FUNDAMENTOS DA

ENGENHARIA AERONUTICA Aplicaes ao Projeto SAE AeroDesign

LUIZ EDUARDO MIRANDA J. RODRIGUES

Volume 1

Princpios Fundamentais Aerodinmica

Propulso Anlise de Desempenho

FUNDAMENTOS DA

ENGENHARIA AERONUTICA Aplicaes ao Projeto SAE AeroDesign

Volume 1

Princpios Fundamentais, Aerodinmica, Propulso e Anlise de Desempenho

LUIZ EDUARDO MIRANDA J. RODRIGUES

Rodrigues, Luiz Eduardo Miranda. J. Fundamentos da Engenharia Aeronutica Aplicaes ao Projeto SAE-AeroDesign Volume 1 Princpios Fundamentais, Aerodinmica, Propulso e Anlise de Desempenho

1. ed rev. Instituto Federal de Educao, Cincia e Tecnologia de So Paulo, So Paulo, 2009.

Ao Estudante

Que a presente obra represente um estmulo a todos os estudantes que admiram a engenharia aeronutica e buscam o entendimento dessa cincia que desperta o interesse e a curiosidade das pessoas e sirva como referncia bsica para o desenvolvimento e projeto de aeronaves destinadas a participar da competio SAE-AeroDesign.

SOBRE O AUTOR

O professor Luiz Eduardo Miranda J. Rodrigues formado em Engenharia Mecnica com nfase Automobilstica pelo Centro Universitrio da FEI

em 1997, Mestre em Cincia na rea de Dinmica de Sistemas Aeroespaciais e Mecatrnica pelo Instituto Tecnolgico de Aeronutica

ITA, concludo em 2001. Atualmente professor do quadro permanente do Instituto Federal de Educao, Cincia e Tecnologia de So Paulo Campus Salto, ministrando aulas nas disciplinas de Mecnica dos Fluidos, Esttica dos Slidos e Resistncia dos Materiais.

No AeroDesign trabalhou como orientador das equipes caro, Pegasus e Fly Girls da Universidade Nove de Julho nos anos de 2005, 2006 e 2007 sempre obtendo excelentes resultados na competio. Em 2009, orienta a equipe Taper do Instituto Federal de So Paulo iniciante na competio.

AGRADECIMENTOS

Foram muitas as pessoas que contriburam significativamente para o desenvolvimento desse trabalho,

no pretendo ser injusto me esquecendo de ningum. Meu eterno agradecimento aos professores do Instituto Tecnolgico de Aeronutica em especial ao

Prof. Dr. Donizeti de Andrade que me presenteou ao longo de minha formao acadmica uma imensurvel quantia de conhecimento na rea aeronutica. Aos amigos Prof. MSc. Washington Humberto de Moura e Prof. MSc. Jan Novaes Recicar, coordenadores dos cursos de Engenharia de Produo Mecnica e Engenharia Eltrica da Universidade Nove de Julho, que acompanharam o desenvolvimento desse trabalho desde seu inicio contribuindo com muitas idias que agregaram muito valor a cada captulo do livro. Agradeo aos amigos da comisso organizadora do AeroDesign Eng. Andr Van de Schepop e Eng.

Andr Luis Garcia Soresini que torceram muito para que esta obra fosse concluda. Meu eterno agradecimento para a Eng Letcia Aparecida Caride Amaral que foi o ponto de partida

para o inicio desse trabalho me incentivando a escrever um livro sobre o AeroDesign. A todos os integrantes das Equipes caro, Pegasus e Fly Girls da Universidade Nove de Julho em especial aos capites Eng Cristiane Corra de Lima, Eng lvaro Jos de Mauro e ao estudante Ayris Correia por proporcionarem momentos maravilhosos durante os anos em que os orientei. Aos alunos da equipe Taper do Instituto Federal de Educao, Cincia e Tecnologia de So Paulo, por acreditarem na realizao do trabalho e por j contriburem para a concluso dessa obra. Aos meus familiares, em especial para minha me Maria Bernadete Miranda e para minha noiva Dailene Felix, as duas razes da minha vida, que sempre apoiaram as loucuras que j fiz pelo AeroDesign e por meus alunos.

Enfim, fica meu agradecimento a todos que contriburam direta ou indiretamente para a concluso deste trabalho.

"Os pssaros devem experimentar a mesma sensao, quando distendem suas longas asas e seu vo fecha o cu... Ningum, antes de mim, fizera igual."

Alberto Santos Dumont

SUMRIO

Captulo 1- Conceitos Fundamentais................................................................................................1 1.1 Introduo .................................................................................................................................1 1.2 Contedos Abordados................................................................................................................3

1.3 Definies e Componentes Principais de um Avio ...................................................................4 1.3.1 Fuselagem...........................................................................................................................5 1.3.2 Asas....................................................................................................................................5 1.3.3 Empenagem ........................................................................................................................7 1.3.4 Trem de Pouso ....................................................................................................................8 1.3.5 Grupo moto-propulsor.........................................................................................................9 1.4 Sistemas de Coordenadas Usado na Indstria Aeronutica .........................................................9 1.5 Superfcies de Controle............................................................................................................ 10 1.6 Aplicao dos Conceitos Fundamentais em uma Aeronave Destinada a Participar da Competio SAE-AeroDesign ....................................................................................................... 13

Captulo 2 Fundamentos de Aerodinmica.................................................................................. 15 2.1 Definio de Aerodinmica...................................................................................................... 15 2.2 A Fsica da Fora de Sustentao............................................................................................. 15 2.3 Nmero de Reynolds ............................................................................................................... 18 2.4 Teoria do Perfil Aerodinmico................................................................................................. 19 2.4.1 Seleo e Desempenho de um Perfil Aerodinmico........................................................... 20 2.4.2 Foras Aerodinmicas e Momentos em Perfis ................................................................... 25 2.4.3 Centro de Presso e Centro Aerodinmico do Perfil .......................................................... 28 2.4.4 Perfis de Alta Sustentao................................................................................................. 33

2.5 Asas de Envergadura Finita ..................................................................................................... 43 2.5.1 Forma Geomtrica e Localizao da Asa na Fuselagem .................................................... 43 2.5.2 Alongamento e Relao de Afilamento ............................................................................. 48 2.5.3 Corda Mdia Aerodinmica .............................................................................................. 50 2.5.4 Foras Aerodinmicas e Momentos em Asas Finitas ......................................................... 52 2.5.5 Coeficiente de Sustentao em Asas Finitas ...................................................................... 54 2.5.6 O Estol em Asas Finitas e suas Caractersticas .................................................................. 63 2.5.6.1 Influncia da Forma Geomtrica da Asa na Propagao do Estol................................ 66

2.5.7 Aerodinmica da Utilizao de Flapes na Aeronave .............................................................. 67 2.5.8 Distribuio Elptica de Sustentao ................................................................................. 70 2.6 Arrasto em Aeronaves ............................................................................................................. 79 2.6.1 Arrasto Induzido ............................................................................................................... 80 2.6.1.1 Tcnicas Utilizadas para a Reduo do Arrasto Induzido............................................ 81 2.6.1.2 Efeito Solo ................................................................................................................. 84 2.6.2 Arrasto Parasita................................................................................................................. 86 2.7 Aerodinmica da Empenagem ................................................................................................. 91 2.8 Polar de arrasto da aeronave .................................................................................................... 96 2.8.1 O que uma Polar de Arrasto e como pode ser Obtida? .................................................... 96 2.9 Consideraes sobre a Aerodinmica de Biplanos.................................................................. 105 2.9.1 Gap Distncia Vertical entre as Asas ........................................................................... 106 2.9.2 Stagger Diferena de Posio entre o Bordo de Ataque das Asas ................................. 107 2.9.3 Decalagem...................................................................................................................... 107 2.9.4 Determinao de um Monoplano Equivalente ................................................................. 108 2.10 Dicas para a Realizao do Projeto Aerodinmico ............................................................... 111

Captulo 3 Grupo Moto-Propulsor ............................................................................................ 113

3.1 Introduo ............................................................................................................................. 113 3.2 Posio do Grupo Moto-Propulsor ......................................................................................... 113

3.3 Motor para a Competio SAE-AeroDesign........................................................................... 114 3.4 Caractersticas das Hlices..................................................................................................... 116 3.5 Modelo Propulsivo ................................................................................................................ 119

Captulo 4 Anlise de Desempenho ............................................................................................. 136 4.1 Objetivos ............................................................................................................................... 136 4.2 Foras que Atuam em uma Aeronave em Vo Reto e Nivelado com Velocidade Constante ... 136 4.3 Trao Disponvel e Requerida para o Vo Reto e Nivelado com Velocidade Constante........ 137 4.4 Potncia Disponvel e Requerida............................................................................................ 147

4.5 Relao entre a Velocidade de Mnima Trao Requerida (Mximo Alcance) e a Velocidade de Mnima Potncia Requerida (Mxima Autonomia) ................................................................. 154

4.6 Efeitos da Altitude nas Curvas de Trao e Potncia Disponvel e Requerida .........................157 4.7 Anlise do Desempenho de Subida.........................................................................................179 4.8 Vo de Planeio (Descida no Tracionada) ..............................................................................188 4.9 Desempenho na Decolagem ...................................................................................................206 4.10 Desempenho no Pouso .........................................................................................................232

4.11 Traado do Diagrama v-n de manobra ..................................................................................251 4.12 Desempenho em Curva ........................................................................................................262 4.13 Envelope de Vo e Teto Absoluto ........................................................................................273 4.14 Tempo Estimado para a Misso............................................................................................288

4.15 Metodologia para o Traado do Grfico de Carga til em Funo da Altitude-Densidade ....294 4.16 Dicas para a Anlise de Desempenho ...................................................................................308