Anatomia do CH 701

Anatomia do CH 701

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Anatomia de um avião STOL:

Projetando uma decolagem curta moderna e aterrando o avião.

“A função das formas” Por Chris Heintz

[Este artigo é parte de uma série, onde o engenheiro aeronáutico Chris Heintz discute aviões leves concepção e construção].

Anatomia de um avião de STOL

O mundo parece ser hoje verdadeiramente menor, graças em grande parte à aviação. Isto criou um interesse renovado em muitos de nós, em ver o que existe ao nosso redor, e para traçar tão rapidamente quanto possível um novo destino. Quando a aviação recreativa tiver certamente sua parte de avião (rápido) de alto-rendimento, eu penso que o que continuará a atrair a maioria de nós ao vôo serão o excitamento, a apreciação e a liberdade de estar nos controles de nosso próprio avião.

Nós queremos o avião para dar-nos a habilidade de voar cross-country, mas nós também queremos ver-mos e visitar-mos o país que nós estamos voando sobre ele. A popularidade do avião como o “Cub do Piper” resistiu e cresceu durante os anos, não somente no cliente da nostalgia, mas porque este avião é apenas divertimento, liso e fácil de voar e para fornecer a potencialidade boa do campo da grama (a maioria de aviões clássicos foi projetado em uma época em que as pistas de decolagem pavimentadas eram raras).

Entretanto, por causa de sua idade, muitos destes projetos mais velhos não oferecem as melhorias modernas que nós conhecemos, como: sistemas elétricos; assento lado a lado; construção inteiramente metálica; trem de pouso triciclo com comando de direção; e etc. E naturalmente, os aviões clássicos estão tornando-se escassos e requerem manutenção significativa, para apenas mantê-los aeronavegável.

A maioria de nós pilotos recreativos, já sabe o que quer quando está no ar e conhece conseqüentemente o prazer de voar um avião que seja fácil e divertido, ele deve fornecer o conforto e boa visibilidade, e ter um custo de operação baixo (quem se importa com milhas por galão – o que se quer é baixo custo por hora de vôo).

Quando voamos cross-country, o desligamento é tão importante (se não mais) quanto chegar ao destino. Um avião de STOL (decolagem e aterragem curtas) nos dá a habilidade de ir a mais lugares, especialmente em áreas remotas, onde o mundo se transforma em sua pista de decolagem (esta é uma característica importante de segurança). Com boa capacidade de carga paga, nós temos a habilidade de transportar todos os sacos que queremos (equipamento para acampar), e os flutuadores (anfíbios) podem nos dar a potencialidade e a liberdade adicionada, para operar na água.

Naturalmente, um avião STOL nos permite, também, a oportunidade de operar o avião fora dos nossos próprios quintais. Enquanto os veículos esportivos utilitários se tornaram muito populares no mundo automotivo, muitos pilotos recreativos estão procurando também a utilidade máxima de seu avião.

Anatomia de um avião de STOL

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O avião Ultraleve fornece uma maneira fácil e barata de experimentar o desempenho de STOL, mas a popularidade dos Ultraleves é prejudicada devido aos seus pontos fracos (limitações), velocidades baixas – pouca carga paga, nível baixo de conforto e limitações de vento são exemplo de algumas de suas limitações inerente.

Hoje, com o conhecimento acumulado durante um século na aerodinâmica, na força estrutural, em sua relação com flexão (vibração), na ergonomia e com o desenvolvimento continuado dos motores modernos, eficientes, de confiança e de pouco peso, é relativamente fácil, para quase qualquer um curioso, bastando apenas estudar seriamente os campos acima, para projetar um avião capaz de carregar dois a quatro ocupantes.

Como um engenheiro projetista de aviões, um profissional de aviação, eu fiz alguns projetos de aviões pequenos. Na metade dos anos oitentas, eu decidi projetar um avião leve que combinasse as vantagens de um avião ultraleve com as características de um avião real e moderno. Assim, eu projetei o avião de STOL CH 701: pela necessidade de oferecer o desempenho curto e áspero proeminente do campo, com o desempenho aceitável de vôo cruzeiro, a potencialidade boa do vento cruzado, a visibilidade excelente, de assento lado a lado confortável e uma fuselagem inteiramente metálica durável que fosse fácil de construir e manter.

O projeto de STOL CH 701 provou ser muito bem sucedido (mais de 400 aviões de STOL CH 701 voando) e eu projetei subseqüentemente uma versão de serviço público de quatro assentos, o STOL CH 801 (introduzido em 1998). Meus projetos de STOL têm sido chamados, às vezes, de feio por causa de sua forma não convencional. Entretanto, com forma e função definida, um estudo das formas originais mostra em suas formas aerodinâmicas e de projeto características interessante, original e altamente eficaz, dai à beleza inerente destes aviões. A seguir uma explanação dos conceitos de projetos básicos que eu apliquei ao projetar meu avião de STOL:

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Potência

Sobre força em um avião existente é a maneira mais fácil de conseguir o desempenho de uma decolagem curta (com bastante potência qualquer coisa decola em uma pequena distância), mas isto requer muito combustível para a decolagem aceitável, e são maneiras cara, pesada, e ineficiente de obter o desempenho de STOL, e não fornece o vôo lento bom ou a carga paga, devido ao peso do motor e/ou ao maior peso do combustível exigência de um motor mais potente. Minha experiência me diz que necessito de 60/100 cavalo-força para um avião de dois assentos, ou de 150/200 cavalo-força para um quatro assentos capaz de carregar 1.000libras.

Como sou um projetista de avião e um construtor (e não um fabricante do motor), eu projeto o avião em torno dos motores existentes e potências definidas (HP). Para a flexibilidade máxima e para manter custos baixos, um kit de avião deve ser projetado para acomodar tipos diferentes de motor de modo que os proprietários possam escolher entre os modelos consagrados de motores que existem e motos-propulsores novos.

Para ser prático, um avião de STOL deve voar em velocidades muito baixas, contudo deve também oferecer o desempenho cross-country aceitável (do cruzeiro). O grande desafio é projetar uma asa com um coeficiente elevado de sustentação de modo que a área da asa seja tão pequena como possível, quando as velocidades da decolagem/aterragem forem tão baixas como possível.

As asas relativamente curtas fazem o avião mais fácil de taxiar, especialmente ao operar-se em um ambiente do fora-aeroporto com obstruções, e requerem menos espaço de hangaragen, ao serem mais fáceis de construir, e mais forte (menos extensão da asa e do peso a suportar). A perda de sustentação da asa ocorre no coeficiente mais elevado em uma superfície de sustentação, quando o fluxo de ar já não pode circundar o nariz (bordo de ataque) da superfície de sustentação e separa da superfície superior da asa.

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Figura 1 - Superfície de sustentação parada

Para diminuir a velocidade da perda de sustentação a um coeficiente mais elevado, muitos aviões são equipados com aletas (no bordo de fuga da asa), e alguns projetos usam slats (na borda principal da asa) para diminuir a velocidade de perda de sustentação. O seguinte diagrama ilustra o uso das aletas e de slats adiantado do bordo de ataque para aumentar o coeficiente de sustentação de uma asa.

Figura 2 – Coeficiente de sustentação contra o ângulo de ataque do aerofólio

Slats principais da borda

Os slats principais da borda impedem o stall até aproximadamente 30 graus de incidência (ângulo de ataque) escolhendo o ar abaixo, onde o entalhe é grande (figura 3), acelerando o ar no entalhe dando forma de funil (efeito de venturi) e fundindo este ar rápido tangencial na superfície superior da asa através do entalhe menor. Isto “puxa” o ar em torno da borda principal, assim

Anatomia de um avião de STOL impedindo o stall até um ângulo muito mais elevado do coeficiente da incidência e do elevador.

A desvantagem do slat principal da borda é que o ar acelerado no entalhe requer energia que significa um arrasto mais elevado. Como a hipersustentação é necessário somente ao voar lentamente (decolagem, escalada inicial, e aproximação final e pouso) a tentação para o projetista é usar um dispositivo retrátil que se feche em velocidades mais elevadas para reduzir o arrasto.

Figura 3 - Slats principais da borda da Asa

Isto pode ser feito de maneiras diferentes: os slats podem ser montados nos trilhos do rolo de modo que em ângulos de ataque elevados sejam retirados automaticamente pela corrente de ar em torno da borda principal, e no cruzeiro (no ângulo de ataque mais baixo) sejam empurrados para dentro. Isto é um sistema relativamente simples e não demasiado pesado para projetar, mas tem uma desvantagem grande: com rajadas de ventos somente um slat da asa pode ser prolongado enquanto o outro permanece dentro, criando um problema grave para o piloto que necessita agora o aileron cheio para manter o nível do avião.

Assim, a maneira segura é conectar mecanicamente os slats da Asa direita e esquerda para impedir a extensão assimétrica. Entretanto, criar tal instalação é pesado e mais complexo. A eficiência ganha pelo sistema deve ser muito significativa para compensar o peso extra do dispositivo (para não mencionar o custo e a complexidade). Um sistema controlado pelo piloto da extensão e retração do slat é alternativa mas tem os mesmos inconvenientes: peso e complexidade.

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Figura 4 - Elevador principal fixo do Slat de Bordo contra o arrasto

Mas, há uma solução simples: a quantidade de aumento do arrasto criada pelo entalhe depende da quantidade de ar que atravessa o entalhe durante o vôo. Em configurações da decolagem e de aterragem queremos a máxima sustentação, e no cruzeiro queremos o arrasto mínimo. Igualando a quantidade de pressão de ar no alto e no fundo da asa na borda principal (onde o slat é encontrado) na configuração do cruzeiro, não há nenhum ar que passa através do entalhe, e assim nenhuma energia perdida (ou arrasto extra criado). A pressão de ar igualada é conseguida facilmente na configuração de cruzeiro com uma deflexão ascendente ligeira do flap de bordo de fuga da asa. Figura 4 ilustra o coeficiente do elevador e do arrasto de tal projeto de asa.

A ilustração mostra claramente que a asa com slats e aletas é a solução para o vôo lento onde um coeficiente de sustentação elevado é requerido, e provoca também pouco arraste a penalizar o vôo de cruzeiro. É uma asa de pouco peso com nenhuma peça mecânica móvel associada com os slats principais da borda. Um inconveniente visível é uma escala baixa relativamente pequena do arrasto, que signifique uma escala econômica estreita da velocidade do cruzeiro, mas a configuração total fornece o melhor projeto da asa para um avião de STOL.

Assim, eu escolhi esta configuração fixa do slat para o de dois assentos

STOL CH 701 e o quatro assentos, novo STOL CH 801. A asa é de pouco peso, contudo rende um coeficiente muito elevado, de sustentação sendo assim muito confiável, simples, e um dispositivo de sustentação de baixo custo para estes dois projetos.

Eu usei também uma corda de asa relativamente grossa nestes projetos para fornecer, sustentação elevada. A corda de asa grossa, combinada com uma extensão relativamente curta da asa, fornece também a força máxima e

Anatomia de um avião de STOL peso baixo. Com sua corda constante (ao contrário do afilado) a asa é também fácil de construir e montar.

Pontas de asa

Por muito tempo, eu disse que as pontas de asa de Hoerner devem ser usadas na maioria dos projetos de avião leve, desde que aumentem a extensão eficaz da asa de 8" a um pé sem ter que carregar algum peso adicional: como se sabe, há uma pressão baixa no alto da asa, e uma pressão mais elevada no fundo da asa, com a diferença da pressão que cria a sustentação que permite que nós voemos.

Embaixo da ponta da asa, a alta pressão sente que há menos pressão no alto da asa (apenas em torno da ponta), e quer ir lá igualar a pressão, assim cria um fluxo secundário para fora, para a ponta da asa. Este fluxo externo secundário gera um “vortex” (um movimento circular) atrás da asa, como ilustrado abaixo.

Figura 5 - Vórtices da ponta de asa

Com uma ponta de asa arredondada ou quadrada, o vórtex é centrado em torno da ponta de asa, como mostrado acima.

Com pontas de asas inclinadas ou levantadas, o vórtex é mais adicional forçado para fora. As pontas de asas inclinadas são vistas frequentemente nos aviões de STOL, mas criam uma penalidade do peso, desde que necessitam ser adicionadas à asa.

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Figura 6 - Pontas de asa inclinadas/levantadas

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