Tópicos de Engenharia Aeronáutica

Cada modelo de aeronave é projetado e produzido para atender às necessidades de desempenho previsto para o avião desejado. Todo um trabalho de estudar as leis físicas de aerodinâmica, simulações em modelagem numérica, construção de experimentos para testes em túnel de vento e voos com protótipos reais promovem os mais variados formatos de asas, empenagem, fuselagem, motores e outras partes do avião. Veja o porquê de algumas classificações de aeronaves, tão comuns no início do aprendizado em aviação (pilotos, comissários, engenheiros, etc).

Como um avião voa?

Uma aeronave sofre o efeito de basicamente quatro forças: peso (devido à ação da gravidade), tração (graças aos motores), sustentação e arrasto (que surgem devido ao avião mover-se na atmosfera e serão explicados nesse post).

Para um avião voar (ou seja, existir uma força de sustentação), ele precisa ter asas com um perfil específico e um movimento relativo com o meio em que ele quer se sustentar. De modo geral, alguns efeitos estão ligados à geração e manutenção da força de sustentação: efeito Bernoulli (mais diagnóstico), 3ª lei de Newton (principal balanço de forças) e efeito Coanda (causa do efeito Bernoulli).

De modo geral, parte de cima da asa deve ser mais curva de modo que o ar passe sobre a asa com uma velocidade maior do que na parte de baixo (por conservação de energia). Isso causa o chamado efeito Bernoulli: a pressão em cima da asa de um avião é menor do que a pressão embaixo da asa.

No entanto, essa diferença de pressão é muito pequena para explicar como o avião consegue se manter no céu. Também entra nessa conta a 3ª lei de Newton (de ação e reação). Quando o piloto puxa o manche no cokpit, o nariz do avião começa a levantar e será criado um ângulo entre a asa e o vento relativo, chamado de ângulo de ataque. Conforme esse ângulo vai aumentando, a sustentação também aumenta.

É muito comum encontrar a primeira explicação em vários livros, sendo que a segunda explicação aparece em alguns. Uma explicação um pouco mais completa foi apresentada no artigo “Como os aviões voam: uma descrição Física“. De lá vem a figura utilizada a seguir mostrando um perfil de asa (um corte vertical de um avião movendo-se da direita para a esquerda):

Fluxo de ar em um perfil de asa. Fonte: artigo “Como os aviões voam: uma descrição Física”

O ar passa pela asa e é encurvado para baixo. A primeira lei de Newton diz que deve haver uma força sobre o ar para encurvá-lo (a ação). A terceira lei de Newton diz que deve haver uma força igual, mas em sentido contrário (para cima) sobre a asa (reação). Para poder criar uma sustentação, a asa precisa desviar uma grande quantidade de ar para baixo.

Ou seja, a sustentação de uma asa é proporcional à quantidade de ar sendo desviado para baixo multiplicado pela velocidade vertical da mesma. Quanto maior o ângulo de ataque da asa maior a velocidade vertical do ar; para um ângulo de ataque fixo, quando maior a velocidade da aeronave maior a velocidade vertical do ar. É esta velocidade vertical que dá à asa sua sustentação. Uma vez que a sustentação é proporcional ao volume de ar desviado, ela é, portanto, também proporcional à área da asa.

O formato da asa aparece mais no estudo das características do estol ou do arrasto a grandes velocidades. Ainda complementando a ação da asa desviando o ar para baixo, existe também o chamado efeito Coanda. Quando um fluido escoando encontra uma superfície curva pela frente, ele tentará acompanhar o perfil daquela superfície. Por exemplo, um copo com um filete de água escorrendo pela sua lateral faz a água grudar-se nele e escorrer pela sua superfície graças a sua viscosidade. Isso que gera a diferença de velocidade e de pressão observadas no efeito Bernoulli.

Vários equívocos no entendimento de como um avião voa podem ser vistos nessa palestra do engenheiro aposentado da Boeing Doug McLean (em inglês).

A sustentação é diretamente proporcional à velocidade, área da asa, densidade do ar, formato do perfil, ângulo de ataque e ângulo de incidência. Considerando “ângulo” como “o espaço entre duas semi-retas”, temos que o ângulo de ataque é a abertura entre a corda e o vento relativo (seu valor aumenta durante uma decolagem), enquanto que ângulo de incidência é a abertura entre a corda e o eixo longitudinal do avião. Corda é uma linha imaginária que liga o bordo de ataque (frente da asa) e o bordo de fuga (parte de trás da asa) – veja na figura a seguir:

Perfil de asa com nomenclatura (vento vai da esquerda para direita). Fonte: Aerodesign – Luiz Eduardo

Com relação aos fatores que afetam a formação de sustentação em um perfil aerodinâmico, estão: espessura do perfil, raio do bordo de ataque, modelo do bordo de fuga, arqueamento e posição da espessura máxima do perfil. Em geral, mais arqueamento implica em mais sustentação, mas deve-se também diminuir o raio do bordo de ataque e a espessura do perfil para obter melhores resultados.

Asa

No início da aviação, era comum os aviões terem dois ou mais planos de asas, paralelas entre si. No entanto, apenas o fato do avião ter dois planos de asas não significa que terá o dobro de sustentação. Uma série de interferências entre os vórtices (gerados pela movimentação da aeronave no ar), o aumento do arrasto e do peso estrutural diminuem consideravelmente os benefícios de ter duas asas. Uma única asa com a mesma envergadura tem desempenho equivalente, principalmente com o aumento da potência dos motores, que permitem maior velocidade dos aviões.

A posição da asa com relação à fuselagem pode ser desses tipos, com susas respectivas vantagens e desvantagens:

asa alta – promove maior estabilidade lateral da aeronave, menor comprimento de pista necessário para o pouso por minimizar a ação do efeito solo (efeito solo é a redução do arrasto quando a aeronave realiza um voo próximo do solo, devido à quebra dos vórtices gerados nas pontas das asas pela superfície) e simplifica carregamento (bom para transporte de carga)
asa média – menor geração de arrasto (entre asa e fuselagem), mas precisa estrutura reforçada (aumentando o peso e a complexidade na construção)
asa baixa – maior vantagem com relação ao projeto do trem de pouso, auxiliando na estrutura do avião, melhor manobrabilidade e precisa de menor pista para decolar, mas apresenta menor estabilidade lateral, muitas vezes precisando adicionar um ângulo de diedro para garantir a estabilidade (veja mais sobre esse ângulo na parte de estabilidade lateral ainda nesse post)

Ainda existe a asa “parassol“, que fica fixada acima da fuselagem somente através de montantes e estais.

Quanto a sua forma geométrica, uma asa pode ser:

retangular – sua única vantagem é ser de fácil planejamento e menor custo de construção
trapezoidal – menor arrasto induzido (veja sobre arrasto mais a frente) por causa da redução gradativa da corda da raiz até a ponta da asa
elíptica – máxima eficiência aerodinâmica, porém de mais difícil construção

Geralmente, as asas possuem formatos que misturam as geometrias acima, resultando na chamada “asa mista“.

O alongamento é a razão entre envergadura (distância entre as pontas das asas) e a corda. Um alongamento elevado representa uma asa de grande envergadura e corda pequena; seu aumento implica na redução do arrasto induzido, mas pode trazer problemas operacionais e construtivos. Uma asa muito comprida sofre mais tensão, principalmente em curvas, e também possui razão de rolamento menor por ter mais momento de inércia (maior dificuldade para a ponta da asa girar ao redor do eixo longitudinal).

O enflechamento é o ângulo entre a corda e o eixo lateral. Sua utilização vem desde o final da Segunda Guerra mundial e tem como objetivo reduzir influência do arrasto de onda existente em velocidades transônicas e supersônicas. Como consequência, gera menor sustentação porque a diferença de pressão entre extradorso (parte de cima da asa) e intradorso (parte de baixo da asa) é menor. Isso acontece devido à decomposição do vetor vento em uma componente paralela ao bordo de ataque e outra perpendicular (responsável pela maior parte da sustentação e agora de menor intensidade). Quanto menor o ângulo de enflechamento, mais rápido o avião consegue voar sem perder sustentação – por isso algumas aeronaves militares possuem asas com enflechamento variável, para obter o melhor desempenho em cada situação de voo. Também existem asas de enflechamento negativo, usadas em voos supersônicos para evitar o stol primeiro na ponta das asas e junto aos ailerons.

Quanto à fixação, uma asa pode ser presa à fuselagem de modo cantilever ou semi-cantilever. A palavra “cantilever” tem origem no inglês e significa “viga, trave ou qualquer estrutura semelhante que se projeta para fora, sustentada apenas em uma das extremidades, podendo servir como suporte de marquises, telhados, varandas ou vãos de pontes”. Ou seja, uma asa cantilever é fixada diretamente através de porcas e parafusos, enquanto que uma semi-cantilever possui também uma trave para auxiliar no suporte da asa à estrutura.

Eixos

O eixo é uma linha imaginária que indica o centro de um movimento rotatório. O avião possui três eixos:

Eixo longitudinal – linha imaginária que segue da proa à cauda da aeronave;
Eixo transversal ou lateral – linha imaginária que segue de uma ponta da asa à outra;
Eixo vertical – linha imaginária ortogonal às anteriores.

Veja mais sobre as superfícies de comando primarias no post sobre partes da aeronave e sobre o movimento do avião ao redor desses eixos na página sobre Teoria de Voo.

Estabilidade

Algo “estável” está relacionado com “voltar a sua posição de equilíbrio após uma perturbação”, por exemplo, se a pessoa tiver uma vida financeira estável, ela rapidamente volta à sua posição de equilíbrio após um gasto grande emergencial. Um pipa sem rabiola perde a estabilidade de voo e fica “dando cabeçada”, ou seja, a rabiola da pipa teria a mesma função da empenagem ao estabilizar o voo.

Estabilidade estática é a tendência de um objeto retornar a sua situação de equilíbrio após qualquer perturbação sofrida (turbulência, por exemplo), o que deve garantir conforto, controlabilidade e segurança do voo. Estável, ele volta à situação de equilíbrio (voo nivelado horizontal); instável, afasta-se da situação de equilíbrio; neutro permanece na nova situação.

A estabilidade dinâmica está relacionada ao intervalo de tempo decorrido após uma perturbação a partir da posição de equilíbrio do corpo (ou seja, se volta rápido ou devagar à situação de equilíbrio).

A asa isoladamente possui um efeito desestabilizante na aeronave. Desse modo, é preciso adicionar uma superfície horizontal na empenagem para garantir a estabilidade. A superfície vertical da empenagem contribui fisicamente de maneira positiva para a estabilidade direcional da aeronave.

O momento de rolamento originado em uma aeronave quando em uma situação de desequilíbrio de alinhamento nas asas depende de alguns fatores como o ângulo de diedro, o enflechamento da asa, a posição da asa em relação à fuselagem e a superfície vertical da empenagem. Deles, o que mais contribui para a estabilidade estática é o diedro: ângulo entre plano das asas e um plano horizontal. Normalmente em uma aeronave de asa baixa ou média, usa-se diedro positivo (asas com as pontas viradas para cima), pois ele contribui sensivelmente para aumentar a estabilidade lateral. Asa alta não precisa, porque o centro de gravidade se encontra abaixo da asa e a própria configuração de fixação na fuselagem já proporciona estabilidade. Diedros negativos são usados para melhorar controlabilidade em aeronaves de asa alta quando ela é muito estável no projeto.

A partir da teoria aerodinâmica, o melhor modelo para fuselagem mais estável longitudinalmente é aquele no qual o comprimento é maior que a largura ou altura.

O controle direcional de uma aeronave é obtido por meio da deflexão de uma superfície de comando denominada leme de direção. Sua deflexão em qualquer sentido produz uma força lateral que, quando multiplicada pelo braço de momento em relação ao CG da aeronave, provoca o momento de guinada necessário para a mudança de atitude da aeronave.

Arrasto

Também conhecido como “resistência ao avanço”, o arrasto é a força que faz resistência ao movimento de um objeto sólido através de um fluido (um líquido ou gás). Ele é composto de forças de fricção (atrito), que agem em direção paralela à superfície do objeto, e de forças de pressão, que atuam em uma direção perpendicular à superfície do objeto.

Assim, basicamente existe o arrasto de atrito, proveniente das tensões de cisalhamento que atuam sobre a superfície da aeronave, e o arrasto de pressão, que ocorre devido ao desbalanceamento de pressão existente sobre as superfícies da aeronave. A soma desses dois tipos gera o arrasto de perfil.

Podemos dividir os efeitos em arrasto de interferência (arrasto de pressão causado pela interferência do campo dos escoamentos ao redor de cada componente da aeronave), induzido (arrasto de pressão dependente da geração de sustentação, associado aos vórtices criados nas pontas das asas) e parasita (arrasto que não está ligado diretamente à geração de sustentação).

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