FUNDAMENTOS DA ENGENHARIA AERONÁUTICA Aplicações ao Projeto SAE AeroDesign LUIZ EDUARDO MIRANDA J. RODRIGUES Volume 1 Princípios Fundamentais Aerodinâmica Propulsão Análise de Desempenho
FUNDAMENTOS DA ENGENHARIA AERONÁUTICA Aplicações ao Projeto SAE AeroDesign Volume 1 Princípios Fundamentais, Aerodinâmica, Propulsão e Análise de Desempenho LUIZ EDUARDO MIRANDA J. RODRIGUES
Rodrigues, Luiz Eduardo Miranda. J. Fundamentos da Engenharia Aeronáutica Aplicações ao Projeto SAE-AeroDesign Volume 1 Princípios Fundamentais, Aerodinâmica, Propulsão e Análise de Desempenho 1. ed rev. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de São Paulo, São Paulo, 2009.
Ao Estudante Que a presente obra represente um estímulo a todos os estudantes que admiram a engenharia aeronáutica e buscam o entendimento dessa ciência que desperta o interesse e a curiosidade das pessoas e sirva como referência básica para o desenvolvimento e projeto de aeronaves destinadas a participar da competição SAE-AeroDesign.
SOBRE O AUTOR O professor Luiz Eduardo Miranda J. Rodrigues é formado em Engenharia Mecânica com ênfase Automobilística pelo Centro Universitário da FEI em 1997, é Mestre em Ciência na área de Dinâmica de Sistemas Aeroespaciais e Mecatrônica pelo Instituto Tecnológico de Aeronáutica ITA, concluído em 2001. Atualmente é professor do quadro permanente do Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de São Paulo Campus Salto, ministrando aulas nas disciplinas de Mecânica dos Fluidos, Estática dos Sólidos e Resistência dos Materiais. No AeroDesign trabalhou como orientador das equipes Ícaro, Pegasus e Fly Girls da Universidade Nove de Julho nos anos de 2005, 2006 e 2007 sempre obtendo excelentes resultados na competição. Em 2009, orienta a equipe Taperá do Instituto Federal de São Paulo iniciante na competição.
AGRADECIMENTOS Foram muitas as pessoas que contribuíram significativamente para o desenvolvimento desse trabalho, não pretendo ser injusto me esquecendo de ninguém. Meu eterno agradecimento aos professores do Instituto Tecnológico de Aeronáutica em especial ao Prof. Dr. Donizeti de Andrade que me presenteou ao longo de minha formação acadêmica uma imensurável quantia de conhecimento na área aeronáutica. Aos amigos Prof. MSc. Washington Humberto de Moura e Prof. MSc. Jan Novaes Recicar, coordenadores dos cursos de Engenharia de Produção Mecânica e Engenharia Elétrica da Universidade Nove de Julho, que acompanharam o desenvolvimento desse trabalho desde seu inicio contribuindo com muitas idéias que agregaram muito valor a cada capítulo do livro. Agradeço aos amigos da comissão organizadora do AeroDesign Eng. André Van de Schepop e Eng. André Luis Garcia Soresini que torceram muito para que esta obra fosse concluída. Meu eterno agradecimento para a Engª Letícia Aparecida Caride Amaral que foi o ponto de partida para o inicio desse trabalho me incentivando a escrever um livro sobre o AeroDesign. A todos os integrantes das Equipes Ícaro, Pegasus e Fly Girls da Universidade Nove de Julho em especial aos capitães Engª Cristiane Corrêa de Lima, Eng Álvaro José de Mauro e ao estudante Ayris Correia por proporcionarem momentos maravilhosos durante os anos em que os orientei. Aos alunos da equipe Taperá do Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de São Paulo, por acreditarem na realização do trabalho e por já contribuírem para a conclusão dessa obra. Aos meus familiares, em especial para minha mãe Maria Bernadete Miranda e para minha noiva Dailene Felix, as duas razões da minha vida, que sempre apoiaram as loucuras que já fiz pelo AeroDesign e por meus alunos. Enfim, fica meu agradecimento a todos que contribuíram direta ou indiretamente para a conclusão deste trabalho.
"Os pássaros devem experimentar a mesma sensação, quando distendem suas longas asas e seu vôo fecha o céu... Ninguém, antes de mim, fizera igual." Alberto Santos Dumont
SUMÁRIO Capítulo 1- Conceitos Fundamentais...1 1.1 Introdução...1 1.2 Conteúdos Abordados...3 1.3 Definições e Componentes Principais de um Avião...4 1.3.1 Fuselagem...5 1.3.2 Asas...5 1.3.3 Empenagem...7 1.3.4 Trem de Pouso...8 1.3.5 Grupo moto-propulsor...9 1.4 Sistemas de Coordenadas Usado na Indústria Aeronáutica...9 1.5 Superfícies de Controle...10 1.6 Aplicação dos Conceitos Fundamentais em uma Aeronave Destinada a Participar da Competição SAE-AeroDesign...13 Capítulo 2 Fundamentos de Aerodinâmica...15 2.1 Definição de Aerodinâmica...15 2.2 A Física da Força de Sustentação...15 2.3 Número de Reynolds...18 2.4 Teoria do Perfil Aerodinâmico...19 2.4.1 Seleção e Desempenho de um Perfil Aerodinâmico...20 2.4.2 Forças Aerodinâmicas e Momentos em Perfis...25 2.4.3 Centro de Pressão e Centro Aerodinâmico do Perfil...28 2.4.4 Perfis de Alta Sustentação...33 2.5 Asas de Envergadura Finita...43 2.5.1 Forma Geométrica e Localização da Asa na Fuselagem...43 2.5.2 Alongamento e Relação de Afilamento...48 2.5.3 Corda Média Aerodinâmica...50 2.5.4 Forças Aerodinâmicas e Momentos em Asas Finitas...52 2.5.5 Coeficiente de Sustentação em Asas Finitas...54 2.5.6 O Estol em Asas Finitas e suas Características...63 2.5.6.1 Influência da Forma Geométrica da Asa na Propagação do Estol...66
2.5.7 Aerodinâmica da Utilização de Flapes na Aeronave...67 2.5.8 Distribuição Elíptica de Sustentação...70 2.6 Arrasto em Aeronaves...79 2.6.1 Arrasto Induzido...80 2.6.1.1 Técnicas Utilizadas para a Redução do Arrasto Induzido...81 2.6.1.2 Efeito Solo...84 2.6.2 Arrasto Parasita...86 2.7 Aerodinâmica da Empenagem...91 2.8 Polar de arrasto da aeronave...96 2.8.1 O que é uma Polar de Arrasto e como pode ser Obtida?...96 2.9 Considerações sobre a Aerodinâmica de Biplanos... 105 2.9.1 Gap Distância Vertical entre as Asas... 106 2.9.2 Stagger Diferença de Posição entre o Bordo de Ataque das Asas... 107 2.9.3 Decalagem... 107 2.9.4 Determinação de um Monoplano Equivalente... 108 2.10 Dicas para a Realização do Projeto Aerodinâmico... 111 Capítulo 3 Grupo Moto-Propulsor... 113 3.1 Introdução... 113 3.2 Posição do Grupo Moto-Propulsor... 113 3.3 Motor para a Competição SAE-AeroDesign... 114 3.4 Características das Hélices... 116 3.5 Modelo Propulsivo... 119 Capítulo 4 Análise de Desempenho... 136 4.1 Objetivos... 136 4.2 Forças que Atuam em uma Aeronave em Vôo Reto e Nivelado com Velocidade Constante... 136 4.3 Tração Disponível e Requerida para o Vôo Reto e Nivelado com Velocidade Constante... 137 4.4 Potência Disponível e Requerida... 147 4.5 Relação entre a Velocidade de Mínima Tração Requerida (Máximo Alcance) e a Velocidade de Mínima Potência Requerida (Máxima Autonomia)... 154
4.6 Efeitos da Altitude nas Curvas de Tração e Potência Disponível e Requerida...157 4.7 Análise do Desempenho de Subida...179 4.8 Vôo de Planeio (Descida não Tracionada)...188 4.9 Desempenho na Decolagem...206 4.10 Desempenho no Pouso...232 4.11 Traçado do Diagrama v-n de manobra...251 4.12 Desempenho em Curva...262 4.13 Envelope de Vôo e Teto Absoluto...273 4.14 Tempo Estimado para a Missão...288 4.15 Metodologia para o Traçado do Gráfico de Carga Útil em Função da Altitude-Densidade...294 4.16 Dicas para a Análise de Desempenho...308