Sumário CAPÍTULO 1 Os primeiros engenheiros aeronáuticos 1 1.1 Introdução 1 1.2 Primeiros avanços 3 1.3 Sir George Cayley (1773 1857): o verdadeiro inventor do avião 6 1.4 O interregno de 1853 a 1891 13 1.5 Otto Lilienthal (1848 1896): o homem do planador 17 1.6 Percy Pilcher (1867 1899): estendendo a tradição do planador 19 1.7 A aeronáutica chega à América 20 1.8 Wilbur (1867 1912) e Orville (1871 1948) Wright, inventores do primeiro avião prático 27 1.9 O triângulo aeronáutico: Langley, os Wrights e Glenn Curtiss 36 1.10 O problema da propulsão 45 1.11 Mais alto, mais rápido 46 1.12 Resumo e revisão 49 Bibliografia 52 CAPÍTULO 2 Ideias fundamentais 54 2.1 Quantidades físicas fundamentais de um fluido 58 2.1.1 Pressão 58 2.1.2 Densidade 59 2.1.3 Temperatura 60 2.1.4 Velocidade de fluxo e linhas de corrente 61 2.2 A fonte de todas as forças aerodinâmicas 63 2.3 Equação de estado para um gás perfeito 65 2.4 Análise das unidades 67 2.5 Volume específico 72 2.6 Anatomia do avião 83 2.7 Anatomia de um veículo espacial 93 2.8 História: o NACA e a NASA 102 2.9 Resumo e revisão 105 Bibliografia 107 Problemas 107 CAPÍTULO 3 A atmosfera padrão 110 3.1 Definição de altitude 112 3.2 Equação hidrostática 113 3.3 Relação entre altitudes geopotenciais e geométricas 115 3.4 Definição da atmosfera padrão 116 3.5 Altitudes pressão, densidade e temperatura 125 3.6 História: a atmosfera padrão 128 3.7 Resumo e revisão 130 Bibliografia 132 Problemas 132
xiv Sumário CAPÍTULO 4 Aerodinâmica básica 134 4.1 Equação de continuidade 137 4.2 Fluxo incompressível e compressível 139 4.3 Equação de momento 142 4.4 Um comentário 146 4.5 Termodinâmica elementar 153 4.6 Fluxo isentrópico 160 4.7 Equação de energia 166 4.8 Resumo das equações 173 4.9 Velocidade do som 174 4.10 Túneis de vento subsônicos de baixa velocidade 182 4.11 Mensuração da velocidade em relação ao ar 188 4.11.1 Fluxo incompressível 191 4.11.2 Fluxo compressível subsônico 197 4.11.3 Fluxo supersônico 205 4.11.4 Resumo 211 4.12 Considerações adicionais 211 4.12.1 Mais sobre o fluxo compressível 211 4.12.2 Mais sobre velocidade equivalente em relação ao ar 214 4.13 Túneis de vento supersônicos e motores foguete 215 4.14 Discussão sobre compressibilidade 227 4.15 Introdução ao fluxo viscoso 228 4.16 Resultados para uma camada limite laminar 237 4.17 Resultados para uma camada limite turbulenta 242 4.18 Efeitos da compressibilidade na fricção de superfície 245 4.19 Transição 248 4.20 Separação do fluxo 251 4.21 Resumo dos efeitos viscosos sobre o arrasto 256 4.22 História: Bernoulli e Euler 258 4.23 História: o tubo de pitot 259 4.24 História: os primeiros túneis de vento 262 4.25 História: Osborne Reynolds e seu número 268 4.26 História: Prandtl e o desenvolvimento do conceito de camada limite 272 4.27 Resumo e revisão 275 Bibliografia 280 Problemas 280 CAPÍTULO 5 Aerofólios, asas e outras formas aerodinâmicas 288 5.1 Introdução 288 5.2 Nomenclatura de aerofólios 290 5.3 Coeficientes de sustentação, arrasto e momento 294 5.4 Dados de aerofólios 300 5.5 Asas infinitas versus asas finitas 315 5.6 Coeficiente de pressão 316 5.7 Como obter o coeficiente de sustentação de C P 322 5.8 Correção de compressibilidade para o coeficiente de sustentação 326 5.9 Número de Mach crítico e coeficiente de pressão crítica 328 5.10 Número de Mach de divergência de arrasto 339 5.11 Arrasto da onda (em velocidades supersônicas) 347 5.12 Resumo do arrasto do aerofólio 357 5.13 Asas finitas 359 5.14 Cálculo do arrasto induzido 363 5.15 Mudança da inclinação de sustentação 372 5.16 Asas enflechadas 381 5.17 Flape: um mecanismo para alta sustentação 394 5.18 Aerodinâmica de cilindros e esferas 400
Sumário xv 5.19 Como a sustentação é produzida: algumas explicações alternativas 405 5.20 História: aerofólios e asas 415 5.20.1 Os irmãos Wright 416 5.20.2 Aerofólios britânicos e americanos (1910 1920) 417 5.20.3 1920 a 1930 418 5.20.4 Primeiros aerofólios de quatro dígitos do NACA 418 5.20.5 Aerofólios do NACA posteriores 419 5.20.6 Aerofólios modernos 420 5.20.7 Asas finitas 421 5.21 História: Ernst Mach e seu número 422 5.22 História: o primeiro voo supersônico tripulado 426 5.23 História: o X-15, o primeiro avião hipersônico tripulado e um trampolim para o ônibus espacial 430 5.24 Resumo e revisão 432 Bibliografia 435 Problemas 435 CAPÍTULO 6 Elementos do desempenho do avião 440 6.1 Introdução: a polar de arrasto 440 6.2 Equações de movimento 447 6.3 Empuxo necessário para voo em nível sem aceleração 449 6.4 Empuxo disponível e velocidade máxima 457 6.5 Potência necessária para voo em nível sem aceleração 460 6.6 Potência disponível e velocidade máxima 465 6.6.1 Combinação motor convencional-hélice 465 6.6.2 Motor a jato 467 6.7 Efeitos da altitude sobre a potência necessária e a potência disponível 469 6.8 Razão de subida 478 6.9 Voo de planeio 487 6.10 Teto absoluto e teto prático de operação da aeronave 490 6.11 Tempo de subida 497 6.12 Alcance e autonomia: avião movido por hélices 498 6.12.1 Considerações físicas 499 6.12.2 Formulação quantitativa 500 6.12.3 Fórmulas de Breguet (avião movido por hélices) 502 6.13 Alcance e autonomia: avião a jato 506 6.13.1 Considerações físicas 507 6.13.2 Formulação quantitativa 508 6.14 Relações entre C D,0 e C D,i 512 6.15 Desempenho de decolagem 520 6.16 Desempenho de aterrissagem 526 6.17 Voo em curva e diagrama V n 529 6.18 Razão de subida acelerada (método de energia) 538 6.19 Considerações especiais para aviões supersônicos 545 6.20 Veículos Aéreos Não Tripulados (VANTs) 549 6.21 Microveículos aéreos 559 6.22 Uma filosofia do projeto conceitual de aviões 562 6.23 Um comentário 565 6.24 História: redução de arrasto a carenagem NACA e o fillet 565 6.25 História: primeiras previsões de desempenho de aviões 568 6.26 História: Breguet e a fórmula de alcance 571 6.27 História: projeto de aviões evolução e revolução 572 6.28 Resumo e revisão 577 Bibliografia 581 Problemas 581
xvi Sumário CAPÍTULO 7 Princípios de estabilidade e controle 586 7.1 Introdução 586 7.2 Definição de estabilidade e controle 592 7.2.1 Estabilidade estática 593 7.2.2 Estabilidade dinâmica 594 7.2.3 Controle 596 7.2.4 Derivativa parcial 596 7.3 Momentos no avião 597 7.4 Ângulo de ataque absoluto 598 7.5 Critérios para estabilidade estática longitudinal 600 7.6 Discussão quantitativa: contribuição da asa a M cg 605 7.7 Contribuição da cauda a M cg 609 7.8 Momento de arfagem em torno do centro de gravidade 612 7.9 Equações para estabilidade estática longitudinal 614 7.10 Ponto neutro 616 7.11 Margem estática 617 7.12 Conceito de controle longitudinal estático 621 7.13 Cálculo do ângulo do profundor para compensação 626 7.14 Estabilidade estática de manche fixo versus manche livre 628 7.15 Momento em torno da articulação do profundor 629 7.16 Estabilidade estática longitudinal de manche livre 631 7.17 Estabilidade estática direcional 635 7.18 Estabilidade estática lateral 636 7.19 Um comentário 638 7.20 História: os irmãos Wright versus a filosofia europeia de estabilidade e controle 639 7.21 História: o desenvolvimento de controles de voo 640 7.22 História: o problema da picada 642 7.23 Resumo e revisão 643 Bibliografia 645 Problemas 645 CAPÍTULO 8 Voo espacial (astronáutica) 647 8.1 Introdução 647 8.2 Equações diferenciais 654 8.3 Equação de Lagrange 655 8.4 Equação de órbita 658 8.4.1 Força e energia 658 8.4.2 Equação de movimento 660 8.5 Trajetórias de veículos espaciais: alguns aspectos básicos 664 8.6 Leis de Kepler 671 8.7 A equação Vis viva (energia) 675 8.8 Algumas manobras orbitais 681 8.8.1 Mudanças de plano 681 8.8.2 Transferências orbitais: transferências de impulso único e transferências de Hohmann 686 8.9 Trajetórias interplanetárias 694 8.9.1 Trajetórias hiperbólicas 695 8.9.2 Esfera de influência 697 8.9.3 Trajetórias heliocêntricas 697 8.9.4 Método patched conics 698 8.9.5 Trajetórias com assistência gravitacional 699 8.10 Transferência lunar 706 8.11 Controle de atitude de espaçonaves 707 8.12 Introdução à entrada na Terra e à entrada planetária 708 8.13 Atmosfera exponencial 711 8.14 Equações gerais de movimento para entrada atmosférica 711 8.15 Aplicação à entrada balística 715 8.16 Aquecimento de entrada 721 8.17 Entrada de sustentação, com aplicação ao ônibus espacial 729
Sumário xvii 8.18 História: Kepler 733 8.19 História: Newton e a lei da gravitação 735 8.20 História: Lagrange 737 8.21 História: voo espacial não tripulado 737 8.22 História: voo espacial tripulado 742 8.23 Resumo e revisão 744 Bibliografia 747 Problemas 747 CAPÍTULO 9 Propulsão 750 9.1 Introdução 750 9.2 Hélice 753 9.3 Motor convencional 761 9.4 Propulsão a jato: a equação de empuxo 771 9.5 Motor turbojato 774 9.5.1 Acúmulo de empuxo para um motor turbojato 779 9.6 Motor turbofan 781 9.7 Motor estatorreator 784 9.8 Motor-foguete 788 9.9 Propelentes de foguete: considerações 795 9.9.1 Propelentes líquidos 795 9.9.2 Propelentes sólidos 798 9.9.3 Um comentário 800 9.10 Equação de foguetes 801 9.11 Estágios de foguetes 802 9.12 Requisitos de propelentes para manobras de trajetórias de espaçonaves 806 9.13 Propulsão elétrica 809 9.13.1 Propulsor de íons-elétrons 810 9.13.2 Propulsor magnetoplasmadinâmico (MPD) 811 9.13.3 Propulsor a arco eletrotérmico 811 9.13.4 Um comentário 811 9.14 História: o desenvolvimento inicial das hélices 812 9.15 História: o desenvolvimento inicial do motor de combustão interna para aviação 815 9.16 História: os inventores dos primeiros motores a jato 818 9.17 História: os primeiros motores foguete 820 9.18 Resumo e revisão 826 Bibliografia 828 Problemas 829 CAPÍTULO 10 Veículos hipersônicos 832 10.1 Introdução 832 10.2 Aspectos físicos do fluxo hipersônico 836 10.2.1 Camadas de choque finas 836 10.2.2 Camada de entropia 837 10.2.3 Interação viscosa 838 10.2.4 Efeitos de alta temperatura 839 10.2.5 Fluxo de baixa densidade 840 10.2.6 Recapitulação 844 10.3 Lei newtoniana para o fluxo hipersônico 844 10.4 Comentários sobre aviões hipersônicos 850 10.5 Resumo e revisão 859 Bibliografia 860 Problemas 860
xviii Sumário APÊNDICE A Atmosfera padrão no Sistema Internacional (SI) 861 APÊNDICE B Atmosfera padrão no Sistema Imperial 870 APÊNDICE D Dados de aerofólios 877 Respostas 905 Índice 907 APÊNDICE C Símbolos e fatores de conversão 876