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ESTUDO DAS PROPRIEDADES DA ASA TRELIÇA
João Nivaldo Trevisan- Orientador Paulo Heredia Padin Junior Vanessa da Cruz Galindo Samuel Vieira da Silva Vitor Esmerindo de Souza Ferreira Bianca Thamires de Siqueira Otavio Bezerra da Nobrega III Matheus Henrique Siqueira Cabral Vitória da Cruz Galindo Centro Universitário Brazcubas Engenharia Mecânica, 7 º semestre Av. Francisco Rodrigues Filho, 1233- Mogilar CEP: 08773- 380 joao.trevisan@brazcubas.br paulo_heredia@live.com vanessacgalindo@gmail.com samuelvieiradasilva103@gmail.com esmerindo.souza@gmail.com biancathamires.siqueira@gmail.com otavionobrega@hotmail.com matheush.cabral98@hotmail.com vitoriagalindo@outlook.com Resumo: Este documento apresenta um compêndio de fundamentação teórica do tema asa de aeronaves, o mesmo foi fundamentado a partir dos artigos cientificos citados nas referências no final do artigo, nele estão contidas informações sobre aerodinâmica, física e componentes que geram a estrutura de uma asa e a fazem funcionar, em adcional informações sobre o modelo conceitual da asa treliça e suas propriedades. Palavras-chave: Engenharia mecânica; Aviação; Asa treliça.
1. Introdução O objetivo deste estudo é identificar as propriedades do modelo conceitual de asa treliça e sua finalidade. Desde os primórdios da civilização o ser humano desenvolve tecnologias que servem para melhoria de vida, com a aviação não é diferente existem evidencias de esboços de “máquinas voadoras” em antigas civilizações como a egípcia e grega. O inventor italiano Leonardo Da Vinci que esboçou e criou uma dessas máquinas no século XV, não há indícios que o protótipo conseguiu alçar voo, mas demonstra que a meta de voar é mais antiga do que geralmente discutida.
ESTUDO DAS PROPRIEDADES DA ASA TRELIÇA João Trevisan, Paulo Heredia; Samuel Vieira, Vitor Esmerindo, Bianca Siqueira, Matheus Cabral, Vitória Galindo, Otávio Já no final do século XIX para o começo do XX houve uma intensa disputa, para criar uma máquina voadora mais pesada do que o ar, existem diversas controvérsias sobre quem seria o pai ou pais da aviação, entre o brasileiro Santos Dumont e os irmãos americanos Wilbur e Orville Wright, em 1906 o brasileiro alçava voo em Paris com seu modelo 14-bis e recebia o título de pai da viação diante de diversas testemunhas dado pela comissão oficial do aeroclube da França, porém três anos antes em 1903 os irmãos Wright realizaram um voo em sigilo diante de poucas testemunhas com seu modelo “Flyer I” , que era auxiliado por um sistema de trilhos para que pudesse decolar, os irmãos relataram a experiência para a imprensa, porém não foram levados a sério, após outros testes o protótipo ficou inviabilizado de voar por conta dos danos sofridos, apenas em 1908 os dois modelos puderam ser comparados, enquanto o modelo 14-bis do brasileiro só conseguia voar em círculos, o modelo dos irmãos americanos podia realizar curvas mais controladas devido a um sistema de três eixos, mostrando que era um trabalho com mais anos de desenvolvimento, este voo público rendeu aos irmãos o reconhecimento de seu trabalho e o título de primeiro voo com uma máquina mais pesada que o ar, a controvérsia se dá pelos parâmetros estipulados pela comissão oficial do aeroclube da França, a máquina devia decolar de forma autônoma, ser completamente controlada pelo piloto, e terem as demonstrações supervisionadas por esta comissão, levando em conta o primeiro item faz com que Santos Dumont seja o primeiro homem a voar com uma máquina mais pesada que o ar de forma autônoma. Com o início da primeira guerra mundial a aviação tomou um grande impulso, devido ao poderio bélico adicionado aos aviões, com esse avanço se consolidando nas décadas de 1920/30. Já o transporte internacional em larga escala passa a ser utilizado após o fim da segunda guerra mundial, com modelos cada vez maiores e mais velozes. No início da década de 70 surgem os primeiros modelos capazes de transportar até 400 pessoas. E desde então surgem novos modelos de aeronaves cada vez mais aprimoradas, com o mercado sendo dominado pela Airbus e pela Boeing, empresas europeia e americana respectivamente. Com isso essas empresas buscam cada vez aprimorar mais os seus modelos e tecnologias de suas aeronaves. Todas as partes de um avião são importantes para que ele possa voar, mas as asas são a peça chave para que essa máquina gigante possa voar e plainar nos ares, parte cuja aerodinâmica, resistência e outros fatores devem ser calculados e desenvolvidos perfeitamente, para garantir segurança em um voo.
ESTUDO DAS PROPRIEDADES DA ASA TRELIÇA João Trevisan, Paulo Heredia; Samuel Vieira, Vitor Esmerindo, Bianca Siqueira, Matheus Cabral, Vitória Galindo, Otávio 2.2 – Superfícies de controle da asa 2.2.1 - Flaps: são responsáveis pelo aumento de sustentação e arrasto e pela diminuição de velocidade. Geralmente esses componentes são acionados em baixa velocidade, gerando o chamado voo reduzido ou também nos procedimentos de aproximação e pouso. Também podem ser usados em decolagens realizadas em pequenas pistas, originando uma maior área da asa que gera menor velocidade para sair do solo. Podem ser usados como freios aerodinâmicos, pois ajudam com maior desaceleração. 2.2.2 - Ailerons: são as superfícies primárias de controle e fazem parte da área total da asa. Usados no controle da rotação da aeronave, funcionam de forma alternada, ou seja, enquanto um sobe o outro desce (o mesmo acontece com as asas), este movimento cria uma diferença entre as forças que cada uma gera, este procedimento é usado diversas vezes durante o voo, sendo empregado principalmente para realizar curvas. Os ailerons são na maioria das vezes fixados por dobradiças na longarina do aileron ou na longarina traseira da asa, funcionam pelo movimento de rotação do volante ou pelo movimento lateral do joystick. 2.2.3 - Slats: ficam no bordo de ataque da asa, este dispositivo aumenta a curvatura da asa, mas não aumenta a área da mesma, assim aumentando a força de sustentação, diferente dos flaps não são usadas para diminuir velocidade em pleno voo, apenas são acionados na aterrissagem e decolagem. 2.2.4 - Spoilers: são utilizados na quebra de sustentação da asa, como função secundária aumentam o coeficiente de arrasto, o que ajuda os flaps a diminuírem a velocidade do avião, também podendo auxiliar os ailerons em manobras de curvas, isto depende da aeronave e da configuração usada nos spoilers. 2.2.5 - Winglet: uma pequena aba que fica na ponta da asa, tem como objetivo reduzir o arrasto do ar, fazendo com que haja um ganho de velocidade e economia do combustível.
ESTUDO DAS PROPRIEDADES DA ASA TRELIÇA João Trevisan, Paulo Heredia; Samuel Vieira, Vitor Esmerindo, Bianca Siqueira, Matheus Cabral, Vitória Galindo, Otávio Fig. 2 – Superfícies de controle Fonte: Formação RSB/Google Imagens 2.3 – Perfis de asa 2.3.1 – Asa trapezoidal: não muito eficiente em termos de estrutura, porém sua aerodinâmica é relativamente boa para voos subsônicos. 2.3.2 – Asa enflechada: perfil mais usado em aeronaves de voos comerciais, atinge grandes velocidades em níveis subsônicos. Suas principais vantagens são sua aerodinâmica e a fácil confecção. 2.3.3 – Asa em delta: usadas para aeronaves capazes de atingir velocidades supersônicas, esse perfil de asa tem a capacidade de permanecer inteiramente dentro do vórtice de choque, efeito causado quando se rompe a barreira do som, o que impossibilita que as ondas de choques geradas por este fenômeno danifiquem o avião.
ESTUDO DAS PROPRIEDADES DA ASA TRELIÇA João Trevisan, Paulo Heredia; Samuel Vieira, Vitor Esmerindo, Bianca Siqueira, Matheus Cabral, Vitória Galindo, Otávio Fig. 5 – Asa em delta Fonte: Sgt. David S. Nolan, US Air Force/ Google Imagens
3. Funcionamento da asa Conforme o desenvolvimento tecnológico aumenta, muitos problemas que antes não tinham solução são resolvidos, foi assim com as aeronaves que tinham como seu maior obstáculo seu peso força gerada pela força de gravidade. Após diversos estudos de muitos cientistas de épocas distintas, foi constatado que o ar que é o fluído responsável pela sustentação do avião, é composto por outros elementos como água, nitrogênio e oxigênio, o que faz com que possa ocorrer alterações de grandezas como pressão, densidade e temperatura. E são essas mudanças na atmosfera que se relacionam com as diferenças de temperatura e pressão, junto de outras massas de ar que circulam que dão origem ao deslocamento de camadas, que por sua vez dão início aos ventos que serão úteis ou desfavoráveis durante o voo. As grandezas vetoriais exercem importantes funções a respeito deste tema, onde todas as forças são vetoriais, ou seja, velocidade, pressão e aceleração, onde massa, densidade e temperatura são escalares. Quando o vento está a favor da aeronave temos uma soma vetorial, fazendo com que os vetores sejam muito utilizados, criando todo tipo de resultantes, tanto na vertical como peso e sustentação ou na horizontal como arrasto e tração, quando voando em velocidade constante a soma de todas as forças do avião é nula. 3.1 – Forças
ESTUDO DAS PROPRIEDADES DA ASA TRELIÇA João Trevisan, Paulo Heredia; Samuel Vieira, Vitor Esmerindo, Bianca Siqueira, Matheus Cabral, Vitória Galindo, Otávio 3.1.1 – Força de sustentação: Ao realizar deslocamento pelo ar a aeronave gera um fenômeno em sua asa, que cria uma força para cima no sentido inverso da força peso, a então chamada força de sustentação. Isto se dá pelo fato da asa ser construída de forma que sua parte superior (extradorso) tenha uma área maior do que sua parte inferior (intradorso), quando o avião voa em alta velocidade seu escoamento de ar é mais veloz na parte de cima da asa, porque a aérea a ser percorrida é maior do que na parte inferior. Esta diferença de velocidades, gera uma diferença de pressões, de acordo com a equação de Bernoulli, 𝜌𝑣² 2
𝑔 = 𝑎𝑐𝑒𝑙𝑒𝑟𝑎çã𝑜 𝑑𝑎 𝑔𝑟𝑎𝑣𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 ℎ = 𝑎𝑙𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑒𝑚 𝑟𝑒𝑙𝑎çã𝑜 𝑎 𝑢𝑚 𝑟𝑒𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎𝑙 𝑝 = 𝑝𝑟𝑒𝑠𝑠ã𝑜 𝑎𝑜 𝑙𝑜𝑛𝑔𝑜 𝑑𝑜 𝑟𝑒𝑐𝑒𝑝𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝜌 = 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑒𝑠𝑝𝑒𝑐í𝑓𝑖𝑐𝑎 𝑑𝑜 𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑜 No extradorso onde a velocidade é maior, a pressão gerada é menor que no intradorso onde a velocidade é menor, gerando uma força de sustentação contrária à força peso, e quanto maior a velocidade do avião, maior será essa força. Esta força é controla por meio dos ailerons, que permitem que o perfil da asa seja modificado. Esta força pode ser analiticamente calculada pela seguinte equação, 𝐿 = 𝐶𝑙
𝐶𝑙 = 𝑐𝑜𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑠𝑢𝑠𝑡𝑒𝑛𝑡𝑎çã𝑜 𝜌 = 𝑑𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 𝑑𝑜 𝑎𝑟 𝑆 = á𝑟𝑒𝑎 𝑑𝑎 𝑠𝑢𝑝𝑒𝑟𝑓í𝑐𝑖𝑒 𝑑𝑎 𝑎𝑠𝑎 𝑣 = 𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 𝑑𝑎 𝑎𝑒𝑟𝑜𝑛𝑎𝑣𝑒 𝐿 = 𝑓𝑜𝑟ç𝑎 𝑑𝑒 𝑠𝑢𝑠𝑡𝑒𝑛𝑡𝑎çã𝑜 (𝐿𝑖𝑓𝑡) 3.1.2 – Força de arrasto: o arrasto é uma força aerodinâmica que se forma devido à resistência do ar, se opondo ao avanço de determinado corpo. Esta força está ligada a alguns fatores como a forma do corpo, sua rugosidade e o efeito gerado pela diferença de pressões entre a parte superior e inferior da asa. Podendo ser dividido em três formas de arrasto:
ESTUDO DAS PROPRIEDADES DA ASA TRELIÇA João Trevisan, Paulo Heredia; Samuel Vieira, Vitor Esmerindo, Bianca Siqueira, Matheus Cabral, Vitória Galindo, Otávio O peso também é um fator importante na decolagem e pouso da aeronave, quanto mais pesado o avião, maior deverá ser a pista de decolagem/aterrissagem, para que o mesmo possa atingir velocidade o suficiente para gerar uma força de sustentação que anule a força peso. Fig. 6 – Forças presentes em um avião Fonte: Manual do piloto/Google imagens Fig. 7 – Escoamento do ar pela asa da aeronave Fonte: Fundamentos da Engenharia Aeronáutica - Aplicações ao Projeto SAE-AeroDesign/Google Imagens
4. Asa treliça A asa treliça ou asa enflechada com suporte em treliça, é modelo conceitual de asa que está sendo desenvolvido pela empresa americana Boeing em conjunto com a NASA. A demanda por aviação sustentável deve aumentar com a necessidade de redução do impacto ambiental, este foi o principal motivo que levou a Boeing a aderir a este projeto. Os maiores transportes hoje operam dentro da melhor faixa de cruzeiro de 18-20 usando o design convencional de tubo e asa. Esta configuração teve grandes melhorias na eficiência aerodinâmica ao longo do século passado, conforme as melhorias aerodinâmicas foram incrementadas. Uma grande oportunidade tem sido mostrada nos últimos anos para reduzir
ESTUDO DAS PROPRIEDADES DA ASA TRELIÇA João Trevisan, Paulo Heredia; Samuel Vieira, Vitor Esmerindo, Bianca Siqueira, Matheus Cabral, Vitória Galindo, Otávio significativamente o peso e o arrasto de forma, melhorando a eficiência energética, com o uso de materiais leves, como compósitos. O modelo do Boeing 787 é um exemplo de um design de estrutura moderna que emprega estruturas leves. O design de asa de alta proporção pode oferecer outra oportunidade para melhorias adicionais na eficiência energética. A demanda por aviação sustentável deve aumentar com a necessidade de redução do impacto ambiental, este foi o principal motivo que levou a Boeing a aderir a este projeto. Os maiores transportes hoje operam dentro da melhor faixa de cruzeiro de 18-20 usando o design convencional de tubo e asa. Esta configuração teve grandes melhorias na eficiência aerodinâmica ao longo do século passado, conforme as melhorias aerodinâmicas foram incrementadas. Uma grande oportunidade tem sido mostrada nos últimos anos para reduzir significativamente o peso e o arrasto de forma, melhorando a eficiência energética, com o uso de materiais leves, como compósitos. O modelo do Boeing 787 é um exemplo de um design de estrutura moderna que emprega estruturas leves. O design de asa de alta proporção pode oferecer outra oportunidade para melhorias adicionais na eficiência energética. Historicamente, o estudo das asas de alta proporção foi intimamente ligado ao estudo da aero elasticidade e vibração. Estes estudos procuraram desenvolver ferramentas e métodos para analisar os efeitos aero elásticos, lançando as bases para mais aeronaves de asa moderna com alta relação de aspecto, como a asa treliça. Originalmente sugerido pela Northrop Grumman para o desenvolvimento de um bombardeiro de longo alcance, a ideia de usar estruturas de treliça para aliviar os momentos de curvatura de uma asa de longo alcance culminou em mais de uma década de trabalho focado na compreensão das propriedades aero elásticas e penalidades de peso estrutural devido à asa mais aerodinamicamente eficiente. O conceito de aeronave “Subsonic Ultra Green Aircraft Research” (pesquisa de aeronave sustentável transônica) com asa treliça é um modelo de aeronave desenvolvido pela Boeing e financiada pela NASA. O conceito de aeronave com asa treliça é projetado para ser aerodinamicamente eficiente, e significativamente maior do que as asas de aeronaves convencionais. Como resultado, suportes estruturais intermediários são necessários. As asas principais estão apoiadas em aproximada metade do vão por duas treliças principais. Além disso, dois suportes de emergência, um em cada asa como reforço adicional. Após testes em túneis de vento a Boeing espera obter uma redução no consumo de combustível de 8% a 10%, o modelo também poderá chegar a velocidade de 980 km/h em voo de cruzeiro, chegando a velocidade transônica ultrapassando a dos atuais modelos que voam em velocidades subsônicas (entre 800 a 900 km/h), mas ainda bem inferior em relação as aeronaves que voam em velocidades supersônicas.
ESTUDO DAS PROPRIEDADES DA ASA TRELIÇA João Trevisan, Paulo Heredia; Samuel Vieira, Vitor Esmerindo, Bianca Siqueira, Matheus Cabral, Vitória Galindo, Otávio p.1844-1856, nov. 2012. American Institute of Aeronautics and Astronautics (AIAA). http://dx.doi.org/10.2514/1.c031695. BHATIA, Manav et al. Structural Design of a Truss Braced Wing: Potential and Challenges. 50th Aiaa/asme/asce/ahs/asc Structures, Structural Dynamics, And Materials Conference, [s.l.], p.1-23, 4 maio 2009. American Institute of Aeronautics and Astronautics. http://dx.doi.org/10.2514/6.2009-2147.
