UNIVERSIDADE CATÓLICA DE GOIÁS UCG Voo em baixa velocidade Deslocamento das partículas de ar a frente do avião, que por sua vez, desloca as partículas de ar situadas mais a frente. Ciências Aeronáutica Aerodinâmica e Teoria de VOO Alta velocidade Prof. Gustavo Montoro Ondas esféricas na velocidade do som (340 m/s 1220 km/h ISA) Voo na velocidade do som (alta velocidade) As ondas de pressão não consegue se afastar do avião (mesma velocidade). Voo na velocidade do som (alta velocidade) Acumulo das ondas de pressão no nariz do avião Fina parede de ar comprimido Onda de choque Deslocamento do ar atmosférico a frente do avião antecipado; Escoamento do ar suave com pequeno drag.
Voo na velocidade do som (alta velocidade) Na velocidade do som, as camadas de ar à frente do avião não podem ser avisadas de sua aproximação. São pegas de supressa e recebem o impacto do avião, sendo comprimidas e achatadas na forma de onda de choque. Voo na velocidade do som (alta velocidade) Onda de proa Onda de proa Aumento do arrasto Aumento do arrasto Voo acima da velocidade do som (MACH > 1) Onda de proa passa a ser oblíqua - Cone de MACH Ângulo de MACH - Quanto maior a velocidade menor o angulo.
Número de MACH Forma de se medir as velocidades elevadas; Razão entre a velocidade verdadeira e a velocidade do som no mesmo flight level. MACH O número de Mach 1 significa que a velocidade aerodinâmica é 100% da velocidade do som; Mach = 0,8 significa que a velocidade aerodinâmica é 80% da velocidade do som (mantendo a mesma temp.); A velocidade do som depende principalmente da temperatura Ernst Mach (1838-1916) Físico Austríaco: destaque no estudo do fluxo supersônico.
MACH Compressibilidade Assim, ao subir de nível a uma velocidade aerodinâmica constante o numero de MACH aumentara Substancias compressíveis e incompressíveis: Volume varia de acordo com a pressão por ela suportada Pressão aumenta volume diminui Pressão diminui volume aumenta Não havendo variação de volume subst. incompressível Compressibilidade Substancias compressíveis: variação do volume corresponde a uma modificação da densidade Mesma massa volume diferente Compressibilidade Substancias compressíveis e incompressíveis:
Na natureza não existe subst. 100% incompressíveis todas elas, quando suficientemente comprimidas, reduzem seu volume. Sabemos que o ar é compressível, isto é, seu volume e sua densidade são variáveis. Na pratica, líquidos e sólidos são incompressíveis Ex. Água contrai 50 milionésimos de volume por aumento de 1 atmosfera de pressão. 1 litro de água 2 atmosfera redução de 0,00000002 litro 1 litro de ar atmosférico 2 atmosfera redução de 0,5 litro mesma temperatura A força da gravidade comprime a atmosfera de modo que a máxima densidade do ar (massa por unidade de volume) ocorre na superfície da Terra. O decréscimo da densidade do ar com a altura é bastante rápido (decréscimo exponencial) de modo que na altitude de ~5,6 km a densidade já é a metade da densidade ao nível do mar e em ~16 km já é de apenas 10% deste valor e em ~32 km apenas 1%. Perfis Verticais de Pressão e Densidade Lei de Boyle-Mariotte Quanto menor for o volume ocupado pelo gás, maior será o número de colisões por cada unidade de superfície e, consequentemente, maior será a pressão. milibar Aumento da pressão de um gás Aumento a temperatura Aumento a densidade milibar 2ª Lei de Charles e Gay-Lussac Quanto maior for a temperatura, maior será a energia cinética média das partículas do gás, e consequentemente maior a velocidade dessas mesmas partículas, e, portanto, maior será o número de colisões e o seu grau de intensidade, isto é, maior será a pressão do gás. 1ª Lei de Charles e Gay-Lussac Quanto maior for a temperatura, maior o volume ocupado pelo gás, mantendo constante a pressão. Aumento da temp. de um gás Aumenta a pressão Diminui a densidade
O rápido decréscimo da densidade do ar significa também um rápido declínio da pressão do ar com a altitude. Um avião vooa a 130kt nas condições ISA (1013,2 hpa e 1,225 Kg/m3) Aumento da temp. de um gás Aumenta a pressão Diminui a densidade Velocidade 0 / pressão máxima Todos os filetes acima e abaixo possuem velocidades maiores que 0, portando menor pressão estática. Um avião voa a 130kt nas condições ISA (1013,2 hpa e 1,225 Kg/m3) O mesmo avião voa agora a 680kt nas condições ISA No ponto de estagnação a pressão aumenta 1% em relação a P. atmosférica 1023 hpa Densidade aumenta 0,7% devido ao aumento da temperatura 1,2335 Kg/m3 No ponto de estagnação a pressão aumenta 18%. 1195,6 hpa Densidade aumenta 13% devido ao aumento da temperatura. 1,384335 Kg/m3
O Som Impulsos de pressão Fator de grande importância no estudo de compressibilidade do ar; Série de impulsos de pressão que atingem nossos ouvidos numa freqüência que podemos ouvir; ISA a = 340,29 m/s Formula: a = 340,29. 273 + TFL 273 + 15 Filetes a frete do aerofólio Ao se deslocar na atmosfera o avião provoca mudanças com uma de pressão e velocidade afetando o ar que o envolve. inclinação para cima Os impulso de pressão se propagam na velocidade do som: Voando a baixa velocidade, os impulsos de pressão vão a frente do avião, influenciando o ar que ainda não entrou em contado com o avião. Voando mais rápido do que o som, o ara a frente do avião não é avisado de sua chegada Ajustamento instantâneo Onda de choque = distúrbio do ar Rápida mudança de: Velocidade Pressão Temperatura Densidade
Produção da sustentação Aerofólios aceleram os filetes de ar no extradorso; Neste locais as velocidades locais são sempre maiores que a velocidade do avião. Mach crítico Se continuarmos a aumentar a velocidade do avião, chegaremos a um valor no qual pela primeira vez, em algum ponto do avião os filetes atingem Mach 1
Valores superiores a Mach Crítico Região da asa com filetes a velocidade menor que a do som (subsônica) Região da asa com filetes a velocidade maior que a do som (supersônica) Regime transônico Regime transônico Passagem sub para supersônico é suave; Passagem super para subsônica é sempre acompanhada por uma onda de choque.
Regimes de voo de acordo como número de Mach 19 mil km em apenas cinco horas Avião hipersônico europeu estará pronto em 2033 Nos regimes super e hipersônicos = todos os filetes de ar em contado com avião estão acima da V do som. Exceto camada limite O X-43A é a primeira aeronave a atingir velocidades hipersônicas usando motores que aspiram oxigênio Os valores são apenas referenciais Depende muito da forma aerodinâmica do avião Voo subsônico com Mach.76 Voo transônico com Mach.74 Motor scramjet. Em vez de usar oxigênio a bordo para fazer o combustível de hidrogênio entrar em combustão, o scramjet colhe oxigênio enquanto viaja pela atmosfera. Todo avião que voa em regime transônico ultrapassou o Mach critico Problemas de compressibilidade
Jatos de transportes modernos Desaceleração dos filetes ao aproximar do bordo de fuga Necessidade de se igualar aos filetes não influenciados pelo avião MMo > MCRIT MMo Maximum operating speed = maior numero de Mach permitidopara operações normais
UPWASH Margem de orientação DOWNWASH Margem de arrasto
Ondas de choque normal Característica do regime transônico Impulsos de PRESSÃO Ondas de choque normal 1- Só ocorre quando o escoamento passa de supersônico para subsônico; O Mach após a onda de choque é aproximadamente inverso do Mach da onda 1,25 1/1,25 = 0,8 2- A direção dos filetes de ar não modifica ao passar pela onda; Ondas de choque normal 3- Na onda ocorre aumento de pressão, densidade e temperatura do ar. Redução da velocidade dos filetes, consequentemente e redução da Mach. Conseqüências das Ondas de Choque Estol ocorre porque os filetes da camada limite perdem energia cinética devido a viscosidade. Menos energia = não vencem o gradiente desfavorável de pressão - deslocam antes do bordo de fuga. 4- Grande redução de energia dos filetes de ar (pressão estática e dinâmica Diminui L Aumenta D
Onda de choque também causa diminuição da L e aumento do D Interação camada limite onda de choque Aumento considerável de espessura ao passar pela OC. Estol de compressibilidade Estol de choque Estol de Mach Onda de choque de grande intensidade muito acima do Mach Critico junto com gradiente adverso = descolamento de filetes Menos crítico que o estol subsônico devido o coeficiente de sustentação máximo não se reduz continuamente Estol de compressibilidade no voo transônico Vibrações típicas do pré-estol (buffet) não só na baixa como tbm na alta. Como sair: Nas baixas velocidades reduzir o α e aumentar a velocidade Nas altas velocidades reduzir o Mach.
Buffet limites bimotor anos 60 As velocidade dos buffet variam com a altitude; Fator de carga n = L W A velocidade indicada do pré-estol de baixa velocidade aumenta com a altitude: Grandes altitudes a densidade do ar afeta a distribuição da pressões em torno do aerofólio afeta a velocidade de estol. A velocidade indicada do pré-estol de alta velocidade (estol de compressibilidade) diminui com o aumento da altitude: Canto do caixão
Para sair do coffin corner basta manter a altitude e consumir combustível Com o tempo - menor peso = buffet de baixa é diminuído e o de alta é aumentado Evitar o estol subsônico e estol de compressibilidade B-47 americano (1950) alcançava o coffin corner em voo nivelado Jatos atuais voam abaixo do nível de provável acontecimento do coffin corner (teto de serviço); Porem pode atingir o coffin corner com um fator de carga elevado (curva de grande inclinação); Voando nos maiores FL devem ser evitadas as curvas de grande inclinação. Aumento do arrasto {Mach de Divergência (M DIV )} OC aumento da espessura da Camada Limite deslocamento dos filetes Arrasto de Onda ou de Compressibilidade Crescimento lento do arrasto após o Mach Crítico inicialmente devido ao aumento da espessura da camada limite aumento da velocidade até chegar ao M DIV (drag divergence Mach number) Aumento acentuado do arrasto Elevado aumento de consumo de combustível
Bell XS-1 Décadas de 30 e 40 Velocidade da barreira do som 14 de outubro de 1947 Mach 1,05 Cap. Charles E. Yeager UPWASH Margem de orientação Variação da posição do centro de pressão do avião DOWNWASH Margem de arrasto
Redução do Downwash Rollof (rolar lateral / rolamento errado) Pé direito levanta asa esquerda Onda de choque reduz o Downwash M MO = 0,90 M CRIT = 0,82 M = 0,75 Asa esquerda - ganho sustentação Diminuição da resultante aerodinâmica negativa Rollof (rolar lateral / rolamento errado) Pé direito levanta asa esquerda Tuck under tendência de picar (abaixar o nariz) Deslocamento do centro de pressão para trás Redução do downwash da asa M MO = 0,90 M CRIT = 0,82 M = 0,90 Asa esquerda - perda sustentação Baixa velocidade Alta velocidade Voos próximo a velocidade no M MO não é aconselhável a utilização de leme de direção Até década de 40
Vibrações na cauda ou em todo o avião Deslocamento dos filetes provocado pelas ondas de choque Voo Transônico Década de 40 problemas de compressibilidade com M040; Comandos inoperantes De Havilland Comet, o primeiro jato comercial da história da aviação. Problemas de mergulho Atualmente aviões que atingem M092 e voam acima do FL400 Arrasto nas atuais velocidades de cruzeiro Induzido (25 a 40% do total) Arrasto induzido reapresenta 50 % do total em cruzeiro Parasita e de compressibilidade (restante) LOCKHEED L - 1049G SUPER CONSTELLATION Asas com maiores alongamentos DC-3
Progresso na redução do Arrasto Atualmente os aviões são mais limpos aerodinamicamente, com recurso para reduzir o arrasto parasita e de compressibilidade Progresso na redução do Arrasto - Parasita (EX: redução das aéreas planas equivalentes do DC-3 para DC-9-30) 6m 2 de placa plana equivalente; 105 passageiros; 13% menos de arrasto 7m 2 de placa plana equivalente; 21 passageiros; 13% a mais de arrasto Principais conceitos: M CRT e M DIV Tipos de asa Enflechamento negativo Reta Trapezoidal Flecha dobrada Elíptica Geometria variável Enflechamento positivo Em delta
Ogiva 1- Enflechamento de asa Delta dobrada Delta com timões Delta com Canard Pontos positivos e negativos do enflechamento Aerofólios de pequena espessura e curvatura.. +.. - Aumenta o M CRIT menor produção de sustentação; maior tendência de estolar na ponta da asa; produz pitch up; na grandes velocidades agrava o tuck under Gera menores velocidades no extradorso; Porém, ocorre menor redução do coeficiente de sustentação máxima e do volume para armazenar combustível e trens principais das asas.
Transição do escoamento laminar para turbulento o mais atrás possível da corda, com aumento suave da velocidade no extradorso. UNIVERSIDADE CATÓLICA DE GOIÁS UCG Ciências Aeronáutica Aerodinâmica e Teoria de VOO Alta velocidade NACA série 6 primeiros aerofólios laminares estudados NACA Airfoils (National Advisory Committee for Aeronautics) - www.pdas.com/naca456.htm Prof. Gustavo Montoro Escoamento laminar não depende somente do formado do aerofólio Depende também: número de Reynolds; NÚMERO DE REYNOLDS adimensional turbulência inicial dos filetes de ar; rugosidade da superfície; vibrações; etc. Todos fatores muito difíceis de serem controlados Re = V D ρ µ V velocidade da massa de ar (m/s) D corda (m) ρ- massa específica do ar (Kg/m 3 ) µ - coeficiente de viscosidade (Kg/ms)
Perfis supercríticos Regra da aérea (area rule) Dr. Richard T. Whitcomb Maior raio do bordo de ataque; Curvatura superior reduzida; Curvatura em S próxima ao bordo de fuga. Whitcomb with F106 in 1991 (FAA 2008) Também desenvolveu o perfil supercrítico Area rule Menor arrasto no regimes trans e supersônicos ocorre em aviões com seções retas ao longo do eixo longitudinal sem mudanças abruptas The YF-102A and YF-102 side by side. (FAA 2007)
B-747. Supera velocidades acima do M 0,92 Geradores de vórtices (vortex generators) Dispositivo feito de uma asa de alongamento pequeno (aerofólio) colocada numa posição especifica do avião. Produzem sustentação perpendicular às suas superfícies. Subproduto da sustentação: vórtices que influenciam os filetes de ar de duas maneiras: 1- captar o ar fora da camada limite (com muita energia) misturando com o ar da camada limite (que já se encontra sem energia cinética). Camada limite energizada evitando o descolamento. Asas do 767
VORTEX GENERATORS FOR CESSNA AIRCRAFT Micro vortex generators are small metal blades placed in a spanwise line aft of the leading edge of the wing
VORTEX GENERATORS FOR EXPERIMENTAL AIRCRAFT 2- VGs são posicionados para redirecionar os filetes de ar, prevenindo interações adversas. Alem de aumentar a sustentação nos grandes ângulos de ataque, reduz o arrasto. Nacelle Vortex Generator Large vortex generator located on a Boeing 737 engine nacelle Reduz o buffet de alta e baixa; Melhora o controle da aeronave. The VGs on the 767 are for tailoring (evitar) the stall
Vortex generators on the engine nacelle of an Airbus A319 McDonnell Douglas (now Boeing) C-17 Globemaster III Heavy Transport
The 727 wing has a stall fence (barreira), but not VGs Servo assistido Estabilizador horizontal de incidência variável fs9
MACH TRIMMER MACH TRIMMER Sensível ao número de Mach, atuando sobre o estabilizador horizontal ou profundor; Tornar positiva a estabilidade do avião em qualquer velocidade. Aviões modernos conseguem evitar o tuck under sem Mach trimmer.