Aula 17 Conhecimentos Técnicos sobre Aviões

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1 Universidade Federal do ABC Aula 17 Conhecimentos Técnicos sobre Aviões AESTS002 AERONÁUTICA I-A

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

3 Tópicos desta aula Cargas. Decolagem e pouso. Estabilidade e controle.

4 AIRLOADS Maneuver Gust Control Deflection Component Interaction Buffet INERTIA LOADS Acceleration Rotation Dynamic Vibration Flutter POWER PLANT Thrust Torque Gyroscopic Vibration Duct Pressure TEORIA DE VOO Cargas LOADS OTHER Towing Jacking Pressurization Bird Strike Actuation Crash LANDING Vertical Load Factor Spin-up Spring-back Crabbed One Wheel Arrested Braking TAKE-OFF Catapult Aborted TAXI Bumps Turning

5 Cargas Cargas são os esforços aos quais uma aeronave está sujeita devido a diversos fatores, como mostrado no slide anterior. Podem ser classificadas em... o Horizontais o Verticais

6 Fator de Carga As cargas verticais são causadas pelo aumento ou redução da sustentação. A relação entre ambas define o chamado fator de carga vertical: n Z L W

7 Fator de Carga Em voo nivelado, o fator de carga é igual a um. Uma cabrada faz o fator de carga ser maior que um. Ao picar, o fator de carga torna-se menor que um, podendo chegar a zero (descida em trajetória parabólica), que corresponde a uma queda livre. O fator de carga poderá torna-se negativo, numa picada mais violenta. O fator de carga também é conhecido por g

8 Fator de Carga Fatores de carga elevados podem ser causados por: o Voos em curva; o Manobras; o Rajadas; o Recuperações de mergulho. Rajada Gust Ráfaga Rafale

9 Fator de Carga nas Curvas Vimos na aula passada que a sustentação produzida pelas asas durante uma curva é maior que o peso. o Por isso, o fator de carga numa curva é maior que 1. Quanto mais inclinada for uma curva, maior será o fator de carga. o Numa curva coordenada de 60, o fator de carga será de 2 g. o Numa curva coordenada de 90, o fator de carga será infinito.

10 Fator de Carga nas Manobras O piloto pode provocar grandes fatores de carga em manobras. o Por isso é necessário conhecer os limites estruturais do avião.

11 Fator de Carga nas Rajadas No voo reto e nivelado, o vento relativo é horizontal e o ângulo de ataque é pequeno. o O fator de carga é igual a 1, ou, o voo é a 1 g. Quando surge um rajada de vento ascendente, o ângulo de ataque aumenta repentinamente, porque o vento relativo e a velocidade da rajada formam um vento relativo resultante inclinado. Isso faz com que o fator de carga aumente bruscamente, podendo danificar o avião dependendo da intensidade da rajada e da velocidade do avião.

12 Fator de Carga nas Rajadas

13 Fator de Carga nas Recuperações Numa recuperação, após um mergulho, podem ocorrer fatores de cargas elevados, por dois motivos: 1. A velocidade do avião é muito elevada, devido ao mergulho (energia potencial convertida em energia cinética); 2. A asa além de ter que produzir sustentação para sustentar o peso, tem que produzir força centrípeta necessária para recuperar o voo nivelado.

14 TEORIA DE VOO Estol de Velocidade Numa recuperação, o piloto não deve puxar muito bruscamente o manche porque poderá ultrapassar o ângulo de ataque crítico. Se isso ocorrer, o avião entrará em estol, ficando impossibilitado de produzir a sustentação necessária à recuperação. oesse fenômeno chama-se ESTOL DE VELOCIDADE. o A correção é feita baixando o nariz outra vez, e após, puxar o manche com mais suavidade.

15 Estol de Velocidade Em alguns aviões com cauda em T, a recuperação do estol, de velocidade ou normal, pode ser impossível, porque a esteira de turbulência criada pela asa sombreia o profundor, tornando-o ineficiente. Nesses aviões o estol é evitado através de dispositivos que alertam o piloto da proximidade do estol (stick shaker), e com atuação ativa sobre os comandos (stick pusher).

16 TEORIA DE VOO Fator de Carga Limite É o fator de carga que o avião pode sofrer continuamente, sem apresentar deformações permanentes ou danos estruturais. É o fator de carga máximo previsto em condições normais de utilização do avião.

17 TEORIA DE VOO Fator de Carga Final É o produto da carga limite pelo fator de segurança. o Fator de segurança: Em geral adota-se o valor de 1.5. A estrutura tem que resistir à carga final por pelo menos 3 segundos sem falhar.

18 TEORIA DE VOO Fator de Carga Limite e Final Fatores de carga superiores ao limite, mas inferiores ao final, produzirão deformações permanentes, com aceleração de fadiga, mas a estrutura não deverá falhar nesse voo. o É imperativo uma inspeção rigorosa no avião para identificação e substituição das partes com deformações permanentes. o Caso a inspeção e o reparo não sejam realizados, o avião estará sujeito a uma quebra em voo, mesmo com todas as condições favoráveis e realizando voo padrão. Em fatores de carga superiores ao final, é possível a ruptura de partes da estrutura em voo.

19 TEORIA DE VOO Envelope de Manogra DIAGRAMA V-n

20 TEORIA DE VOO VELOCIDADE DE MANOBRAS - V A Velocidade de manobras (V A ) é a velocidade máxima na qual o piloto pode movimentar bruscamente as superfícies de controle sem provocar deformações permanentes ou sobrecargas na estrutura do avião. Se o piloto voar em velocidades igual ou inferiores a V A, qualquer combinação de movimentos de comandos ou rajadas não causarão cargas excessivas na estrutura do avião. o Por isso se deve voar na V A ou abaixo quando em voos de acrobacia ou em manobras. o A V A representa a maior velocidade na qual se pode estolar com segurança. Estois acima dessa velocidade produzirão fatores de carga superiores ao limite.

21 TEORIA DE VOO Decolagem Decolagem é a operação em que o avião levanta voo. É realizada com potência máxima para aumentar a aceleração. Existe a força de atrito dos pneus com o solo. o O atrito é maior quanto mais rugosa e macia for a pista. o Pista de grama e terra tem mais atrito que a de asfalto e concreto. Aviões com trem de pouso convencional precisam erguer a cauda durante a corrida, a fim de reduzir o ângulo de ataque e o arrasto. o Sem isso o avião percorreria um comprimento de pista maior e deixaria o solo após atingir a velocidade de estol (Vmu Mininum Unstick Speed), o que é extremamente perigoso.

22 Decolagem O piloto deve manter o avião no solo até atingir 1,2 da velocidade de estol. Só então inicia a rotação do avião para o lift-off. O atrito dos pneus com o solo diminui durante a corrida a medida que a velocidade aumenta, porque a sustentação aumenta gradualmente, aliviando a força normal sobre as rodas. F = T D A F => Força que acelera o avião T => Tração D => Arrasto A => Atrito das rodas com o solo

23 Decolagem A decolagem termina quando o avião atinge 50 pés de altura. Se houver vento, a decolagem deve ser realizada com vento de proa. o Redução da distância de decolagem. o Aumentar o ângulo de subida.

24 Decolagem Fatores que afetam a distância de decolagem: o Peso do avião. o Pista o Condições meteorológicas Altitude densidade Altitude pressão Temperatura Umidade Vento Proa Cauda Través o Flap Comprimento Pavimentação Gradiente

25 Decolagem

26 Decolagem

27 Decolagem

28 Decolagem

29 TEORIA DE VOO Decolagem o PESO DO AVIÃO: Reduz a aceleração no solo e no ar, não só pela maior inércia, mas por aumentar o arrasto induzido. Ele também aumenta a velocidade de estol. Portanto, quanto maior o peso do avião, maior a distância necessária para a decolagem. o

30 TEORIA DE VOO Decolagem o CONDIÇÕES METEOROLÓGICAS: A densidade do ar afeta a potência do motor, a tração, o arrasto e a sustentação. Mas o efeito maior é na potência do motor e na tração. Logo, menor densidade corresponde a menor tração e menor aceleração. Por outro lado, para um determinado peso, a velocidade indicada de decolagem é constante, porém a velocidade aerodinâmica correspondente será tanto maior quanto menor for a densidade. Assim, nas maiores altitudes densidade a corrida de decolagem será aumentada por dois motivos: A aceleração do avião é reduzida e ele deve alcançar maior velocidade para decolar. Para o mesmo comprimento de pista, quanto menores a altitude pressão, a temperatura e a umidade, maior o peso máximo de decolagem.

31 TEORIA DE VOO Decolagem VENTOS: Um avião parado na cabeceira da pista, recebendo um vento de proa de 10 nós está a 10 nós mais próximo da velocidade de decolagem do que estaria se o vento fosse nulo. A velocidade em relação ao solo será 10 nós menor do que numa decolagem sem vento. Portanto, o vento de proa reduz a distância de decolagem. Ou permite que o avião decole com um peso maior do que decolaria se não tivesse vento. O efeito do vento de cauda é oposto: Aumentará a distância de decolagem numa pista, em relação à decolagem sem vento.

32 TEORIA DE VOO Decolagem o VENTO DE TRAVÉS: Mais do que influir na distância de decolagem, ventos de través trazem problemas de controle. Devido à estabilidade direcional, o avião tenta aproar o vento, sendo necessário a deflexão do leme para manter a reta de decolagem. A asa do lado do vento também tenta subir, o que é evitado usando os ailerons. A deflexão do leme e dos ailerons provoca um pequeno aumento no arrasto, e, portanto, da distância de decolagem. o

33 TEORIA DE VOO Pista COMPRIMENTO: Quanto maior o comprimento, maior poderá ser o peso de decolagem de um avião. GRADIENTE: Nem sempre as pista são totalmente horizontais. O máximo permitido para o gradiente é 2%. Decolagem ladeira acima, o gradiente é positivo (up hill) e decolagem ladeira abaixo, o gradiente é negativo (down hill). Pista com gradiente negativo é favorável, pois aumenta a aceleração, permitindo uma decolagem mais curta ou o aumento do peso de decolagem. PAVIMENTAÇÃO: Os gráficos de decolagem são baseados em pistas secas e duras. Outras superfícies, como grama ou areia, aumentarão o atrito das rodas, e, portanto, a distância de decolagem. o POSIÇÃO DO FLAP: O flap reduz a velocidade de estol e, consequentemente, a velocidade de decolagem. Por outro lado, aumenta o arrasto, reduzindo sua aceleração. O resultado final é a redução da distância de decolagem. A redução maior é na distância de corrida na pista, mas na subida, o aumento do arrasto reduz o gradiente de subida.

34 TEORIA DE VOO Pouso É a transição do voo para operação em solo. O objetivo do pouso é a desaceleração e a parada do avião, na menor distância possível. A aproximação para o pouso é feita na V REF, que normalmente é 1.3 vezes a velocidade de estol. A VREF é a velocidade que o avião deve cruzar a pista, numa altura de 50 pés. o Para aviões leves, considera-se que o avião tocará o solo com 1,15 da velocidade de estol. o Uma vez no solo, a tração é reduzida à posição de marcha lenta, e é iniciada o processo de desaceleração e parada.

35 Pouso TÉCNICAS DE POUSO As duas principais técnicas de pouso são: o Pouso em 3 pontos o Pouso de pista

36 TEORIA DE VOO Pouso em 3 pontos É utilizado por aviões com trem de pouso convencional. O avião é levado a entrar em estol rente à pista, tocando-a simultaneamente com o trem principal e a bequilha.

37 TEORIA DE VOO Pouso de pista Consiste em tocar o solo com uma certa velocidade (acima da velocidade de estol). É mais suave e pode ser efetuado por aviões com trem de pouso convencional ou triciclo.

38 Técnicas de Pouso Ao efetuarem um pouso de pista, aviões com trem de pouso convencional têm o risco de pilonagem e cavalo de pau. o O CG atrás do trem principal é a principal causa de cavalo de pau em aviões com trem convencional.

39 TEORIA DE VOO Distância demonstrada de pouso É a distância a partir da cabeceira até o ponto de parada. Na determinação dessa distância, o avião deve cruzar a cabeceira a 50 pés de altura na V REF, e a pista deve ser dura, seca e nivelada.

40 TEORIA DE VOO Pouso Fatores que afetam a distância demonstrada de pouso: o Peso do avião. o Posição de flap o Condições meteorológicas Altitude densidade Altitude pressão Temperatura Umidade Vento Proa Cauda Través o Pista Comprimento Pavimentação Gradiente

41 Pouso Fatores que afetam a distância demonstrada de pouso:

42 Pouso

43 TEORIA DE VOO Pouso

44 TEORIA DE VOO Pouso Fatores que afetam a distância demonstrada de pouso: o PESO DO AVIÃO: Quanto maior o peso, maior a distância de pouso, pois maior peso significa maior velocidade de estol, além de maior peso significa maior inércia. o FLAP: Não só reduz a velocidade de estol, como permite que o avião utilize maior ângulo de planeio, permitindo o toque mais perto da cabeceira. Portanto, maior ângulo de flap significa menor pista necessária, ou, para uma determinada pista, significa maior peso de pouso.

45 TEORIA DE VOO Pouso Fatores que afetam a distância demonstrada de pouso: o CONDIÇÕES METEOROLÓGICAS: A maior altitude densidade corresponde maior velocidade aerodinâmica para a mesma velocidade indicada. Ou seja, necessidade de maiores comprimentos de pista. Caso contrário, deve-se utilizar menores pesos de pouso. O vento de proa reduz a distância de pouso, e o vento de cauda aumenta. o PISTA: Superfícies com menor coeficiente de atrito (molhada, com poças d água, neve, gelo, etc), não permitirão boa frenagem, de modo que a distância de pouso será maior. Se a pista conter poças d água, poderá ocorrer a hidroplanagem ou aguaplanagem. Como a hidroplanagem ocorre a grandes velocidades em relação ao solo, vento de proa poderá reduzir a probabilidade desse fenômeno.

46 TEORIA DE VOO Pouso Fatores que afetam a distância demonstrada de pouso: o GRADIENTE: Ao contrário da decolagem, a melhor condição para o pouso é com gradiente positivo (up-hill ) ou morro acima. o COMPRIMENTO: Quanto maior o comprimento da pista, maior o peso com que o avião poderá pousar.

47 TEORIA DE VOO Estabilidade e Controle Estabilidade é a tendência de um avião retornar à posição de equilíbrio após sofrer uma pequena perturbação. Controle é a capacidade de responder ao comando do piloto para mudança de determinada condição de voo (atitude e trajetória). Existe uma relação inversa em estabilidade e controle: o Avião muito estável tende a ser mais resistente a mudanças de atitude/trajetória; o Avião pouco está estável tende a mais manobrável. Aviões estáveis costumam ser fáceis de pilotar, demandam menos carga de trabalho ao piloto e são mais seguros.

48 Tipos de Equilíbrio São 3 os tipos possíveis de equilíbrio: a) Equilíbrio Estável b) Equilíbrio Instável c) Equilíbrio Indiferente

49 TEORIA DE VOO Estabilidade Longitudinal TIPOS DE EQUILÍBRIO ESTÁTICO Um avião afastado de sua condição de equilíbrio pode comportar-se de três maneira diferentes: o Estável: O avião tende a voltar à condição de equilíbrio. o Instável: O avião tende a se afastar ainda mais da condição de equilíbrio. o Indiferente: O avião continua fora do equilíbrio.

50 Estabilidade Longitudinal A asa de um avião, devido a seu perfil assimétrico é estaticamente instável. Por exemplo, se o ângulo de ataque aumenta, o centro de pressão avançará, aumentando ainda mais o ângulo de ataque.

51 Estabilidade Longitudinal Um avião torna-se estável devido ao estabilizador horizontal, que serve para fazer o avião retornar à posição original de equilíbrio. Por exemplo, se ele levanta o nariz, o ângulo de ataque do estabilizador aumentará, elevando a cauda para cima.

52 Estabilidade Longitudinal

53 Estabilidade Longitudinal TIPOS DE EQUILÍBRIO DINÂMICO A estabilidade dinâmica descreve o tempo requerido para um avião responder à sua estabilidade estática após ser afastado de sua posição de equilíbrio. É determinada pela tendência em oscilar e amortecer sucessivas oscilações após o deslocamento inicial. o Avião com estabilidade estática neutra terá estabilidade dinâmica neutra. o Avião estaticamente instável será dinamicamente instável. o Avião estaticamente estável poderá ser dinamicamente Estável; Instável; ou Neutro.

54 Estabilidade Longitudinal

55 Estabilidade Longitudinal

56 Estabilidade Longitudinal

57 TEORIA DE VOO Estabilidade Lateral A estabilidade lateral refere-se ao equilíbrio de um avião em torno de seu eixo longitudinal. Quando um avião sofre um desequilíbrio lateral, ele pode apresentar um dos seguintes comportamentos: 1) Estaticamente Estável: Avião tende a retornar ao equilíbrio inicial. 2) Estaticamente Instável: O avião tende a se desequilibrara ainda mais. 3) Estaticamente Indiferente: O avião tende a continuar fora do equilíbrio.

58 Estabilidade Lateral É menos importante que a estabilidade longitudinal porque os esforços laterais no avião são geralmente pequenos. Os principais fatores que influenciam a estabilidade lateral são: i. Diedro ii. Enflechamento iii. Efeito Quilha iv. Efeito Fuselagem v. Distribuição de Pesos

59 Estabilidade Lateral i. Diedro Quando um avião está com as asas lateralmente desequilibradas, ela glissa na direção da asa mais baixa. Como resultado da glissada, surge um vento lateral sobre a asa. Dependendo do diedro, o avião poderá ser estável, instável ou neutro.

60 Estabilidade Lateral

61 Estabilidade Lateral ii. Enflechamento i. E Durante a glissada ou derrapagem, o enflechamento faz com que uma das asas seja atingida mais diretamente pelo vento lateral, produzindo mais sustentação do que a outra asa. Portanto, o enflechamento influi na estabilidade lateral.

62 TEORIA DE VOO Enflechamento

63 Estabilidade Lateral i. E iii. Efeito Quilha ii. O vento lateral produz forças sobre as superfícies laterais do avião, podendo torná-lo lateralmente: a) Estável: Quando a área lateral acima do CG é maior que a área lateral abaixo da linha do CG. b) Instável: Quando a área lateral abaixo do CG é maior que a área lateral acima do CG.

64 i. E ii. iii. Estabilidade Lateral iv. Efeito Fuselagem O efeito da fuselagem é reduzir a estabilidade lateral pois ele prejudica o efeito diedro, impedindo que o vento lateral alcance o extradorso da asa oposta.

65 i. E ii. iii. iv. Estabilidade Lateral v. Distribuição de Pesos Nos aviões de asa alta a fuselagem age como se fosse um pêndulo, aumentando a estabilidade lateral. Nos aviões de asa baixa, o peso da fuselagem tende a aumentar o desequilíbrio lateral. A influência da distribuição de pesos e a consequente posição da asa (alta, baixa, etc) incide diretamente no efeito quilha.

66 Estabilidade Lateral Um avião não deve ter estabilidade lateral exagerada, porque deixaria de obedecer adequadamente ao comando dos ailerons. Por isso em alguns aviões de asa alta, a fuselagem atua como um poderoso pêndulo estabilizador, cujo efeito precisa ser neutralizado através de um diedro negativo.

67 TEORIA DE VOO Estabilidade Direcional A estabilidade direcional refere-se ao equilíbrio de um avião em torno do seu eixo vertical. Se pressionarmos o pedal direito durante o voo, o nariz do avião se desviará para a direita. Quando a pressão for aliviada, o comportamento do avião será um dos a seguir: 1) Estaticamente Estável: Avião tende a retornar ao equilíbrio inicial. 2) Estaticamente Instável: O avião tende a afastar-se do equilíbrio, derrapando cada vez mais intensamente. 3) Estaticamente Indiferente: O avião tende a continuar fora do equilíbrio, continuando a derrapar.

68 Estabilidade Direcional É menos importante que a estabilidade longitudinal porque os esforços que gera no avião são geralmente pequenos. Os principais fatores que influenciam a estabilidade direcional são: i. Enflechamento ii. Efeito Quilha Vimos que esses fatores também afetam a estabilidade lateral.

69 Estabilidade Direcional i. Enflechamento Quando um avião de asa enflechada recebe uma rajada na cauda e guina, por inércia ele manterá a mesma trajetória. A asa externa terá mais área exposta ao vento relativo e, portanto, maior sustentação e arrasto. A tendência será freá-la, voltando à atitude inicial.

70 Estabilidade Direcional ii. Efeito Quilha i. E O efeito quilha é provocado peça ação do vento relativo sobre as áreas laterais do avião. Quanto maior a área lateral atrás do CG, maior será a estabilidade direcional do avião.

71 TEORIA DE VOO REFERÊNCIAS UTILIZADAS NESTA AULA 17.1 Jorge M. Homa, Aerodinâmica e Teoria de Voo, Editora Asa, 27ª Edição, Daniel P. Raymer, Aircraft Design: A Conceptual Approach, AIAA Educational Series, 2nd Edition, acesso em 07 SET FAR Part 25 Airworthiness Stantard: Transport Category Airplanes, Subpart C: Structures Newton Soler Saintive, Teoria de Voo, Editora Asa, 3ª Edição, Theodore A. Talay, Introduction to the Aerodynamics of Flight, NASA SP-367, Bernard Etkin, Dynamics of Flight Stability and Control, John Wiley & Sons, 2nd Edition, 1982.