Voo em baixa velocidade UNIVERSIDADE CATÓLICA CATÓLICA DE GOIÁS – UCG
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
Voo na velocidade do som (alta (alta velocidade) velocidade)
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).
•Deslocamento do ar atmosférico a frente do avião antecipado; •Acumulo das ondas de pressão no nariz do avião •Fina parede parede de ar comprimido comprimido – Onda de cho
•Escoamento do ar suave com pequeno drag.
Voo na velocidade do som (alta velocidade)
Voo na velocidade do som (alta velocidade)
Na velocidade velocidade do som, som, as camadas de ar à frente do avião avião não podem podem ser “avisadas” “avisadas” de sua aproximação aproximação.. São pegas de supressa e recebem o impacto do avião, choque. sendo comprimidas e achatadas na forma de onda de choque. Onda de proa Onda de proa Aumento do arrasto
Voo acima da velocidade do som (MACH (MACH > 1) Onda de proa passa a ser oblíqua - Cone de MACH
Ângulo de MACH - Quanto maior maior a velocidade velocidade menor o angulo.
Aumento do arrasto
Número de MACH
MACH
•Forma de se medir as velocidades elevadas; •Razão entre a velocidade verdadeira e a velocidade do som no mesmo mesmo flight flight level. level.
O número de Mach 1 significa que a velocidade aerodinâmic aerodinâmicaa é 100% da velocidade velocidade do som; Mach = 0,8 significa que a velocidade velocidade aerodinâmica aerodinâmica é 80% da velocidade do som (mantendo a mesma temp.); A velocidade do som depende principalmente da temperatura t emperatura
•Ern •E rnst st Ma Mach ch (1838-1916) – Físico Austríaco: Austríaco: destaque no estudo do fluxo supersônico.
MACH Assim, ao subir de nível a uma velocidade aerodinâmica constante o numero de MACH aumentara
Compressibilidade 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
Compressibilidade Substancias compressíveis e incompressíveis:
Substancias compressíveis: variação do volume corresponde a uma modificação da densidade Mesma massa volume diferente
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
Perfis Verticais de Pressão e Densidade
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%.
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.
Aumento da pressão de um gás Aumento a temperatura Aumento a densidade
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.
milibar
Aumento da temp. de um gás Aumenta a pressão milibar
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
Um avião voa a 130kt nas condições ISA (1013,2 hPa e 1,225 Kg/m3)
Velocidade 0 / pressão máxima Todos os filetes acima e abaixo possuem velocidades maiores que 0, portando menor pressão estática.
O mesmo avião voa agora a 680kt nas condições ISA
No ponto de estagnação a pressão aumenta 18%. No ponto de estagnação a pressão aumenta 1% em relação a P. atmosférica
1023 hPa
1195,6 hPa
Densidade aumenta 0,7% devido ao aumento da temperatura
Densidade aumenta 13% devido ao aumento da temperatura.
1,2335 Kg/m3
1,384335 Kg/m3
O Som
Fator de grande compressibilidade do ar;
importância
Impulsos de pressão
no
estudo
de
de
Filetes a frete do aerofólio Ao se deslocar na atmosfera o avião provoca com uma e velocidade afetando o ar que o envolve. pressão inclinação para cima
mudanças
Os impulso de pressão se propagam na velocidade do som: 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
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 ↑
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.
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
Todo avião que voa em regime transônico ultrapassou o Mach critico Problemas de compressibilidade Motor scramjet. Em vez de usar oxigênio a bordo para fazer o combustível de hidrogênio entrar em combustão, o scramjet colhe
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
Ondas de choque normal
Característica do regime transônico
1- Só ocorre quando o escoamento passa de supersônico para subsônico;
Impulsos de PRESSÃO
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
Conseqüências das Ondas de Choque
3- Na onda ocorre aumento de pressão, densidade e temperatura do ar.
Estol ocorre porque os filetes da camada limite perdem energia cinética devido a viscosidade.
Redução da velocidade dos filetes, consequentemente e redução da Mach.
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
Estol de compressibilidade
Interação camada limite onda de choque
Estol de choque Estol de Mach
Aumento considerável de espessura ao passar pela OC. Menos crítico que o estol subsônico devido –
Onda de choque de grande intensidade muito acima do Mach Critico junto com gradiente adverso = descolamento de filetes
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 alta velocidade (estol de compressibilidade) diminui com o aumento da altitude:
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.
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 MDIV (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
DOWNWASH
Margem de arrasto
Variação da posição do centro de pressão do avião
Redução do Downwash
Rollof (rolar lateral / rolamento errado) Pé direito levanta asa esquerda
MMO = 0,90 MCRIT = 0,82
Onda de choque reduz o Downwash
M = 0,75 Asa esquerda - ganho sustentação
Diminuição da resultante aerodinâmica negativa
Tuck under – tendência de picar (abaixar o nariz)
Rollof (rolar lateral / rolamento errado) Pé direito levanta asa esquerda
Deslocamento do centro de pressão para trás Redução do downwash da asa
MMO = 0,90 MCRIT = 0,82
Baixa velocidade
M = 0,90 Asa esquerda - perda sustentação
Voos próximo a velocidade no MMO não é aconselhável a utilização de leme de direção
Alta velocidade
Vibrações na cauda ou em todo o avião
Voo Transônico Década de 40 – problemas de compressibilidade com M040;
Deslocamento dos filetes provocado pelas ondas de choque
Comandos inoperantes
Problemas de mergulho
Arrasto nas atuais velocidades de cruzeiro
De Havilland Comet, o primeiro jato comercial da história da aviação.
Atualmente aviões que atingem M092 e voam acima do FL400
Arrasto induzido reapresenta 50 % do total em cruzeiro
Induzido (25 a 40% do total)
Parasita e de compressibilidade (restante)
LOCKHEED L - 1049G SUPER CONSTELLATION
Asas com maiores alongamentos
DC-3
Progresso na redução do Arrasto
Progresso na redução do Arrasto
Atualmente os aviões são mais limpos aerodinamicamente, com recurso para reduzir o arrasto parasita e de compressibilidade - Parasita (EX: redução das aéreas planas equivalentes do DC-3 para DC-9-30)
Principais conceitos: MCRT e MDIV
6m2 de placa plana equivalente;
7m2 de placa plana equivalente;
105 passageiros;
21 passageiros;
13% menos de arrasto
13% a mais de arrasto
Enflechamento negativo
Tipos de asa Reta
Flecha dobrada Trapezoidal
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 .. + Aumenta o MCRIT
.. -
Aerofólios de pequena espessura e curvatura Gera menores velocidades no extradorso;
menor produção de sustentação; maior tendência de estolar na ponta da asa; produz pitch up; na grandes velocidades agrava o tuck under
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 www.pdas.com/naca456.htm
Advisory
Committee
for
Aeronautics)
Escoamento laminar não depende somente do
Prof. Gustavo Montoro
-
NÚMERO DE REYNOLDS – adimensional
formado do aerofólio
Depende também: •
número de Reynolds;
•
turbulência inicial dos filetes de ar;
•
rugosidade da superfície;
•
vibrações; etc. Todos fatores muito difíceis de serem controlados
V – velocidade da massa de ar (m/s)
Re = V D ρ µ
D – corda (m) ρ- massa específica do ar (Kg/m3) µ - coeficiente de viscosidade (Kg/ms)
Perfis supercríticos
Regra da aérea (area rule) Dr. Richard T. Whitcomb
Whitcomb with F106 in 1991 (FAA 2008)
Maior raio do bordo de ataque; Curvatura superior reduzida;
Também desenvolveu o perfil supercrítico
Curvatura em S próxima ao bordo de fuga.
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)
Produzem sustentação perpendicular às suas superfícies.
Dispositivo feito de uma asa de alongamento pequeno (aerofólio) colocada numa posição especifica do avião.
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. Reduz o buffet de alta e baixa; Melhora o controle da aeronave.
The VGs on the 767 are for tailoring (evitar)
Nacelle Vortex Generator Large vortex generator located on a Boeing 737 engine nacelle
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
Estabilizador horizontal de incidência variável Servo assistido
fs9
