Este resumo foi elaborado para auxiliar na revisão dos conceitos-chave da teoria de voo, abordados durante o curso. É uma ferramenta útil para relembrar e consolidar os tópicos estudados, proporcionando uma visão geral rápida e prática.
Atenção: Este resumo não deve ser utilizado como substituto para o material de estudo completo. Ele é destinado apenas a reforçar o conhecimento adquirido e facilitar a revisão. Para uma compreensão profunda e abrangente dos temas, é essencial consultar os textos completos, participar das aulas e realizar os exercícios propostos.
Compressibilidade e Viscosidade do Ar Atmosférico
Efeitos indesejados
- Vibração na cauda e nas superfícies de comando;
- Tendência de picar (nariz pesado);
- Superfícies de comando pesadas.
Viscosidade do Ar – Capacidade que o ar possui de se prender na superfície da aeronave formando a camada limite.
Camada limite – fina camada de ar.
Pode ser laminar ou turbulenta.
– Possui grande atrito devido a viscosidade do ar.
– Permite que as camadas acima fluam com menos arrasto.
– Se descolar da asa ocorre o estol.
Número de Reynolds – O número de Reynolds (Re) é um número que indica a estabilidade do movimento do fluido.
Número Mach, Impulsos de Pressão
A velocidade do som varia com a variação da temperatura de maneira diretamente proporcional.
Número Mach Crítico – é a velocidade onde em algum ponto da asa a velocidade do ar atinge a velocidade do som. Isso ocorre devido o formato dos perfis. Velocidade no extradorso aumenta.
Número Mach – O Número Mach (M) é a razão entre a velocidade aerodinâmica do objeto (V) e a velocidade do som (a).
Ao se deslocar o avião perturba o ar a sua frente. Em baixas velocidades o ar se adapta ao formato do avião. Já em altas velocidades o ar não se adapta com facilidade ao formato do avião.
O ar acaba sendo prensado pelo avião, formando as ondas de choque.
Com velocidades de match 1 a onda de choque é vertical.
Com velocidades maiores do que match 1 a onda de choque é oblíqua.
Ondas de Choque e Regimes de Voo
Ondas de Choque – Em voo supersônico (velocidades acima de Mach 1), um avião produz ondas de choque intensas nas partes dianteiras e traseiras das asas e no nariz da aeronave. Essas ondas, conhecidas como “ondas de proa”, resultam de variações de velocidade, temperatura, pressão e densidade do ar. O som do estrondo sônico, causado pelas ondas de choque ao atingirem o solo, pode ser intenso o suficiente para causar danos.
Regimes de Voo – Os regimes de voo são categorizados em subsônicos (velocidades inferiores ao match crítico), transônicos (velocidades maiores do que o match crítico e menores que o match 1.2), supersônicos e hipersônicos. Aviões comerciais modernos voam em regimes subsônicos e transônicos.
No regime transônico, a transição do fluxo subsônico para supersônico é suave, enquanto a transição inversa é acompanhada por uma onda de choque.
Quando uma aeronave continua a acelerar, ela pode ingressar no regime de voo “Supersônico” (velocidades entre Mach 1.2 e Mach 5) e, em seguida, no “Hipersônico” (velocidades superiores a Mach 5). Mesmo nesses regimes, uma camada limite de ar sobre a aeronave ainda pode ter velocidades abaixo do som.
No voo transônico há fluxos de ar subsônicos e fluxos de ar supersônicos.
Limites de Velocidade – Os limites de velocidade variam conforme as características físicas da aeronave e seus aerofólios. Por exemplo, diferentes aeronaves podem atingir Mach Crítico em velocidades ligeiramente diferentes. Os fabricantes utilizam engenharia para retardar o aparecimento de ondas de choque, aumentando o valor do Mach Crítico.
Velocidades Máximas das Aeronaves
- VNO: Velocidade máxima para regime de cruzeiro (limite superior do “arco verde” no velocímetro).
- VNE: Velocidade a não ser excedida (representada pelo “arco vermelho” no velocímetro).
- VMO: Velocidade máxima de operação, medida em nós.
- MMO: Velocidade máxima de operação, medida em Número Mach.
VMO e MMO são limites usados em aeronaves de alta velocidade.
À medida que a aeronave ganha altitude, a velocidade indicada (VMO) cai devido à redução da densidade do ar, mas a velocidade do som (MMO) também diminui. É crucial evitar ultrapassar o limite de velocidade MMO para manter a controlabilidade da aeronave.
Ondas de Choque – Quando a aeronave atinge velocidades superiores ao Mach Crítico, forma-se uma onda de choque normal. Se continuar a acelerar e ultrapassar Mach 1, surgirá uma onda de choque à frente do avião, chamada “Onda de Proa”.
Características
- Compressão do Ar: A onda de choque comprime o ar, tornando-o mais denso, com maior pressão e temperatura.
- Redução da Velocidade: A velocidade do ar é reduzida ao passar pela onda de choque.
- Direção Constante: A direção dos filetes de ar não muda ao atravessar a onda de choque.
- Perda de Energia: Há uma significativa perda de energia dos filetes de ar devido à redução das pressões estática e dinâmica.
Impacto na Camada Limite – As ondas de choque dificultam o avanço da Camada Limite sobre a superfície do aerofólio. Podem causar descolamento da camada limite, produzindo grande aumento no arrasto e significativa redução na sustentação, levando ao “estol de alta velocidade” ou “estol de compressibilidade.”
Buffet – O buffet é causado por vibrações aerodinâmicas associadas ao descolamento ou turbulência do ar sobre o aerofólio, afetando a sustentação e gerando vibrações na aeronave.
Efeitos das Ondas de Choque Normais nos Voos Transônicos
Os aviões modernos, projetados para operar acima do Mach Crítico até o MMO, enfrentam os efeitos das Ondas de Choque Normais, que surgem com a compressibilidade do ar. Esses efeitos aumentam o arrasto e diminuem a capacidade de sustentação, tornando o voo inviável em determinadas altitudes.
Alteração do Centro de Pressão
Ao ultrapassar o Mach Crítico, o CP se desloca para trás, aumentando a tendência de “picada” (Tuck Under).
Correção do Tuck Under
- Redução do Mach: A resposta ao Tuck Under é reduzir a velocidade Mach da aeronave, diminuindo a potência ou utilizando spoilers, ou voar em altitudes mais baixas. (Isso faz com que a velocidade do som fique mais alta, diminuindo os efeitos causados pela onde de choque).
Aumento do Arrasto
À medida que a aeronave ultrapassa o Mach Crítico, ocorre um aumento do arrasto devido à turbulência e ao descolamento da Camada Limite, denominado Arrasto de Onda. Esse arrasto aumenta lentamente, mas se torna significativo perto do Mach de Divergência de Arrasto, resultando em maior consumo de combustível para manter a velocidade.
Vibrações
As Ondas de Choque causam turbilhonamento e descolamento da Camada Limite, gerando vibrações em diversas partes da aeronave, como asas, cone de cauda e fuselagem.
Redução da Eficiência dos Comandos de Voo
Comandos de voo tornam-se pesados e pouco eficientes devido ao acúmulo de impulsos de pressão na Onda de Choque, perda de energia do ar e deslocamento do Centro de Pressão (CP) para trás, aumentando a força necessária para movimentar os comandos.
Roll-Off
Próximo ao MMO, o rolamento da aeronave pode ocorrer no sentido oposto ao comandado pelos pedais devido ao estol de choque na asa externa à guinada. Em velocidades altas, o comando do leme pode causar aceleração e arrasto na asa oposta, resultando em perda de sustentação e rolamento no sentido oposto.
Ao voar em grandes altitudes e velocidades próximas ao MMO, é recomendado que as curvas sejam feitas suavemente com o uso dos ailerons, evitando-se a aplicação do leme direcional.
Esses efeitos das Ondas de Choque Normais são cruciais para entender a aerodinâmica em voos transônicos e para implementar medidas que garantam a segurança e a eficiência das aeronaves.
Estol de Mach
O estol ocorre quando um aerofólio não consegue gerar sustentação suficiente para manter o voo nivelado. Em voos subsônicos, isso acontece devido ao aumento do ângulo de ataque, que causa o descolamento da Camada Limite, aumentando o arrasto e reduzindo a sustentação. Nas modernas aeronaves, sistemas como “Stick Shaker” e “Stick Pusher” ajudam a prevenir o estol.
No regime transônico, Ondas de Choque intensas produzem o descolamento da Camada Limite, resultando no “Estol de Compressibilidade” ou “Estol de Mach”. Esse tipo de estol é menos crítico que o subsônico, mas ainda impacta a eficiência do voo. O ângulo de ataque elevado é a principal causa, especialmente em altitudes elevadas, com aeronaves pesadas ou sob alta carga “G”.
Cauda em T e Estol Profundo
A aeronave com “cauda em T” evita efeitos de turbilhonamento das asas em alta velocidade, mas em situação de estol, o ar turbilhonado das asas incide diretamente sobre a cauda, tornando o profundor inoperante, causando o “deep stall” (estol profundo).
Coffin Corner
Em altitudes elevadas, a velocidade indicada e a velocidade do som diminuem, levando a uma situação crítica chamada “Coffin Corner”. Nessa altitude, reduzir a velocidade causa estol, enquanto aumentar a velocidade ultrapassa o MMO, potencialmente levando ao buffet de alta velocidade e estol. Voar nessa área requer evitar curvas e turbulência até que o peso da aeronave diminua e se afaste da zona de risco.
Medidas para Minimizar os Efeitos de Compressibilidade do Ar
As aeronaves modernas voam em altas velocidades e altitudes, enfrentando os efeitos de compressibilidade do ar, como o aumento do arrasto e a dificuldade de manutenção do voo. Ao contrário das aeronaves antigas, as modernas são mais rápidas, seguras e eficientes, devido a avanços tecnológicos, materiais leves e resistentes, automação, e aprimoramentos no design aerodinâmico e dos aerofólios.
Desenho das Asas
A principal estratégia para minimizar os efeitos negativos da compressibilidade é aumentar os limites de Mach Crítico e Mach de Divergência de Arrasto. Asas modernas são projetadas com perfis específicos, como os perfis supercríticos, que possuem:
- Maior Raio do Bordo de Ataque: Reduz a formação de ondas de choque.
- Curvatura Superior Reduzida: Minimiza a aceleração do ar.
- Curvatura em S Próximo ao Bordo de Fuga: Reduz a intensidade das ondas de choque.
Enflexamento
As asas enflechadas reduzem a velocidade do fluxo de ar perpendicular ao bordo de ataque, retardando a formação de ondas de choque em alta velocidade. Por exemplo, uma aeronave com velocidade de 900 km/h e asas enflechadas apresenta um fluxo perpendicular de 770 km/h, menor que a velocidade real. No entanto, enflechamento também traz desafios, como menor sustentação, tendência ao estol na ponta das asas, tendência ao Dutch Roll e aumento do arrasto junto à fuselagem.
Regra da Área (Area Rule)
Desenvolvida por Dr. Richard Whitcomb, a Regra da Área minimiza o arrasto em velocidades transônicas e supersônicas, mantendo uma curva contínua na área das seções transversais ao longo do comprimento da aeronave. Reduzindo o volume da fuselagem na cintura, a área transversal se torna uniforme, diminuindo o arrasto de onda.
Estabilizador Horizontal com Incidência Variável
Os estabilizadores com incidência variável são utilizados em aeronaves de alta velocidade, como as com asas enflechadas, para proporcionar controle longitudinal adequado em uma ampla faixa de velocidades. Eles ajudam a contrabalançar o deslocamento do Centro de Pressão (CP) causado pelas Ondas de Choque, reduzindo o arrasto e mantendo a eficiência. A compensação do estabilizador é automatizada em muitos sistemas modernos.
Geradores de Vórtices (Vortex Generators)
Geradores de Vórtices são dispositivos pequenos que energizam a Camada Limite, injetando ar em forma espiral para prevenir estagnação e descolamento causados pelas Ondas de Choque ou ângulos de ataque elevados. Eles são estrategicamente posicionados em várias partes da aeronave, como asas, fuselagem e estabilizadores, para aumentar a eficiência dos comandos de voo e reduzir o arrasto.
Sistemas de Compensação de Mach (Mach Trimmer)
Mach Trimmers é um sistema de controle automático que ajusta a trim de aeronaves de alta velocidade, evitando o tuck under causada pelo deslocamento do CP para trás. Esses sistemas detectam a velocidade da aeronave e ajustam o profundor ou estabilizador de incidência variável para manter a atitude do avião em toda a faixa de operação até o MMO. Eles permitem que a aeronave opere acima do Mach Crítico com estabilidade. Em caso de falha, é recomendado reduzir a velocidade abaixo do Mach Crítico para evitar instabilidade.
Essas medidas são cruciais para melhorar a eficiência aerodinâmica e a segurança de aeronaves de alta velocidade, minimizando os efeitos negativos da compressibilidade do ar.
Consequências Adversas do Enflexamento das Asas
Benefícios e Desafios do Enflexamento
Embora o enflechamento das asas retarde o aparecimento das Ondas de Choque e proporcione maior estabilidade em zonas de turbulência, ele também traz algumas desvantagens, especialmente nas asas enflechadas para trás, comuns em aeronaves cargueiras e comerciais.
Desvantagens:
- Distribuição de Sustentação: Asas enflechadas tendem a estolar nas pontas, causando Pitch Up (elevação do nariz). A deflexão das asas pode deslocar o Centro de Pressão (CP) para a frente, criando uma tendência de cabrar e instabilidade longitudinal, conhecida como “Instabilidade Catastrófica”.
- Estol e Pitch Up: O estol prematuro nas pontas das asas desloca o CP para a frente, semelhante ao deslocamento do CG para trás, causando elevação do nariz. Isso pode transformar o estol em uma manobra perigosa e incontrolável.
- Distribuição de Sustentação Desfavorável: Em asas enflechadas, a sustentação é mais concentrada nas pontas, aumentando o arrasto induzido e tornando o estol mais perigoso. A distribuição de sustentação ideal deve permitir controle de rolagem mesmo próximo ao estol.
Soluções para Minimizar Efeitos Adversos:
- Washout Estrutural: Inclui torção das asas, slots nas pontas e aerofólios com maior curvatura nas pontas para aumentar a velocidade do ar e retardar o estol.
- Wing Fences: Placas aerodinâmicas para evitar deslocamento rápido do ar da parte interna para as pontas das asas.
- Vortilons: Geradores de vórtices no bordo de ataque inferior, adicionando energia à Camada Limite e melhorando a eficácia dos ailerons.
- Torção: Usada cuidadosamente para minimizar arrasto e melhorar desempenho, como no caso do EMBRAER 135/145, que utiliza torção e vortilons para melhorar a sustentação e controle de rolagem.
Essas estratégias ajudam a mitigar os efeitos adversos do enflechamento das asas, melhorando a eficiência aerodinâmica e a segurança das aeronaves.
Tendência de Passeio dos Filetes de Ar
Asas enflechadas apresentam a tendência dos filetes de ar passearem, inicialmente em direção à raiz da asa, depois para o bordo de fuga e, finalmente, em direção à ponta do aerofólio. Isso reduz a sustentação e aumenta o arrasto. Dispositivos como Wing Fences e pilones dos motores ajudam a mitigar esse efeito.
Baixa Produção de Sustentação com Ângulo de Ataque
As asas enflechadas produzem menos sustentação que asas convencionais para o mesmo ângulo de ataque, exigindo maiores ângulos de ataque para compensar. Isso pode dificultar a visibilidade durante pousos e decolagens, e tornar manobras como o Flare menos eficazes. Dispositivos hipersustentadores, como Flapes e Slats, são necessários para melhorar a sustentação durante pouso e decolagem.
Tendência ao Dutch Roll
O enflechamento das asas aumenta a estabilidade lateral, mas também a tendência ao Dutch Roll, um movimento pendular instável causado por desequilíbrios na sustentação. O uso de Yaw Dampers pode ajudar a corrigir esse movimento, mas deve-se aplicar o leme e a potência assimétrica com cuidado.
Arrasto junto à fuselagem
Em asas enflechadas, o fluxo aerodinâmico muda de direção ao longo da corda da asa, mas esse componente de fluxo não pode ocorrer próximo à fuselagem reta, causando interferência e arrasto. Isso pode resultar em um fluxo de ar de velocidade mais alta em alguns pontos, potencialmente causando ondas de choque prematuras.
Soluções para Minimizar Interferência:
- Seção Transversal Variável: Alterar a seção transversal da fuselagem ao longo da corda da asa, embora essa técnica possa criar problemas de fabricação e de arranjo interior.
- Redução/Inversão da Curvatura: Reduzir ou inverter a curvatura do aerofólio perto da raiz, mantendo a seção transversal da fuselagem constante. Essa técnica é amplamente utilizada em aeronaves comerciais, como o EMBRAER 135/145.
Essas soluções ajudam a minimizar o arrasto causado pela interferência entre o fluxo natural sobre a asa e a fuselagem, melhorando a eficiência aerodinâmica das aeronaves de alta velocidade.
Efeitos Aeroelásticos
Aeroelasticidade A aeroelasticidade estuda os efeitos das forças aerodinâmicas em corpos elásticos. Em velocidades altas, forças aerodinâmicas podem tornar uma estrutura instável, causando deformações excessivas e comprometendo a segurança do voo.
Efeitos Aeroelásticos Principais:
- Flutter
- Definição: Oscilação instável autoexcitada de um aerofólio e sua estrutura associada, causada por uma combinação de efeitos elásticos, inerciais e aerodinâmicos.
- Velocidade Crítica: Existe uma velocidade crítica em que o flutter ocorre. Se ultrapassada, a oscilação pode aumentar até causar a ruptura da estrutura.
- Prevenção: Amortecimento dinâmico das vibrações e testes em voo para garantir a ausência de flutter.
- Divergência
- Definição: Instabilidade estática da superfície de sustentação de uma aeronave, que ocorre quando a deflexão causada pelo carregamento aerodinâmico aumenta a carga sobre o perfil além do limite, podendo levar à falha estrutural.
- Inversão dos Ailerons
- Definição: Torção da asa devido ao aumento da pressão dinâmica, diminuindo a eficiência dos ailerons até a perda total do efeito (velocidade de inversão de ailerons).
- Soluções: Estrutura da asa suficientemente forte ou uso de dois pares de ailerons (externos para baixas velocidades, internos para altas velocidades).
- Buffeting
- Definição: Vibrações causadas pela separação do escoamento do ar, que afetam diferentes partes da aeronave, especialmente as asas. Pode ocorrer durante manobras em velocidade de cruzeiro, representando risco à estabilidade do voo.
Importância dos Estudos Os estudos de aeroelasticidade são cruciais para garantir que as aeronaves permaneçam estáveis e seguras em voo. Testes analíticos, em túnel de vento e de vibração em solo, juntamente com voos de ensaio, ajudam a verificar e prevenir os efeitos aeroelásticos indesejáveis.
Conceitos Básicos sobre Escoamento em Regime Supersônico
Os aviões comerciais atuais voam em velocidades de cruzeiro similares às dos anos 1960, apesar dos avanços na eficiência e segurança. Voar em regime supersônico requer uma grande quantidade de potência e características aerodinâmicas específicas, tornando-o pouco econômico para uso comercial.
Escoamento Supersônico:
- Regime Supersônico: Velocidades acima de Mach 1.2 até Mach 5.
- Compressibilidade: Em altas velocidades, o fluxo de ar deve considerar mudanças de densidade, pois o ar se torna compressível.
- Perturbações: Em velocidades acima do som, o fluxo de ar à frente da asa não é influenciado pelo campo de pressão do objeto em movimento até ser repentinamente desviado pela asa.
Ondas de Proa e Cone de Mach:
- Subsonic: Em velocidades inferiores a Mach 1, perturbações são transmitidas em todas as direções.
- Supersonic: Acima de Mach 1, as Ondas de Proa tornam-se oblíquas, formando o “Cone de Mach”. A abertura do cone diminui com o aumento da velocidade.
- Mach 1: Ondas de pressão não se afastam, acumulando-se no nariz e gerando a “Onda de Choque”, que aumenta pressão, temperatura e densidade dos filetes de ar, reduzindo sua velocidade.
Diferenças entre Fluxos Subsônico e Supersônico:
- Fluxo Subsônico: Moléculas de ar são mais ou menos afetadas pelo movimento das outras moléculas em todo o campo do fluxo.
- Fluxo Supersônico: Moléculas de ar influenciam apenas a parte do fluxo contida no Cone de Mach.
- Aceleração e Desaceleração: Em regime supersônico, o fluxo de ar acelera em tubos de expansão e desacelera em tubos de contração, ao contrário do regime subsônico.
Esses conceitos são fundamentais para distinguir o escoamento supersônico do transônico e entender as características aerodinâmicas dos voos em altas velocidades.
Fluxo Supersônico Em um fluxo supersônico, todas as mudanças na velocidade, pressão, temperatura, densidade e direção do fluxo ocorrem repentinamente em curtas distâncias, resultando em três tipos de ondas:
- Ondas de Choque Oblíquas: Compressão em ângulo inclinado, formando-se tanto no bordo de ataque quanto no bordo de fuga do aerofólio.
- Ondas de Choque Normais: Compressão em ângulo reto, grandes dissipadoras de energia e causadoras de arrasto, devendo ser evitadas ou retardadas ao máximo.
- Ondas de Expansão: Resultam da transição de fluxos brandos, reduzindo pressão e densidade do ar e aumentando a velocidade.
Efeitos das Ondas no Voo Supersônico Ondas de Choque e de Expansão criam regiões de alta e baixa pressão, gerando sustentação em perfis supersônicos. A pressão dianteira de um aerofólio é sempre superior à atmosférica, enquanto a pressão traseira é reduzida por Ondas de Expansão, gerando Arrasto de Onda.
Aquecimento Aerodinâmico No voo supersônico, a redução de velocidade e aumento de temperatura nos pontos de repouso da camada limite exigem ligas de titânio e aços inoxidáveis na construção da aeronave. O aquecimento também afeta o sistema de combustível e desempenho do motor turbojato.
Supercruzeiro O conceito de supercruzeiro envolve voo supersônico contínuo em baixa onda de arrasto, sem uso prolongado de pós-combustores. Isso requer motores a jato projetados para corrente de ar subsônica, fuselagem resistente ao calor e sistema eficiente de suporte à vida em altas altitudes.
Conclusão Diferenciar o escoamento supersônico do transônico é crucial para entender os desafios de projetar e operar aeronaves supersônicas, que enfrentam compromissos de engenharia e eficiência.