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DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA AEROESPACIAL TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO ESTUDO CONCEITUAL DE UM EVTOL PARA TRANSPORTE URBANO EM MASSA Paulo Henrique Caires Rocha Varges Belo Horizonte 2018

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Page 1: DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA CURSO DE …...Ozires Silva . Resumo Este trabalho tem como objetivo apresentar um estudo conceitual sobre o anteprojeto de uma aeronave que tenha

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA

CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA

AEROESPACIAL

TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO

ESTUDO CONCEITUAL DE UM EVTOL

PARA TRANSPORTE URBANO EM MASSA

Paulo Henrique Caires Rocha Varges

Belo Horizonte

2018

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Paulo Henrique Caires Rocha Varges

ESTUDO CONCEITUAL DE UM EVTOL

PARA TRANSPORTE URBANO EM MASSA

Trabalho apresentado como requisito parcial para a Conclusão do Curso de

graduação em Engenharia Aeroespacial do Departamento de Engenharia Mecânica

da Universidade Federal de Minas Gerais.

Área de concentração: Projeto de aeronaves.

Orientador: Prof. Eduardo Bauzer Medeiros

DEMEC, UFMG.

Belo Horizonte, Minas Gerais

10 de dezembro de 2018

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Agradecimentos

Dedico este trabalho às pessoas que me ajudam a alcançar o sucesso, indo de

fracasso em fracasso sem perder o entusiasmo.

Aos colegas de faculdade que me ajudaram nos dias difíceis, estudando,

consolando, ou mesmo compartilhando dos almoços na universidade, foram tantas

experiências que tive a honra de compartilhar. Obrigado Raquel, Tiago, Daniel,

Thais, Samuel e todos os outros que estiveram comigo, foi um grande orgulho

estudar com vocês.

Aos colegas de trabalho, sempre dispostos a ajudar e a passar seu conhecimento,

foi uma grande honra poder fazer estágio na Embraer com pessoas tão boas e

capacitadas, obrigado Otto, Fred, Alex, Pedro, João, Leo, Rodrigo, Areal e todos de

São José dos Campos que tanto me ajudaram. Obrigado ao pessoal de BHZ,

Pedreiro, Leandro, Fernando, Luana, André, Marina, Mario e todos do escritório

BHZ, vocês foram os melhores colegas que eu poderia ter. Tenho certeza que todo

o conhecimento repassado, as dicas e ensinamentos, vão ser balizadores da minha

vida. Obrigado pela humildade e paciência, espero conseguir reproduzir tudo que me

foi ensinado e me tornar um grande engenheiro, como vocês são!

À minha família que sempre me apoiou e me deu a oportunidade de me dedicar a

uma grande universidade e ao meu curso dos sonhos. Obrigado vó e obrigado tia,

por todo o apoio que sempre me deram.

Finalmente obrigado Luiza, por estar ao meu lado e por ser a melhor namorada, tudo

que faço é para poder viver uma vida feliz ao seu lado, obrigado pela paciência, por

entender todas as noites que fiquei estudando, todas as reclamações e

inseguranças. Você é a minha motivação mais importante!

Page 5: DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA CURSO DE …...Ozires Silva . Resumo Este trabalho tem como objetivo apresentar um estudo conceitual sobre o anteprojeto de uma aeronave que tenha

“Ninguém consegue subir a escada do sucesso sem se dedicar muito, não pensei

em desistir nunca, a palavra desistir quase não existe em meu dicionário”

Ozires Silva

Page 6: DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA CURSO DE …...Ozires Silva . Resumo Este trabalho tem como objetivo apresentar um estudo conceitual sobre o anteprojeto de uma aeronave que tenha

Resumo

Este trabalho tem como objetivo apresentar um estudo conceitual sobre o

anteprojeto de uma aeronave que tenha capacidade de decolagem e pouso vertical,

tenha motorização totalmente elétrica, seja capaz de transportar com segurança

quatro passageiros e possa ser usada para o transporte urbano em massa nas

grandes cidades, com um custo acessível para a população. As etapas desse estudo,

consistem em estudar várias possibilidades e conceitos que possam integrar a

aeronave e no final, apresentar um modelo de aeronave, fazendo alguns cálculos

preliminares sobre a forma em planta, potência requerida, motorização disponível,

estabilidade e mecânica do voo básicas. Também serão analisadas de forma

superficial, as vantagens na operação desse tipo de aeronave e os custos envolvidos

na fabricação e operação da mesma. Ao final do estudo será apresentado um modelo

de aeronave que represente os conceitos estudados e será feita uma análise de

viabilidade, citando os maiores problemas de sua implementação.

Palavras chaves: VTOL, EVTOL, Uber Elevate, propulsão elétrica, estudo conceitual,

projeto de aeronaves, anteprojeto, cálculos preliminares.

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Abstract

The objective of this work is to present a conceptual study on the design

of an aircraft that has vertical takeoff and landing capability, is fully electrically powered,

is capable of safely transporting four passenger, can be used for mass urban transport

in large cities and is accessible to the population in terms of cost. Several possibilities

and concepts for the aircraft are studied. Preliminary calculations on the aircraft layout,

required power, available power, stability and flight mechanics of the aircraft are

performed. The advantages in the operation of this type of aircraft and the costs

involved in its manufacture and operation will also be analyzed in a superficial way. At

the end of the study will be presented an aircraft model that represents the concepts

studied and will be made an analysis of the aircraft's feasibility, citing the major

problems of its implementation.

Key words: VTOL, EVTOL, Uber Elevate, electric propulsion, advanced project.

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Lista de figuras

Figura 1 Carro voador desenho Jetsons Página 15

Figura 2 Helicóptero de Leonardo Da Vinci Página 19

Figura 3 Primeiro helicóptero controlável desenvolvido Página 19

Figura 4 Primeiro helicóptero produzido em massa Sikorsky Página 20

Figura 5 Primeiro avião elétrico registrado Electravia Página 21

Figura 6 Primeiro avião elétrico brasileiro Sora-e Página 21

Figura 7 F-Helicopter Página 23

Figura 8 BlackFly Página 23

Figura 9 Volocopter Página 24

Figura 10 Zee Aero Página 24

Figura 11 Protótipo 2 Volocopter Página 25

Figura 12 Tier Robinson R.44 Página 25

Figura 13 Lilium-Jet Página 26

Figura 14 Astro AA 360 Página 26

Figura 15 Protótipo 2 Zee Aero Página 27

Figura 16 Kitty Hawk Cora Página 27

Figura 17 Vahana Airbus Página 28

Figura 18 E Hang184 Página 28

Figura 19 Workhorse SureFly Página 29

Figura 20 Comparativo motores aeronáuticos Página 42

Figura 21 Evolução Histórica de densidade energética e do custo

das baterias

Página 43

Figura 22 Materiais constituintes das baterias Página 43

Figura 23 Modelo 1 de Vertiport Página 44

Figura 24 Modelo 2 Vertiport Página 45

Figura 25 Estimativa de uma viagem EVTOL Página 47

Figura 26 Certificação e tipologia do projeto Página 49

Figura 27 Desconforto de acordo com ruído em decibel Página 50

Figura 28 Desenho em vista superior da aeronave Página 53

Figura 29 Desenho em vista frontal da aeronave Página 54

Figura 30 Desenho em vista lateral da aeronave Página 54

Figura 31 Requisitos de conforto ANAC Página 56

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Figura 32 Simulação CFD de uma fuselagem curta Página 57

Figura 33 Características de perfis NACA série 6 Página 64

Figura 34 Características de perfis Wortmann Página 64

Figura 35 Características de perfis HQ Página 65

Figura 36 Perfil NACA 65 (2) 415 Página 65

Figura 37 Perfil NACA 65 (2) 415 - Gráfico cl x cd e cl x Alpha Página 66

Figura 38 Perfil NACA 65 (2) 415 - Gráfico cl_cd x Alpha e cd x Alpha Página 66

Figura 39 Perfil NACA 65 (2) 415 - Gráfico cm x Alpha Página 67

Figura 40 Esboço das empenagens Página 71

Figura 41 Perfil NACA 64 (t) 012 Página 72

Figura 42 Perfil NACA 64 (t) 012 - Gráfico cl x cd e cd x Alpha Página 72

Figura 43 Perfil NACA 64 (t) 012 - Gráfico cl_cd x Alpha e cd x Alpha Página 73

Figura 44 Perfil NACA 64 (t) 012 - Gráfico cm x Alpha Página 73

Figura 45 Pack de baterias Oxis Energy Página 86

Figura 46 Bonde elétrico preso a fio Página 87

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Lista de Gráficos

Gráfico 1 Comprimento da fuselagem Página 33

Gráfico 2 Altura da fuselagem Página 33

Gráfico 3 Envergadura da asa Página 34

Gráfico 4 Área da asa Página 34

Gráfico 5 Peso vazio Página 35

Gráfico 6 Peso máximo de decolagem Página 36

Gráfico 7 Alcance das aeronaves Página 37

Gráfico 8 Teto de operação Página 37

Gráfico 9 Velocidade de cruzeiro Página 38

Gráfico 10 Potência total requerida em Hp Página 39

Gráfico 11 Densidade (Hp/m²) Página 39

Gráfico 12 Carregamento de disco (kg/m²) Página 40

Gráfico 13 Missão típica Página 51

Gráfico 14 Alcance missão típica Página 51

Gráfico 15 Representação do comprimento na tabela comparativa Página 55

Gráfico 16 Comparação da altura da aeronave Página 58

Gráfico 17 Comparação peso máximo de decolagem Página 59

Gráfico 18 Comparação carga útil Página 60

Gráfico 19 Comparação área de asa Página 60

Gráfico 20 Comparativo de velocidade da aeronave Página 61

Gráfico 21 Carga na asa Página 76

Gráfico 22 Relação potência hover por peso Página 78

Gráfico 23 Carregamento de disco Página 79

Gráfico 24 Exemplo de mapa de eficiências das hélices Página 81

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Lista de Tabelas

Tabela 1 Compilação de dados de aeronaves relevantes Página 31

Tabela 2 Aeronaves selecionadas para tabela comparativa de

dimensões

Página 32

Tabela 3 Aeronaves selecionadas para tabela comparativa de

pesos

Página 35

Tabela 4 Aeronaves selecionadas para tabela de desempenho Página 36

Tabela 5 Aeronaves selecionadas para tabela de propulsão Página 38

Tabela 6 Quantidade de acidentes no EUA 2017 Página 46

Tabela 7 Graus de autonomia em voo Página 48

Tabela 8 Dados da asa CEA-ELEVATE Página 75

Tabela 9 Dados aileron CEA-ELEVATE Página 75

Tabela 10 Dados empenagem horizontal CEA-ELEVATE Página 76

Tabela 11 Dados empenagem vertical CEA-ELEVATE Página 76

Tabela 12 Comparação de potência de hover calculadas para

helicópteros

Página 78

Tabela 13 Comparação de motores elétricos Página 80

Tabela 14 Especificações Oxis Energy Página 82

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Lista de abreviaturas e siglas

EVTOL Electric Vertical Takeoff and Landing

STOL Short Takeoff and Landing

VTOL Vertical Takeoff and Landing

NASA National Aeronautics and Space

Administration

CFD Computational Fluid Dynamics

CAD Computer Aided Design

NACA National Advisory Committee for Aeronautics

Hp Horse power

kW Quilowatt

P Potência

ft Pé

kW/h Quilowatt / hora

Wh/l Watt hora / litro

dB Decibel

VT Vertical tail

K Kelvin

kg/m² Quilograma / metro quadrado

Cl Coeficiente de sustentação

AR Alongamento

b Envergadura

cmg Corda média geométrica

cma Corda media aerodinâmica

Re Número de Reynolds

Cd Coeficiente de arrasto

Cm Coeficiente de momento

𝛼 Ângulo de ataque

L/D Sustentação / arrasto

CG Centro de gravidade

CA Centro aerodinâmico

VHT Volume de cauda empenagem horizontal

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LHT Distância do CA da empenagem horizontal ao

CG

SHT Área empenagem horizontal

VVT Volume de cauda da empenagem vertical

LVT Distância do CA da empenagem vertical ao CG

SVT Área da empenagem vertical

S Área da asa

b_ail Envergadura do aileron

𝜌 Densidade

Ap Área de disco

Cp Coeficiente de pressão

Wh/kg Watt-hora/ quilograma

g gravidade

MTOW Peso máximo decolagem

µ Viscosidade dinâmica

Cl_máx Coeficiente de sustentação máximo

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Sumário

1 - Introdução ....................................................................................................... 15

1.1 Objetivo ........................................................................................................ 17

1.2. Justificativa ................................................................................................... 17

2 – Revisão Bibliográfica ........................................................................................ 18

2.1. Introdução ................................................................................................... 18

2.2. Histórico ....................................................................................................... 18

3 - Metodologia de projeto .................................................................................. 30

3.1 Tabela Comparativa ..................................................................................... 30

3.2 Dimensões ....................................................................................................... 32

3.2.1 Análise do comprimento da fuselagem ..................................................... 33

3.2.2 Análise da altura da fuselagem ................................................................. 33

3.2.3 Análise da envergadura ............................................................................ 34

3.2.4 Análise da área da asa ............................................................................. 34

3.3 Comparativo Pesos ...................................................................................... 35

3.3.1 Peso vazio ................................................................................................ 35

3.3.2 Análise peso máximo de decolagem ........................................................ 36

3.4 Tabela Comparativa Desempenho ............................................................... 36

3.4.1 Análise do alcance .................................................................................... 37

3.4.2 Análise do teto de operação ..................................................................... 37

3.4.3 Análise da velocidade de cruzeiro ............................................................ 38

3.5 Propulsão ..................................................................................................... 38

3.5.1 Análise da potência total instalada ............................................................ 39

3.5.2 Análise da densidade de potência pela área de disco .............................. 39

3.5.3 Análise do carregamento de disco ............................................................ 40

3.6 Especificações e requisitos .......................................................................... 40

3.6.1 Propulsão elétrica ..................................................................................... 40

3.6.2 Decolagem e pouso verticais .................................................................... 44

3.6.3 Requisitos de segurança........................................................................... 45

3.6.4 Requisitos de desempenho ....................................................................... 46

3.6.5 Requisitos de autonomia........................................................................... 47

3.6.6 Especificações sobre a certificação e valores investidos .......................... 48

3.6.7 Requisitos sobre ruídos ............................................................................ 49

3.7 Missões típicas ............................................................................................. 50

4 Resultados e discussões ................................................................................. 52

4.1 Anteprojeto ................................................................................................... 52

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4.1.1 Simplicidade .............................................................................................. 52

4.1.2 Menor custo .............................................................................................. 52

4.1.3 Segurança Operacional ............................................................................ 53

4.2 Desenho em planta ...................................................................................... 53

4.3 Características da aeronave ........................................................................ 55

4.3.1 Dimensões da fuselagem.......................................................................... 55

4.3.2 Dimensões da Asa .................................................................................... 58

4.3.3 Dimensões das empenagens .................................................................... 68

4.3.4 Dimensões do aileron ............................................................................... 74

4.3.5 Dimensões do trem de pouso ................................................................... 74

4.4 Tabelas de dados da aeronave .................................................................... 75

4.4.1 Dados da asa ............................................................................................ 75

4.4.2 Dados do aileron ....................................................................................... 75

4.4.3 Dados da empenagem horizontal ............................................................. 76

4.4.4 Dados da empenagem vertical ................................................................. 76

4.5 Propulsão ..................................................................................................... 77

4.5.1 Motores Verticais ...................................................................................... 77

4.5.2 Motores horizontais ................................................................................... 83

4.5.3 Considerações sobre os resultados de motores ....................................... 84

4.5.4 Baterias ..................................................................................................... 85

4.6 Considerações finais do anteprojeto ............................................................ 87

4.6.1 Rede de fios entre os vertiports ................................................................ 87

4.6.2 Carregamento por indução ....................................................................... 88

5 Conclusão ......................................................................................................... 89

6 Trabalhos futuros ............................................................................................. 90

7 Referências ....................................................................................................... 91

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15

1 - Introdução

Segundo dados do governo de São Paulo, em pesquisa encomendada ao

Jornal Estado de São Paulo em 2016 (fonte: Estadão), os paulistas perdem cerca de

duas horas por dia em média no trânsito. Esse problema vem crescendo nos últimos

anos e é apontado como um dos grandes vilões da qualidade de vida na sociedade

atual. Se cada vez mais pessoas necessitam de se locomover e os espaços para a

infraestrutura urbana são limitados, uma solução possível para o transporte urbano

em massa, pode ser aérea. Esse é o futuro que os filmes antigos imaginavam, um

futuro onde os carros voadores sejam responsáveis pelo transporte em massa dentro

das cidades.

Figura 1 - Carro voador desenho Jetsons

FONTE: (Foto: Reprodução/Slashgear)

O sonho, apesar de futurístico, pode ser uma realidade plausível. Os últimos

desenvolvimentos no setor de baterias elétricas com alta capacidade específica,

motores elétricos cada vez mais confiáveis e econômicos, aliados a um alto grau de

evolução tecnológica da indústria aeroespacial mundial, apontam para um

amadurecimento suficiente para a implementação desse tipo de transporte.

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16

A motivação deste estudo é analisar diversos conceitos relevantes na

implementação de um veículo EVTOL, fazendo um estudo conceitual das vantagens

e desvantagens, analisando outros projetos que sigam a mesma ideia e finalmente

propondo um modelo que possa ser construído em um futuro próximo.

Os helicópteros já conseguem mostrar as funcionalidades de uma decolagem

vertical, mas têm alto custo e são ruidosos, de modo que acabam gerando várias

restrições à sua operação, o que acaba inviabilizando seu uso para a população

comum.

Para analisar o custo, temos que partir da premissa que veículos de decolagem

vertical são mais complexos que carros comuns, isso fará com que sejam mais caros

que os modelos de carros populares atuais, porém cada usuário ter seu próprio veículo

talvez não seja o ideal, devido à baixa taxa de utilização dos veículos de uso de um

único dono, o que tende a ser ineficaz.

Graças à presença de empresas de aplicativos móveis de transporte, onde se

destaca a Uber, podemos imaginar no futuro, que os veículos de transporte urbano

possam ter um uso compartilhado eficiente. Hoje com os veículos da Uber, por

exemplo, o usuário do serviço não precisa possuir um veículo para usufruir do seu

serviço de transporte, pois um mesmo veículo pode ser utilizado por várias pessoas,

o que dilui o seu preço e justifica um produto com maior custo.

Um veículo EVTOL totalmente elétrico teria diversas vantagens, com um

controle de tráfico eficiente, como o que ocorre hoje na cidade de São Paulo com a

frota de helicópteros, só que com mais corredores bem definidos. Seria possível

diminuir as distâncias das viagens, pois tal veículo poderia seguir uma rota com menos

desvios entre sua partida e destino. Evitando problemas com trânsito, pois poderiam

coexistir várias rotas possíveis, alterando a altitude de cada uma das aeronaves em

trânsito, de acordo com o trecho.

Os motores elétricos não gerariam poluição em forma de gás carbônico e

fuligem como os motores dos carros populares atuais, melhorando a qualidade do ar

e diminuindo a incidência de doenças respiratórias nas grandes cidades. Veículos

voando entre suas rotas programadas, poderiam voar em sua velocidade de cruzeiro

que seria substancialmente maior, que a dos veículos terrestres. O fato de seguir um

destino mais retilíneo, agregado a uma velocidade de translado maior, diminuiria muito

o tempo de trajeto, melhorando a qualidade de vida do usuário.

Page 18: DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA CURSO DE …...Ozires Silva . Resumo Este trabalho tem como objetivo apresentar um estudo conceitual sobre o anteprojeto de uma aeronave que tenha

17

Por serem veículos construídos seguindo novas normas mais severas de

produção e com grau de maturidade tecnológica, o risco de acidentes e o número de

vítimas fatais poderia diminuir, em comparação com os números dos carros populares

atuais.

1.1 Objetivo

1.1.1 Objetivo geral

O objetivo geral desse estudo é fazer um estudo conceitual sobre a

implementação de um EVTOL, apresentando um projeto preliminar básico de um

veículo e discutindo sobre as maiores dificuldades para sua implantação e concepção.

1.1.2 Objetivos específicos

a) Avaliar a viabilidade do cumprimento dos requisitos de projeto;

b) Identificar os fatores positivos para a implementação do projeto;

c) Elaborar um modelo com os cálculos preliminares do EVTOL;

d) Identificar os maiores desafios para a concepção de um veículo EVTOL

1.2. Justificativa

O estudo conceitual e anteprojeto são os primeiros passos para a construção de

uma aeronave. Os cálculos básicos visam atender a alguns requisitos que nascem de

acordo com a necessidade do mercado. O desafio é mostrar que um projeto que

atende aquelas expectativas pode ser considerado viável e também se existe

maturidade tecnológica e quantidade de mão de obra disponível para conceber um

novo produto.

O anteprojeto dessa aeronave, caso seja possível a implementação de uma

aeronave EVTOL de transporte urbano, poderá revolucionar toda a rede de

transportes mundiais. Gerando melhor qualidade de vida ao usuário, desenvolvimento

para a sociedade e segurança no transporte urbano em massa.

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2 – Revisão Bibliográfica

2.1. Introdução

O estudo apresentado irá utilizar como metodologia de projeto a tese de

doutorado “Uma Metodologia para o Desenvolvimento de Projeto de Aeronaves Leves

Subsônicas”, de autoria do Prof. Cláudio Pinto de Barros, 2000. A tese, porém, se

baseia em todas as grandes literaturas sobre projeto de aeronaves no mundo, sendo

alicerçada em estudos e artigos desenvolvidos no Centro de Estudos Aeronáuticos da

UFMG. Também foram utilizadas na concepção do projeto as notas de aula do curso

de Engenharia Aeroespacial na UFMG.

Devido ao trabalho de Barros (2000) se tratar de uma tese que não foi

desenvolvida para aeronaves EVTOL, algumas etapas serão adaptadas, sendo

usadas metodologias de outros autores como Roskam (1997).

2.2. Histórico

A tecnologia EVTOL mistura duas ciências de fronteira da tecnologia e de

grandes desafios, a decolagem e pouso verticais e o uso de uma nova matriz

energética propulsiva, a própria energia elétrica.

a) Helicóptero

O sonho de voar e decolar verticalmente começou inicialmente com a invenção

do helicóptero. A primeira proposta de algo próximo ao helicóptero nasceu de

Leonardo da Vinci, ainda no século XV.

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19

Figura 2 - Helicóptero de Leonardo da Vinci

Fonte: Leonardo da Vinci helicopter [Domínio público]

Existiu um hiato entre o projeto de Leonardo da Vinci e a invenção do primeiro

helicóptero. No início do século XX, vários nomes se destacaram entre eles Louis

Breguet, Juan de La Cierva, Émile Berliner e sendo Paulo Cornu o primeiro a

conseguir um voo bem-sucedido e registrado de helicóptero em 1907. Entre 1920 e

1926 o argentino Raul Panteras fez vários desenvolvimentos sobre o ajuste angular

das pás para melhorar o controle dos helicópteros, porém o primeiro voo de um

helicóptero completamente controlável foi feito por Hanna Reitsch em 1937,

conduzindo um Focke-Wulf Fw61.

Figura 3 - Primeiro helicóptero controlável desenvolvido

Fonte: Desconhecido [Domínio público]

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No início de 1940 Igor Sikorsky fez o primeiro helicóptero anfíbio e em 1946 foi

lançada a primeira produção em massa do Bell 47B, que comportava 2 pessoas e

atingia 140 km/h.

Figura 4 - Primeiro helicóptero produzido em massa Sikorsky

Fonte: Desconhecido [Domínio público]

O helicóptero devido a sua capacidade de decolagem vertical e sua alta

velocidade, comparada aos veículos terrestres, traziam diversas vantagens para esse

tipo de aparelho, permanecendo o alto consumo de combustível, baixa eficiência e o

elevado ruído produzido como seus principais problemas.

b) Aviões elétricos

O uso da energia elétrica em aeronaves começou no longínquo ano de 1885,

quando Gaston Tissandier usou um motor elétrico para impulsionar e controlar um

dirigível. No ano de 1886 dois inventores Charles Renard e Arthur Krebs também

usaram motores elétricos similares no dirigível La France. O uso em aeronaves de

asa fixa data de 1957. Somente em 1973 foi implementada uma conversão do

motoplanador Brditschka HB-3 para que pudesse ser propelido por motores elétricos.

Em 2007 aconteceu o primeiro simpósio de aeronaves elétricas em São Francisco

onde a primeira aeronave elétrica registrada, o Electravia BL1E, fez seu voo inaugural

naquele mesmo ano.

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Figura 5 - Primeiro avião elétrico registrado Electravia

Fonte: Desconhecido [Domínio público]

No ano de 2015 foi desenvolvido o primeiro avião elétrico brasileiro. O projeto Sora foi

financiado pela usina de Itaipu e foi inspirado em um projeto do professor Cláudio

Barros, cuja tese norteia este estudo.

Figura 6 - Primeiro avião elétrico brasileiro Sora-e

Fonte: ACS Aviation, 2015

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c) EVTOL

Baseado na tecnologia de decolagem e pouso vertical dos helicópteros e

também no uso da energia elétrica como fonte propulsiva, surgiu a categoria de

aeronaves EVTOL.

Num contexto atual de inovação, onde a empresa Tesla (fabricante de carros

elétricos) cresce com o objetivo de revolucionar o transporte urbano mundial, que hoje

é baseado no uso de veículos que usam combustível fóssil, propondo produzir

somente veículos totalmente elétricos. No qual as empresas de táxi por aplicativos,

têm se consolidado como provedoras do transporte urbano, por exemplo a Uber,

identificamos mudanças no transporte urbano significativas.

Vários fabricantes da indústria aeronáutica global trabalham, seguindo um

convite da Uber para tornar o uso da propulsão elétrica e dos veículos com decolagem

vertical, uma possibilidade possível para o futuro. Sobre a propulsão elétrica, em artigo

publicado na Aero Magazine, Ernesto Klotzel (2015) afirma que o futuro da aviação

passará pelo uso híbrido da energia elétrica, já sendo possível na atualidade, a sua

aplicação para aviação experimental, de instrução e de lazer. Porém, devido à baixa

autonomia característica da propulsão elétrica (devido as baterias não serem

suficientemente eficientes) é de se esperar que o uso em grandes aeronaves, só seja

possível, através do aumento da capacidade das baterias em armazenar energia.

O desafio das aeronaves EVTOL consiste em unir duas grandes tecnologias

para ter um produto que consiga incorporar as vantagens de ambas. Existe um

movimento fomentado pela Uber, para que sejam projetados veículos EVTOL que

possam ser usados pela empresa, para suprir a necessidade de transporte urbano

nas grandes cidades.

Atualmente, apesar de não termos um modelo comercial em operação, existem

várias propostas de EVTOL que serão elencadas a seguir.

Fazendo uma linha do tempo, começamos com o primeiro projeto em agosto

de 2011, o F-Helicopter.

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23

Figura 7 - F-Helicopter

Fonte: evtol.news/aircraft/solution-f/

Naquele mesmo ano em 5 de outubro, aconteceu o primeiro voo do BlackFly

Figura 8 - BlackFly

Fonte: evtol.news/aircraft/opener-blackfly/

No mês de outubro dia 11, aconteceu o primeiro voo do Volocopter.

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24

Figura 9 - Volocopter

Fonte: evtol.news/aircraft/volocopter-vc1-vc2/

E finalmente em dezembro de 2011, o primeiro voo do Zee Aero.

Figura 10 - Zee Aero

Fonte: evtol.news/aircraft/zee-aero/

Já em novembro de 2013, a Volocopter desenvolve um novo protótipo e ele

realiza seu primeiro voo.

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25

Figura 11 - Protótipo 2 Volocopter

Fonte: evtol.news/aircraft/volocopter/

Em setembro de 2016, a Robinson desenvolve um helicóptero elétrico Tier

Robinson R-44

Figura 12 - Tier Robinson R-44

Fonte: evtol.news/aircraft/tier-1-robinson-r44/

Já em abril de 2017, a Alemã Lilium desenvolve seu primeiro protótipo Lilium-

Jet

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Figura 13 - Lilium-Jet

Fonte: evtol.news/aircraft/lilium/

Em maio de 2017, o primeiro voo do Astro AA360

Figura 14 - Astro AA360

Fonte: evtol.news/aircraft/passenger-drone/

Em 1 agosto de 2017, o segundo protótipo Zee Aero.

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Figura 15 - Protótipo 2 Zee Aero

Fonte: evtol.news/aircraft/zee-aero/

Em novembro de 2017, voa o primeiro protótipo Kitty Hawk Cora

Figura 16 - Kitty Hawk Cora

Fonte: evtol.news/aircraft/kitty-hawk-cora/

Já no ano de 2018 em 1 de janeiro, voa o primeiro protótipo da Vahana, uma

subsidiária da Airbus

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28

Figura 17 – Vahana Airbus

Fonte: evtol.news/aircraft/a3-by-airbus/

Em fevereiro de 2018, voa o primeiro protótipo asiático dessa lista, o chinês

EHang 184

Figura 18 - E Hang 184

Fonte: evtol.news/aircraft/ehang/

Finalmente a lista de protótipos que já voaram apresentados, termina com o

Workhorse SureFly.

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Figura 19 - Workhorse SureFly

Fonte: evtol.news/aircraft/workhorse/

Todos esses protótipos apresentados já voaram e lideram as pesquisas para o

desenvolvimento de um veículo EVTOL. Grandes empresas aeronáuticas

apresentaram propostas e projetos e nos próximos anos vários outros protótipos

deverão realizar seus primeiros voos. Gigantes da aviação como Embraer, Boeing e

Airbus deverão expor seus projetos em uma feira em Dubai no ano de 2020,

patrocinada pela Uber. A feira chamada de Uber Elevate, promete iniciar a

comercialização e uso desses veículos no transporte urbano.

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3 - Metodologia de projeto

3.1 Tabela Comparativa

Segundo Barros (2000), o desenvolvimento de uma aeronave é influenciado

pelas características e desempenho dos aviões existentes disponíveis. O projeto de

uma aeronave não acontece a partir do vazio, mas sim da observação detalhada das

melhores aeronaves existentes na categoria em que se iniciará o projeto. Uma boa

forma de começar um projeto é por meio da elaboração de tabelas comparativas, onde

constam as características básicas de tais aeronaves. Isto é essencial para o correto

direcionamento do projeto e para análises de resultados.

Por ser uma tecnologia de vanguarda, existem poucos dados confiáveis de

EVTOLs. Serão então comparados helicópteros, drones e até mesmo aviões comuns,

para analisar as similaridades inerentes aos projetos, observando que o EVTOL é uma

junção da tecnologia dos aviões elétricos e dos helicópteros. Logo teremos dados que

poderão ser usados para comparação, desde que observada as similaridades e

diferenças características de cada projeto.

Através da construção de uma tabela podemos estimar dados, não havendo

necessidade de se prender a uma simples média dos valores da tabela, mas sim

usarmos as tabelas como comparação, perceber tendências e até mesmo

implementar extrapolações que visem a excelência de uma aeronave.

Para criar as tabelas comparativas foram analisadas 26 aeronaves diferentes,

cada uma com uma especificidade que a torna importante nesse estudo.

As 26 aeronaves, foram divididas em 6 grupos: as de empuxo vetorado, que

tem a possibilidade de modificar a posição e ângulo dos seus propulsores para criar

sustentação; as de empuxo por função, que tem propulsores verticais para a fase de

hover e outros propulsores para o translado em cruzeiro; helicópteros; drones; aviões

elétricos e aviões a combustão de pequeno porte.

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Tabela 1 - Compilação de dados de aeronaves relevantes

Fonte: Autoria própria

EVTOL Modelo Passageiros Ano 1° voo Fuselagem (m) Altura (m) Area de asa (m²) Envergadura (m) Peso vazio (kg) Máx Peso decolagem (kg) Carga útil (kg) Alcance (km) Altitude (ft) Vel_cruzeiro (km/h) Propulsores Potência (hp) Energia

Empuxo vetorado Vahana Alpha 1 2018 5,7 2,81 6,25 5,7 475 815 90 60 5000 200 8 8x60 elétrica/baterias

Vahana Beta 2 2018 5,86 2,81 6,25 5,7 475 815 200 100 10000 230 8 8x60 elétrica/baterias

aeroG aG-4 12 - 12,53 5,34 14,79 - - - - - - - 4 2x1000 elétrica/baterias

AirspaceX MOBi 2 - 9 3 12 - 200 104 240 6 - elétrica/baterias

Bartini 4 - 5,2 1,7 - - - - 400 150 3000 300 4 - 200Wh/kg-700Wh/kg(64kWh)

HopFlyt Venturi 4 - 7 8 - 185 222 8 - elétrica/baterias

Jetoptera - - - - - - - 907 181 322 15000 322 6 - elétrica/baterias

Lilium 2 2017 - - - 440 640 200 300 36 - elétrica/baterias

BlackFly 1 2016 4 1,88 - - 140,6 - 90,7 32 8 - combustão

Trifan 600 6 - 11,8 - 11,5 - 2404 816 1060 29000 555 3 - combustão

Empuxo por função Aurora eVTOL 2 2018 8 - 8 8 575 800 225 180 - - elétrica/baterias

Embraer-X 6 - - - - - - - - - - - - - elétrico

Flexcraft 9 - - - - - 1814 3239 1000 926 - - combustão

Kitty Hawk 2 - - - 11 - - - 181 100 3000 333 12 - elétrico

TF-2 4 - - - - - 4080 500 230 - elétrico

Helicopteros Robinson R-44 4 1990 8,96 3,28 - - 658 1134 340 560 14000 200 1 245 combustão

Helibras Esquilo 6 1974 10,93 3,14 - - 1174 2250 600 662 15000 200 1 847 combustão

Agusta westland AE 109 7 1971 11,44 3,5 - - 1590 2850 800 932 - 285 2 2x 561 combustão

Bell 429 8 2017 11,13 3,48 - - 2007 3175 722 20000 285 1 1100 combustão

Drones Phantom 3 pro - - - - - - - 1,2 - 2 30 50 1 elétrica/baterias

Phantom 4 pro - - - - - - - 1,3 - 7 30 72 1 elétrica/baterias

Inspire 2 - - - - - - - 2,8 - 7 30 94 1 elétrica/baterias

Spark - - - - - - - 0,3 - 0,09 30 50 1 elétrica/baterias

Aviões elétricos Sora-e 1 2016 6,5 1,8 9,3 8,5 445 600 - 142 12500 190 1 94 elétrica/baterias

Aviões a combustão Paulistinha 2 1941 6,76 2,08 10,6 434 750 187 2000 137 1 103 combustão

Cessna 350 4 2000 7,67 2,74 13 11 1000 1500 420 2000 18000 300 1 310 combustão

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Para que possamos apresentar os dados de uma forma mais organizada, foram

separadas as análises por características da aeronave, sendo traçados alguns

gráficos com a finalidade de entender as variações dentro do parâmetro analisado,

usando para comparação a capacidade de passageiros da aeronave.

A primeira análise realizada, será das principais dimensões da aeronave

conforme o número de passageiros, afinal vamos nos basear na quantidade de

passageiros para definir as dimensões. Para tal serão separados alguns aviões com

os dados mais adequados.

3.2 Dimensões

Tabela 2 - Aeronaves selecionadas para tabela comparativa de dimensões

Fonte: Autoria própria

A partir da tabela, iremos dividir a análise parte a parte da geometria da

aeronave. Serão montados gráficos, que mostram a evolução do parâmetro

analisado, de acordo com o aumento do número de passageiros que a aeronave

transporta.

Modelo Passageiros Fuselagem (m) Altura (m) Area de asa (m²) Envergadura (m)

Empuxo vetorado Vahana Alpha 1 5,7 2,81 6,25 5,7

Vahana Beta 2 5,86 2,81 6,25 5,7

aeroG aG-4 12 12,53 5,34 14,79 -

AirspaceX MOBi 2 9 3 - 12

Bartini 4 5,2 1,7 - -

HopFlyt Venturi 4 7 - 8 -

BlackFly 1 4 1,88 - -

Trifan 600 6 11,8 - 11,5 -

Empuxo por função Aurora eVTOL 2 8 - 8 8

Helicopteros Robinson R-44 4 8,96 3,28 - -

Helibras Esquilo 6 10,93 3,14 - -

Agusta westland AE 109 7 11,44 3,5 - -

Bell 429 8 11,13 3,48 - -

Aviões elétricos Sora-e 1 6,5 1,8 9,3 8,5

Aviões a combustão Paulistinha 2 6,76 2,08 - 10,6

Cessna 350 4 7,67 2,74 13 11

Tabela Dimensões externas

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3.2.1 Análise do comprimento da fuselagem

Gráfico 1 - Comprimento da fuselagem

Fonte: Autoria própria

3.2.2 Análise da altura da fuselagem

Gráfico 2 - Altura da fuselagem

Fonte: Autoria própria

4,5

5,5

6,5

7,5

8,5

9,5

10,5

11,5

12,5

13,5

0 2 4 6 8 10 12 14

Co

mp

rim

en

to F

use

lage

m (

m)

N° passageiros

Comparação de número de passageiros com comprimento da fuselagem

Empuxo vetorado Empuxo por função Helicopteros Aviões elétricos Aviões a combustão

0

1

2

3

4

5

6

0 2 4 6 8 10 12 14

Alt

ura

Fu

sela

gem

(m

)

N° passageiros

Comparação de número de passageiros com altura da fuselagem

Empuxo vetorado Helicopteros Aviões elétricos Aviões a combustão

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3.2.3 Análise da envergadura

Gráfico 3 - Envergadura da asa

Fonte: Autoria própria

3.2.4 Análise da área da asa

Gráfico 4 - Área da asa

Fonte: Autoria própria

0

2

4

6

8

10

12

14

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5

Enve

rgad

ura

(m)

N° passageiros

Comparação de número de passageiros com envergadura da asa

Empuxo vetorado Aviões elétricos Aviões a combustão Empuxo por função

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

0 2 4 6 8 10 12 14

Áre

a d

e a

sa (

m²)

N° passageiros

Comparação de número de passageiros com área de asa

Empuxo vetorado Aviões elétricos Aviões a combustão Empuxo por função

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3.3 Comparativo Pesos

Tabela 3 - Aeronaves selecionadas para tabela comparativa de pesos

Fonte: Autoria própria

3.3.1 Peso vazio

Gráfico 5 - Peso vazio

Fonte: Autoria própria

EVTOL

Modelo Passageiros Peso vazio (kg) Máx Peso decolagem (kg)

Empuxo vetorado Vahana Alpha 1 475 815

Vahana Beta 2 475 815

Lilium 2 440 640

Empuxo por função Aurora eVTOL 2 575 800

Flexcraft 9 1814 3239

Helicopteros Robinson R-44 4 658 1134

Helibras Esquilo 6 1174 2250

Agusta westland AE 109 7 1590 2850

Bell 429 8 2007 3175

Aviões elétricos Sora-e 1 445 600

Aviões a combustão Paulistinha 2 434 750

Cessna 350 4 1000 1500

0

500

1000

1500

2000

2500

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Pe

so v

azio

(kg

)

n° passageiros

Peso Vazio x Passageiros

Empuxo vetorado Empuxo por função Helicopteros Aviões elétricos Aviões a combustão

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3.3.2 Análise peso máximo de decolagem

Gráfico 6 - Peso máximo de decolagem

Fonte: Autoria própria

3.4 Tabela Comparativa Desempenho

Tabela 4 - Aeronaves selecionadas para tabela de desempenho

Fonte: Autoria própria

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Pe

so (

kg)

n° passageiros

Peso máx decolagem x Passageiros

Empuxo vetorado Empuxo por função Helicopteros Aviões elétricos Aviões a combustão

Modelo Passageiros Alcance (km) Altitude (ft) Vel_cruzeiro (km/h)

Empuxo vetorado Vahana Alpha 1 60 5000 200

Vahana Beta 2 100 10000 230

AirspaceX MOBi 2 104 240

Bartini 4 150 3000 300

HopFlyt Venturi 4 185 222

Trifan 600 6 1060 29000 555

Empuxo por função Aurora eVTOL 2 180

Kitty Hawk 2 100 3000 333

Helicopteros Robinson R-44 4 560 14000 200

Helibras Esquilo 6 662 15000 200

Agusta westland AE 109 7 932 - 285

Bell 429 8 722 20000 285

Drones Phantom 3 pro 0 2 30 50

Phantom 4 pro 0 7 30 72

Inspire 2 0 7 30 94

Spark 0 0,09 30 50

Aviões elétricos Sora-e 1 142 12500 190

Aviões a combustão Paulistinha 2 2000 137

Cessna 350 4 2000 18000 300

EVTOL

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3.4.1 Análise do alcance

Gráfico 7 - Alcance das aeronaves

Fonte: Autoria própria

3.4.2 Análise do teto de operação

Gráfico 8 - Teto de operação

Fonte: Autoria própria

0

500

1000

1500

2000

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

ran

ge (

km)

N° passageiros

Alcance

Empuxo vetorado Empuxo por função Helicopteros Drones Aviões elétricos Aviões a combustão

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

35000

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

alti

tud

e (

ft)

N° passageiros

Altitude

Empuxo vetorado Empuxo por função Helicopteros Drones Aviões elétricos Aviões a combustão

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3.4.3 Análise da velocidade de cruzeiro

Gráfico 9 - Velocidade de cruzeiro

Fonte: Autoria própria

3.5 Propulsão

Tabela 5 - Aeronaves selecionadas para tabela de propulsão

Fonte: Autoria própria

0

100

200

300

400

500

600

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

velo

cid

ade

(km

/h)

N° passageiros

Velocidade de cruzeiro

Empuxo vetorado Empuxo por função Helicopteros

Drones Aviões elétricos Aviões a combustão

Modelo Passageiros Propulsores Potência (hp) Área de disco (m²) Densidade (hp/m²) Carregamento de disco (kg/m²)

Empuxo vetorado Vahana Alpha 1 8 480 11,9 40,4 68,6

Vahana Beta 2 8 480 11,9 40,4 68,6

Helicopteros Robinson R-44 4 1 245 80,1 3,1 14,2

Helibras Esquilo 6 1 847 89,8 9,4 25,1

Agusta westland AE 109 7 2 1122 95,0 11,8 30,0

Bell 429 8 1 1100 115,6 9,5 27,5

Aviões elétricos Sora-e 1 1 94 - - -

Aviões a combustão Paulistinha 2 1 103 - - -

Cessna 350 4 1 310 - - -

EVTOL

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3.5.1 Análise da potência total instalada

Gráfico 10 - Potência total requerida em Hp

Fonte: Autoria própria

3.5.2 Análise da densidade de potência pela área de disco

Gráfico 11 - Densidade (Hp/m²)

Fonte: Autoria própria

0

200

400

600

800

1000

1200

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

po

tên

cia

(hp

)

N° passageiros

Potência

Empuxo vetorado Helicopteros Aviões elétricos Aviões a combustão

0,0

5,0

10,0

15,0

20,0

25,0

30,0

35,0

40,0

45,0

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

de

nsi

dad

e (

hp

/m²)

N° passageiros

Densidade

Empuxo vetorado Helicopteros

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3.5.3 Análise do carregamento de disco

Gráfico 12 - Carregamento de disco (kg/m²)

Fonte: Autoria própria

3.6 Especificações e requisitos

Os requisitos foram definidos conforme descrito no “White Paper Uber”

documento lançado pela Uber em 2017, na falta de requisitos do paper, também foram

consideradas as análises realizadas através das tabelas comparativas apresentadas,

para construir um novo requisito. A seguir serão detalhados os requisitos e

especificações para número de passageiros, analisando: dimensões máximas,

desempenho almejado, missões típicas e características pretendidas gerais, sendo

apresentados os motivos que embasam tal escolha.

3.6.1 Propulsão elétrica

O projeto deverá ter propulsão totalmente elétrica, que é um requisito do “White

Paper Uber”. Os motivos para tal escolha serão listados a seguir.

O uso da energia elétrica nos meios de transporte em massa, a exemplo do

uso com os metrôs e trólebus é taxado como um case de sucesso. O uso pode ser

intensificado com os veículos EVTOL. Devido a complexidade de implementação e ao

seu conceito disruptivo perante a sociedade moderna, usar energia elétrica poderia

trazer para o projeto, uma maior aceitação.

0,0

10,0

20,0

30,0

40,0

50,0

60,0

70,0

80,0

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Car

rega

me

nto

de

dis

co (

kg/m

²)

N° passageiros

Carregamento de disco

Empuxo vetorado Helicopteros

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Hoje o convencional é o uso de motores operando a combustível fóssil,

praticamente todos usando petróleo como matéria prima base para o combustível. O

futuro, porém, pode promover uma mudança na matriz energética, sendo um dos

principais facilitadores para o uso da eletricidade, o avanço tecnológico das baterias

de alta capacidade específica.

A seguir iremos listar algumas vantagens do uso da energia elétrica. Pensando

nos veículos EVTOL, a energia elétrica não gera poluentes atmosféricos diretos em

seu uso, que são usualmente dispersados pelos motores a combustão. Segundo

Dapper (2016) a poluição gerada pelos veículos tradicionais é uma das maiores

causas de doenças respiratórias na cidade de São Paulo. Logo, veículos elétricos

iriam economizar gastos do governo com saúde pública, no tratamento de várias

doenças respiratórias. Isso poderia ser convertido em incentivos financeiros para a

compra de veículos elétricos, sendo que esse tipo de incentivo já acontece, por

exemplo, com o abatimento de impostos, na compra de carros elétricos em alguns

estados dos Estado Unidos.

A energia elétrica não necessita de armazenamento em grandes tanques e

também a sua distribuição é feita por fios, evitando problemas com logística. O

combustível fóssil, tem problemas com desperdícios em vazamentos, alguns riscos

de poluição marítima na extração do petróleo entre outros de logística.

A quantidade de potência fornecida seria mais estável, aumentando a vida útil

dos motores. Não seria necessária a limpeza de injetores, velas e filtros, os motores

teriam menos partes móveis, aumentando sua vida útil e diminuindo os custos de

fabricação. Tudo isso também implicaria na mitigação de gastos com a manutenção

da aeronave.

O uso da energia elétrica diminuiria o ruído gerado pela combustão

convencional. Segundo Lang da Silveira (2018), considerando só a taxa de eficiência

dos motores, a eficiência na conversão da energia elétrica em trabalho útil pelo motor

elétrico é cerca de três vezes maior que a taxa de conversão de energia em trabalho

útil de um motor a combustível fóssil.

Motores elétricos também são mais leves que os motores a combustão, para

a mesma potência requerida. Devido a ter menos partes móveis e não necessitar de

tantos lubrificantes.

A figura 20 representa um motor aeronáutico elétrico e um motor a combustão

convencional. O motor elétrico da Siemens, à esquerda, consegue gerar 260 Kw de

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potência pesando 50 kg, já o motor ao lado, um PT6A-25C de uso comum em

aeronaves como os Super Tucanos da Embraer, produzem 560 kW, pesando 153 kg.

A relação de potência por peso é 1.5 vezes maior para o motor elétrico.

Figura 20 - Comparativo motores aeronáuticos

Fonte: Siemens paper eletric

O principal problema do uso da energia elétrica na aviação é a baixa densidade

energética das baterias atuais, comparadas com a densidade energética dos

combustíveis fósseis. Segundo cálculos expostos por Lang da Silveira (2018), as

melhores baterias desenvolvidas atualmente, têm densidade útil de energia (energia

que pode ser convertida em trabalho) cerca de três vezes menor que um combustível

fóssil de aviação.

Outro ponto a ser pensado e se os países teriam capacidade de geração de

energia elétrica suficiente, para atender uma grande demanda de consumo das novas

aeronaves. Caso sejam necessários construir termelétricas, por exemplo, as

melhorias ambientais na dispersão de poluentes, seriam afetadas.

A longo prazo, porém a previsão é que os problemas de densidade energética

e volumétrica e na produção de energia elétrica, deixem de ser proibitivos para o uso

da energia elétrica na aviação.

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Figura 21 - Evolução histórica da densidade energética e do custo das baterias

Fonte: Global EV OUTLOOK 2017/ AIE

Outro ponto de interesse abordado na figura 21 é a diminuição do custo das

baterias, que ajuda na viabilidade dos veículos elétricos. Outras tecnologias e

constituintes das baterias estão sendo descobertas, figura 22 e podem melhorar além

da densidade energética, também a densidade volumétrica, outro ponto importante

para a aviação, já que pode reduzir o volume da aeronave.

Figura 22 - Materiais constituintes das baterias

Fonte: Global EV OUTLOOK 2017/ AIE

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3.6.2 Decolagem e pouso verticais

Outro requisito básico da aeronave EVTOL é o pouso e decolagem verticais.

Associada à praticidade desse tipo de voo. Para um transporte urbano ser eficiente

nas grandes cidades, ele deverá ser capaz de decolar e pousar de diferentes locais,

fazendo isso repetidas vezes ao dia.

A ideia inicial presente no White Paper Uber é de que existiriam vertiports

(locais apropriados para o pouso e decolagem dos veículos), integrados aos outros

tipos de transporte como: viário, metro e até aos aeroportos convencionais.

Grandes empresas estão engajadas na criação de um modelo de vertiport que

seria capaz de atender a demanda por este tipo de aeronave nas grandes cidades.

Os vertiports também prometem mitigar o ruído das operações dessas aeronaves.

Cerca de seis empresas entregaram projetos para vertiports durante a última reunião

da Uber Elevate, realizada em setembro de 2018 em Los Angeles. Dois serão

representados nas figuras 23 e 24.

Figura 23 - Modelo 1 de Vertiport

Fonte: EV Word

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45

Figura 24 - Modelo 2 de vertiport

Fonte: Uber Skyport Gannet Fleming

3.6.3 Requisitos de segurança

Uma motivação adicional para o desenvolvimento desse tipo de aeronave, além

da diminuição de tempo e custo é a diminuição da quantidade de mortes no trânsito.

Os números de mortes registrados nos Estados Unidos em censo realizado no

ano de 2017 chegaram a 14.701 vítimas fatais de acidentes naquele país, dados

apresentados na tabela 6.

Nos países em desenvolvimento como o Brasil, os números são

percentualmente ainda maiores, sendo um dos principais problemas na promoção da

saúde pública. Milhões de reais são gastos anualmente com a reabilitação de

acidentados no trânsito, gerando grandes prejuízos à máquina pública.

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Tabela 6 - Quantidade de acidentes nos EUA

Fonte: Uber White paper

Índices de mortes nesses padrões são inaceitáveis e a aeronave deve ser mais

segura que os carros atuais, representados acima por “passenger cars”. Os índices

de acidentes fatais nessa comparação devem ser menores, sendo também muito

importantes para a aceitação do mercado e da opinião pública sobre a utilização

desses veículos para o transporte em massa de passageiros.

Sendo mais seguro que os carros convencionais, acredita-se que as pessoas

irão aceitar a utilização desses veículos sem maiores problemas.

3.6.4 Requisitos de desempenho

Os Requisitos de desempenho foram construídos com base no “White Paper

da Uber”, que por sua vez realizou uma pesquisa de mercado e de custos para que

um projeto nesses moldes possa ser viável economicamente.

A aeronave deve ter um alcance perto de 50 milhas (80km), o que seria

suficiente para cumprir uma missão de transporte urbano entre cidades vizinhas sem

maiores problemas.

O teto de operação da aeronave seria limitado a 10.000 pés, mas a altitude de

cruzeiro seria algo próximo dos 1.000 pés, devido ao curto alcance da aeronave.

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A velocidade da aeronave seria algo em torno de 150 nós (250 km/h), baseado

no desempenho requerido.

A figura 25 mostra um prospecto de uma missão típica para a aeronave.

É importante analisar a estimativa de tempo que essa viagem levaria em comparação

com uma mesma viagem, feita em um carro convencional da Uber.

Figura 25 - Estimativa de uma viagem EVTOL

Fonte: Uber White paper

Na figura é possível perceber que o trajeto que teria duração média de mais de

duas horas sendo feito de maneira convencional, passaria a demandar apenas 18

minutos, cerca de seis vezes mais rápido.

3.6.5 Requisitos de autonomia

Atualmente a maioria das formas de transporte em massa necessitam de um

piloto ou controlador. Mesmo os trens municipais contam com uma pessoa

responsável embarcada. Os carros terrestres, por exemplo, não são autônomos.

Não ter um piloto poderia trazer desconfianças ainda maiores para a população

comum, em relação ao veículo EVTOL, atrapalhando na viabilidade do uso da

tecnologia.

Pensando nisso, a Uber estabelece que um primeiro veículo desenvolvido teria

um piloto responsável pelo controle da aeronave, mas a ideia a longo prazo é ter um

grau de automação onde não seja necessário um piloto para o voo. A sociedade

americana de engenharia mecânica (ASME) define os graus de automação seguindo

a escala representada abaixo.

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Tabela 7 - Graus de autonomia em voo

Fonte: Uber White paper

Nessa escala é mostrada a intenção de evolução do EVTOL, sendo que a

primeira aeronave teria um grau de automação 2, ou seja, o piloto teria controle, mas

num voo normal, o computador realizaria a maioria das funções. É importante definir

também que no nível 2 já seriam obrigatórios comandos “full fly by wire” e também um

controle por radar preciso, de altitude e posição da aeronave.

Apesar de fugir um pouco do escopo deste trabalho é interessante salientar,

que, a longo prazo, a Uber pretende evoluir o grau de automação do veículo. É

estimado no “White Paper Uber” que, num futuro próximo, esses veículos sejam de

nível 5, ou seja, totalmente autônomos e com inteligência artificial.

3.6.6 Especificações sobre a certificação e valores investidos

Como não existem leis que certifiquem ou autorizem o voo de EVTOLs. Neste

estudo usaremos regras de certificação para aeronaves comuns FAR23 e também

para helicópteros FAR27, de modo a ponderar o peso de uma certificação para a

aeronave. Deverão surgir novas normas específicas para este tipo de veículo.

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Figura 26 - Certificação e tipologia do projeto

Fonte: Uber White paper

Em seu “White paper” a Uber estima que a partir de 2024 a certificação desse

tipo de produto já esteja concluída. Na figura 26 são estimados alguns gastos, que

também podem ser considerados otimistas, fazendo uma comparação com projetos

de aeronaves atuais. Também é importante chamar atenção para a expectativa de

produção de 10 a 50 aeronaves no ano de 2023 e para o início dos testes no ano de

2019.

3.6.7 Requisitos sobre ruídos

A Uber em seu “White Paper” também define requisitos para o ruído provocado

por essas aeronaves, limitando a 75-80 dB a 50 pés de altitude. Outra limitação é um

ruído de 62 dB a 500 ft de altitude. Para termos de comparação, um helicóptero gera

em média 93 dB em aproximação para pouso ou na decolagem, segundo Marcos

André Silva Costa (2017).

A aeronave EVTOL seria um veículo com menor ruído que os helicópteros

convencionais atuais. O “White Paper Uber” define esse nível de ruído com base na

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comparação com um caminhão passando num viaduto a 50 ft de altitude, em relação

a um ouvinte logo a baixo.

Figura 27 - Desconforto de acordo com o ruído em decibel

Fonte: ACN Expert ICAO (1998)

3.7 Missões típicas

Baseado nas tabelas comparativas e no “White Paper Uber” a aeronave deverá ter

altitude de cruzeiro de cerca de 1000 pés e um alcance restrito, devido à dificuldade

das baterias em armazenar energia suficiente. Cerca de 20 minutos de autonomia de

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energia das baterias seriam necessários, o suficiente para a aeronave cumprir sua

missão de transporte urbano e intermunicipal. Tendo em vista a sua velocidade e o

fato de conseguir se mover em corredores mais retilíneos, é possível percorrer toda a

extensão das grandes cidades com a autonomia definida.

Gráfico 13 - Missão típica

Fonte: Autoria própria

A missão típica representada no gráfico 13 baseia-se no requisito de alcance

representado no gráfico 14. O projeto leva em consideração um incremento extra, para

o caso de algum problema com o local de pouso que faça com que a aeronave alterne

para um próximo vertiport disponível.

Gráfico 14 - Alcance missão típica

Fonte: Autoria própria

0

200

400

600

800

1000

1200

0 5 10 15 20 25

Alt

itu

de

(ft)

minutos

Missão típica

0

10

20

30

0 20 40 60 80 100

Tem

po

(m

)

Distância(km)

Alcance

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52

4 Resultados e discussões

4.1 Anteprojeto

No decorrer do projeto serão escolhidas diferentes soluções, sendo elas

motivadas pela experiência aeronáutica dos meus orientadores, colegas de trabalho,

baseadas nas tabelas comparativas construídas, na literatura, na análise de soluções

adotadas em projetos similares e nos requisitos apresentados e listados.

A decisão de qual solução usar nem sempre é trivial. Como exemplo, para um

bom desempenho aerodinâmico, as vezes temos uma aeronave com um maior custo

de fabricação, sendo impossível atender plenamente a diversos requisitos no mesmo

projeto. Para facilitar a escolha das soluções, será apresentada uma lista de

prioridades a serem contempladas.

As decisões serão tomadas conforme três prioridades:

• Simplicidade

• Menor custo

• Segurança Operacional

4.1.1 Simplicidade

O estudo visa uma aeronave de fácil produção em série. Devido à sua natureza

disruptiva e ao fato de usar propulsão elétrica e ser VTOL, o que representam grandes

inovações no projeto, podem ocorrer erros em sua fabricação, por causa de uma

complexidade excessiva. Também existem problemas com o receio do público comum

em usar a aeronave, dado seu caráter inovador.

A ideia então é tomar decisões já consagradas na indústria aeronáutica sempre

que o projeto permitir, tornando o mais simples possível a concepção da nova

aeronave.

4.1.2 Menor custo

A principal motivação da criação desta aeronave é substituir os veículos

convencionais no transporte em massa nas grandes cidades, mas para isso, o

transporte EVTOL tem que apresentar um preço acessível, para que seja viável a sua

implementação.

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4.1.3 Segurança Operacional

O veículo tem como requisito ser mais seguro que os veículos convencionais.

Para que isso seja possível, é preciso de uma operação rígida e extremamente

segura, lembrando que o número de acidentes fatais com o uso da nova aeronave,

precisará ser substancialmente menor que dos veículos convencionais.

4.2 Desenho em planta Todo grande projeto começa de um esboço feito em uma prancheta, aquele

desenho será refeito alguns milhares de vezes, mas será o início de grandes estudos

e grandes desafios.

Figura 28 - Desenho em vista superior da aeronave

Fonte: Autoria própria

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Figura 29 - Desenho em vista frontal da aeronave

Fonte: Autoria própria

Figura 30 - Desenho em vista lateral da aeronave

Fonte: Autoria própria

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4.3 Características da aeronave

4.3.1 Dimensões da fuselagem

A fuselagem terá as seguintes dimensões:

• Comprimento = 7.75 m,

Sendo a cabine de passageiros responsável por 5.85 m de comprimento e o resto

construído de modo a alocar os dois propulsores traseiros, baterias e a empenagem

em formato T.

Com base na tabela comparativa de comprimentos da fuselagem, vemos que o

valor está entre os valores que foram apresentados

Gráfico 15 - Representação do comprimento na tabela comparativa

Fonte: Autoria própria

O comprimento foi calculado baseando-se em ergonomia para o transporte de

quatro passageiros adultos numa disposição 2x2, ou seja, um piloto com autonomia

de controle, um passageiro ao lado e atrás deles mais dois assentos para dois

passageiros.

Foi usada a regulamentação da ANAC que qualifica o conforto dos passageiros

para analisar o comprimento

4,5

6,5

8,5

10,5

12,5

14,5

0 2 4 6 8 10 12 14

Co

mp

rim

en

to F

use

lage

m (

m)

N° passageiros

Comparação de número de passageiros com comprimento da fuselagem

Empuxo vetorado Empuxo por função Helicopteros

Aviões elétricos Aviões a combustão Anteprojeto

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Figura 31 - Requisitos de conforto ANAC

Fonte: ANAC regulamentação de voos domésticos

A estimativa da fuselagem aponta para um espaço entre os assentos, que

enquadra a aeronave na categoria A de conforto. O que pode ser importante para o

início da operação das aeronaves EVTOL.

Logo, o limitante não será o espaço para os passageiros. Porém uma

fuselagem mais curta, teria necessariamente menor esbeltez, o que pode gerar em

alta velocidade problemas aerodinâmicos. Caso o projeto não seja bem executado,

fazendo com que as perdas de arrasto de pressão sejam compensadas por uma

melhor área molhada, causando aumento de arrasto.

As estimativas de arrasto poderão ser feitas em etapas futuras do

desenvolvimento, sendo importante por hora definir a importância do arrasto da

fuselagem, no projeto da aeronave.

Para demonstrar o fenômeno, foi feita uma simulação via CFD para estimar

características do escoamento em uma fuselagem com menor comprimento, no caso

com seis metros de comprimento total.

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Figura 32 - Simulação CFD de uma fuselagem curta

Fonte: Autoria própria

Na figura é possível ver um descolamento do escoamento atrás da fuselagem.

Isso motivou mudanças no projeto de tal forma a diminuir os ângulos de inclinação do

perfil da fuselagem, também aumentando seu comprimento, para evitar

descolamentos prematuros. Segundo Roskam (1981) a esbeltez mínima

recomendada para uma aeronave é 6, tal requisito não será atendido, porém a

fuselagem foi dimensionada com maior comprimento viável possível.

• Altura fuselagem = 1,5 m

A altura foi definida com base no comprimento de conforto mínimo para um

passageiro sentado em uma poltrona. Com base nos estudos feitos por Shimano

(2010), a partir de 1,5 m, a altura já é adequada.

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Gráfico 16 - Comparação da altura da aeronave

Fonte: Autoria própria

• Largura =1,6 m

A largura também foi definida com base na distância mínima confortável para

alocar duas pessoas lado a lado, em uma aeronave.

Shimano (2010) estabelece que para o conforto de um passageiro a distância

entre ombros deve ser de no mínimo 0,50 m. Para termos uma cabine mais ampla e

que possa ser usada por indivíduos de maior porte, o valor pode ser fixado em 0,75

m. Logo a cabine terá 1,5 m ocupados pelos dois assentos e mais 0,1 m de folga,

totalizando 1,6 m.

4.3.2 Dimensões da Asa

Para que possamos encontrar a forma em planta e perfil da asa, precisamos

considerar o peso da aeronave. Como o peso envolve grande complexidade em sua

estimativa, somente no final do projeto teremos valores finais para ele. O peso

estimado abaixo já é resultado de algumas iterações, feitas com o avanço do estudo.

• Peso Vazio = 1025 kg

Com base na Tabela comparativa de pesos vazios, podemos estimar um valor

para o peso vazio da aeronave. O peso vazio engloba as estruturas da aeronave,

sistemas, motorização e baterias.

0

1

2

3

4

5

6

0 2 4 6 8 10 12 14

Alt

ura

Fu

sela

gem

(m

)

N° passageiros

Comparação altura da fuselagem

Empuxo vetorado Helicopteros Aviões elétricos

Aviões a combustão Anteprojeto

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O anteprojeto tem um peso vazio maior que aeronaves a combustão,

principalmente devido ao alto peso das baterias e também ao fato de ter seis motores

com hélices dutadas em sua fuselagem e mais dois motores perto da empenagem

vertical. Várias outras questões como o uso de tecnologia fly by wire, uso de matérias

compostos mais leves e etc. Serão ignoradas numa análise inicial.

O grande diferencial de peso da aeronave é devido as baterias serem

substancialmente mais pesadas em comparação com o combustível fóssil usado por

aeronaves convencionais. Para mitigar as diferenças, o alcance da aeronave será

substancialmente menor, o que reduz a quantidade de baterias necessárias.

• Peso Máximo de decolagem = 1450 kg

Agora temos que levar em conta passageiros e bagagens. Estimando 425 kg

por conta dos passageiros, somamos ao valor a estimativa de peso vazio, totalizando

um peso Máximo de 1450 kg.

O valor é estimado, com base na tabela comparativa apresentada abaixo e nas

relações de peso vazio, versus peso máximo de decolagem propostas por Roskam

(1981).

Gráfico 17 - Comparação Peso Máximo de decolagem

Fonte: Autoria própria

Logo a carga útil será de 425 kg.

Os dados são apenas estimativas e estão sujeitos a mudanças no decorrer do

desenvolvimento do projeto.

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

0 2 4 6 8 10

Pe

so (

kg)

n° passageiros

Peso máx decolagem x Passageiros

Empuxo vetorado Empuxo por função Helicopteros

Aviões elétricos Aviões a combustão Anteprojeto

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60

Na tabela comparativa abaixo o valor está em concordância com os demais e

pode ser usado como estimativa.

Gráfico 18 - Comparação Carga útil

Fonte: Autoria própria

Baseado no peso máximo de decolagem estimamos uma área de asa.

• Área da asa = 10,12 m

Gráfico 19 - Comparação área de asa

Fonte: Autoria própria

0

500

1000

1500

2000

0 2 4 6 8 10

Pe

so v

azio

(kg

)

n° passageiros

Carga_útil x Passageiros

Empuxo vetorado Empuxo por função Helicopteros

Aviões a combustão Anteprojeto

0

2

4

6

8

10

12

14

16

0 2 4 6 8 10 12 14

áre

a (m

²)

N° passageiros

Área de asa

Empuxo vetorado Empuxo por função Aviões elétricos

Aviões a combustão Anteprojeto

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Para a aeronave, na velocidade de estol, os motores verticais estariam em

funcionamento de forma que a asa poderá ser otimizada para o cruzeiro.

Considerações sobre o estol serão ignoradas, partindo do pressuposto que a

aeronave não entra em estol, devido ao fato da asa não ser a principal responsável

pela sustentação nas fases críticas de velocidade baixa.

Podemos então calcular o Cl para cruzeiro pela seguinte equação:

𝐶𝑙 = 2 ∗ (𝑃𝑚á𝑥 ∗ 𝑔)

𝑟ℎ𝑜 ∗ 𝑆 ∗ 𝑉²

Vamos definir a velocidade de cruzeiro com base no requisito de ser próximo

de 250 km/h e também nos dados da tabela comparativa.

• Velocidade de cruzeiro = 270 km/h

Tal velocidade foi obtida, com base no resultado da área de asa para sustentar

o peso estimado do coeficiente de sustentação requerido para a escolha de um perfil

adequado e também levando-se em conta a velocidade necessária para cumprir a

missão típica desejada no requisito.

Uma mudança na área da asa ou no perfil da asa, mudará a velocidade de

cruzeiro da aeronave.

Gráfico 20 - Comparativo de velocidade da aeronave

Fonte: Autoria própria

100

200

300

400

500

600

0 2 4 6 8 10

(km

/h)

N° passageiros

Velocidade de cruzeiro

Empuxo vetorado Empuxo por função Aviões elétricos

Aviões a combustão Anteprojeto Helicopteros

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Com base na altitude de cruzeiro igual a 1000 pés, definida pela missão típica,

alcance desejado e velocidade de translado, podemos definir a densidade igual a

1,189 kg/m³ nessa altitude, calculada pela tabela de densidades por altitude e

temperatura (NASA-SAM).

𝐶𝑙 = 2 ∗ 1450 ∗ 9,81

1.189 ∗ 10.12 ∗ 75²= 0.40

Outro parâmetro importante é o alongamento da asa, que para a asa retangular

pode ser definido por:

𝐴𝑙 =𝑏

𝑐𝑚𝑔

𝐴𝑙 =𝑏2

𝐴𝑎𝑠𝑎

Definimos então um valor para a envergadura

• Envergadura(b) = 7.8 m

A envergadura foi definida com base no requisito de caber na área de pouso

dos vertiports sem acarretar maiores problemas, seu valor está próximo do

comprimento da fuselagem, otimizando a área necessária de pouso e hangaragem.

A ideia foi usar o estabelecido pela ANAC (91.137 (a) do RBHA 91), que

recomenda um isolamento circular da área de pouso e decolagem de um helicóptero

para o EVTOL. Uma análise da possibilidade de que uma envergadura maior poderia

acarretar na necessidade de vertiports com área extensa foi preponderante.

Também foi analisado o aspecto do alongamento que essa asa deverá ter para

assim definir a envergadura da aeronave.

O alongamento então, pode ser calculado como:

𝐴𝑙 =7,82

10,12

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• Alongamento (Al) = 6.01

De posse do alongamento e envergadura, calcula-se a corda média

aerodinâmica:

𝑐𝑚𝑎 =𝑏

𝐴𝑙

𝑐𝑚𝑎 =7.8

6.01

• Corda média aerodinâmica = 1.29 m

Como a asa é retangular, a corda média geométrica é igual a aerodinâmica.

Uma vez estimado o Cl de cruzeiro e as dimensões principais da asa,

calculamos o número de Reynolds de cruzeiro, para selecionar um perfil adequado

para a aeronave.

𝑅𝑒 =𝑟ℎ𝑜 ∗ 𝑉 ∗ 𝑐𝑚𝑎

µ

𝑅𝑒 =1.189 ∗ 69.44 ∗ 1.29

1.78𝐸 − 5

• Reynolds = 6 E6

Para esse Reynolds, são considerados alguns perfis que possam entregar o Cl

de cruzeiro requerido com baixo coeficiente de arrasto.

Baseado em Abbott & von Doenhoff(1959), encontram-se várias classes de

perfil que podem ser usadas.

Para o presente projeto e baseado em Barros (2000) estudamos as seguintes

famílias de perfil:

- NACA série 6

- Nasa série MS

- Wortmann

- HQ

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• Perfil Naca série 6 A

São os primeiros perfis laminares a serem inventados no mundo segundo

Barros(2000) e precisam ser bem polidos e quando bem fabricados produzem baixo

arrasto. Por facilidade de construção foram procurados perfis com espessura relativa

de 12% a 15% para a raiz e de 10% a 12% para a ponta da asa.

Figura 33 - Características de perfis NACA série 6

Fonte: Barros (2000)

• Nasa MS

Perfis para regime turbulento e média velocidade, foi criado o MS(1) 0313 de

13% de espessura relativa. Os dados obtidos para M = 0,13 e Re = 2,2E6 são:

Cl_máx = 1,65, Cd_mín = 0,01, Cm = -0,75 e estol suave em alpha 22°.

• Wortmann

Desenvolvido para velocidades muito baixas e serão desconsiderados no

escopo desse projeto.

Figura 34 - Características perfis Wortmann

Fonte: Barros (2000)

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• HQ

São perfis desenvolvidos para motoplanadores, não sendo os mais

recomendados para o uso nesse projeto, afinal é um perfil otimizado para velocidades

menores.

Figura 35 - Características de perfis HQ

Fonte: Barros (2000)

Estudadas essas classes de perfis, decidiu-se adotar o perfil NACA 65 415, pois

ele foi projetado para um Cl de 0,4 que é muito próximo do Cl de cruzeiro, tem uma

espessura razoável para fabricação usando material composto, foi projetado para

Mach e Reynolds próximos do desejado no cruzeiro. Seu Cl_máx é igual a 1,55 e

possui um Cd de 0.042.

• Perfil da asa NACA65(2) 415

Figura 36 - Perfil NACA 64(t) 415

Fonte: Airfoil Tools

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66

Figura 37 - Perfil NACA 65(2) 415- Gráfico Cl x Cd e Cl x Alpha

Fonte: Airfoil Tools

Figura 38 - Perfil NACA 65(2) 415- Gráfico Cl_Cd x Alpha e Cd x Alpha

Fonte: Airfoil Tools

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67

Figura 39 - Perfil NACA 65(2) 415- Gráfico Cm x Alpha

Fonte: Airfoil Tools

• Asa reta

A asa será reta, sem enflechamento e sem diedro, pois as velocidades de

cruzeiro são relativamente baixas e a forma em planta reta simplifica o projeto e a

construção da aeronave.

• Asa Alta

A escolha pela posição de asa alta é porque os motores de propulsão vertical,

estão posicionados na posição média da aeronave e ficariam muito próximos a asa,

caso a asa fosse fixada em outra posição.

Segundo Roskam (1997) essa configuração tem melhor relação L/D e maior

estabilidade lateral.

• Flapes

É importante esclarecer que a aeronave pousa verticalmente, com a

sustentação sendo fornecida pelos motores verticais. Portanto não existe a

necessidade do uso de flapes, para aumentar a sustentação em baixas velocidades.

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68

4.3.3 Dimensões das empenagens

As empenagens serão construídas em T, para que não sejam afetadas pela

esteira da asa tampouco pela esteira dos propulsores verticais, que estão

posicionados na fuselagem conforme vista da figura 40.

Segundo Roskam (1997), para estimar as dimensões requeridas para as

empenagens vertical e horizontal, um procedimento usado é o cálculo dos volumes

de cauda.

• Volume de cauda horizontal

𝑉𝐻𝑇 =𝑙𝐻𝑇 ∗ 𝑆𝐻𝑇

𝑐𝑚𝑔 ∗ 𝑆

Para determinar a distância do centro aerodinâmico da empenagem horizontal

até o centro de gravidade do avião é necessário estimar a posição do CG. Em um

anteprojeto de uma aeronave, o CG pode variar, devido às alterações necessárias

durante a concepção de projeto.

Afim de contornar este problema é feita uma estimativa grosseira e ao final do

projeto serão feitos retrabalhos para acomodar a variação do CG.

• Centro de Gravidade = 3,0 m

A estimativa do CG foi feita com base no posicionamento da asa na fuselagem

que está entre 2,5 m e 3,7m e também na posição dos propulsores verticais que estão

localizados entre 0 m e 6,3 m. A cabine de passageiros está entre 1,0 m e 5,85 m e

as baterias serão alocadas para balancear a aeronave, de tal modo que o CG possa

ser preliminarmente definido sem grandes complicações futuras. Assim, a distância

do CA da empenagem horizontal até o CG da aeronave será de 4,5 m.

Segundo Roskam (1997) o volume de cauda horizontal varia normalmente

entre 0,35 e 0,5 para as aeronaves. Como nesse projeto os propulsores verticais

fazem o papel da empenagem horizontal em baixas velocidades, a empenagem só

será utilizada em velocidades mais altas, logo ela pode ser subdimensionada e

consideraremos o menor volume de cauda igual a 0,35.

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Para determinar a área da empenagem horizontal:

𝑆𝐻𝑇 =𝑉𝐻𝑇 ∗ 𝑐𝑚𝑔 ∗ 𝑆

𝑙𝐻𝑇

Substituindo os valores:

𝑆𝐻𝑇 =0.35 ∗ 1.29 ∗ 10.12

4.5= 1.02 𝑚²

• Volume de cauda vertical

𝑉𝑉𝑇 =𝑙𝑉𝑇 ∗ 𝑆𝑉𝑇

𝑏 ∗ 𝑆

O volume de cauda vertical varia historicamente entre 0,03 e 0,06. Conforme

os mesmos critérios que foram usados para o volume de cauda horizontal, o menor

valor para o volume de cauda vertical será usado.

Isolando a área da empenagem vertical temos:

𝑆𝑉𝑇 =𝑉𝑉𝑇 ∗ 𝑏 ∗ 𝑆

𝑙𝑉𝑇

𝑆𝑉𝑇 =0,03 ∗ 7,8 ∗ 10,12

4,5= 0,53 𝑚²

Com base nas áreas das empenagens, pode-se definir suas cordas e

envergaduras.

Segundo Roskam (1997), pode-se considerar um alongamento da empenagem

vertical mínimo de 1,5 e da empenagem horizontal mínimo de 2. Baseados na

observação de projetos aerodinâmicos consagrados, chegou-se à conclusão, que

uma estimativa para o alongamento da empenagem horizontal poderia ser 4.

Podemos calcular a envergadura por:

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𝑏𝑉𝑇 = √𝐴 ∗ 𝑆

Ao calcular a envergadura da empenagem vertical obtemos os seguintes

valores.

𝑏𝑉𝑇 = √𝐴𝑉𝑇 ∗ 𝑆𝑉𝑇 = √1.5 ∗ 0.53

• Envergadura empenagem vertical = 0.89 m

De posse da envergadura, podemos calcular a corda média da empenagem

vertical, que será trapezoidal:

𝑐𝑚𝑔𝑉𝑇 =𝑆𝑉𝑇

𝑏𝑉𝑇= 0.60 𝑚

Esta será a corda média geométrica da empenagem vertical. A corda na raiz é

igual a 0,67 m e a corda na ponta igual a 0,53, formando um trapézio retângulo

perfeito.

• Corda média empenagem vertical = 0.60 m

• Corda na raiz = 0.67 e na ponta igual a 0.53 m

Para que a empenagem vertical possa se mover sem se chocar com a empenagem

horizontal, que está conectada logo acima em T, teremos um espaço vazio.

Considerando que a empenagem vertical poderia se mover mais ou menos 30°

para cada lado, a amplitude de movimento dela será um ângulo de 60. O comprimento

de cada lado do triângulo formado pelo movimento da empenagem vertical é, por

definição, igual a corda da empenagem vertical. A área total de movimento pode ser

calculada por:

𝐴𝑚𝑜𝑣𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 =√3 ∗ 𝑐𝑚𝑔²𝑉𝑇_𝑝𝑜𝑛𝑡𝑎

4= 0,1216

Logo, essa área representa um furo triangular na empenagem horizontal.

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Para compensar o espaço de movimentação da empenagem vertical temos que

acrescer essa área na área da empenagem horizontal inicial, mantendo o

alongamento. Seguindo a mesma equação da empenagem vertical, temos:

𝑏𝐻𝑇 = √𝐴𝐻𝑇 ∗ (𝑆𝐻𝑇 + 𝐴_𝑚𝑜𝑣𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎çã𝑜) = √4 ∗ (1.02 + 0.12 ) = 2.13 𝑚

• Envergadura empenagem horizontal igual 2.13 m

E então:

𝑐𝑚𝑔𝐻𝑇 =𝑆𝐻𝑇 + 𝐴_𝑚𝑜𝑣𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎çã𝑜

𝑏𝐻𝑇 = 0.53 𝑚

• Corda empenagem horizontal = 0.53 m

Figura 40 - Esboço das empenagens

Fonte: Autoria própria

O perfil das empenagens será escolhido de maneira similar ao da asa. Segundo

Barros (2000), comumente são usados perfis simétricos turbulentos ou laminares com

espessura relativa entre 6% e 12%. No caso da empenagem em T é comum o uso na

empenagem vertical de um perfil com até 15% de espessura relativa, para evitar

problemas estruturais.

Também precisamos ponderar o fato de que, quanto mais fino for o perfil, menor

será o arrasto e maior será o peso (devido a menor espessura da caixa de torção,

necessitando de reforços).

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As escolhas são baseadas no requisito de simplicidade, optando por um perfil

mais espesso para aliviar peso na empenagem e facilitar a construção.

Foram analisados alguns perfis que podem ser usados nas empenagens.

Adotaremos o perfil NACA 64t-012, pois esse apresenta baixo arrasto e alto

valor de Cl, para grande faixa de ângulos de ataque. A espessura relativa maior é

motivada pela simplicidade de projeto estrutural da aeronave.

Figura 41 - Perfil NACA 64(t) 012

Fonte: Airfoil Tools

Figura 42 - Perfil NACA 64(t) 012 - Gráfico Cl x Cd e Cl x Alpha

Fonte: Airfoil Tools

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Figura 43 - Perfil NACA 64(t) 012 - Gráfico Cl_Cd x Alpha e Cd x Alpha

Fonte: Airfoil Tools

Figura 44 - Perfil NACA 64(t) 012 Gráfico Cm x Alpha

Fonte: Airfoil Tools

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4.3.4 Dimensões do aileron

Será construído um aileron para cada semi-asa para controle da aeronave. Suas

características geométricas serão baseadas na estabilidade da aeronave.

As dimensões dos ailerons segundo Roskam (1999), podem ser calculadas de

acordo com as seguintes relações:

𝑏𝑎𝑖𝑙 = 0,4 ∗𝑏

2

𝑐𝑚𝑔𝑎𝑖𝑙 = 0,25 ∗ 𝑐𝑚𝑔

• Envergadura do aileron = 1,56 m

• Corda do aileron = 0,32 m

4.3.5 Dimensões do trem de pouso

O trem de pouso da aeronave será do tipo triciclo e fixo. As motivações residem

na simplicidade de projeto. A escolha da configuração tipo triciclo se dá em virtude de

a configuração convencional criar um maior arrasto parasita. O trem será fixo, pois

trens de pouso retráteis exigem um sistema de atuação para fazer o recolhimento, o

que gera maior peso para a aeronave e como a velocidade de voo é baixa, o arrasto

gerado pelo trem de pouso é relativamente baixo.

Ao contrário dos trens de pousos das aeronaves comuns, onde são necessários

sistemas de amortecimento avançados e pneus aeronáuticos certificados, como a

aeronave pousa e decola verticalmente, o trem de pouso pode ser feito de maneira

mais simples e menos resistente.

Os trens de pouso contarão com uma polaina para diminuir o arrasto

aerodinâmico. Baseando-se em um diâmetro mínimo de 0.10 m para o pneu, estima

se que o trem de pouso terá 0.15 m de altura.

Nos cálculos preliminares o trem de pouso não será representado, podendo ser

desenvolvido assim como a polaina, em fases subsequentes do projeto.

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4.4 Tabelas de dados da aeronave

Foram apresentadas as estimativas para as diferentes partes da aeronave, que a

partir de agora será denominada CEA-ELEVATE. As tabelas seguintes resumem as

dimensões principais da aeronave.

4.4.1 Dados da asa

Tabela 8 - Dados da asa CEA-ELEVATE

Variável Valor

Envergadura da asa 7,8 m

Comprimento 7,75 m

Altura máxima do solo 2,70 m

Área da asa 10,12 m²

Diedro 0,0°

Alongamento 6,01

Afilamento 1,00

Corda na raiz 1,29 m

Corda da ponta 1,29 m

Torção geométrica 0,0°

Ângulos de incidência Raiz Ponta

Geométrica 3° 0°

Aerodinâmica 0° 0°

Fonte: Autoria própria

4.4.2 Dados do aileron

Tabela 9 - Dados aileron CEA-ELEVATE

Envergadura Aileron 1,56 m

Área Aileron 0,50 m²

Fonte: Autoria própria

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4.4.3 Dados da empenagem horizontal

Tabela 10 - Dados empenagem horizontal CEA-ELEVATE

Envergadura 2,13 m

Área total 1,02 m²

Área do profundor 1,02 m²

Diedro 0,0 °

Área do compensador 0,0 m²

Corda do perfil 0,53 m

Fonte: Autoria própria

4.4.4 Dados da empenagem vertical

Tabela 11 - Dados empenagem vertical CEA-ELEVATE

Envergadura 0,89 m

Área total 0,53 m²

Área do profundor 0,53 m²

Diedro 0,0 °

Área do compensador 0,0 m²

Corda média do perfil 0,60 m

Fonte: Autoria própria

4.4.5 Comparativo carga na asa

Gráfico 21 - Carga na Asa

Fonte: Airfoil Tools

50

100

150

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5

Car

ga n

a A

sa(k

g/m

²)

N° passageiros

Carga alar

Empuxo vetorado Aviões elétricos Aviões a combustão

Empuxo por função Anteprojeto

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4.5 Propulsão

O veículo conta com oito propulsores elétricos, seis deles dispostos na lateral da

fuselagem para prover empuxo vertical e dois na parte traseira da fuselagem

responsáveis pelo empuxo horizontal. Será feita uma análise baseada em cada eixo

de movimento da aeronave, o acoplamento dos motores e a transição de hover para

cruzeiro não serão analisados neste escopo inicial do projeto.

4.5.1 Motores Verticais

A aeronave terá 6 motores elétricos com o diâmetro da pá da hélice igual a dois

metros. O valor do diâmetro é uma estimativa com base nos cálculos posteriores da

potência requerida.

Os motores ficarão alocados na fuselagem 0.2 m abaixo da linha média da

fuselagem na posição z = -0.9. Serão colocados em pares na posição x = 2.0 m, x

=4.1m e x = 6.2 m, dispostos de maneira simétrica no eixo y.

A potência requerida em cada motor pode ser estimada pelo cálculo da potência

necessária para a aeronave em hover. Podemos então usar a teoria do disco atuador,

segundo Leishman (2006), onde temos as seguintes hipóteses: escoamento invíscido,

incompressível e permanente, limitado pelas linhas de cisalhamento e adotamos que

a hélice é equivalente a uma descontinuidade plana.

Após algumas simplificações, temos que a potência requerida para o hover da

aeronave pode ser descrita segundo a equação:

𝑃ℎ𝑜𝑣𝑒𝑟 = 𝑊3/2

√2 ∗ 𝑟ℎ𝑜 ∗ 𝐴𝑝

Para calcular a área de disco das hélices, assumimos que essa área é a área

de disco de todos os seis motores somados e então:

𝐴𝑝 =(6 ∗ 𝜋 ∗ 𝑑2)

4= 18,85 𝑚²

• Área de disco = 18,85 m²

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E logo:

𝑃𝑖𝑑𝑒𝑎𝑙 = (1450 ∗ 9.81)3/2

√2 ∗ 1.19 ∗ 18.85= 253 𝐾𝑊

• Potência em Hover = 340 Hp

Para fins de comparação, foram calculadas a potência em hover de dois

helicópteros comerciais o R22 e o Esquilo. Os resultados podem ser verificados na

tabela abaixo:

Tabela 12 - Comparação de potência de hover calculadas para helicópteros

Área (m²)

peso (kg) Potência total

(Hp) Potência hover calculada (Hp)

Potência por peso (Hp/kg)

Robinson R-44 46,20 635,00 124,00 64,72 0,10

Esquilo 89,75 2250,00 847,00 300,00 0,13

CEA-ELEVATE 18,85 1450,00 786,00 340,00 0,23

Fonte: Autoria própria

Gráfico 22 – Relação potência Hover por peso

Fonte: Autoria própria

Em comparação com os helicópteros, observa-se que a potência requerida em

hover admensionalizada pelo peso para o CEA-ELEVATE é mais alta. Isto ocorre

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0 1 2 3 4 5 6 7

(Hp

/kg)

Número de passageiros

Relação: Potência/Peso

Robinson R-44 Esquilo CEA-ELEVATE

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devido à pequena área de disco da aeronave em comparação com a área de disco

dos helicópteros.

Observa-se que os helicópteros listados têm potência total disponível bem

maior que a potência requerida em hover. Isto acontece para que exista um extra de

potência que compense erros nos cálculos, usando teoria do disco atuador e para que

exista uma sobra de potência para promover uma velocidade de subida da aeronave.

A potência do CEA-ELEVATE deve ser um pouco maior que a potência em

hover calculada para que a aeronave tenha uma velocidade de subida condizente com

sua operação e também possa usar a diferença de potência entre os motores para

controlar o movimento de rolamento e arfagem em baixas velocidades, segundo o

gráfico de missão típica da aeronave, a velocidade de subida vertical varia seguindo

a curva:

Gráfico 23 - Carregamento de disco

Fonte: autoria própria

O projeto das pás da hélice dos motores está fora do escopo desse estudo,

mas é importante fazer uma menção ao fato de que a hélice está bastante carregada,

como representado no gráfico 23, devido à pequena área de disco dessa aeronave.

Para mitigar possíveis problemas é fortemente recomendado o uso de várias pás, para

diminuir o carregamento da hélice e o ruído gerado.

O fato das hélices serem dutadas ainda diminui o ruído gerado.

0,0

10,0

20,0

30,0

40,0

50,0

60,0

70,0

80,0

90,0

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Car

rega

me

nto

de

dis

co (

kg/m

²)

N° passageiros

Carregamento de disco

Empuxo vetorado Helicopteros CEA-ELEVATE

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Serão analisados alguns motores elétricos disponíveis para procurar motores

que possam fornecer essa potência mínima de hover, com os devidos acréscimos de

potência necessários.

Tabela 13 - Comparação motores elétricos

Motor voltagem(V) potência (kW) potência (Hp) eficiência peso (kg) diâmetro (mm)

Emrax 268 250 230 308 98% 20,3 91

Emrax 348 340 300 402 98% 40 107

Emrax 228 130 100 134 98% 12,3 86

Siemens SP260D 580 261 349 95% 50 418

MacLaren 420 110 147 96% 26 185 Fonte: Autoria própria

• Motor Emrax 228

• Potência = 131 Hp cada ou 786 Hp o conjunto

O motor escolhido é o Emrax 228, que é capaz de gerar uma potência útil de

131 Hp, ou seja, os 6 motores verticais seriam capazes de produzir em conjunto 786

Hp. Um valor acima do calculado para o Hover da aeronave.

Cada motor pesa somente 12.3 kg, totalizando 73.8 kg e o diâmetro é 0.086 m,

cerca de 4% do diâmetro da hélice o que não sombreia a hélice de diâmetro de dois

metros. Segundo o fabricante, o motor aguenta um torque de 230 Nm.

A potência dos motores deverá ser maior que a potência calculada em hover,

para conseguir um voo seguro, garantir velocidade de subida e também garantir o uso

dos motores para o controle lateral da aeronave.

Em caso de falha de um dos motores, o motor que falhou pode ser posto em

autorrotação e os outros motores devem ser capazes de sustentar a aeronave em

uma descida controlada.

Temos que considerar a eficiência da hélice em transformar a potência em

sustentação. A título de exemplo, usando uma hélice de perfil Clark Y na raiz e também

na ponta, com um ângulo ótimo de torção, podemos estimar uma eficiência de 80%

para uma hélice bem projetada, um valor ilustrativo para dimensionar o efeito da

hélice.

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Gráfico 24 - Exemplo de mapa de eficiências das hélices

Fonte: Hortman

Logo a potência fornecida pelo motor para o hover será igual a:

𝑃ℎ𝑜𝑣𝑒𝑟 = 0,8 ∗ 𝑃𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟

• Potência de hover = 628.8 Hp

Para estimar o consumo (C) de um motor, podemos calcular a potência líquida:

𝑃𝑙𝑖𝑞 =𝑃𝑓𝑜𝑟𝑛𝑒𝑐𝑖𝑑𝑎

𝑟𝑒𝑛𝑑𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜%=

786

0.96= 818,75 𝑘𝑊

Onde 𝑃𝑙𝑖𝑞 é a potência. Com base na missão típica os motores verticais ficam

ligados por 3 minutos em média no hover de subida e mais 3 minutos para o pouso.

O consumo dos motores é de 818,75 kW, porém na condição normal eles só

ficam ligados por 6 m. Assim pode-se fazer uma equivalência simples e tem-se que

os motores consomem em 6 minutos, cerca de 81,875 kW.

Com base nos dados descritos pelo fabricante, a bateria com melhor densidade

energética disponível para venda hoje tem as seguintes especificações:

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Tabela 14 - Especificações Oxis Energy

Fonte: OxisEnergy

Considerando a voltagem mínima de cada motor, podemos empacotar as

células da bateria em pacotes com mais de 55 células para garantir a voltagem de

operação do motor que é de 130 V, cada pacote teria cerca de 5 kg e ocuparia cerca

de 0,0065 m³ de espaço.

Logo 500 kg de bateria ocupam 0,65 m³, o que não é proibitivo de se alocar na

aeronave.

Com base na energia gravimétrica prometida pelo fabricante de 400 wh/Kg,

teremos que, para fornecer o consumo de 81,875 Kw/h, em 6 minutos, temos:

𝑝𝑒𝑠𝑜𝑏𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑠 =𝑃𝑙𝑖𝑞

𝑑𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔∗ 𝑓𝑟𝑎çã𝑜ℎ𝑜𝑟𝑎 = 205 𝑘𝑔

Logo o peso para a missão típica, somente das baterias usadas no voo em

hover seria de 205 kg.

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4.5.2 Motores horizontais

Para calcular o peso das baterias e a potência necessária para os motores

horizontais, temos que estimar um arrasto em cruzeiro para a aeronave. O arrasto

pode ser dividido em arrasto induzido e arrasto parasita: dentro do arrasto parasita

temos o arrasto de interferência e arrasto de perfil, de onde tiramos o arrasto de fricção

e de pressão.

Como forma de simplificação, iremos estimar o arrasto somente na condição

de cruzeiro, através do software Open VSP, adotando os motores verticais junto com

a prancha que os sustenta, como dois flutuadores aquáticos de mesma área.

Chegamos num valor de coeficiente de arrasto alto, perto de aeronaves com

mesmo número de passageiros. Isso é entre outros motivos devido a prancha dos

motores verticais, que aumenta o arrasto, pois aumenta a área molhada da aeronave

e prejudica a aerodinâmica como um todo da aeronave.

Será necessária uma simulação em CFD, e até um ensaio em túnel de vento,

para fixar um valor mais coerente para o arrasto e continuar os cálculos nas próximas

fases do projeto.

De acordo com Pullin (1976), a potência requerida pode ser estimada pela

equação:

𝑃𝑟𝑒𝑞 = 𝑊√2 ∗ 𝑊

(𝑟ℎ𝑜 ∗ 𝑆𝑚𝑜𝑙ℎ𝑎𝑑𝑎) 𝐶𝑑/𝐶𝑙

32

𝑃𝑐𝑟𝑢𝑧 = (1450 ∗ 9.81)√2 ∗ 1450 ∗ 9.81

(1.19 ∗ 15.51)∗

0.113

0.432

= 249 𝐾𝑊

𝑃𝑐𝑟𝑢𝑧 = 334 𝐻𝑝

Para garantir essa potência requerida, iremos adotar dois motores alocados no

final da fuselagem da aeronave. Com base na tabela 13 de motores estudados, um

motor possível é o Emrax 268, cada um é capaz de fornecer 302 Hp, o peso de cada

motor é de 20,3 kg, logo os dois motores mais o pilone, que pode ser estimado

pesando 5kg, terão peso final de 50,6kg.

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84

Considerando uma eficiência de 0,8 para a hélice, podemos considerar que

cada motor é capaz de fornecer 240 Hp de potência útil em voo. Para suprir a potência

em voo requerida, temos que cada motor pode trabalhar com 70% da potência,

produzindo juntos 336 Hp.

Considerando a missão típica e os motores trabalhando a 70% da potência,

podemos calcular o peso das baterias para o cruzeiro, adotando o mesmo

procedimento para o consumo dos motores verticais e logo:

𝑝𝑒𝑠𝑜𝑏𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑠 =𝐶

𝑑𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔∗ 𝑓𝑟𝑎çã𝑜ℎ𝑜𝑟𝑎

𝑝𝑒𝑠𝑜𝑏𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑠 =258 𝑘𝑊

400 𝑘𝑊ℎ/𝑘𝑔∗ 0.35 ℎ = 225.75 𝑘𝑔

4.5.3 Considerações sobre os resultados de motores

Para uma aeronave eficiente, precisamos otimizar a relação de potência

requerida entre o hover e o voo em cruzeiro. Tem-se que quanto maior a área de disco

dos motores verticais, menor será a potência requerida no hover, porém maior será o

arrasto gerado em cruzeiro pela estrutura dos motores verticais e logo maior será a

potência gasta em cruzeiro. Existe, portanto, um valor ótimo para cada missão da

aeronave.

É necessário considerar também o carregamento na pá da hélice, que pode ser

um requisito mínimo para a área de disco da aeronave, usaremos 3 pás, como uma

estimativa inicial, para diminuir o carregamento da hélice. Também podem ser usadas

outras soluções para diminuir o carregamento, por exemplo, segundo Glauber (2018)

o uso de motores contra rotativos.

Devido a necessidade de motores desacoplados, um para cada parte da

missão, temos que a potência total instalada na aeronave é muito maior que a de

outras aeronaves. Os motores elétricos, por serem mais leves, tem vantagem nesse

tipo de aplicação. Motores a combustão seriam demasiado pesados, para serem

usados somente em uma parte do voo.

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Gráfico-21 Exemplo de mapa de eficiências das hélices

Fonte: Hortman

4.5.4 Baterias

As baterias serão da Oxis Energy. Para cada motor foi estimado o consumo e

com os resultados temos os pesos das baterias para cada fase de voo. Para o hover

precisamos de 205 kg e para o cruzeiro precisamos de 225.75 kg. Considerando um

peso de cerca de 50kg de baterias, para suprir o consumo dos sistemas elétricos da

aeronave. Temos também por requisito, segundo o “White Paper Uber”, que a bateria

precisa ter 20 % de carga a mais, caso a aeronave precise alternar o pouso para outro

vertiport mais próximo.

O fato de a bateria não descarregar totalmente, aumenta a sua vida útil. Por

exemplo, para a bateria usada da Oxis Energy, a vida útil passa de 100 ciclos para

200 ciclos.

𝑃𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = (𝑃ℎ𝑜𝑣𝑒𝑟 + 𝑃𝑐𝑟𝑢𝑧𝑒𝑖𝑟𝑜 + 𝑃_𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎𝑠) ∗ 1.2

O peso total das baterias será de 577 kg, o que corresponde a cerca de 56%

do peso vazio da aeronave, uma estimativa ainda maior que a adotada no início dos

cálculos. O peso dos motores junto com sua estrutura é cerca de 125 kg, ou seja, a

aeronave tem cerca de 68% do seu peso, somente com o grupo propulsor.

0

500

1000

1500

2000

2500

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

po

tên

cia

(hp

)

N° passageiros

Potência

Empuxo vetorado Helicopteros Aviões elétricos Aviões a combustão CEA-ELEVATE

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As baterias Oxis Energy foram usadas, por serem as com melhor densidade

energética no mercado, porém tem vida útil de somente 200 ciclos, o que seria um

grande impeditivo para o uso em massa nas aeronaves.

Outro ponto relevante é o tempo necessário para carregar a bateria, que

segundo o fabricante é de 4 horas. Para que essa aeronave fosse usada diversas

vezes ao dia, seria necessário um sistema de troca dos packs de bateria a cada pouso,

o que devido ao peso do conjunto de baterias, quase 577kg, não seria algo trivial de

ser feito.

Figura 45 - Pack de baterias Oxis Energy

Fonte: OxisEnergy

Analisando o custo das baterias, apesar da fabricante não definir um valor por

conjunto de células, temos que o custo segundo estudos feitos pela fundação Fapesp

giraria em torno de 250 $, por kWh, logo todos os packs usados na aeronave custariam

juntos cerca de 57000 $, o que em conversão direta para o real daria algo em torno

de 200 mil reais.

A cada 200 ciclos de uso da bateria, precisariam ser gastos 200 mil reais com

a troca das baterias da aeronave, sem contar os custos de projeto, certificação,

fabricação e do próprio consumo de energia elétrica do protótipo, que não seria

irrisório. Temos também o risco de explosões, intrínsecas a baterias de lítio, caso as

baterias sejam submetidas a temperaturas acima de 25 ° C.

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4.6 Considerações finais do anteprojeto

Temos como principais dificuldades do uso da bateria para um projeto viável: a

baixa densidade energética em relação aos combustíveis fósseis; problemas com o

alto custo das baterias; baixo ciclo de vida; baixa confiabilidade e lento carregamento.

A solução para o projeto, seria o uso de tecnologias alternativas, que dispensem o

uso de baterias na aeronave. Vamos destacar duas possibilidades.

4.6.1 Rede de fios entre os vertiports

Essa ideia consiste em ligar todos os vertiports por linhas de energia. Assim a

aeronave seria capaz de voar presa por cabos flexíveis, à linha de energia que liga os

vertiports, garantindo a energia para o voo. As baterias da aeronave forneceriam

energia somente em caso de desconexão da aeronave da linha de fios e essa energia

seria somente o suficiente para a aeronave descer em hover, reduzindo drasticamente

o peso das baterias necessárias para o voo, o que reduziria o peso da aeronave, junto

com todos os problemas citados acima.

Essa ideia é similar aos bondes elétricos, que também usam de redes de fios

instaladas entre suas estações.

Uma solução próxima seria usar fios, para fazer a transmissão de energia

somente na parte da decolagem em hover. A ideia seria ter um cabo ligado a cada

vertiport, no qual a aeronave subisse em hover ligada ao cabo e se desprendesse

após adquirir velocidade horizontal suficiente

Figura 46 - Bonde elétrico preso a fio

Fonte: OxisEnergy

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4.6.2 Carregamento por indução

Essa ideia consiste em carregar a bateria da aeronave em movimento.

Atualmente, temos a empresa Qualcomm, com uma tecnologia batizada de Dynamic

Eletric Vehicle Charging System (DEVEC), que promete fornecer energia para as

baterias de carros elétricos, utilizando uma tecnologia de indução, através de trilhos

eletrificados que ficariam acoplados às estradas, isso sem precisar de ter contato

físico entre o carro e os trilhos. A ideia então seria usar uma estrutura que pudesse

carregar as baterias das aeronaves em voo, através de indução elétrica.

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5 Conclusão

Neste trabalho, buscou-se estudar as dificuldades inerentes ao projeto de um

EVTOL para transporte em massa de passageiros. Foram apresentados o histórico de

desenvolvimento de aeronaves com missões similares, foram definidos os requisitos

para o projeto da aeronave e partiu-se para o estudo conceitual da aeronave CEA-

ELEVATE, com o intuito de exemplificar um anteprojeto de uma aeronave que

cumprisse os requisitos definidos.

Foi realizado um esboço da aeronave, sendo feitos cálculos preliminares, que

levaram a uma geometria possível para a aeronave. Foram estudadas diferentes

configurações e suas vantagens para o uso nesse tipo de veículo. Os estudos

apontam que as baterias elétricas necessárias são a maior dificuldade atualmente

para a concepção do projeto e consequente implementação de uma aeronave viável.

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6 Trabalhos futuros

Para estudos futuros, para que seja possível a implementação desse tipo de

aeronave EVTOL, recomenda-se o estudo de novas tecnologias de baterias elétricas

com maior densidade energética aliado ao estudo de formas alternativas de

fornecimento de energia elétrica.

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