Introdução ao Projeto de
Aeronaves
Aula 10 – Características do Estol e
Utilização de Flapes na Aeronave
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Prof. MSc. Luiz Eduardo Miranda J. Rodrigues
Tópicos Abordados
O Estol e suas Características.
Influência da Forma Geométrica da Asa na
Propagação do Estol.
Aerodinâmica da Utilização de Flapes na
Aeronave.
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Definição do Estol
É possível se observar na curva característica
CL versus α de uma asa finita, que um aumento
do ângulo de ataque proporciona um aumento
do coeficiente de sustentação, porém esse
aumento de CL não ocorre indefinidamente, ou
seja, existe um limite máximo para o valor do
coeficiente de sustentação de uma asa.
Este limite máximo é designado na industria
aeronáutica por ponto de estol.
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Ângulo de Estol
Muitos são os parâmetros que contribuem para o estol,
dentre eles, o principal é justamente a variação do ângulo de
ataque, onde a análise da curva CL versus α permite observar
que a partir de um determinado valor de α, o coeficiente de
sustentação decresce rapidamente. Este ângulo de ataque é
denominado ângulo de estol.
O estudo do estol representa um elemento de extrema
importância para o projeto de um avião, uma vez que
proporciona a determinação de parâmetros importantes de
desempenho, como por exemplo, a mínima velocidade da
aeronave e a determinação dos comprimentos de pista
necessários ao pouso e decolagem.
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Características do Estol
O estol é provocado pelo descolamento do escoamento
na superfície superior da asa, esse descolamento é
devido a um gradiente adverso de pressão que possui a
tendência de fazer com que a camada limite se
desprenda no extradorso da asa.
Conforme o ângulo de ataque aumenta, o gradiente de
pressão adverso também aumenta, e para um
determinado valor de α, ocorre a separação do
escoamento no extradorso da asa de maneira repentina.
Quando o descolamento ocorre, o coeficiente de
sustentação decresce drasticamente e o coeficiente de
arrasto aumenta rapidamente.
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Representação do Estol
A figura mostra a curva
característica CL versus α para
uma asa qualquer, onde são
apresentados dois pontos
principais. No ponto A verificase o escoamento
completamente colado ao
perfil e, no ponto B nota-se o
escoamento separado,
indicando assim, uma
condição de estol.
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Velocidade de Estol
Representa a mínima velocidade com a qual é possível
se manter o vôo reto e nivelado da aeronave. Essa
velocidade pode ser calculada a partir da equação
fundamental da sustentação.
Para se obter boas qualidades de desempenho de uma
aeronave, é desejável que se obtenha o menor valor
possível para a velocidade de estol, pois dessa forma, o
avião conseguirá se sustentar no ar com uma
velocidade baixa, além de necessitar de um menor
comprimento de pista tanto para decolar como para
pousar.
v estol =
2 ⋅W
ρ ⋅ S ⋅ C Lmáx
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Análise da Equação da Velocidade de Estol
Avaliando-se as variáveis presentes na equação, nota-se que um aumento do peso
contribui de maneira negativa para a redução da velocidade de estol. Porém em
projetos da natureza do AeroDesign, o aumento do peso é um ponto fundamental
para um bom desempenho da equipe, uma vez que a carga útil carregada
representa a conquista de muitos pontos.
A densidade do ar também contribui de forma negativa, pois seu valor torna-se cada
vez menor conforme a altitude aumenta, e, assim, a minimização da velocidade de
estol passa a ser dependente somente dos aumentos da área da asa e do
coeficiente de sustentação máximo.
O aumento da área da asa de forma excessiva pode piorar em muito o desempenho
da aeronave, pois da mesma forma que aumenta o valor da força de sustentação
gerada, também proporciona um aumento na força de arrasto, portanto, conclui-se
que o parâmetro mais eficiente para se reduzir à velocidade de estol é utilizar um
valor de CLmáx tão grande quanto possível, e isso recai na escolha adequada do
perfil aerodinâmico da asa.
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Ensaio em Vôo para Determinação do Estol
A fotografia apresentada mostra uma situação onde pode-se observar claramente o
descolamento da camada limite próxima à raiz da asa, indicando assim uma situação
de estol.
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Influência da Forma da Asa na Propagação do Estol
A forma como o estol se propaga ao longo da envergadura de uma asa depende da
forma geométrica escolhida e representa um elemento importante para a
determinação da localização das superfícies de controle (ailerons) e dispositivos
hipersustentadores (flapes).
Em uma asa trapezoidal, o ponto do primeiro estol ocorre em uma região localizada
entre o centro e a ponta da asa, e sua propagação ocorre no sentido da ponta da
asa. Esta situação é muito indesejada, pois uma perda de sustentação nesta região
é extremamente prejudicial para a capacidade de rolamento da aeronave uma vez
que os ailerons geralmente se encontram localizados na ponta da asa.
Particularmente, essa situação é muito indesejada em baixas alturas de vôo, pois
uma ocorrência de estol com perda de comando dos ailerons na proximidade do solo
praticamente inviabiliza a recuperação do vôo estável da aeronave.
Para o caso de uma asa com forma geométrica retangular, a região do primeiro estol
ocorre bem próximo à raiz da asa, e, dessa forma, a região mais próxima da ponta
continua em uma situação livre do estol, permitindo a recuperação do vôo da
aeronave fazendo-se uso dos ailerons que se encontram em uma situação de
operação normal.
Da mesma forma que ocorre na asa retangular, uma asa com forma geométrica
elíptica também proporciona uma propagação da região de estol da raiz para a ponta
da asa.
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Modelos de Propagação do Estol sobre a Asa
A figura mostra as formas mais tradicionais citadas e
suas respectivas propagações de estol.
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Torção Geométrica
A grande maioria das aeronaves possui asa afilada, e uma das
soluções utilizadas para se evitar o estol de ponta de asa é a
aplicação da torção geométrica, ou seja, as seções mais próximas à
ponta da asa possuem um ângulo de incidência menor quando
comparadas às seções mais internas.
A torção geométrica é conhecida na nomenclatura aeronáutica por
“washout”. A figura mostra um exemplo de torção geométrica em
asas.
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Utilização de Flapes na Aeronave
Os flapes são dispositivos hiper-sustentadores que consistem de abas ou
superfícies articuladas existentes nos bordos de fuga das asas de um
avião, quando estendidos aumentam a sustentação e o arrasto de uma asa
pela mudança da curvatura do seu perfil e do aumento de sua área.
Geralmente, os flapes podem ser utilizados em dois momentos críticos do
vôo:
a) durante a aproximação para o pouso, em deflexão máxima, permitindo
que a aeronave reduza a sua velocidade de aproximação, evitando o estol.
Com isso a aeronave pode tocar o solo na velocidade mais baixa possível
para se obter o melhor desempenho de frenagem no solo e reduzindo
consideravelmente o comprimento de pista para pouso.
b) durante a decolagem, em ajuste adequado para produzir a melhor
combinação de sustentação (máxima) e arrasto (mínimo), permitindo que a
aeronave percorra a menor distância no solo antes de atingir a velocidade
de decolagem.
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Localização dos Flapes
Os flapes normalmente se encontram localizados no
bordo de fuga próximos à raiz da asa como pode ser
observado na figura.
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Tipos de Flapes
Basicamente os flapes podem ser utilizados
em uma aeronave como forma de se obter
os maiores valores de CLmáx durante os
procedimentos de pouso e decolagem sem
penalizar o desempenho de cruzeiro da
aeronave.
Os flapes podem ser definidos como
artifícios
mecânicos
que
alteram
temporariamente a geometria do perfil e
conseqüentemente da asa.
A figura mostra os principais tipos de flapes
utilizados nas aeronaves.
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Influência da Aplicação dos Flapes na Curva
CL versus α
O efeito provocado pela aplicação dos flapes pode ser
visualizado na figura, onde, na qual, pode-se notar um
considerável aumento no valor do CLmáx sem que ocorra
nenhuma mudança do coeficiente angular da curva CL
versus α.
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Modelo Matemático para Utilização de Flapes
Como a aplicação dos flapes proporciona um aumento no
arqueamento do perfil percebe-se que a curva CL versus α
sofre um deslocamento para a esquerda acarretando em uma
diferença de ângulo de ataque para se obter a sustentação
nula e também um menor ângulo de estol quando comparado
a uma situação sem flape.
O coeficiente de sustentação máximo obtido pela aplicação
dos flapes pode ser estimado de acordo com McCormick,pela
aplicação da equação a seguir.
A variável x representa a fração de aumento na corda do
perfil originada pela aplicação dos flapes.
C Lmáxcf = (1 + x) ⋅ C Lmáxsf
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Tema da Próxima Aula
Distribuição Elíptica de Sustentação.
Aproximação de Schrenk para Asas com
Forma Geométrica Diferentes da Elíptica.
Arrasto em Aeronaves.
Efeito Solo.