO DE VOO

46 TEORIA DE VOO Pressão nos Comandos Emprego de compensadores (trim) 3. Compensador Comandável (Trim Tab) É regulável pelo piloto dentro da cabine de acordo com a necessidade. Sua função é reduzir o momento no eixo de articulação (hinge moment) da superfície de comando a um valor próximo de zero. Assim o avião fica mantido na condição desejada sem que o piloto precise aplicar força (hands off). 1. Compensador Comandável (Trim Tab) 2. Compensador Comandável (Trim Tab) Todos os aviões possuem compensador comandável para o profundor. Alguns monomotores e todos os multimotores possuem compensador no leme, e os aviões de grande porte também possuem no aileron. Pode ser comandado por motor elétrico ou por cabos. Nas aeronaves equipadas com piloto automático, os trim tabs são as superfícies que interagem com esse sistema.

47 TEORIA DE VOO Superfícies e Dispositivos de Comando de Voo

48 Superfícies e Dispositivos de Comando de Voo

49 Superfícies e Dispositivos de Comando de Voo Superfícies Primária: Profundor, ailerons, leme e spoilers (*) Superfícies Secundárias: Compensadores, spoilers (**) e flapes. (*) Quando acionado da asa esquerda ou direita, com o objetivo de rolamento em torno do eixo longitudinal, em complemento ou substituição aos ailerons. (**) Quando acionados da asa esquerda e asa direita conjuntamente, com o objetivo de redução de velocidade. Um outro controle auxiliar é o motor: o Ao se aumentar a potência, a tração é aumentada, o que normalmente provoca uma cabragem. Também aumenta a esteira da hélice, que provoca uma guinada para a esquerda. o Quando a potência é reduzida, o efeito é contrário: o avião tenderá a baixar o nariz e guinar para a direita.

50 TEORIA DE VOO REFERÊNCIAS UTILIZADAS NESTA AULA 14.1 Newton Soler Saintive, Teoria de Voo, Editora Asa, 3ª Edição, Theodore A. Talay, Introduction to the Aerodynamics of Flight, NASA SP-367, Clifforf Matthews, Aeronautical Engineer s Data Handbook, Butterworth Heinemann, acessado em 23 AGO Luiz Pradines, Fundamentos da Teoria de Voo, Edições Inteligentes, Jorge M. Homa, Aerodinâmica e Teoria de Voo, Editora Asa, 27ª Edição, 2009.