O programa BERP - da concepcao aos dias atuais, Notas de estudo de Cultura

Baixe O programa BERP - da concepcao aos dias atuais e outras Notas de estudo em PDF para Cultura, somente na Docsity! O Programa BERP – da Concepção aos Dias Atuais Waldir Eustáquio Gava wegava@yahoo.com.br Aluno MP-Safety 2008 Instituto Tecnológico de Aeronáutica (ITA) 12228-900 São José dos Campos, SP, Brasil Resumo O BERP (British Experimental Rotor Program) tem gerado novas tecnologias de rotores desde 1975, e tem provido rotores avançados para aeronaves como o Sea King, Lynx e AW 101 Merlin. A especificação detalhada de requisitos e o desenvolvimento integrado do produto formam uma base sólida para que este programa audacioso atinja suas metas. Este artigo mostra uma breve visão histórica do seu desenvolvimento, destacando as características aerodinâmicas das pás BERP III e BERP IV. Abstract The BERP (British Experimental Rotor Program) has paved the way to new technologies of rotors since 1975, and has provided advanced rotors for aircraft like the Sea King, Lynx and AW101 Merlin. The detailed specification of requirements and the integrated development of the product has formed a solid basis so that this audacious program reaching its goals. This article shows a brief historical overview of its development, highlighting the aerodynamic characteristics of BERP III and BERP IV blades. Palavras-chaves: Helicópteros; projetos; rotores; pás. 1. Introdução Quando os primeiros helicópteros entraram em operação no início da década de 1940, muitos acreditavam que esta máquina não se sustentaria comercialmente até os dias de hoje. Este pessimismo era justificado pela grande quantidade de desafios a serem vencidos e pelos muitos anos de desenvolvimento gastos até que o primeiro helicóptero fosse fabricado em série. Se muitos desses desafios foram superados, outros continuam a ser enfrentados nos dias de hoje, 2 como, por exemplo, as limitações associadas ao aumento do envelope operacional do helicóptero na condição de vôo à frente (DE ANDRADE, 2006). Muitos aerodinamicistas, durante estes anos, têm dispensado diversas horas de pesquisas na tentativa de ampliar a faixa de velocidade de operação em cruzeiro dos helicópteros, e as indústrias têm investido em tecnologias para colocar seus produtos num mercado cada vez mais exigente. O BERP (British Experimental Rotor Program) é um projeto da Westland, em parceria com o Ministério da Defesa Britânico (UK MoD), que desde a década de 1970 permitiu avanços na tecnologia de rotores, desenvolvendo produtos para um forte posicionamento no mercado mundial e abastecendo, particularmente, as Forças Armadas Britânicas com melhoramentos expressivos na capacidade operacional. O propósito do programa é prover um pacote de pesquisas e desenvolvimento, financiado pela indústria e pelo UK MoD. O programa trata de desenvolvimento de alta tecnologia, além da estrutura de produção, provendo melhorias em todos os aspectos do projeto, fabricação e ensaios do rotor. Este desenvolvimento tem, subseqüentemente, sido explorado no ambiente de produção com programas de baixos riscos de custo e tempo. Este artigo tem por objetivo descrever brevemente a evolução histórica desse projeto até os dias de hoje, enfatizando as principais características aerodinâmicas das pás BERP III e BERP IV. Não é do escopo deste artigo esgotar todas as informações sobre o programa. 2. Histórico do Programa BERP (1975-1980) O objetivo do primeiro programa BERP foi desenvolver conhecimentos estruturados e experiência em projetos e fabricação de pás de material compósito no período de 1975 a 1978. Este objetivo foi atingido no projeto das pás de material compósito do rotor principal e de cauda do Westland Sea King. As primeiras pás de material compósito fabricadas tinham a mesma massa e as mesmas propriedades dinâmicas e de perfil da antiga pá metálica da Sikorsky. Entretanto, quando as pás foram introduzidas em serviço na Marinha e Força Aérea Britânicas, houve uma redução de 5% de combustível devido ao menor coeficiente de arrasto da pá (HARRISON et al., 2008). O programa BERP II (1978-1980) expandiu as façanhas do BERP I, promovendo um desenvolvimento nas técnicas de manufatura e uma expansão da utilidade dos materiais 5 Figura 4 – Tip Vortex na pá BERP III. Quando o ângulo de ataque da pá é aumentado, este vórtex começa a se desenvolver no enflechamento do bordo de ataque. Em altos ângulos de ataque, o vórtex começa a aproximar-se da parte mais frontal do mesmo, próximo da região do chanfro. Experimentos feitos por Duque & Brocklehurst (1990) mostraram que um segundo vórtex é formado no chanfro, o qual escoa por sobre a pá. Esta esteira de vórtex gera uma região de baixa pressão no extradorso e, conseqüentemente, uma força de sustentação adicional. Desta maneira, a pá pode alcançar ângulos de ataque próximos a 22º antes de sofrer uma queda abrupta no coeficiente de sustentação, quando finalmente o turbilhonamento é muito significativo. Figura 5 – Envelope de vôo do helicóptero Westland Lynx com pá padrão retangular e com pá BERP (PERRY et al.,1998). O desempenho do rotor BERP é confirmado pelos resultados mostrados na Figura 5, a partir de ensaios em vôo do helicóptero Westland Lynx. Este gráfico relaciona o coeficiente de carregamento da pá em função da razão de avanço e mostra que o Lynx com as pás BERP, obtém um aumento significativo do envelope de vôo operacional, em comparação com as pás 6 retangulares. Um prova destas características aerodinâmicas benéficas foi quando um helicóptero Lynx modificado bateu o recorde mundial de velocidade em 1986, mostrado na Figura 6. Este helicóptero conseguiu atingir a velocidade recorde de 216 kt; um recorde que se mantém até os dias atuais, aproximadamente 22 anos depois. Isto ocorreu devido a duas principais modificações: as características aerodinâmicas anteriormente comentadas da pá BERP III e um uso inovador da potência do motor (PROUTY, 1988). Figura 6 – Quebra do recorde mundial de velocidade para helicópteros, com a aeronave modificada G-Lynx, em 1986. Com o sucesso desta inovação tecnológica, o BERP III foi explorado nas aeronaves da Augusta-Westland Lynx e AW101 Merlin (ou EH101). A frota militar britânica de helicópteros Lynx teve suas pás retrofitadas e o AW101 utiliza esta tecnologia desde o início de seu projeto. Ambas as aeronaves são capazes de operar com cerca de 40% a mais de carga na pá do que a tecnologia do rotor convencional, permitindo assim, uma sustentação adicional para um dado peso e tamanho de rotor. 4. Programa BERP IV (1997-2007) Este segmento do artigo é baseado em recente artigo de autoria de HARRISON e outros. (HARRISON et al., 2008). O programa BERP IV iniciou-se em outubro de 1997 a partir dos estudos dos programas anteriores, os quais estavam focados em objetivos simples de desenvolver materiais para aumentar o desempenho das aeronaves. O programa BERP IV, contudo, definiu metas para prover um amplo desenvolvimento em todos os aspectos de custo e de desempenho das aeronaves. Foi dada ênfase em se pesquisar uma plataforma genérica a fim de se produzir um rotor em série, que pode ser aplicado com baixo risco em qualquer tipo de aeronave, elevando o tempo de vida operacional associado. 7 A equipe do programa tinha então os seguintes objetivos: • Desenvolver uma tecnologia para se reduzir diretamente o custo de vida, diminuir a complexidade do projeto, aumentar a robustez e melhorar a qualidade de produção; • Aumentar a relação carga paga pelo alcance, incluindo um aumento do desempenho no vôo pairado e no vôo a frente, e uma redução do nível vibratório; e • Aumentar a resistência do rotor no campo de batalha. Não é difícil de perceber que cada um desses objetivos tem diferentes trajetos de exploração e requerem inevitavelmente soluções de compromisso diferentes. Para se alcançar este objetivo audacioso, o programa foi subdivido em três fases que podem ser resumidas a seguir: • Fase 1: Avaliação da tecnologia; • Fase 2: Seleção e integração da tecnologia; e • Fase 3: Detalhamento, manufatura e teste do projeto. Logo após o lançamento do programa uma equipe de especialistas foi montada com os representantes de cada área específica para finalmente projetar, fabricar e ensaiar a pá. Esta equipe multidisciplinar e os processos simultâneos do projeto e da fabricação levaram este programa ao sucesso. 4.1 Características aerodinâmicas da pá BERP IV O projeto aerodinâmico de BERP IV foi realizado dentro do contexto de um DIP (Desenvolvimento Integrado de Produto), e como tal, todas as características de projeto propostas, por razões aerodinâmicas de desempenho, por exemplo, foram avaliadas também na perspectiva das demais equipes do projeto. Somente as características aerodinâmicas que eram aceitáveis ao restante da equipe eram aplicadas para um novo desenvolvimento e, finalmente, permitidas de serem utilizadas na pá. 10 comparação com a BERP III. Assim, a ponta BERP IV tem um pequeno aumento do coeficiente de sustentação máximo em altos ângulos de ataque em relação à ponta BERP III. Figura 9 – Comparação entre as características do escoamento na ponta. O projeto aerodinâmico da pá BERP IV é uma integração das seções de aerofólio, forma da ponta e torção geométrica. Entretanto, devido à alta torção da pá BERP IV foram utilizadas seções de aerofólios com menor coeficiente de sustentação, em comparação com os utilizados na BERP III, a fim de proporcionar, conseqüentemente, coeficientes de momento de arfagem nulos em todo o aerofólio. A Westland então projetou e testou em túnel de vento transônico, uma série de aerofólios com baixos coeficientes de momento de arfagem na seção da raiz, nas posições 50%, 75%, 82% (chanfro), 86.6% (início da curvatura externa) e 95,5%. Ainda, o aerofólio da posição 82% substituiu a seção RAE9645 usada na pá BERP III e foi projetado para fornecer uma alta sustentação de médios a altos números de Mach, com coeficiente de momento de arfagem nulo. Sabe-se ainda que uma torção elevada exige seções com alta sustentação próximo da raiz. Por esta razão, o aerofólio da posição 50% também foi projetado para alta sustentação, alta relação sustentação/arrasto e coeficiente de momento de arfagem nulo, porém, numa escala mais baixa de velocidade do que os outros. Para evitar o descolamento da camada limite nas transições entre os perfis, os projetos iniciais dos perfis a 75% e da raiz eram uma interpolação e extrapolação linear, respectivamente das seções a 82% e 50%. Após avaliar e verificar, o bom desempenho destes perfis, poucas modificações foram feitas para se conseguir um desempenho ótimo, já que 11 os perfis a 82% e 50% eram da mesma família de aerofólios, com características de forma bastante similares. Como requisito de aerodinâmica e de manufatura, foi necessária uma transição mais suave e progressiva entre as seções de aerofólio da pá BERP IV, a fim de melhorar o escoamento e facilitar a fabricação desse produto de alta qualidade em série. Devido às mudanças na área da ponta descritas anteriormente, um novo aerofólio com características melhoradas de sustentação/arrasto teve que ser projetado. Na verdade este novo perfil foi combinado com o RAE9634, utilizadas na BERP III, na seção 95,5%. Este perfil fino de enflechamento suave manteve suas excelentes características em alta velocidade. Além disso, o projeto aerodinâmico da pá respeita um número de exigências multidisciplinares (figura 10). A forma da pá, em particular, foi desenvolvida com especialistas da fabricação para eliminar qualquer característica geométrica que pudesse comprometer os processos de fabricação de alta qualidade em série. Figura 10 – Projeto BERP IV. O programa BERP IV foi concluído com sucesso em 2007, com ensaios em vôo no AW101 Merlin, e resultou nas seguintes marcas aerodinâmicas: • Redução da potência necessária para o vôo pairado em aproximadamente 5%; • Redução da potência para o vôo de cruzeiro em aproximadamente 10-15% e que se mantém sob condições de temperaturas quentes e altitudes elevadas; e • Um melhoramento no envelope de estol da pá em pelo menos 10 kt; Estas são somente as características aerodinâmicas dentro do desenvolvimento tecnológico do projeto BERP IV. O programa promoveu também pesquisas e melhoramentos nas 12 áreas de vibração, projeto estrutural e fabricação, desempenho, qualidades de vôo e efeitos do rotor em outros sistemas da aeronave. 5. Conclusão O programa BERP, que até o presente constitui-se de quatro fases, forneceu, desde o princípio dos anos 1970, um salto tecnológico para a indústria Britânica, especificamente à Westland e às Forças Armadas daquele país. O projeto da pá BERP IV foi adotado como uma solução de produção para uma exigência operacional urgente do UK MoD, visto o progresso aerodinâmico alcançado. A produção da pá foi antecipada para incorporar o serviço operacional em 2008 nas aeronaves AW101 Merlin, graças ao sucesso do programa. Os requisitos específicos e o desenvolvimento por equipes multidisciplinares trabalhando em conjunto foram a chave para o sucesso deste programa. Cabe agora esperar se alguma indústria concorrente conseguirá ultrapassar os resultados tecnológicos alcançados por este programa ou se somente o BERP V atingirá este privilégio. 6. Referências DE ANDRADE, Donizeti; Tecnologia de Helicópteros: Parte II: Avanços nas últimas décadas. Instituto Tecnológico de Aeronáutica, 2006. 7 p. DUQUE, E. P. N. e BROCKLEHURST, A.; Experimental and Numerical Study of the BERP Blade. 8th AIAA Applied Aerodynamics Conference, Portland, OR, 20-22 Aug 1990. HARRISON, Rob; STACEY, Simon, e HANSFORD, Bob; BERP IV – The design, development and testing of an advanced rotor blade. AHS 64th Annual Forum & Technology Display, April 2008. 20 p. LEISHMAN, J. Gordon; Principles of Helicopter Aerodynamics. Second Edition. Cambridge University Press, 2006. p. 301-304. McVEIGH, M. A. e McHUGH, F. J.; Recent Advances in Rotor Technology at Boeing Vertol. 38TH Annual Forum of the American Helicopter Society, Washington DC, May 15-17, 1982; apud LEISHMAN, J. Gordon; Principles of Helicopter Aerodynamics. Second Edition. Cambridge University Press, 2006. p. 295.