Aula 16

Introdução ao Projeto de
Aeronaves
Aula 16 – Vôo de Planeio, Desempenho
de Decolagem e de pouso
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Prof. MSc. Luiz Eduardo Miranda J. Rodrigues
Tópicos Abordados
Vôo de Planeio (descida não tracionada).
Desempenho na Decolagem.
Desempenho no Pouso.
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Vôo de Planeio (Descida não Tracionada)
O conhecimento das características de desempenho durante um vôo
de descida também representa uma importante ferramenta para
aeronaves que participam da competição AeroDesign uma vez que
possibilita a realização de uma aproximação para pouso dentro de
uma rampa de descida aceitável e que proporcione uma aterrissagem
suave e com uma velocidade segura.
Para a análise do vôo de planeio, considera-se que a tração
disponível é nula, pois nesta condição a aeronave se encontra
operando com o motor em marcha lenta, portanto, apenas são
consideradas para efeitos de cálculos as forças de sustentação e
arrasto, além do peso da aeronave.
Valem as equações de equilíbrio da estática.
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Forças Atuantes na Condição de Planeio
D = W ⋅ senγ
L = W ⋅ cos γ
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Ângulo de Planeio
O ângulo de planeio está diretamente relacionado com a eficiência aerodinâmica da
aeronave, e assim, o ângulo de planeio será mínimo quando a relação L/D for
máxima, ou seja, voando-se em uma condição de máxima eficiência aerodinâmica
consegue-se um planeio com máximo alcance.
O ângulo de planeio que proporciona o equilíbrio da aeronave não depende da
altitude, do peso ou da área da asa, mas simplesmente da relação L/D. Porém, em
uma determinada altitude, para que a relação L/D desejada seja obtida a aeronave
deve voar com uma velocidade específica denominada velocidade de planeio, cujo
valor depende diretamente da altitude, do peso e da área da asa. A velocidade de
planeio para uma dada condição de altitude pode ser obtida pela solução da
equação a seguir.
Claramente percebe-se que a velocidade de planeio depende da variação da altitude
através da variável ρ, onde quanto menor for a altitude menor será a velocidade de
planeio considerando que a descida seja realizada com uma relação L/D constante,
ou seja, o coeficiente de sustentação não muda durante o planeio.
1
tgγ =
( L / D)
tgγ min
1
=
( L / D) máx
v=
2 ⋅ W ⋅ cos γ
ρ ⋅ S ⋅ CL
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Planeio com Máximo Alcance Máxima Autonomia
Para o caso de um planeio com máximo alcance ou máxima autonomia, o
coeficiente de sustentação é calculado a partir da polar de arrasto conforme
mostrado a seguir.
Uma vez determinados o ângulo de planeio e a velocidade de planeio para
uma determinada altitude e condição de vôo desejada, é possível
determinar a razão de descida da aeronave (RD) de forma rápida a partir do
triângulo de velocidades.
*
Alcance
CL =
Autonomia
*
CL
C D0
K
3 ⋅ C D0
=
K
v h = v ⋅ cos γ
R D = v v = v ⋅ senγ
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Polar de Velocidades no Planeio
A polar de velocidades apresentada
mostra dois pontos em destaque, o ponto
A representa um vôo de descida realizado
para uma condição de máxima autonomia,
e nesta situação, a razão de descida será
mínima permitindo com que a aeronave
permaneça mais tempo no ar antes de
chegar ao solo.
O ponto B representado no gráfico indica
uma descida com máximo alcance, nesta
situação a aeronave percorrerá uma maior
distância horizontal antes de chegar ao
solo. Como visto anteriormente, um vôo
realizado para máximo alcance ocorre
para uma condição de eficiência
aerodinâmica máxima.
Todos os outros pontos da polar de
velocidades são obtidos considerando-se
o coeficiente de sustentação característico
para cada condição de vôo desejada.
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Ângulo de Planeio de Distância Horizontal
Para aeronaves que participam da competição AeroDesign é
aconselhável que o planeio seja realizado para uma condição de máximo
alcance de forma a se realizar a aproximação com o menor ângulo
possível, portanto, para esta condição, o ângulo de planeio estará
definido em função da máxima eficiência aerodinâmica e a distância
horizontal percorrida antes que a aeronave toque o solo pode ser
calculada pela relação trigonométrica mostrada nas Equações obtidas a
partir da análise da figura.
tgγ =
D=
h
D
h
tgγ
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Desempenho na Decolagem
A análise do desempenho durante a corrida de decolagem de uma
aeronave destinada a participar da competição AeroDesign
representa um dos pontos mais importantes para o sucesso do
projeto no quesito carga útil transportada, pois como o regulamento
da competição restringe o comprimento de pista para a decolagem,
a capacidade de decolar com o maior peso possível é diretamente
afetada.
Dessa forma, o peso total de decolagem da aeronave torna-se
máximo quando dentro de todas as restrições existentes no
regulamento da competição a equipe conseguir um excelente
projeto aerodinâmico e que propicie durante a corrida de decolagem
alçar vôo com a maior carga possível, portanto, uma polar de
arrasto obtida com precisão propicia importantes melhoras no
desempenho de decolagem, permitindo desse modo que se
obtenha o maior peso total de decolagem para a aeronave em
projeto.
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Forças Atuantes na Decolagem
Pode-se perceber analisando-se a
figura, que além das quatro forças
necessárias para o vôo reto e
nivelado, também está presente
durante a corrida de decolagem a
força de atrito entre as rodas e o
solo.
Durante a corrida de decolagem a
força normal diminui conforme a
velocidade da aeronave aumenta,
esse fato está relacionado ao
aumento da força de sustentação
que ocorre conforme a aeronave
ganha velocidade
R=µ⋅N
R = µ ⋅ (W − L )
Tipo do piso
µ
asfalto, concreto
0,02 até 0,03
terra
0,05
grama curta
0,05
grama longa
0,10
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Variação do CL na Corrida de Decolagem
É importante ressaltar que durante uma análise de decolagem, o coeficiente de
sustentação é constante durante toda a corrida de decolagem, e, para o propósito
do AeroDesign é interessante que se utilize o CL ideal, pois dessa forma a relação
entre a geração da força de sustentação necessária para a decolagem e a força
de arrasto será a maior possível garantindo uma redução no comprimento de pista
necessário para se decolar a aeronave.
No instante em que a aeronave sai do solo, o ângulo de ataque aumenta de forma
que a força de sustentação gerada se iguale ao peso, dessa forma, o CL também
aumenta para um valor um pouco abaixo do CLmáx.
Nos instantes iniciais que sucedem a decolagem, como forma de se evitar o estol
o piloto deve ser muito experiente, pois uma perda de sustentação a baixa altura
praticamente inviabiliza uma recuperação do vôo ocasionando em queda da
aeronave.
CL ideal
C LLO =
π ⋅ e0 ⋅ AR ⋅ µ
2 ⋅φ
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Equação para Cálculo do Comprimento
de Pista Necessário para a Decolagem
Como os valores da força de arrasto e da força de sustentação se alteram conforme
a velocidade aumenta, o cálculo da equação segue modelo proposto por Anderson
que sugere que seja realizada uma aproximação para uma força requerida média
obtida em 70% da velocidade de decolagem, ou seja, os valores de L e D são
calculados considerando v = 0,7vlo.
Alguns autores assumem que a tração disponível é constante durante a corrida de
decolagem, no presente curso definiu-se que a mesma varia com a velocidade,
assim, a variável T presente na equação também tem seu valor em uma condição de
v = 0,7vlo.
Como forma de se manter uma margem de segurança durante o procedimento de decolagem e
subida , a norma FAR-Part 23 (FAR – Federal Aviation Regulation) sugere que a velocidade de
decolagem não deve ser inferior a 20% da velocidade de estol, ou seja, vlo = 1,2 vestol.
S Lo
1,44 ⋅ W 2
=
g ⋅ ρ ⋅ S ⋅ C Lmáx ⋅ {T − [D + µ ⋅ (W − L)]} 0, 7 vlo
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Análise da Equação de Decolagem
A partir da equação é possível verificar que o comprimento de pista
necessário para a decolagem é sensível as variáveis peso, densidade do
ar, área da asa e CLmáx. Para aeronaves que participam da competição
AeroDesign é de fundamental importância que a decolagem seja realizada
com o maior peso possível no menor comprimento de pista, esta situação
pode ser obtida a partir do aumento de área de asa, aumento da tração
disponível através da escolha da melhor hélice ou então pelo aumento do
CLmáx com a escolha do melhor perfil aerodinâmico para o projeto em
questão.
Também é importante verificar que o aumento do peso provoca uma
variação significativa no aumento da pista necessária para decolar, pois Slo
varia com W², e, dessa forma, ao se dobrar o peso por exemplo, o valor de
Slo é quadruplicado.
Com relação à variação da altitude, percebe-se na equação que a redução
da densidade do ar provoca o aumento de Slo, portanto, em aeroportos
localizados em altitudes elevadas, a aeronave percorre um maior
comprimento de pista durante a decolagem do que em aeroportos
localizados ao nível do mar.
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Gráficos Característicos na Decolagem
Para a competição AeroDesign, é interessante que o peso total de
decolagem seja mostrado em função do comprimento de pista necessário
para decolar a aeronave em uma determinada condição de altitude em um
gráfico cujo modelo genérico está apresentado na figura.
A análise deste gráfico é muito importante durante a competição, pois
permite à equipe definir a partir da altitude densidade local no momento do
vôo qual será o peso máximo de decolagem para o comprimento de pista
estipulado pelo regulamento.
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Desempenho no Pouso
Para a avaliação das características de pouso de uma aeronave, utiliza-se o mesmo
modelo matemático e as mesmas considerações adotadas para o cálculo realizado
durante a decolagem.
Como forma de ilustrar as forças atuantes na aeronave durante o processo de
desaceleração, a figura é similar a utilizada para a análise de decolagem. A única
variável modificada é a tração disponível que durante o procedimento de pouso é
considerada nula, pois o piloto reduz o motor a uma condição de marcha lenta.
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Equação para o Cálculo do Desempenho
de Pouso
Esta equação é similar a que foi desenvolvida para o
procedimento de decolagem e segue o modelo proposto por
Anderson com todas as variáveis calculadas em um valor médio
de 70% da velocidade de aproximação.
A norma FAR Part-23 sugere por medida de segurança uma
velocidade de aproximação 30% maior que a velocidade de estol.
A equação representa uma forma aproximada para se prever o
comprimento de pista necessário para o pouso de uma aeronave,
sendo que para a competição AeroDesign, a aplicação dessa
equação fornece resultados satisfatórios.
1,69 ⋅ W 2
SL =
g ⋅ ρ ⋅ S ⋅ C Lmáx ⋅ [ D + µ ⋅ (W − L )] 0, 7 vt
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Gráficos Característicos para o Pouso
Para a competição AeroDesign, é importante que seja apresentado um
gráfico que relacione o peso total da aeronave com o comprimento de
pista necessário para o pouso, pois dessa forma, durante a competição
a equipe terá em função das condições atmosféricas do local um
panorama geral das qualidades de desempenho durante o pouso da
aeronave.
Um modelo genérico desse tipo de gráfico pode ser visualizado na figura
apresentada a seguir.
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Técnicas para se Reduzir o Comprimento de
Pista para o Pouso
Como alternativa para se reduzir o comprimento de pista necessário para o pouso,
algumas técnicas de pilotagem podem ser utilizadas desde que o piloto possua
experiência e habilidade para executá-las.
Dentre essas técnicas, a principal é realizar o toque no solo com a menor velocidade
possível, ou seja, garantir que a aeronave pouse com uma velocidade igual a
velocidade de estol da aeronave.
A obtenção desta condição é possível durante a manobra de arredondamento da
aeronave nas proximidades do solo.
Nesta situação ocorrem pequenas variações na equação apresentada anteriormente.
SL =
g ⋅ ρ ⋅ S ⋅ C Lmáx
W2
⋅ [ D + µ ⋅ (W − L)] 0, 7 estol
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Utilização de Flapes e “Spoilers”
Uma alternativa que pode ser utilizada para reduzir ainda mais o comprimento de
pista é a utilização de flapes na aeronave que quando defletidos aumentam o arrasto
e o valor do CLmáx, contribuindo portanto para a redução de SL.
Além dos flapes, também podem ser utilizados “spoilers” no extradorso da asa, que
quando defletidos durante a desaceleração da aeronave atuam como forma de
eliminar a sustentação e aumentar o arrasto parasita propiciando também a redução
da SL.
Normalmente a utilização de “spoilers” aumenta o arrasto parasita em torno de 10%.
A utilização desses dispositivos acarreta em um acréscimo do peso vazio da
aeronave devido a necessidade da adição de mais servos de comando na estrutura,
portanto, a equipe deve ponderar todos esses aspectos e trabalhar como forma de se
chegar ao objetivo almejado utilizando os melhores dispositivos para garantir uma
desaceleração de aeronave dentro do espaço limite estipulado pelo regulamento da
competição.
Caso nenhuma das técnicas apresentadas proporcione o resultado esperado, uma
solução certa para se garantir o pouso no comprimento de pista desejado é se
trabalhar no sentido de aumentar o coeficiente de atrito através da adição de freios na
aeronave.
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Tema da Próxima Aula
Diagrama v-n de Manobra.
Desempenho em Curva.
Envelope de Vôo e Teto Absoluto Teórico.