Parâmetros geométricos e configurações de cauda em aeronaves, Esquemas de Design

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Disciplina:

Aerodinâmica

Prof. Fernando Porto

Aerodinâmica dos

Estabilizadores

Introdução

• Nos tópicos desta disciplina já apresentados foi discorrido

sobre a aerodinâmica relacionada à asa, assim como sobre a

interação que existe entre a asa e a fuselagem.

• Este tópico versa sobre as superfícies estabilizadores e

superfícies de controle.

• Normalmente uma aeronave possui elementos horizontais

compostos por estabilizadores horizontais e profundores, e

elementos verticais compostos por estabilizadores verticais e

lemes. O conjunto destes elementos, aqui, é denominado

simplesmente de cauda*.

• Atenção: CALDA , com “ L ”, é “sumo concentrado de frutas ou de plantas, geralmente fervido com açúcar até ficar espesso e viscoso”.

Alguns dos parâmetros geométricos necessários para a estimativa dos coeficientes de volume da cauda. Obs.: HT – horizontal tail; VT – vertical tail hV LHT LVT C.G.^ b Fonte: Aircraft Design, de Ajoy Kumar Kundu C.G.

• O design da cauda tem início com a seleção da configuração. Esta seleção não é resultado de cálculos matemáticos, sendo realizada com base no avaliação de várias configurações em relação aos requisitos do projeto:

1. Equilíbrio longitudinal ( longitudinal trim );
2. Equilíbrio direcional ( directional trim );
3. Equilíbrio lateral ( lateral trim );
4. Estabilidade longitudinal;
5. Estabilidade direcional;
6. Estabilidade lateral;
7. Manufaturabilidade e controlabilidade;
8. Características de operação (p.ex., conforto do passageiro);
9. Furtividade (apenas em alguns aviões militares específicos);
10. Requisitos operacionais (por exemplo, visão do piloto);

Tipos de Configuração Mais comuns:

Adaptado de Aircraft Design, A Conceptual Approach, de Daniel P. Raymer Outras configurações de cauda.

Variações da configuração da cauda traseira ( aft tail ). Fonte: Aircraft Design, A Conceptual Approach, de Daniel P. Raymer Experimental Experimental

• Se a aeronave já ultrapassou as fases de projeto, e estiver na

fase de fabricação, mas mesmo assim tenha sido constatada a

necessidade de alteração para uma melhoria na estabilidade

longitudinal e direcional, a solução pode ser a adição de

pequenos estabilizadores verticais auxiliares (denominados de

estabilons ) e uma ou mais barbatanas ventrais.

Beechcraft 1900D 1982 Barbatana ventralBarbatana ventral EstabilonsEstabilons

• A configuração convencional é a utilizada em praticamente 60% dos aviões atualmente em serviço. Esta é a mais simples das configurações, a mais leve e tem comprovada eficiência para realizar todas as funções da cauda (equilíbrio, controle e estabilidade).

• A cauda em T possui uma estrutura mais pesada e a superfície vertical deve possuir uma estrutura mais rígida para suportar as cargas aerodinâmicas e o peso da superfície horizontal.
• A principal vantagem de uma configuração de cauda em T é que ela está fora das regiões da esteira, do downwash e dos vórtices das asas, assim como do fluxo de saída do motor (ou seja, gás quente e turbulento em alta velocidade). Isso permite que a cauda horizontal forneça uma eficiência mais alta e uma estrutura mais segura. British Aerospace BAe 146 1981

• A reduzida influência da asa resulta em uma menor área horizontal de cauda, e o menor influência do motor leva a uma redução na vibração e golpes na cauda. Isto diminui os problemas com a fadiga estrutural, aumentando assim vida útil da cauda.
• Outra vantagem da cauda em T é a influência positiva da superfície horizontal sobre a vertical. Denominada de “efeito da placa final”, isto resulta em uma menor área vertical de cauda.
• Por outro lado, o momento fletor criado pelas superfícies horizontais tem de ser transferido para a fuselagem através da deriva. Isto exige que a longarina principal da deriva tenha de ser robusta, fazendo com que a deriva seja mais pesada.
• Por fim, aeronaves com cauda em T estão sujeitas a uma perigosa condição denominada de estol profundo ( deep stall ).

• Eventualmente, em um ângulo de ataque mais alto, a cauda horizontal sai da esteira da asa e da nacele, e a aeronave se torna longitudinalmente estável, embora esteja perdendo altitude rapidamente.
• Esta condição é potencialmente fatal, pois os profundores e os ailerons estão praticamente neutralizados devido ao elevado ângulo de ataque das asas e da empenagem horizontal. Fonte: Aircraft Design A Systems Engineering Approach, de MohammadH.Sadraey

• As soluções de design para evitar um deep stall em uma configuração de cauda em T são:

1. Garantir um ângulo de pitch estável em um valor menor que o de estol inicial.
2. Prolongar substancialmente a distância entre a cauda horizontal e as naceles.
3. Empregar mecanismos que permitam que os profundores alcancem a deflexão total para baixo no caso de ocorrência de deep stall.
4. A aeronave deve estar bem protegida do estol inicial por dispositivos de alerta aos pilotos, tais como luzes de aviso, sinais sonoros , stick shaker , etc.

• Apesar destas desvantagens, a configuração de cauda em T tem se tornado mais e mais popular entre os projetistas de aeronaves. Cerca de 25% dos aviões atuais empregam esta configuração.