aerodinâmica & teoria de voo
TRANSCRIPT
-
8/18/2019 Aerodinâmica & Teoria de Voo
1/50
ESCOLA SECUNDÁRIA GAGO COUTINHO Técnico de Manutenção Aeronáutica
Preambulo
É objectivo do autor, respondendo aos requisitos do REGULAMENTO (CE) N.º 2042/2003
DA COMISSÃO de 20 Novembro, 2003, fornecer, através deste manual matéria de suporte
às aulas de AERODINÂMICA & TEORIA DE VOO, do Curso de Técnico de Manutenção
Aeronáutica.
Os Módulos abordados são respectivamente, MOD. 8; MOD. 11A, 11.1; MOD.11B, 11.1;
MOD. 12, 12.1; MOD. 13.
A informação contida neste manual é da inteira responsabilidade do autor e deve ser
considerada como parte integrante das aulas e não como publicação.
Aerodinâmica & Teoria de Voo Página 1
-
8/18/2019 Aerodinâmica & Teoria de Voo
2/50
ESCOLA SECUNDÁRIA GAGO COUTINHO Técnico de Manutenção Aeronáutica
Intencionalmente em branco
Aerodinâmica & Teoria de Voo Página 2
-
8/18/2019 Aerodinâmica & Teoria de Voo
3/50
ESCOLA SECUNDÁRIA GAGO COUTINHO Técnico de Manutenção Aeronáutica
ÍndiceClassificação de aeronaves.....................................................................................................3
Fundamentos de física mecânica aplicada ao sistema aeronave/envolvente..........................5
Atmosfera...............................................................................................................................7
Necessidade de adopção de uma Atmosfera padrão...............................................................8
Classificação das camadas de ases na atmosfera.................................................................!
"scoamento estacion#rio......................................................................................................$$
%in&a de corrente..................................................................................................................$$
"scoamento não estacion#rio...............................................................................................$$
Força aerodinâmica..............................................................................................................$'
(ento relativo.......................................................................................................................$'
Nomenclatura de um perfil alar............................................................................................$3
)ipos de perfil......................................................................................................................$5
*eometria da Asa.................................................................................................................$+
Forças ,ue actuam numa aeronave.......................................................................................$!
",uilí-rio de Forças e omentos........................................................................................'
ecânica de (oo..................................................................................................................'5
0ispositivos 1iper2sustentadores.........................................................................................3$
Aerodinâmica de asas rotativas Noç4es -#sicas................................................................3+
Forças ,ue actuam so-re um &elic6ptero.............................................................................3+
Aerodinâmica & Teoria de Voo Página 3
-
8/18/2019 Aerodinâmica & Teoria de Voo
4/50
ESCOLA SECUNDÁRIA GAGO COUTINHO Técnico de Manutenção Aeronáutica
Generalidades
Definição de aeronave
Dispositivos artificiais, capazes de se sustentarem na atmosfera, parados ou em
movimento, possuindo um carácter utilitário que lhes é conferido pela capacidade de
transportar pessoas ou objectos estranhos à própria aeronave, capazes de seguir uma
trajectória definida na atmosfera e regressar ao contacto com a superfície da Terra num
ponto previamente escolhido.
Classificação de aeronaves
Tipologia das aeronaves
Para se mover no ar, foram criadas aeronaves e estas são classificadas em duas grandes
categorias:
Aeróstatos, aeronaves mais leves que o ar;
Aeródinos, aeronaves mais pesadas que o ar;
Aeronaves mais leves que o ar fazem intervir o peso específico de certos gases para obter
uma força ascensional comparável à de Arquimedes *.
Aeronaves mais pesadas que o ar, utilizam a reacção aerodinâmica da atmosfera sobre
todo o corpo móvel que aí se desloca.
Aerodinâmica & Teoria de Voo Página 4
-
8/18/2019 Aerodinâmica & Teoria de Voo
5/50
ESCOLA SECUNDÁRIA GAGO COUTINHO Técnico de Manutenção Aeronáutica
Fig.1 – Tipologia das aeronaves
Os aviões podem ser propulsionados de diversas formas:
Tracção de um hélice; Reacção dum reactor ou foguete, utilizando a reacção aerodinâmica
da atmosfera sobre as asas fixas, os planos;
Os planadores não são se senão um caso particular dos aviões, utilizam o seu próprio
peso para criar o efeito aerodinâmico para a descida em voo planado. É com a
intervenção de correntes atmosféricas que se consegue prolongar a descida e até, através
das correntes ascendentes, permitir subidas de altitude.
Aerodinâmica & Teoria de Voo
Aeronaves
Aeródinos Aeróstatos
Commotopropulsor
Semmotopropulsor
Commotopropulsor
Semmotopropulsor
Aviões
Helicópteros
Foguetes
Autogiros
Ornitópteros
Planadores
Papagaios
Dirigíveis
Rígidos
Semi-rígidos
Flexíveis
alõeslivres
alõescativos
Página 5
-
8/18/2019 Aerodinâmica & Teoria de Voo
6/50
ESCOLA SECUNDÁRIA GAGO COUTINHO Técnico de Manutenção Aeronáutica
Fig. 2 – Planador
O autogiro e o helicóptero,
O autogiro é o antepassado do helicóptero, cuja translação é assegurada por um hélice
clássico e cuja sustentação é garantida por uma asa em rotação livre sob o efeito do fluxo
de translação.
Fig. 3 – Auto-giro
O helicóptero necessita de uma ou várias asas rotativas, para assegurar, ao mesmo
tempo, a sua translação e sustentação.
O ornitóptero,
Fig. 4 – Ornitóptero
Aerodinâmica & Teoria de Voo Página 6
* Arquimedes, nasceuEgipto. Consagrou-secome%ou a distinguir-sao estudo da "eometri que o imortali*aram. $ertical de &aixo para c
NCLUDEPICTURE "http://images.google.pt/images?q=tb:!mm#s!E$%U&:'''.ese()to$ela.(ts.pt/ss%t
http://images.google.pt/imgres?imgurl=http://www.esec-tondela.rcts.pt/Assuntosgerais/Imagens/Arquimedes.jpg&imgrefurl=http://www.esec-tondela.rcts.pt/Assuntosgerais/Assuntosgerais.htm&h=425&w=306&sz=43&tbnid=4mmrKs4EduUJ:&tbnh=120&tbnw=87&start=3&prev=/images%3Fq%3DArquimedes%26hl%3Dpt-PT%26lr%3D%26cr%3DcountryPT%26ie%3DUTF-8%26sa%3DNhttp://images.google.pt/imgres?imgurl=http://www.esec-tondela.rcts.pt/Assuntosgerais/Imagens/Arquimedes.jpg&imgrefurl=http://www.esec-tondela.rcts.pt/Assuntosgerais/Assuntosgerais.htm&h=425&w=306&sz=43&tbnid=4mmrKs4EduUJ:&tbnh=120&tbnw=87&start=3&prev=/images%3Fq%3DArquimedes%26hl%3Dpt-PT%26lr%3D%26cr%3DcountryPT%26ie%3DUTF-8%26sa%3DNhttp://images.google.pt/imgres?imgurl=http://www.esec-tondela.rcts.pt/Assuntosgerais/Imagens/Arquimedes.jpg&imgrefurl=http://www.esec-tondela.rcts.pt/Assuntosgerais/Assuntosgerais.htm&h=425&w=306&sz=43&tbnid=4mmrKs4EduUJ:&tbnh=120&tbnw=87&start=3&prev=/images%3Fq%3DArquimedes%26hl%3Dpt-PT%26lr%3D%26cr%3DcountryPT%26ie%3DUTF-8%26sa%3DNhttp://images.google.pt/imgres?imgurl=http://www.esec-tondela.rcts.pt/Assuntosgerais/Imagens/Arquimedes.jpg&imgrefurl=http://www.esec-tondela.rcts.pt/Assuntosgerais/Assuntosgerais.htm&h=425&w=306&sz=43&tbnid=4mmrKs4EduUJ:&tbnh=120&tbnw=87&start=3&prev=/images%3Fq%3DArquimedes%26hl%3Dpt-PT%26lr%3D%26cr%3DcountryPT%26ie%3DUTF-8%26sa%3DN
-
8/18/2019 Aerodinâmica & Teoria de Voo
7/50
ESCOLA SECUNDÁRIA GAGO COUTINHO Técnico de Manutenção Aeronáutica
Física da atmosfera
Fundamentos de física mecânica aplicada ao sistema aeronave/envolvente
Massa
A massa de um corpo corresponde à quantidade de matéria que ele contém.
Leis de Newton
1ª Lei de Newton
Um corpo permanece parado ou em movimento constante desde que não lhe seja actuada
Aerodinâmica & Teoria de Voo Página 7
-
8/18/2019 Aerodinâmica & Teoria de Voo
8/50
ESCOLA SECUNDÁRIA GAGO COUTINHO Técnico de Manutenção Aeronáutica
qualquer tipo de força exterior.
Inércia – força em oposição oferecida por um corpo em movimento
2ª Lei de Newton
A aceleração de um corpo em descanso ou em movimento constante numa linha direita é
directamente proporcional à força aplicada e inversamente proporcional à sua massa.
Velocidade [m/s]; Aceleração [m/s-2]
Força = (massa) x (aceleração)
3ª Lei de Newton
Toda a acção tem uma igual e oposta reacção.
Força
Uma força é capaz de provocar um deslocamento de uma massa ou modificar o seu
movimento.
Aceleração
A aceleração de um movimento traduz o modo como a sua velocidade varia por unidade
de tempo.
Aerodinâmica & Teoria de Voo Página 8
NC%0"9C):" ;&ttp ":*"F?:A)N") Sir 3saac 4e5ton 62-6727/ foi de muitas maneiras a mais importante figur desen$ol$imento da ci9ncia moderna. uitos acreditam que ele e Einstein foramais &ril'antes e originais nesse desen$ol$imento.(esen$ol$imentos com maior rele$)ncia para a nossa discuss0o: 6/ as ;r9s <do o$imento, 2/ a ;eoria =ni$ersal da "ra$ita%0o, e >/ a demonstra%0o de q?epler deri$am da
-
8/18/2019 Aerodinâmica & Teoria de Voo
9/50
-
8/18/2019 Aerodinâmica & Teoria de Voo
10/50
ESCOLA SECUNDÁRIA GAGO COUTINHO Técnico de Manutenção Aeronáutica
formação das nuvens e precipitação.
Fig. 5 – Constituintes da atmosfera
Necessidade de adopção de uma Atmosfera padrão
Afim de poder comparar o comportamento de diversas aeronaves, adoptou-se uma
atmosfera padrão. A atmosfera padrão representa efectivamente a média das
propriedades da atmosfera. A tabela seguinte apresenta as características da atmosfera
padrão adoptada internacionalmente. Dela se pode observar que o decréscimo da
temperatura com altitude é constante na troposfera e que na estratosfera a temperatura é
constante. Como o comportamento de qualquer avião é referido à atmosfera padrão, todos
os instrumentos de medida abordo são calibrados em relação à atmosfera padrão. Assim,
devem-se aplicar ceras correcções aos instrumentos bem como ao comportamento do
avião quando as condições em que ele opera não correspondem às da atmosfera padrão.
A tabela seguinte mostra como cada característica/elemento varia com a altitude:
Aerodinâmica & Teoria de Voo Página 10
Azoto;
Gases minoritários, entre os quais água;
-
8/18/2019 Aerodinâmica & Teoria de Voo
11/50
ESCOLA SECUNDÁRIA GAGO COUTINHO Técnico de Manutenção Aeronáutica
Fig. 6 – Características da atmosfera padrão
Classificação das camadas de gases na atmosfera
Fig. 7 – Classificação da atmosfera por camadas
Aerodinâmica & Teoria de Voo Página 11
)roposfera
)ropopausa
"stratosfera
esosfera
)ermosfera
-
8/18/2019 Aerodinâmica & Teoria de Voo
12/50
-
8/18/2019 Aerodinâmica & Teoria de Voo
13/50
ESCOLA SECUNDÁRIA GAGO COUTINHO Técnico de Manutenção Aeronáutica
A viscosidade é a propriedade que diz respeito ao atrito interno que as camadas de um
fluído exercem umas sobre as outras. Ao contrário do que acontece com muitos líquidos,
a viscosidade dos gases depende só da temperatura, e o aumento da mesma provoca umaumento da mesma.
Aerodinâmica
Aerodinâmica: é a ciência que estuda as forças que actuam num objecto, quando este
está em movimento no seio de um fluído.
Escoamento estacionário
O escoamento estacionário é um escoamento em que a velocidade das partículas de ar só
depende da posição em que estas se encontram, e é independente do tempo. Ou seja, as
linhas de corrente não mudam de forma ou posição ao longo do tempo.
Linha de corrente
Linha de corrente é uma linha em que a velocidade do ar é tangente em cada ponto da
linha, e entre duas linhas de corrente o caudal é constante.
Um exemplo de escoamento estacionário, é o caso do escoamento laminar com o corpo a
mover-se a velocidade constante:
Fig. 8 – Escoamento estacionário
Aerodinâmica & Teoria de Voo Página 13
-
8/18/2019 Aerodinâmica & Teoria de Voo
14/50
ESCOLA SECUNDÁRIA GAGO COUTINHO Técnico de Manutenção Aeronáutica
Escoamento não estacionário
Um escoamento estacionário pode evoluir para um escoamento não estacionário à
medida que a velocidade vai aumentando. Assim, podem começar a aparecer
perturbações, tais como pequenos turbilhões que vão originar um escoamento
turbulento.
Como as linhas de corrente já não permanecem imutáveis ao longo do tempo, teremos
então um escoamento turbulento e não estacionário:
Fig. 9 – Exemplos de escoamentos turbulentos e não estacionários
Forças Aerodinâmicas em Superfícies
Força aerodinâmica
Força que é gerada quando um corpo se encontra num escoamento animado de uma
certa velocidade.
Vento relativo
Vento que está a incidir no objecto em estudo, tem a direcção do deslocamento do corpo,
mas sentido contrário.
Aerodinâmica & Teoria de Voo Página 14
-
8/18/2019 Aerodinâmica & Teoria de Voo
15/50
ESCOLA SECUNDÁRIA GAGO COUTINHO Técnico de Manutenção Aeronáutica
Nomenclatura de um perfil alar
Fig.10 - Perfil Alar e nomenclatura associada
Aerodinâmica & Teoria de Voo Página 15
-
8/18/2019 Aerodinâmica & Teoria de Voo
16/50
-
8/18/2019 Aerodinâmica & Teoria de Voo
17/50
ESCOLA SECUNDÁRIA GAGO COUTINHO Técnico de Manutenção Aeronáutica
Vento relativo (vector)
Velocidade escalar, direcção e sentido do escoamento que incide sobre um corpo que
atravessa uma massa de ar. O vector vento relativo é semelhante ao vector velocidade. A
única diferença é que possui sentido oposto.
Ângulo de ataque (α )
Ângulo entre a direcção do vento relativo e a direcção da corda do perfil.
Força aerodinâmica
Resultante da distribuição de pressões sobre um elemento alar, com um dado perfil.
Sustentação (L)
Componente da força aerodinâmica segundo uma direcção perpendicular à direcção do
vento relativo.
Resistência ao avanço ou arrasto (D)
Força segundo a direcção do vento relativo, que se opõe ao movimento de um corpo
através da massa de ar.
Centro de pressões (cp)
Ponto sobre a corda onde actua a força aerodinâmica.
Centro aerodinâmico (ca)
Ponto localizado sobre a corda em torno do qual o momento de picada não varia, ao fazer
variar o ângulo de ataque. Ponto que se situa a cerca de 0,25c em regime subsónico e
cerca de 0,4c em regime supersónico.
Camada limite (CL)
Aerodinâmica & Teoria de Voo Página 17
-
8/18/2019 Aerodinâmica & Teoria de Voo
18/50
ESCOLA SECUNDÁRIA GAGO COUTINHO Técnico de Manutenção Aeronáutica
Conceito introduzido por Prandtl em 1904. Região (ou camada) de espessura variável,
mas muito pequena, adjacente à superfície (ou contorno) de um corpo sólido que se
encontra no seio do escoamento e na qual se observa um significativo gradientetransverso da velocidade, o qual não é observável (em qualquer outro ponto do
escoamento). Região do escoamento, na vizinhança imediata de um corpo sólido (ou
contorno) onde são consideráveis os efeitos da (baixa) viscosidade do ar, em consequência
das tensões de corte que ali se desenvolvem, os quais são desprezíveis em qualquer outro
ponto do escoamento.
Tipos de perfil
Fig. 11 – Tipos de perfil
Geometria da Asa
Asa convencional
Aerodinâmica & Teoria de Voo Página 18
-
8/18/2019 Aerodinâmica & Teoria de Voo
19/50
ESCOLA SECUNDÁRIA GAGO COUTINHO Técnico de Manutenção Aeronáutica
A solução arquitectónica adoptada para a maioria das aeronaves consiste numa
fuselagem destinada fundamentalmente à instalação dos habitáculos e armazenagem, à
qual se ligam asas, cuja finalidade é gerar as forças que proporcionam a sustentação e ocontrolo de voo. A asa é determinante no modo de operação da aeronave. As
características da asa dependem do tipo de missão e dos requisitos específicos de
desempenho. Para descrever a geometria da asa empregam-se termos que importa definir.
Fig.12 - Asa de referência trapezoidal
Asa de referência
Asa trapezoidal fictícia, que se prolonga pela fuselagem até ao plano de simetria da
aeronave.
Corda na raiz (Cr)
Corda da asa de referência, medida no plano de simetria da aeronave. Por vezes designa a
corda na ligação da asa à fuselagem.
Corda na ponta (Ct)
Corda da asa de referência, medida na ponta da asa.
Envergadura (b)
Aerodinâmica & Teoria de Voo Página 19
-
8/18/2019 Aerodinâmica & Teoria de Voo
20/50
ESCOLA SECUNDÁRIA GAGO COUTINHO Técnico de Manutenção Aeronáutica
Distância entre as pontas das asas, medida segundo uma direcção perpendicular ao
plano de simetria da aeronave.
Superfície alar (S)
Área medida na planta da asa de referência.
Alongamento / Aspect Ratio (AR)
1
b= R
2
Coeficiente adimensional que expressa a relação entre o quadrado da envergadura e a
superfície alar. Caso a asa seja rectangular, o alongamento torna-se igual à relação entre
a envergadura e a corda (b/c).
Razão de afilamento
3
t
C
C=4
Coeficiente adimensional que exprime a relação entre o comprimento da corda na ponta
da asa e da corda na raiz da asa.
Flecha no bordo de ataque (Λ LE )
Ângulo formado entre o bordo de ataque da asa e a direcção perpendicular ao plano de
simetria da aeronave (Λ LE está relacionada com o vôo supersónico).
Flecha a um quarto da corda (Λ / '5@ c)
Ângulo formado entre a linha definida pelos pontos localizados a 1/4 da corda e a
direcção perpendicular ao plano de simetria da aeronave (Λ / '5@ cestá relacionada com o
vôo subsónico).
Para conversão entreΛ LE eΛ / '5@ c, pode-se empregar a seguinte equação:
54678 *5467869ta=9ta (2;
-
8/18/2019 Aerodinâmica & Teoria de Voo
21/50
ESCOLA SECUNDÁRIA GAGO COUTINHO Técnico de Manutenção Aeronáutica
Fig.13 – Flecha no bordo de ataqueΛ LE e flecha a um quarto da cordaΛ / '5@ c
Corda média aerodinâmica/ Mean aerodinamic chord - MAC ()
Corda de uma asa hipotética rectangular que desenvolveria os mesmos momentos de
picada que a asa em questão.
Centro aerodinâmico (CA) / Aerodinamic Center (AC)
Ponto localizado sobre a corda da raiz da asa, em torno do qual o momento de picada da
asa não varia, ao fazer variar o ângulo de ataque. Ponto que tipicamente se localiza na
corda na raiz a cerca de 0,25c A
em regime de voo subsónico e a cerca de 0,4c A
em regime
de voo supersónico.
A corda média aerodinâmica e o centro aerodinâmico da asa completa são importantes
para a localização correcta da asa, durante a fase de projecto da aeronave e solução dos
problemas de estabilidade e controlo longitudinal da aeronave (como os de peso e
centragem).
Aerodinâmica & Teoria de Voo Página 21
LE
/ '5@ c
-
8/18/2019 Aerodinâmica & Teoria de Voo
22/50
ESCOLA SECUNDÁRIA GAGO COUTINHO Técnico de Manutenção Aeronáutica
Fig.14 –
Determinação gráfica da corda média aerodinâmica e do centro aerodinâmico subsónico
Forças que actuam numa aeronave
Analisemos as forças que actuam no avião quando este se encontra em equilíbrio.
Um sistema de forças diz-se em equilíbrio quando a soma de todas as forças e todos os
momentos que nele actuam é igual a zero.
As quatro forças principais que actuam num avião:
Sustentação
Actua no centro de pressão e move-se sempre que o ângulo de ataque muda.
Peso - actua na vertical e segundo o centro de gravidade, o CG move-se à medida que o
combustível é gasto ou a carga ou passageiros se movem.
8L = . > . 2 . CL . 15 @ AL B Lit @ Eq%aFo $a s%stetaFo
Aerodinâmica & Teoria de Voo Página 22
-
8/18/2019 Aerodinâmica & Teoria de Voo
23/50
ESCOLA SECUNDÁRIA GAGO COUTINHO Técnico de Manutenção Aeronáutica
Resistência
Actua contrariamente ao movimento da aeronave e o ponto de aplicação depende do
ângulo de ataque, configuração e velocidade.
Impulso
Actua segundo o eixo do motor, no sentido do movimento.
Para uma aeronave se manter em equilíbrio em voo horizontal a altitude constante e semaceleração, as quatro forças têm que ser iguais, de modo a que a resultante seja zero.
Assim, a sustentação equilibra o peso e o impulso equilibra a resistência
Fig.15 – Equilíbrio de forças
Como a resultante das forças é igual a zero, segundo a 1ª Lei de Newton, o avião terá
tendência a permanecer à mesma altitude e com velocidade constante.
Equilíbrio de Forças e Momentos
O ponto de aplicação da sustentação, o centro de pressão, varia durante o voo com o
ângulo de ataque. O centro de gravidade também varia durante a operação do avião,
devido, por exemplo, ao combustível que é gasto. Portanto, é muito difícil que durante o
voo estas duas forças estejam alinhadas. Se estas duas forças não estão alinhadas, então
obrigatoriamente, aparecem momentos de picada.
Aerodinâmica & Teoria de Voo Página 23
-
8/18/2019 Aerodinâmica & Teoria de Voo
24/50
ESCOLA SECUNDÁRIA GAGO COUTINHO Técnico de Manutenção Aeronáutica
Fig. 16 – Momento de picada devido à sustentação e peso
A diferença de alinhamento das forças de resistência e de impulso, e o desalinhamento da
força de impulso e do CG, também podem originar momentos de picada:
Fig. 17 – Momento de picada devido à resistência e impulso
Aerodinâmica & Teoria de Voo Página 24
-
8/18/2019 Aerodinâmica & Teoria de Voo
25/50
ESCOLA SECUNDÁRIA GAGO COUTINHO Técnico de Manutenção Aeronáutica
O ideal seria que o desalinhamento de umas forças compensasse as
outras. No entanto, por mais que se minimizem estes efeitos, é sempre
necessário compensar o avião para cada velocidade de voo. È claro que
quanto mais perto do equilíbrio se encontrarem os momentos, menor
será o esforço de compensação.
Identificação dos eixos da aeronave
Fig.18 - Eixos de referência
Às rotações segundo o eixo longitudinal dá-se o nome de pranchamento (roll), e a
estabilidade associada às rotações segundo este eixo é a estabilidade lateral.
Aerodinâmica & Teoria de Voo Página 25
Vertical
Longitudinal
Transversal
-
8/18/2019 Aerodinâmica & Teoria de Voo
26/50
ESCOLA SECUNDÁRIA GAGO COUTINHO Técnico de Manutenção Aeronáutica
Fig. 19 – Rotações segundo o eixo longitudinal
As rotações segundo o eixo lateral ou transversal, correspondem a picada e cabragem,
(pitch), e a estabilidade associada às rotações segundo este eixo é a estabilidade
longitudinal.
Fig.20 – Rotações segundo o eixo lateral
Aerodinâmica & Teoria de Voo Página 26
-
8/18/2019 Aerodinâmica & Teoria de Voo
27/50
ESCOLA SECUNDÁRIA GAGO COUTINHO Técnico de Manutenção Aeronáutica
As rotações segundo o eixo vertical correspondem a guinada (yaw), e a estabilidade
associada às rotações segundo este eixo é a estabilidade direccional.
Fig. 21 – Rotações segundo o eixo vertical
Momentos segundo os eixos
Os três eixos de referência da aeronave são perpendiculares entre si e passam pelo centro
de gravidade.
Os momentos que actuam segundo os eixos de referência são:
Eixo lateral: momentos de picada e cabragem.
Eixo vertical: momentos de guinada.
Eixo longitudinal: momentos de rolamento.
Forças segundo os eixos (axiais)
As forças que actuam sobre os eixos da aeronave em voo horizontal são:
Aerodinâmica & Teoria de Voo Página 27
-
8/18/2019 Aerodinâmica & Teoria de Voo
28/50
ESCOLA SECUNDÁRIA GAGO COUTINHO Técnico de Manutenção Aeronáutica
Eixo longitudinal: impulso e resistência.
Eixo vertical: peso e sustentação.
Mecânica de Voo
Princípios Básicos
Conhecendo os três eixos da aeronave, vejamos como é que se consegue controlar os
movimentos em torno deles.
Todos os aviões têm um sistema de controlo que permite ao piloto manobrar e compensar
o avião durante o voo e nos três eixos. A forma de produzir os momentos que permitem
controlar o avião é deflectindo as superfícies de controlo.
Os aviões estão equipados com superfícies de controlo primárias, que são as que
permitem controlar o avião nos três eixos:
• Leme de profundidade para o contrôlo longitudinal, picar e cabrar.
• Ailerons para o contrôlo de rolamento
• Leme de direcção para controlo de guinada
Aerodinâmica & Teoria de Voo Página 28
-
8/18/2019 Aerodinâmica & Teoria de Voo
29/50
ESCOLA SECUNDÁRIA GAGO COUTINHO Técnico de Manutenção Aeronáutica
Fig. 22 – Comandos de ailerons (Socata TB30 Epsilon)
Fig. 23 – Comandos de Leme de profundidade (Socata TB30 Epsilon)
Aerodinâmica & Teoria de Voo Página 29
-
8/18/2019 Aerodinâmica & Teoria de Voo
30/50
-
8/18/2019 Aerodinâmica & Teoria de Voo
31/50
ESCOLA SECUNDÁRIA GAGO COUTINHO Técnico de Manutenção Aeronáutica
O momento gerado pelo leme de profundidade depende da força aerodinâmica e do braço
(distância entre CG e MAC do estabilizador horizontal). De modo a se obter um controlo
adequado da aeronave, o CG deve encontrar-se sempre dentro dos limites anunciados
pelo fabricante.
Em voo lento, a asa do avião tem que funcionar a grande ângulo de ataque, por isso é
necessário manter o leme de profundidade deflectido para cima (manche atrás).
A alta velocidade é necessário manter o manche à frente, de forma a obter um pequeno
ângulo de ataque para a asa do avião.
Como o estabilizador horizontal tem que produzir diferentes forças para diferentes
estados de voo, os aviões são equipados com dispositivos de compensação que
estudaremos mais adiante.
Efeito do downwash
O downwash gerado pela asa do avião vai afectar o estabilizador horizontal, fazendo com
que este funcione a um ângulo de ataque inferior ao ângulo formado entre o vento
relativo de aproximação do avião e a corda do estabilizador.
Localização do centro de gravidade
A localização do centro de gravidade vai afectar os momentos de picada do avião. Assim,
se o CG se encontrar muito à frente, o piloto tem que voar com o manche mais puxado
que o normal. Se o CG se encontrar muito atrás, o piloto tem que empurrar o manche
mais que o normal.
Controlo Direccional
Aerodinâmica & Teoria de Voo Página 31
-
8/18/2019 Aerodinâmica & Teoria de Voo
32/50
ESCOLA SECUNDÁRIA GAGO COUTINHO Técnico de Manutenção Aeronáutica
O leme de direcção encontra-se acoplado ao estabilizador vertical. É controlado do
cockpit através de pedais. O objectivo do leme de direcção é proporcionar controlo
direccional e eliminar guinadas indesejáveis.
Fig.26 – Leme de direcção
A efectividade do leme de direcção aumenta com a velocidade. Por isso grandes deflexões
a baixa velocidade, ou pequenas deflexões a alta velocidade são necessárias para um
determinado momento de guinada. Em aviões a hélice, o escoamento gerado pelo hélice
pode aumentar a efectividade do leme.
Rudder Ratio Changer
Perante uma determinada condição de voo a deflexão e taxa de deflexão do leme de
direcção depende da velocidade e densidade do ar (como seria de esperar). Este tipo de
mecanismo automático é que comanda o leme de direcção em função dos inputs do piloto
e das variáveis atrás mencionadas.
Momentos devido ao impulso do motor
Aerodinâmica & Teoria de Voo Página 32
-
8/18/2019 Aerodinâmica & Teoria de Voo
33/50
ESCOLA SECUNDÁRIA GAGO COUTINHO Técnico de Manutenção Aeronáutica
O impulso do motor pode gerar dois tipos de momentos: momentos de picada e
momentos de guinada. Os momentos de picada, devido ao motor devem-se ao
desalinhamento do eixo de impulso e do CG (recordar equilíbrio de forças). Em relaçãoaos momentos de guinada, estes aparecem no caso de falha de motor num bimotor com
um motor em cada asa.
Controlo de Rolamento
Ailerons
Os ailerons são superfícies de controlo que descrevem movimentos opostos e se
encontram no bordo de fuga da asa, perto do bordo marginal. Quando um sobe o outrodesce, fazendo com que uma asa ganhe mais sustentação que a outra, aparecendo assim
um momento de rolamento. O piloto controla os ailerons através do manche: ao deslocá-
lo para a direita ou esquerda acciona os ailerons.
Fig.27 – Funcionamento dos ailerons
A eficiência dos ailerons é tanto maior, quanto maior for o diferencial de força entre as
duas asas e quanto maior for o braço (distância ao centro de gravidade). É por este
motivo que os ailerons se encontram sempre afastados da raiz da asa.
Aerodinâmica & Teoria de Voo Página 33
-
8/18/2019 Aerodinâmica & Teoria de Voo
34/50
ESCOLA SECUNDÁRIA GAGO COUTINHO Técnico de Manutenção Aeronáutica
Quanto maior for o momento de rolamento gerado pelos ailerons, mais rapidamente o
avião pranchará. À rapidez com que o avião prancha chama-se taxa de rolamento. Assim
se um avião possuir uma taxa de rolamento de 90º/s, quer dizer que, se o piloto aplicaraileron ao máximo durante um segundo, o avião prancha 90º.
Os ailerons podem nem sempre ter a forma apresentada aqui. Alguns aviões possuem
superfícies de bordo de fuga chamadas flaperons, que são superfícies que se comportam
como ailerons em voo normal, mas podem ser descidas em simultâneo, de modo a
permitir um efeito de flap. Se o piloto accionar o manche para pranchar, os flaperons
mantêm-se ambos descidos, mas um descerá mais que o outro, de modo a permitir o
aparecimento de um momento de rolamento.
Fig.28 – Flaperons em operação
Spoilers
São superfícies que destroem a sustentação e reduzem a velocidade de voo do avião.
Funcionando diferenciadamente podem controlar lateralmente a aeronave.
Fig.29 – Spoilers
Aerodinâmica & Teoria de Voo Página 34
-
8/18/2019 Aerodinâmica & Teoria de Voo
35/50
ESCOLA SECUNDÁRIA GAGO COUTINHO Técnico de Manutenção Aeronáutica
Superfícies de controlo combinadas
Fig.30 – Ruddervators e Elevons
Dispositivos Hiper-sustentadores
Com o objectivo de promover um maior envelope de operação, a função dos sistemas
hiper-sustentadores é através da alteração física da configuração das superfícies
aerodinâmicas garantir:
Gama de velocidades elevada
Variação de Relação peso/área alar (carga alar)
Diminuição de distâncias de descolagem/aterragem
Máxima eficiência em descolagem, cruzeiro, combate, etc
Tipos de Dispositivos Hiper-sustentadores
• De Bordo-de-ataque
• De Bordo-de-fuga
• Alhetas
• Controlo activo de escoamento
Aerodinâmica & Teoria de Voo Página 35
-
8/18/2019 Aerodinâmica & Teoria de Voo
36/50
ESCOLA SECUNDÁRIA GAGO COUTINHO Técnico de Manutenção Aeronáutica
!"#
"$!%&ON
Fig.31 – Localização de Flap de Bordo-de-fuga
EX.os:
Fig.32 – Exemplos de dispositivos iper-suste!tadores de "ordo-de-fuga
Fig.33 – #riple-slotted $ap B %3%
Aerodinâmica & Teoria de Voo Página 36
-
8/18/2019 Aerodinâmica & Teoria de Voo
37/50
ESCOLA SECUNDÁRIA GAGO COUTINHO Técnico de Manutenção Aeronáutica
Fig.3& – 'ispositivos de Bordo-de-ata(ue
Alhetas (Wing-fences)
Fig.3) – *i!g fe!ces !o +a,er-iddele/ #ride!t 2
Aerodinâmica & Teoria de Voo Página 37
-
8/18/2019 Aerodinâmica & Teoria de Voo
38/50
ESCOLA SECUNDÁRIA GAGO COUTINHO Técnico de Manutenção Aeronáutica
Compensadores
Pequenas superfícies secundárias de controlo; Os compensadores podem aliviar ouanular a força exercida pelo piloto;
Existem compensadores,
Estáticos
Dinâmicos
Compensadores estáticos
Fig.30 – ompe!sador esttico
Fig.3% – ompe!sador esttico
Aerodinâmica & Teoria de Voo
'(#O&)%
!$*"+%'
!%-%
%')"$!$/"0O&
1O-#%N'"0O&
%2($!$&"*%-
C0-PEN1D0R E1TGTIC0 &U1TGHEL E- H00
Página 38
-
8/18/2019 Aerodinâmica & Teoria de Voo
39/50
ESCOLA SECUNDÁRIA GAGO COUTINHO Técnico de Manutenção Aeronáutica
Compensadores dinâmicos
Presentes em algumas aeronaves mais sofisticadas, funcionam de forma automática.
Neste caso, quando uma força é aplicada para mover uma das superfícies de controlo a
partir da cabina de pilotagem, o compensador move-se em direcção oposta à direcção do
movimento da superfície em que está instalado, ajudando a superfície a subir ou a descer
devido à alteração das forças aerodinâmicas presentes.
Fig.3 – ompe!sador di!4mico
Guinada adversa
Existe um tipo de resistência que aumenta com a sustentação e é denominada resistênciainduzida. Quando se deflectem os ailerons, a sustentação de uma asa aumeta em relação
à outra. Ora se a resistência induzida depende da sustentação, a asa que sobe terá
também mais resistência. Devido a este aumento de resistência da asa que sobe, o avião
vai guinar para o lado contrário ao da volta. A este efeito chama-se guinada adversa.
Aerodinâmica & Teoria de Voo Página 39
-
8/18/2019 Aerodinâmica & Teoria de Voo
40/50
ESCOLA SECUNDÁRIA GAGO COUTINHO Técnico de Manutenção Aeronáutica
Fig.39 – Guinada adversa
Processos para minimizar a guinada adversa
Ailerons diferenciais
Os ailerons diferenciais são projectados de modo a minimizar a resistência da asa que
sobe. Se o aileron que desce deflectir menos que o que sobe, a resistência da asa que
sobe não é tão elevada, diminuindo assim a guinada adversa.
Aerodinâmica & Teoria de Voo Página 40
-
8/18/2019 Aerodinâmica & Teoria de Voo
41/50
ESCOLA SECUNDÁRIA GAGO COUTINHO Técnico de Manutenção Aeronáutica
Aerodinâmica de asas rotativas (Noções básicas)
Forças que actuam sobre um helicóptero
Voo vertical sem translação
Em altitude
Considerando para o presente estudo o helicóptero mono-motor:
Escoamento do ar através do rotor.
O escoamento do ar em voo estacionário, com vento nulo, pode-se apresentar segundo o
a figura 40.
Aerodinâmica & Teoria de Voo Página 41
-
8/18/2019 Aerodinâmica & Teoria de Voo
42/50
ESCOLA SECUNDÁRIA GAGO COUTINHO Técnico de Manutenção Aeronáutica
O ar é aspirado pelo rotor, na zona superior, sendo empurrado para a zona inferior, a
velocidade máxima é na passagem do rotor.
Principais factores que influenciam as forças actuantes:
• Efeito das pressões
• Efeito da quantidade de movimento
• Influência da temperatura e da pressão
• Aproximação ao solo
Efeito das pressões
A velocidade, é proporcional à diferença de pressões entre a parte superior e inferior, é
igualmente função da secção em causa, isto é, da superfície do disco varrido.
F = , x (' – %) x -
Aerodinâmica & Teoria de Voo Página 42
-
8/18/2019 Aerodinâmica & Teoria de Voo
43/50
ESCOLA SECUNDÁRIA GAGO COUTINHO Técnico de Manutenção Aeronáutica
Fig. 40 - Escoamento em voo vertical sem translação
Efeito da quantidade de movimento
F = ,. * . -. '
Esta expressão baseia a força de impulsão na reacção produzida pela massa de ar.
Sendo:
K, deriva de quociente de sustentação;
ρ, massa específica do ar, densidade [g/m3];
S, superfície do disco;
V, velocidade induzida;
/ = 0 . * . v' . 1/ . -
2/ – /ift3 45uação da sustentação
Influência da temperatura e da pressão
Esta expressão faz aparecer a influência da densidade do ar, e explica a perda de
sustentação logo que esta massa diminui, quer por elevação da temperatura ambiente em
zonas tropicais, quer pela baixa pressão atmosférica em altitude.
Na proximidade ao solo (efeito solo)
Aerodinâmica & Teoria de Voo
%
'
Página 43
-
8/18/2019 Aerodinâmica & Teoria de Voo
44/50
ESCOLA SECUNDÁRIA GAGO COUTINHO Técnico de Manutenção Aeronáutica
Logo que o disco se encontra a uma distância relativamente próxima do solo, as massas
de ar empurradas para baixo, são reflectidas pelo solo e vão aumentar a pressão na parte
inferior do disco.
Este fenómeno de “bourrage”, que significa “enchimento”, aumenta o valor, já referido, de
(P2 – P1), na nossa primeira expressão.
O efeito é sentido logo que a distância entre o disco e o solo não excedam um diâmetro do
disco. Pode-se cifrar em 30% de sustentação.
Fig. 41 - Efeito solo
O peso do aparelho, aplicado no seu centro de gravidade é representado por um vector
vertical, orientado de cima para baixo.
O aparelho está em equilíbrio logo que, alinhados sobre o mesmo eixo vertical, as duas
forças são iguais. A construção e a centragem destes aparelhos são concebidas de moda a
que este alinhamento se realize para uma posição próxima da linha de voo normal.
Desequilíbrio das forças
Pode ser provocado por:
• Mudança de altitude
Aerodinâmica & Teoria de Voo Página 44
-
8/18/2019 Aerodinâmica & Teoria de Voo
45/50
ESCOLA SECUNDÁRIA GAGO COUTINHO Técnico de Manutenção Aeronáutica
• Variação de passo geral
• Variação de potência
Mudança de altitude
Toda a variação da sustentação produz uma modificação correspondente das condições
de equilíbrio.
Para fazer variar este parâmetro, duas soluções se oferecem:
• Variação de velocidade de rotação do rotor
• Variação do passo das pás
A primeira solução não é aplicável a todas as aeronaves, visto que, em grande número de
casos o grupo motor está submetido à acção de um regulador de velocidade.
Variação do passo geral
As pás são montadas de modo a poderem rodar em volta do seu eixo longitudinal, o que
permite o aumento ou diminuição do passo geral. Um comando especial constitui o
comando de passo geral, ou passo colectivo.
Variação de potência
Deve-se referir que, nos limites médios, se uma variação de passo produz uma variação
de impulso, produz uma variação de resistência ao avanço do mesmo sentido.
É a soma destas resistências ao avanço que constitui o binário resistente a vencer para
provocar a rotação da asa. Segue-se que toda a variação de passo geral deve ser
acompanhada de uma variação correspondente do binário motor, isto é da potência
motriz por compensação automática do regulador de velocidade.
Na maioria dos aparelhos, o comando do gás está sincronizado com o comando do passo
geral, colectivo.
Voo de translação
Se por um processo mecânico, o piloto, provoca a inclinação do plano de rotação do rotor,
a resultante das forças de sustentação que continua perpendicular a este plano, inclina-
se igualmente.
Aerodinâmica & Teoria de Voo Página 45
-
8/18/2019 Aerodinâmica & Teoria de Voo
46/50
-
8/18/2019 Aerodinâmica & Teoria de Voo
47/50
ESCOLA SECUNDÁRIA GAGO COUTINHO Técnico de Manutenção Aeronáutica
Fig. 43 - Equilíbrio em translação
Estas condições são conseguidas por inclinação, em ligeira picada, da fuselagem como é
indicado no segundo esquema.
A resultante (Rep.5), encontra-se alinhada sobre o eixo (Rep.6) da impulsão (Rep.7) com a
qual ela se equilibra.
Aerodinâmica & Teoria de Voo
6
7'
%
8
9
:
Página 47
-
8/18/2019 Aerodinâmica & Teoria de Voo
48/50
ESCOLA SECUNDÁRIA GAGO COUTINHO Técnico de Manutenção Aeronáutica
Sobre certos helicópteros, o eixo do rotor está ligeiramente inclinado para a frente, de
modo a assegurar uma posição sensivelmente horizontal da fuselagem, logo que as
condições de equilíbrio em voo de translação são realizadas.
Variação da potência necessária
Em voo estacionário a impulsão é suficiente para equilibrar o peso.
Em virtude do movimento de inclinação do rotor, para a translação, a componente
vertical inferior à força de impulsão deixa de ser suficiente. Segue-se que ao iniciar a
translação, deve sempre acompanhar-se de um aumento de passo geral e de potência,
para compensar esta perda de sustentação.
Convém notar, igualmente, que em translação, a pressão dinâmica faz passar no disco do
rotor uma maior massa de ar comparativamente com o voo estacionário. Segue-se uma
melhoria de rendimento, a partir de uma certa velocidade. Esta melhoria é sensível até
60 – 80 km/h. Para ale desta velocidade a resistência parasita da fuselagem, que
aumenta na razão do quadrado da velocidade, retoma um valor preponderante e provoca
o aumenta da potência necessária.
Resumo
A potência necessária varia como se segue:
(1) Aumenta quando se põe em translação;
(2) Diminui, logo que o movimento de translação começa até uma velocidade óptima
(aprox. 60-80 km/h)
(3) Aumenta após a velocidade óptima até à velocidade limite em que a resistência
parasita se opõe a todo o aumento de velocidade.
Aerodinâmica & Teoria de Voo Página 48
-
8/18/2019 Aerodinâmica & Teoria de Voo
49/50
ESCOLA SECUNDÁRIA GAGO COUTINHO Técnico de Manutenção Aeronáutica
Intencionalmente em branco
Aerodinâmica & Teoria de Voo Página 49
-
8/18/2019 Aerodinâmica & Teoria de Voo
50/50
ESCOLA SECUNDÁRIA GAGO COUTINHO Técnico de Manutenção Aeronáutica
TABELA de figuras: