Voo em baixa velocidadeUNIVERSIDADE CATLICA DE GOIS UCG
Deslocamento das partculas de ar a frente do avio, que por sua vez , desloca as partculas de ar situadas mais a frente.
Cincias Aeronutica
Aerodinmica e Teoria de VOO Alta velocidadeOndas esfricas na velocidade do som (340 m/s 1220 km/h ISA)
Prof. Gustavo Montoro
Voo na velocidade do som (alta velocidade) As ondas de presso no consegue se afastar do avio (mesma velocidade).
Voo na velocidade do som (alta velocidade)
Deslocamento do ar atmosfrico a frente do avio antecipado; Acumulo das ondas de presso no nariz do avio Fina parede de ar comprimido Onda de choque Escoamento do ar suave com pequeno drag.
Voo na velocidade do som (alta velocidade) Na velocidade do som, as camadas de ar frente do avio no podem ser avisadas de sua aproximao. So pegas de supressa e recebem o impacto do avio, 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 oblqua - Cone de MACH
ngulo de MACH - Quanto maior a velocidade menor o angulo.
Nmero de MACH Forma de se medir as velocidades elevadas; Razo entre a velocidade verdadeira e a velocidade do som no mesmo flight level.
MACH
O nmero de Mach 1 significa que a velocidade aerodinmica 100% da velocidade do som;
Mach = 0,8 significa que a velocidade aerodinmica 80% da velocidade do som (mantendo a mesma temp.);
A velocidade do som depende principalmente da temperatura
Ernst Mach (1838-1916) Fsico Austraco: destaque no estudo do fluxo supersnico.
MACH
Compressibilidade
Assim, ao subir de nvel a uma velocidade aerodinmica constante o numero de MACH aumentara
Substancias compressveis e incompressveis:
Volume varia de acordo com a presso por ela suportada Presso aumenta volume diminui Presso diminui volume aumenta
No havendo variao de volume subst. incompressvel
Compressibilidade
Compressibilidade Substancias compressveis e incompressveis:
Substancias compressveis: variao do volume corresponde a uma modificao da densidade Mesma massa volume diferente
Na natureza no existe subst. 100% incompressveis todas elas, quando suficientemente comprimidas, reduzem seu volume. Na pratica, lquidos e slidos so incompressveis
Sabemos que o ar compressvel, isto , seu volume e sua densidade so variveis.
A fora da gravidade comprime a atmosfera de modo que Ex. gua contrai 50 milionsimos de volume por aumento de 1 atmosfera de presso. a mxima densidade do ar (massa por unidade de volume) ocorre na superfcie da Terra.
O decrscimo da densidade do ar com a altura bastante rpido
1 litro de gua 2 atmosfera reduo de 0,00000002 litro 1 litro de ar atmosfrico 2 atmosfera reduo de 0,5 litro mesma temperatura
(decrscimo exponencial) de modo que na altitude de ~5,6 km a densidade j a metade da densidade ao nvel do mar e em ~16 km j de apenas 10% deste valor e em ~32 km apenas 1%.
Perfis Verticais de Presso e Densidade
Lei de Boyle-Mariotte Quanto menor for o volume ocupado pelo gs, maior ser o nmero de colises por cada unidade de superfcie e, consequentemente, maior ser a presso. 2 Lei de Charles e Gay-Lussac Quanto maior for a temperatura, maior ser a energia cintica mdia das partculas do gs, e consequentemente maior a velocidade dessas mesmas partculas, e, portanto, maior ser o nmero de colises e o seu grau de intensidade, isto , maior ser a presso do gs. 1 Lei de Charles e Gay-Lussac Quanto maior for a temperatura, maior o volume ocupado pelo gs, mantendo constante a presso. Aumento da temp. de um gs Aumenta a presso milibar Diminui a densidade
Aumento da presso de um gs Aumento a temperatura Aumento a densidade
milibar
O rpido decrscimo da densidade do ar significa tambm um rpido declnio da presso do ar com a altitude.
Um avio vooa a 130kt nas condies ISA (1013,2 hPa e 1,225 Kg/m3)
Aumento da temp. de um gs Aumenta a presso Diminui a densidade
Velocidade 0 / presso mxima Todos os filetes acima e abaixo possuem velocidades maiores que 0, portando menor presso esttica.
Um avio voa a 130kt nas condies ISA (1013,2 hPa e 1,225 Kg/m3)
O mesmo avio voa agora a 680kt nas condies ISA
No ponto de estagnao a presso aumenta 18%.No ponto de estagnao a presso aumenta 1% em relao a P. atmosfrica
1023 hPa Densidade aumenta 0,7% devido ao aumento da temperatura 1,2335 Kg/m3
1195,6 hPa Densidade aumenta 13% devido ao aumento da temperatura. 1,384335 Kg/m3
O Som
Impulsos de pressoFiletes a frete do aeroflio deslocar na atmosfera o avio provoca Ao se com uma presso para e velocidade afetando o ar que o envolve. inclinao cima
mudanas
Fator de grande compressibilidade do ar;
importncia
no
estudo
de
de
Os impulso de presso se propagam na velocidade do som: Srie de impulsos de presso que atingem nossos ouvidos numa freqncia que podemos ouvir;
ISA a = 340,29 m/s Formula: a = 340,29. 273 + TFL 273 + 15
Voando a baixa velocidade, os impulsos de presso vo a frente do avio, influenciando o ar que ainda no entrou em contado com o avio.
Voando mais rpido do que o som, o ara a frente do avio no avisado de sua chegada
Ajustamento instantneo Onda de choque = distrbio do ar
Rpida mudana de: Velocidade Presso Temperatura Densidade
Produo da sustentao
Mach crtico Se continuarmos a aumentar a velocidade do avio, chegaremos a um valor no qual pela primeira vez, em algum ponto do avio os filetes atingem Mach 1
Aeroflios aceleram os filetes de ar no extradorso; Neste locais as velocidades locais so sempre maiores que a velocidade do avio.
Valores superiores a Mach Crtico
Regio da asa com filetes a velocidade menor que a do som (subsnica) Regio da asa com filetes a velocidade maior que a do som (supersnica)
Regime transnico
Regime transnico Passagem sub para supersnico suave; Passagem super para subsnica sempre acompanhada por uma onda de choque.
Regimes de voo de acordo como nmero de Mach
19 mil km em apenas cinco horas Avio hipersnico europeu estar pronto em 2033
Nos regimes super e hipersnicos = todos os filetes de ar em contado com avio esto acima da V do som. Exceto camada limite
O X-43A a primeira aeronave a atingir velocidades hipersnicas usando motores que aspiram oxignio
Os valores so apenas referenciais
Depende muito da forma aerodinmica do avio Voo subsnico com Mach .76 Voo transnico com Mach .74
Todo avio que voa em regime transnico ultrapassou o Mach critico Problemas de compressibilidadeMotor scramjet. Em vez de usar oxignio a bordo para fazer o combustvel de hidrognio entrar em combusto, o scramjet colhe oxignio enquanto viaja pela atmosfera.
Jatos de transportes modernos
Desacelerao dos filetes ao aproximar do bordo de fuga
Necessidade de se igualar aos filetes no influenciados pelo avio
MMo > MCRITMMo Maximum operating speed = maior numero de Mach permitidopara operaes normais
UPWASH DOWNWASH
Margem de orientao
Margem de arrasto
Ondas de choque normal Caracterstica do regime transnico Impulsos de PRESSO
Ondas de choque normal 1- S ocorre quando o escoamento passa de supersnico para subsnico; O Mach aps a onda de choque aproximadamente inverso do Mach da onda 1,25 1/1,25 = 0,8
2- A direo dos filetes de ar no modifica ao passar pela onda;
Ondas de choque normal 3- Na onda ocorre aumento de presso, densidade e temperatura do ar. Reduo da velocidade dos filetes, consequentemente e reduo da Mach.
Conseqncias das Ondas de Choque Estol ocorre porque os filetes da camada limite perdem energia cintica devido a viscosidade.
Menos energia = no vencem o gradiente desfavorvel de presso - deslocam antes do bordo de fuga.
4- Grande reduo de energia dos filetes de ar (presso esttica e dinmica
Diminui L Aumenta D
Onda de choque tambm causa diminuio da L e aumento do D
Estol de compressibilidade Estol de choque Estol de Mach
Interao camada limite onda de choque
Aumento considervel de espessura ao passar pela OC.Menos crtico que o estol subsnico devido o coeficiente de sustentao mximo no se reduz continuamente
Onda de choque de grande intensidade muito acima do Mach Critico junto com gradiente adverso = descolamento de filetes
Estol de compressibilidade no voo transnico
Vibraes tpicas do pr-estol (buffet) no s na baixa como tbm na alta.
Como sair: Nas baixas velocidades reduzir o 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 pr-estol de baixa velocidade aumenta com a altitude: Grandes altitudes a densidade do ar afeta a distribuio da presses em torno do aeroflio afeta a velocidade de estol.
A velocidade indicada do pr-estol de alta velocidade (estol de compressibilidade) diminui com o aumento da altitude:
Canto do caixo
Para sair do coffin corner basta manter a altitude e consumir combustvel
Com o tempo - menor peso = buffet de baixa diminudo e o de alta aumentado
Evitar o estol subsnico e estol de compressibilidade
B-47 americano (1950) alcanava o coffin corner em voo nivelado
Jatos atuais voam abaixo do nvel de provvel acontecimento do coffin corner (teto de servio);
Aumento do arrasto {Mach de Divergncia (MDIV)}
Porem pode atingir o coffin corner com um fator de carga elevado (curva de grande inclinao);
OC aumento da espessura da Camada Limite deslocamento dos filetes Arrasto de Onda ou de Compressibilidade
Voando nos maiores FL devem ser evitadas as curvas de grande inclinao.
Crescimento lento do arrasto aps o Mach Crtico inicialmente devido ao aumento da espessura da camada limite aumento da velocidade at chegar ao MDIV (drag divergence Mach number) Aumento acentuado do arrasto
Elevado aumento de consumo de combustvel
Bell XS-1
Dcadas de 30 e 40 Velocidade da barreira do som 14 de outubro de 1947 Mach 1,05 Cap. Charles E. Yeager
Variao da posio do centro de presso do avioUPWASH DOWNWASH Margem de orientao
Margem de arrasto
Reduo do Downwash
Rollof (rolar lateral / rolamento errado) P direito levanta asa esquerda
MMO = 0,90 Onda de choque reduz o Downwash MCRIT = 0,82 M = 0,75 Asa esquerda - ganho sustentao
Diminuio da resultante aerodinmica negativa
Rollof (rolar lateral / rolamento errado) P direito levanta asa esquerda
Tuck under tendncia de picar (abaixar o nariz) Deslocamento do centro de presso para trs Reduo do downwash da asaMMO = 0,90 MCRIT = 0,82 M = 0,90 Asa esquerda - perda sustentao Alta velocidade Baixa velocidade
Voos prximo a velocidade no MMO no aconselhvel a utilizao de leme de direoAt dcada de 40
Vibraes na cauda ou em todo o avio
Voo Transnico Dcada de 40 problemas de compressibilidade com M040;
Deslocamento dos filetes provocado pelas ondas de choque
Comandos inoperantes
De Havilland Comet, o primeiro jato comercial da histria da aviao.
Problemas de mergulho
Atualmente avies 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
DC-3
Asas com maiores alongamentos
Progresso na reduo do Arrasto Atualmente os avies so mais limpos aerodinamicamente, com recurso para reduzir o arrasto parasita e de compressibilidade- Parasita (EX: reduo das areas planas equivalentes do DC-3 para DC-9-30)
Progresso na reduo do Arrasto
6m2 de placa plana equivalente; 105 passageiros; 13% menos de arrasto
7m2 de placa plana equivalente; 21 passageiros; 13% a mais de arrasto
Principais conceitos: MCRT e MDIV Tipos de asa
Enflechamento negativo
Reta Trapezoidal
Flecha dobrada
Elptica
Geometria varivel
Enflechamento positivo
Em delta
Ogiva
1- Enflechamento de asa
Delta dobrada
Delta com times
Delta com Canard
Pontos positivos e negativos do enflechamento
Aeroflios de pequena espessura e curvatura
.. + Aumenta o MCRIT
.. menor produo de sustentao; maior tendncia de estolar na ponta da asa; produz pitch up; na grandes velocidades agrava o tuck under
Gera menores velocidades no extradorso;
Porm, ocorre menor reduo do coeficiente de sustentao mxima e do volume para armazenar combustvel e trens principais das asas.
Transio do escoamento laminar para turbulento o mais atrs possvel da corda, com aumento suave da velocidade no extradorso.
UNIVERSIDADE CATLICA DE GOIS UCG
Cincias Aeronutica
Aerodinmica e Teoria de VOO Alta velocidade NACA srie 6 primeiros aeroflios laminares estudadosNACA Airfoils (National Advisory Committee for Aeronautics) Prof. Gustavo Montoro www.pdas.com/naca456.htm
Escoamento laminar no depende somente do formado do aeroflio
NMERO DE REYNOLDS adimensional
Depende tambm: nmero de Reynolds;
turbulncia inicial dos filetes de ar;
rugosidade da superfcie;V velocidade da massa de ar (m/s)
vibraes; etc. Todos fatores muito difceis de serem controlados
Re = V D
D corda (m) - massa especfica do ar (Kg/m3) - coeficiente de viscosidade (Kg/ms)
Perfis supercrticos
Regra da area (area rule) Dr. Richard T. Whitcomb
Whitcomb with F106 in 1991 (FAA 2008)
Maior raio do bordo de ataque; Curvatura superior reduzida; Curvatura em S prxima ao bordo de fuga. Tambm desenvolveu o perfil supercrtico
Area rule Menor arrasto no regimes trans e supersnicos ocorre em avies com sees retas ao longo do eixo longitudinal sem mudanas abruptas
The YF-102A and YF-102 side by side. (FAA 2007)
B-747. Supera velocidades acima do M 0,92
Geradores de vrtices (vortex generators) Dispositivo feito de uma asa de alongamento pequeno (aeroflio) colocada numa posio especifica do avio.
Produzem sustentao perpendicular s suas superfcies. Subproduto da sustentao: vrtices 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 j se encontra sem energia cintica). 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 so posicionados para redirecionar os filetes de ar, prevenindo interaes adversas. Alem de aumentar a sustentao nos grandes ngulos de ataque, reduz o arrasto.Reduz o buffet de alta e baixa; Melhora o controle da aeronave.
Nacelle Vortex GeneratorLarge vortex generator located on a Boeing 737 engine nacelle
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
Estabilizador horizontal de incidncia varivel Servo assistido
fs9
MACH TRIMMER
MACH TRIMMER
Sensvel ao nmero de Mach, atuando sobre o estabilizador horizontal ou profundor; Tornar positiva a estabilidade do avio em qualquer velocidade. Avies modernos conseguem evitar o tuck under sem Mach trimmer.