Relatorio Planador- aeronaves e conceitos importantes

Relatorio Planador- aeronaves e conceitos importantes

5.1 – Planador

5.1.1 – Conceitos

Ao levar em conta os principais aspectos de uma aeronave planadora, percebe-se que diversos conceitos estão embotidos em cada parte do projeto, seja na construção da asa, fuselagem, empenagens, ou nos estudos de desempenho. O entendimento destes conceitos é de suma importância para que uma aeronave possa ser projetada. Destacam-se:

Asa aeronáutica

É a parte da aeronave responsável pela produção da sustentação. Existem diversas geometrias de asas, e sua escolha depende do intuito da aeronave. A asa da aeronave possui alguns aspectos básicos e uma nomenclatura própria.

Envergarura=b

Área da asa=S

Corda na raiz=Cr

Corda na ponta=Cp

Figura -Nomenclatura de uma asa.

Figura -Principais tipos de asas.

Fuselagem

É o corpo principal do avião, onde as demais estruturas (asas, empenagem, etc) são fixadas.

Diedro

É o ângulo de inclinação da asa em relação a um plano horizontal. Pode ser tanto positivo, como negativo.

Relação de aspecto (AR)

É a relação entre a envergadura da asa e sua corda média. É calculado pela fórmula: Ar= b²/A

É um dos mais importantes parâmetros a ser definido no projeto da asa, pois afeta praticamente todas as suas características.

Relação de afilamento da asa (l)

Representa a variação da corda da asa, ou seja, a razão entre a corda na ponta e a corda na raiz da asa (l=Cp/Cr)

Aerodinâmica

A Aerodinâmica é a parte da Física que estuda a força do ar sobre os corpos sólidos em movimento e a dinâmica dos fluidos. Duas forças básicas atuam na aerodinâmica: a sustentação e o arrasto.

Força Resultante Aerodinâmica (A)

É uma força composta por duas componentes ortogonais: a força de arrasto (D) e a força normal (N).

Figura -Forças aerodinâmicas atuantes durante o voo de uma aeronave.

Sustentação (L)

Para que o planador consiga decolar partindo na horizontal sem qualquer inclinação em relação ao solo, é preciso que, ao partir com uma certa velocidade, alguma força empurre-o para cima e mantenha-o no ar. Esta força é denominada sustentação, ou L (do inglês – Lift), e surge devido a uma diferença de pressão nas diferentes partes da asa quando o ar escoa com uma velocidade sobre ela.

Existem várias maneiras de se produzir a sustentação, porém, nosso foco será na sustentação gerada por uma asa com perfil aerodinâmico (utilizada no projeto).

Figura -Escoamento do ar sobre uma asa com perfil aerodinâmico. L é a força de sustentação que surge.

Arrasto (D)

É a força de resistência gerada quando um objeto se move em um fluido ( no caso, o fluido analisado será o ar). Esta força aumenta de acordo com a velocidade do ar e com a forma do objeto. Por se opor ao movimento do objeto, esta força deve ser minimizada para que a aeronave projetada tenha um bom desempenho.

Figura -Forças de sustentação e arrasto atuando sobre uma asa.

Perfil Aerodinâmico

Está relacionado com o formato de um objeto. É criado para que se obtenha uma boa razão entre as forças de arrasto e sustentação atuantes(L/D) . É o que a asa de uma aeronave precisa ter, pois ela precisa manter a força de sustentação e vencer a força de arrasto. A geometria de um perfil aerodinâmico é definida por alguns parâmetros básicos como corda, linha média, posição do ponto máximo, espessura, distribuição ao longo da corda, raio do bordo de ataque e ângulo do bordo de fuga.

Figura - Nomenclatura de um perfil aerodinâmico.

Ângulo de ataque e Ângulo de Incidência

Em aviação, ângulo de ataque é o ângulo formado pela corda do aerofólio e a direção do sem movimento relativo ao ar.

Já o ângulo de incidência é formado entre o eixo longitudinal do avião e a linha da corda da asa.

Figura -Diferença entre o ângulo de ataque e o ângulo de incidencia.

Centro de Gravidade (CG__)

O centro de gravidade é , de modo geral, o ponto onde se concentra todo o peso de um objeto. É de suma importância no projeto de qualquer aeronave, pois influencia em praticamente todos os aspectos da mesma.

Centro de Pressão (CP__)

O centro de pressão é o ponto onde a força resultante aerodinâmica (A) intercepta a linha de corda do perfil aerodinâmico. Este ponto é geralmente obtido a partir de ensaios em túnel de vento, os quais permitem determinar a distribuição da pressão nas diferentes partes do perfil aerodinâmico ou com modelos matemáticos fundamentados na geometria do perfil em estudo.

O balanceamanto da aeronave é governado pela mudança da posição do CP.

Figura -Distribuição da pressão em um perfil eaerodinâmico.

Empenagem

Parte formada pelos estabilizadores horizontais e verticais da aeronave. Localiza-se na extremidade da fuselagem.

Figura -Diferentes tipos de empenagem.

Estabilizadores

São os componentes responsáveis por estabilizar a aeronave em todos os seus eixos. A maioria das aeronaves possuem dois estabilizadores, sendo um horizontal e um vertical. Eles atuam como pequenas asas, porém são feitos de maneira que não gerem sustentação enquanto a aeronave se mantém estável.

O estabilizador horizontal é responsável pela estabilidade longitudinal da aeronave, enquanto o estabilizador vertical fica por conta de manter sua estabilidade lateral.

Implicações importantes dos conceitos abordados

Elevado ângulo de ataque

Pode levar a aeronave a uma situação de grande perda de sustentação (situação de “estol”). Quando o ângulo de ataque da aeronave atinge o ângulo de estol, ela perde a sustentação e tende a cair em solo. Por isto, no estudo de cada perfil aerodinâmico é analizado este ângulo.

Geralmente, para elevados ângulos de ataque, o CP se desloca para frente, enquanto para pequenos ângulos de ataque o CP se desloca para trás.

Efeitos da Geometria da asa

Asa retangular: Apresenta vantagem na facilidade de construção e menor custo de fabricação em compraração às outras. Porém, implica em uma menor eficiencia aerodinâmica (L/D) em relação à asa trapezoidal ou eléptica, devido ao arrasto de ponta de asa, mais conhecido como arrasto induzido, que é maior na asa retangular.

Asa trapezoidal: Possui uma ótima eficiência aerodinâmica, pois a redução gradativa da corda da asa promove uma significativa redução no arrasto induzido. Porém, sua construção torna-se um pouco mais complexa por possuir uma corda variável.

Asa elíptica: Representa a asa ideal, por proporcionar a máxima eficiência aerodinâmica em relação às demais. Porém, sua construção é a mais complexa, e sua fabricação se torna mais cara, em comparação aos outros tipos de asa.

Escolha de um perfil aerodinâmico

Na seleção do perfil da asa são levados em consideração em consideração algumas características do mesmo, como seus coeficientes de sustentação e arrasto (CL e CD, respectivamente), além de características de estol. Os coeficientes de sustentação está relacionado com a capacidade do perfil em produzir sustentação, e o coeficiente de arrasto, relacionado com o arrasto existente quando o ar escoa sobre ele.

Efeitos da Relação de Aspecto

Quanto maior a relação de aspecto, maior será a sustentação alcançada para um mesmo ângulo de ataque,diminuindo o ângulo de ataque para gerar o coeficiente de sustentação (CL) máximo. Porém, a asa se torna mais sensível a variações no ângulo de ataque.

Pequenas relações de aspecto implicam em um maior arrasto induzido. Por este motivo, uma maior razão de aspecto é a maneira mais eficiente de se reduzir o arrasto induzido.

Figura - Efeito da relação de aspecto sobre a curva de sustentação do perfil.

Efeito de diedro

Uma asa com diedro positivo promove uma melhor estabilidade lateral da aeronave, porém com a existência de ventos laterais, ocorre uma diferença de sustentação nas duas partes da asa.

Figura -Efeitos do diedro positivo de uma asa.

Já uma asa com diedro negativo apresenta menor estabilidade lateral, e existe, como no diedro positivo, uma diferença de sustentação nas duas partes da asa.

Figura -Efeitos do diedro negativo de uma asa.

Efeitos do centro de gravidade

A posição do centro de gravidade da aeronave influencia muito na estabilidade da mesma. A respeito da posição relativa do CG e a localização do CP, experiências demonstram que um avião com CG localizado entre 20% e 35% da corda da asa possui um balanceamento satisfatório e boa estabilidade.

Figura -Influencias do CG na estabilidade da aeronave.

Se o CG a aeronave estiver localizado muito à frente do ponto neutro, ela tenderá a inclinar-se para frente. Já se o CG estiver muito atrás do ponto neutro, existirá uma tendência de cauda, “empinando” a aeronave. A correção dessas tendências é feita pela alteração no ângulo de ataque dos estabilizadores.

Efeitos do dimensionamento da aeronave

Para o dimensionamento da aeronave é preciso levar em conta o objetivo da mesma. É importante o estudo da relação entre a envergadura (b) da asa e o comprimento (i) do avião (razão b/i). A asa de um avião planador, por exemplo, precisa ter uma envergadura grande em relação ao comprimento dele.

Outro importante aspecto é a posição da asa e da empenagem na fuselagem. Experimentos mostram que um avião na qual a distância entre os bordos de ataque da asa e do estabilizador horizontal representa de 50% a 60% do comprimento da fuselagem apresenta boas características de voo.

Empregando os conceitos na construção do planador

Com o entendimento dos conceitos básicos descritos acima, foi feita a escolha das características do planador, como o tipo da asa, o formato da fuselagem, escolha do perfil aerodinâmico e o dimensionamento do projeto.

5.1.1 – Cálculos

Asa

A geometria escolhida para a asa do projeto foi a trapezoidal, com as seguintes dimensões:

A área total(em metros) da asa será duas vezes a área da meia asa:

A relação de afilamento será:

A relação de aspecto será:

O perfil escolhido para a asa foi o Eppler 423. Por possuir dados conhecidos e ser possível a análise de gráficos característicos deste perfil. foi possível estimar a força de sustentação e de arrasto existentes quando o planador está em uma velocidade v.

Figura - Gráficos CL x ângulo de ataque e CD x ângulo de ataque, característicos do perfil Eppler 423.

Para efeito de cálculo, foram utilizados os seguintes valores: densidade do ar(r)=1,225 Kg/m³ , ângulo de ataque=6º, CD=0,016 , CL=1,5 e v=5m/s, número de Reynolds=380000*.

*Número de Reynolds é um número adimensional utilizado em Mecânica dos Fluidos.

Cálculo estimado da sustentação gerada pela asa do planador

Cálculo estimado do arrasto gerada pela asa do planador

Estabilizador Horizontal

Figura - Empenagem horizontal do planador

Considerando a empenagem horizontal como uma pequena asa de envergadura b, corda na raiz Cr e corda na ponta Cp, a área S (em metros) do estabilizador horizontal será:

= 0,01425m²

Assim, sua relação de aspecto (AR) será,aproximadamente:

Estabilizador Vertical

Figura -Empenagem Vertical do planador

Considerando a empenagem vertical tenha altura b, corda na raiz Cr e corda na ponta Cp, a área S (em metros) do estabilizador vertical será:

Assim, sua relação de aspecto (AR) será,aproximadamente:

Centro aerodinâmico da asa

Pela analise das curvas CL x a e CM x a do perfil Eppler 423 foi possível determinar a posição do centro aerodinâmico do perfil a partir da posição c/4 ( 25% da corda da asa ).

Através de equações já resolvidas para este perfil, chega-se que a um ângulo de ataque igual a 5º, a posição do centro aerodinâmico deste perfil está a aproximadamente 3,3% à frente do ponto c/4. Como utilizamos um ângulo de ataque igual a 6º, estes valores foram tomados como base para efeito de cálculo.

Posição da empenagem e da asa na fuselagem

Figura -Medidas das distâncias dos conjuntos asa-empenagem na fuselagem.

A distância dentre os bordos de ataque da asa e da empenagem horizontal foi de 43,5cm. Sendo que o comprimento total da fuselagem é 65cm, esta distância representa aproximadamente 67% do tamanho da fuselagem.

Bibliografia

https://pt.wikibooks.org/wiki/Mec%C3%A2nica_dos_fluidos/Fluxo_laminar_do_l%C3%ADquido_ideal

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http://jonal300.no.comunidades.net/2-a-forca-de-sustentacao-da-asa

http://www.aeroflap.com.br/_tiposdesasa_diedro/

http://www.aeroclubedebrasilia.org.br/aulas/PPTVA08_-_Estabilidade_Longitudinal_Lateral_e_Direcional.pdf

http://www.engbrasil.eng.br/ipa/aula7.pdf

Livro “Fundamentos da Engenharia Aeronáutica Aplicações ao Projeto SAE – Aerodesign” – Prof. MSc. Luiz Eduardo Miranda J. Rodrigues

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