DESEMPENHO DE AERONAVES Kamal A. R. Ismail Professor Titular Prof. Dr. Kamal A. R. Ismail DETF FEM UNICAMP Caixa Postal: 6122 CEP: 13083-970 Campinas São Paulo Brasil Tel. (019) 3788-3376 E-mail: kamal@fem.unicamp.br
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DESEMPENHO DE AERONAVES Kamal A. R. Ismail Professor Titular Prof. Dr. Kamal A. R. Ismail DETF FEM UNICAMP Caixa Postal: 6122 CEP: 13083-970 Campinas São Paulo Brasil Tel. (019) 3788-3376 E-mail: kamal@fem.unicamp.br iii
FICHA CATALOGRÁFICA ELABORADA PELA BIBLIOTECA DA ÁREA DE ENGENHARIA - BAE - UNICAMP Is5d Ismail, Kamal Abdel Radi Desempenho de aeronaves / Kamal Abdel Radi Ismail.--Campinas, SP: Ed. do autor, 2009. 354p. 1. Aerodinâmica. 2. Propulsão a jato. 3. Desempenho. I. Título. ISBN 978-85-909242-2-7 Índices para Catálogo Sistemático 1. Aerodinâmica 629.231 2. Propulsão a jato 629.13238 3. Desempenho 658.3 19.CDD 629.231 iv
Prefácio Este livro visa apresentar os fundamentos de calculo de desempenho de aeronave que é uma das disciplinas fundamentais para qualquer curso de engenharia aeronáutica. A matéria apresentada nos diversos capítulos do livro visa fornecer os fundamentos aerodinâmicos necessários para construir bagagem necessária, enriquecido por exemplos numéricos. Cada capitulo é finalizado por uma lista de problemas sugeridos e uma lista de referencia bibliográfica para estudos e investigações mais detalhada. O texto pode ser usado para uma disciplina de 45 à 60 h em nível de graduação.o livro também pode ser usado por engenheiros praticantes, por pilotos e estudiosos que queiram aprender um pouco mais sobre o assunto. O livro pode ser de grande valia para grupo de interesse em aerodesign e projetos similares de interesse estudantil ou profissional. No capitulo 1 é apresentado a evolução histórica e rápida dos perfis aerodinâmicos, asas e finalmente das aeronaves passando do estado inicial e primitivo mas ainda de fundamental importância, de imitar os pássaros, a um projeto de aeronave de transporte supersônico que vão a numero de Mach 2,0 e em altitudes de ate 18 km acima do nível do mar. Tudo isto durante cerca de 100 anos, um período no qual teve participação brasileira da maior importância pelo Santos Dumon. No capitulo 2 é de forma simplificada e apresentada teorias básica de vôo em regime permanente e em regime de aceleração e o efeito de parâmetro importante como razão de arrasto/sustentação β, e o efeito de numero de Reynolds e o numero de Mach sobre a razão β. Capitulo 3 apresenta a aerodinâmica da aeronave de forma resumida voltada para o desempenho de aeronaves; são apresentados os aerofolios, as asas finitas, incluindo as asas flechadas e asas deltas. O arrasto, fuselagem e finalmente o polar de arrasto Mesmo que o tópico de propulsão é geralmente estudado numa disciplina especifica, optou-se incluir um resumo do assunto de ponto de vista de desempenho para deixar o texto mais completo. È apresentada uma discussão sobre motores a pistão, teorias de hélice, escolha de hélice, projeto de hélice para quem se interessa no assunto, turbo fan., turbo prop. e finalmente motor turbo jato. Capitulo 5 apresenta a aerodinâmica de sistema asa-fuselagem, onde apresentada a aerodinâmica de fuselagem de forma especifica em seguida a combinação asa-fuselagem e as interferências resultantes. v
Capitulo 6 trata-se dos elementos da aerodinâmica de estabilização e controle. Apresentados todos os elementos da aeronaves e sua aerodinâmica, o leitor tem condições de ser apresentado as técnicas de avaliação de desempenho de aeronaves. Este é dividido em duas partes. Primeira parte apresentada no capitulo 7 que trata de desempenho em regime permanente de operação. O capitulo 8 trata de operações e manobras em regime não permanente com decolagem, aterrissagem e manobras de virada. O empuxo vetorizado é apresentado no capitulo 9, onde inicialmente são apresentadas as equações governantes e em seguidas são discutidos e analisados os casos de pouso e decolagem verticais. Capitulo 10 apresenta o desempenho de aeronaves em regime transonico e supersônico. Kamal A.R. Ismail vi
Agradecimentos Gostaria de agradecer ao Conselho Nacional de Pesquisa, CNPQ, pela bolsa de produtividade em pesquisa PQ vii
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Dedicatória Dedico este livro aos meus alunos de graduação e pós-graduação e a todos que aprenderem ou pesquisaram comigo aerodinâmica e também a meus pequenos grandes amigos; Bela, Inca, Sacha, Sol, Pando, Vitória, Marrom, Luana, Pingo, Sofia, Dino, Bobi, Morena e Mel. Uma dedicação especial as minhas queridas amigas que me deixaram para sempre, as queridas Tana, Dona, Lua e o querido Bugri, que lutaram pela vida mas foram tristemente vencidas e partiram. ix
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CONTEUDO CAPITULO 1 TEORIA BÁSICA DE VÔO 1.1 Vôo em regime sem aceleração 1.2 A razão de arrasto/ sustentação ( β ) 3 1.3 Efeito do número de Reynolds Re sobre β 6 1.4 β = C / C Efeito do número de Mach M sobre D L 7 1.5 Desempenho em subida 10 1.6 Limites de altitude 14 Bibliografia 14 CAPITULO 2 AERODINAMICA DOS PERFIS E DAS ASAS 2.1 Nomenclatura de aerofólio. 19 2.2 As características de aerofólio 20 2.3 Os aerofólios; Construção e comentários sobre seus desempenhos 23 2.4 As forças e momentos aerodinâmicos 25 2.4.1 O centro aerodinâmico 26 2.5 Famílias de aerofólios 30 2.5.5 Os aerofólios modernos 30 2.5.6 Classificação por regime de vôo 34 2.6 A filosofia da teoria ideal de aerofólio fino 36 2.7 Teoria geral de aerofólio de envergadura infinita 42 2.7.1 Solução do aerofólio simétrico ou placa plana 44 2.8 A solução geral do aerofólio genérico 46 2.8.1 As propriedades aerodinâmicas de aerofólio com arqueamento 47 2.8.2 Aplicação para perfis NACA 49 2.9 AERODINÂMICA DA ASA FINITA; TECNICAS DE LINHA DE SUSTENTAÇÃO 52 2.9.1 Introdução 52 2.9.2 Nomenclatura da asa 52 2.9.3 Teoria aproximada de linha de sustentação de Prandtl 54 2.9.4 Distribuição elíptica da circulação 57 2.9.5 Distribuição genérica da circulação 61 2.9.6 Influencia da razão de aspecto 62 2.9.7 As asas flechadas 66 2.9.8 Asas inclinadas sheared 66 2.9.9 Asas flechadas de envergadura finita 67 2.9.10 Asas de pequena razão de aspecto 69 2.9.11 Cálculo da distribuição de pressão e de sustentação 69 2.9.12 As características aerodinâmicas das asas flechadas 74 Bibliografia 76 CAPITULO 3 INTRODUÇÃO Á AERODINÂMICA DA AERONAVE 3.1 A sustentação de uma asa finita 77 3.2 Asa reta de alta razão de aspecto 78 3.3 Asa reta de pequena razão de aspecto 82 3.4 Asas flechadas 86 3.5 Asa delta 91 3.6 Combinação fuselagem-asa 96 3.7 Arrasto 96 3.7.1 O arrasto subsônico 97 3.7.2 Asa finita 98 3.7.3 Fuselagem 99 3.8 O arrasto transônico 100 3.9 O arrasto supersônico 102 3.10 O polar de arrasto 104 xi
3.10.1 O polar de arrasto 107 Bibliografia 111 CAPITULO 4 EMPUXO E PROPULSÃO 4.1 Introdução 115 4.2 Características do motor a pistão. 115 4.3 Analise do hélice 117 4.3.1 Teoria de momentum 117 4.3.2 Teoria de elemento de pás 120 4.3.3 Teoria de vórtice. 122 4.3.4 Relações aproximadas para hélices 130 4.3.5 Escolha de um hélice. 133 4.3.6 Projeto de um hélice 134 4.4 Turbo jato 136 4.4.1 Descrição de turbina a gás 136 4.4.2 Nivelamento de potencia dos motores 138 4.4.3 Considerações sobre o desempenho de turbinas a gás 138 4.4.4 Comparação de desempenho de motores de turbo jato turbo fan e turbo porp. 142 4.5 Características e desempenho dos motores á jato 142 4.5.1 O motor turbo jato 142 4.5.2 O motor turbo fan 146 4.5.3 Motor Turbo prop 147 Bibliografia 148 CAPITULO 5 AERODINÂMICA DO SISTEMA ASA- FUSELAGEM 5.1 Aerodinâmica da fuselagem 119 5.1.1 Geometria de fuselagem 119 5.1.2 Forças e momentos sobre a fuselagem. 121 5.1.3 A fuselagem no escoamento incompressível 122 5.1.4 Fuselagem num escoamento axial 122 5.1.5 Fuselagem num escoamento não simétrico 129 5.1.6 As soluções exatas 135 5.2 Aerodinâmica do sistema asa- fuselagem 138 5.2.1 Geometria de sistema asa/ fuselagem 140 5.2.2 Os coeficientes aerodinâmicos 141 5.2.3 Sistema asa/fuselagem em um escoamento incompressível 142 5.2.4 Distribuição da sustentação sobre a fuselagem 146 5.2.5 Distribuição da sustentação sobre a asa 153 5.2.6 Arrasto e a sustentação máxima de um sistema asa-fuselagem 155 5.2.7 Sistema asa-fuselagem num escoamento não simétrico 157 Bibliografia 194 CAPITULO 6 AERODINÂMICA DOS ELEMENTOS DE ESTABILIZAÇÃO 6.1 Aerodinâmica do estabilizador 197 6.1.1 Função dos estabilizadores e superfície de controle 197 6.1.2 Geometria das superfícies de cauda 198 6.1.3 Aerodinâmica da cauda horizontal 200 6.1.4 A cauda horizontal num escoamento incompressível 205 Bibliografia 220 CAPITULO 7 DESEMPENHO DE AERONAVES EM VÔO DE REGIME 7.1 Equações de movimento de uma aeronave 221 7.2 Equações de movimento para vôo em nível plano e em regime 225 7.3 Empuxo requerido 225 7.3.1 Procedimento Gráfico 225 7.3.2 Procedimento analítico 230 7.3.3 Comentários relativos aos procedimentos gráficos e analíticos 235 7.4 Os parâmetros fundamentais: Razão ( R / W ), ( W / S), ( C,, K ) e L D 235 T D o / 7.4.1 As relações aerodinâmicas associadas com (CL/CD)max, C 3 / 2 L / CD, C 1/ 2 L / CD, temos: 236 xii
7.5 O empuxo disponível e a velocidade máxima da aeronave 241 7.5.1 Aeronaves com propulsor 241 7.5.2 Aeronave com propulsão a jato 243 7.5.3 Velocidade de vôo máxima 243 7.6 Potência requerida 245 7.6.1 O procedimento gráfico 246 7.6.2 Procedimento analítico 246 7.7 Potência disponível e a velocidade máxima 248 7.7.1 Aeronave com rotor propulsor 248 7.7.2 Motores turbo jato e turbo tan 249 7.7.3 A velocidade máxima 249 7.8 Efeito de divergência de arrasto sobre a velocidade máxima 252 7.8.1 Procedimento de Raymer 253 7.9 A velocidade mínima, estolamento e dispositivo de alta sustentação 257 7.9.1 Cálculo da velocidade de estol 258 7.9.2 O fenômeno de estol 259 7.9.3 Dispositivos de alta sustentação 259 7.10 Taxa de subida 265 7.10.1 Procedimento gráfico 267 7.10.2 O procedimento analítico 269 7.10.3 Vôo de plano sem potência 276 7.11 Taxa de descida 279 7.12 Tetos de Serviço absoluto 281 7.13 Tempo de subida 283 7.13.1 O procedimento gráfico 283 7.13.2 O procedimento analítico 284 7.14 Alcance (Range) 284 7.14.1 O alcance para aeronave com rotor propulsor 286 7.14.2 O alcance para aeronave a jato 286 7.14.3 Outros comentários 288 7.15 Duração de permanência no ar endurance 289 7.15.1 Endurance para aeronave com rotor propulsor 290 7.15.2 Endurance para uma aeronave a jato 291 7.16 Comentários gerais sobre o alcance e duração de vôo contínuo endurance 291 7.16.1 Caso de aeronave com rotor propulsor 291 7.16.2 Caso da aeronave a jato 293 7.16.3 Caso de aeronave com rotor propulsor 293 7.16.4 Caso de aeronave a jato 293 7.17 Efeito de vento 294 7.18 Resumo dos resultados 297 CAPITULO 8 DESEMPENHO DE AERONAVE EM VÔO ACELERADO 8.1 Virada em nível 303 8.1.1 Limites sobre fator de carga 305 8.1.2 Limite em vôo 308 8.1.3 Raio mínimo de curva 309 8.1.4 Taxa mínima de virar 311 8.1.5 Comentários sobre o projeto 312 8.2 Manobras pull up e pull down 313 8.2.1 Caso limite de alto fator de carga 315 8.3 O diagrama V-n 317 8.3.1 Comentários do projeto 318 8.4 Taxa de subida com aceleração 318 8.4.1 Altura energética de uma aeronave 319 8.4.2 Potência especifica em excesso 319 8.4.3 Os gráficos de Ps (Iso-Ps) 322 8.4.4 Taxa de subida e tempo de subida em vôo acelerado 323 8.5 Desempenho na decolagem 324 8.5.1 Cálculo da distância percorrida na pista 326 8.5.2 Cálculo da distância (enquanto sustentado no ar) para passar sobre um obstáculo 331 xiii
8.6 Desempenho em aterrissagem 334 8.6.1 Cálculo da distância de aproximação 335 8.6.2 Cálculo da distância de flare flutuação 337 8.7 Resumo, 341 CAPITULO 9 EMPUXO VETORIZADO 9.1 As equações para vôo em regime 344 9.2 O valor ótimo de θ F para vôo de cruzeiro e subida 345 9.3 Vôo em nível a baixa velocidade 346 9.4 Decolagem e pouso verticais 348 9.5 Decolagem curta 349 9.6 O uso de empuxo vetorizado durante o vôo 352 CAPITULO 10 VÔO TRANSONICO E SUPERSONICO 10.1 O arrasto 356 10.2 Alcance para altas velocidades subsônicas 367 10.3 Subida e Aceleração em vôo supersônico 369 10.4 Alcance em velocidades supersônicas 372 10.5 Virada em vôo supersônico 376 10.6 A razão de arrasto/ sustentação ( β ) 380 BIBLIOGRAFIA GERAL 383 ANEXO A 391 xiv