SAE – AERODESIGN 2007 ANÁLISE DE DESEMPENHO

1. Prof. MSc. Luiz Eduardo Miranda J. Rodrigues SAE – AERODESIGN 2007ANÁLISE DE DESEMPENHO

2. Pontos importantes para a análise de desempenho • Seleção da hélice e determinação da curva de tração disponível • Curvas de tração e potência disponível e requerida • Desempenho de subida • Desempenho de planeio • Desempenho de decolagem • Desempenho de pouso • Envelope de vôo e teto absoluto • Tempo estimado para se completar a missão • Gráfico de carga útil em função da altitude densidade Prof. MSc. Luiz Eduardo Miranda J. Rodrigues

3. Forças atuantes na aeronave em uma condição de vôo reto e nivelado com velocidade constante • Força de sustentação • Força de arrasto • Força de tração • Força peso Prof. MSc. Luiz Eduardo Miranda J. Rodrigues

4. Seleção da hélice e determinação da tração estática • Testar pelo menos três hélices para a determinação da tração estática • Calcular analiticamente a tração estática e comparar os resultados Prof. MSc. Luiz Eduardo Miranda J. Rodrigues

5. Curvas de tração disponível • Para o AeroDesign é importante a hélice que fornece maiores valores de tração disponível para baixas velocidades, pois melhora sensivelmente o desempenho de decolagem • Modelo propulsivo – propeller selector Prof. MSc. Luiz Eduardo Miranda J. Rodrigues

6. Cálculo do peso máximo de decolagem ao nível do mar • Fundamentado no desempenho de decolagem da aeronave • Forças de tração, sustentação e arrasto calculadas para uma condição média em 70% da velocidade de decolagem • Velocidade de decolagem 20% maior que a velocidade de estol • Comprimento máximo limitado a 59m Prof. MSc. Luiz Eduardo Miranda J. Rodrigues

7. Curvas de tração disponível e requerida • Tração disponível - hélice • Tração requerida Prof. MSc. Luiz Eduardo Miranda J. Rodrigues

8. Vôo com máximo alcance - Trmin • Voar em uma condição que propicie a maior distância percorrida antes que o combustível da aeronave termine. • Em uma condição de máximo alcance CD0 = CDi • Para um determinado peso, a velocidade de máximo alcance aumenta com o aumento da altitude Prof. MSc. Luiz Eduardo Miranda J. Rodrigues

9. Influência da altitude nas curvas de tração disponível e requerida • Redução da tração disponível • Aumento da tração requerida • Todos os parâmetros devem ser corrigidos para a densidade do ar na altitude em estudo • Ocorre o aumento da velocidade mínima e a redução da velocidade máxima da aeronave Prof. MSc. Luiz Eduardo Miranda J. Rodrigues

10. Curvas de potência disponível e requerida • Calculada pela definição da Física Prof. MSc. Luiz Eduardo Miranda J. Rodrigues

11. Vôo com máxima autonomia - Prmin • Voar em uma condição que permita permanecer o maior tempo no ar antes que o combustível da aeronave termine. • Em uma condição de máximo alcance CD0 = 1/3CDi • Para um determinado peso, a velocidade de máxima autonomia aumenta com o aumento da altitude • Para aeronaves com propulsão à hélice, a velocidade de máxima autonomia corresponde a 76% da velocidade de máximo alcance Prof. MSc. Luiz Eduardo Miranda J. Rodrigues

12. Influência da altitude nas curvas de potência disponível e requerida • Redução da potência disponível • Aumento da potência requerida • As curvas de potência são importantes para a determinação do desempenho de subida da aeronave Prof. MSc. Luiz Eduardo Miranda J. Rodrigues

13. Desempenho de subida • Determinado em função da sobra de potência e do peso da aeronave • A capacidade de subida é muito influenciada pela variação da densidade do ar com a altitude Prof. MSc. Luiz Eduardo Miranda J. Rodrigues

14. Cálculo da razão de subida Prof. MSc. Luiz Eduardo Miranda J. Rodrigues

15. Razão de subida máxima e ângulo de subida máximo • Calculado para a máxima sobra de potência com peso máximo de decolagem • É utilizado quando se deseja ganhar altura rapidamente Prof. MSc. Luiz Eduardo Miranda J. Rodrigues

16. Influência da altitude na razão de subida • Máxima razão de subida com peso máximo de decolagem é muito pequena • Com uma decolagem realizada em altitude, a razão de subida torna-se cada vez menor • O ângulo de subida deve ser muito pequeno para se evitar a ocorrência de estol Prof. MSc. Luiz Eduardo Miranda J. Rodrigues

17. Desempenho de planeio • Descida não tracionada T=0 • Calculado para uma condição de alcance máximo, pois assim a descida é realizada com o mínimo ângulo e aeronave percorre a maior distância horizontal antes de chegar ao solo Prof. MSc. Luiz Eduardo Miranda J. Rodrigues

18. Ângulo de planeio e velocidade de planeio para máximo alcance • Ângulo de planeio • Velocidade de planeio • Razão de descida Prof. MSc. Luiz Eduardo Miranda J. Rodrigues

19. Desempenho na decolagem • Calcular o comprimento de pista necessário para decolar em diversas condições de peso e altitude • vlo = 1,2 vestol • Determinar o CL ótimo e o ângulo de incidência da asa que propicia o menor comprimento de pista para a decolagem • Considerar a influência do efeito solo Prof. MSc. Luiz Eduardo Miranda J. Rodrigues

20. Determinação do comprimento de pista necessário para a decolagem • Metodologia sugerida por Anderson • Forças de tração, arrasto e sustentação calculadas em uma condição média para 0,7vlo Prof. MSc. Luiz Eduardo Miranda J. Rodrigues

21. Influência da altitude no comprimento de pista necessário para a decolagem • Peso máximo de decolagem diminui com o aumento da altitude • Redução do comprimento de pista pode ser obtida com aumento da tração disponível (escolha da hélice), aumento da área da asa, ou aumento do CLmáx (escolha do perfil) Prof. MSc. Luiz Eduardo Miranda J. Rodrigues

22. Desempenho no pouso • Cálculo semelhante ao do desempenho de decolagem • vap=1,3vestol • Força de tração T=0, marcha lenta • vpo=vestol • Geralmente com peso máximo o comprimento ultrapassa 122m, portanto é conveniente a aplicação de freios. Prof. MSc. Luiz Eduardo Miranda J. Rodrigues

23. Pouso na velocidade de estol com aplicação de freios • Manobra de arredondamento com a finalidade de tocar o solo com a menor velocidade possível • O coeficiente de atrito com a aplicação de freios é da ordem de 0,1 • Entender a aplicação de freios como uma solução de engenharia e não simplesmente a soma de pontos por parar o avião dentro do limite estabelecido Prof. MSc. Luiz Eduardo Miranda J. Rodrigues

24. Influência da altitude no comprimento de pista necessário para o pouso • Comprimento de pista necessário para o pouso aumenta consideravelmente com o aumento do peso e da altitude • Habilidade do piloto é muito importante para parar aeronave dentro de 122m • Aplicação de flapes e spoilers contribuem com a redução do comprimento de pista necessário para pouso Prof. MSc. Luiz Eduardo Miranda J. Rodrigues

25. Envelope de vôo e teto absoluto • representação gráfica da capacidade de uma aeronave se manter em uma condição de vôo reto e nivelado em uma determinada velocidade e altitude • Contorno delimitado pela variação das curvas de tração disponível e requerida com a altitude Prof. MSc. Luiz Eduardo Miranda J. Rodrigues

26. Limite aerodinâmico e estrutural • Para baixas altitudes predominam a velocidade de estol e a velocidade do ponto de manobra para fator de carga máximo obtido no diagrama v-n • O teto absoluto é obtido com a tangencia das curvas de tração Prof. MSc. Luiz Eduardo Miranda J. Rodrigues

27. Variação das curvas de tração disponível e requerida com a altitude Prof. MSc. Luiz Eduardo Miranda J. Rodrigues

28. Variação das curvas de tração disponível e requerida com a altitude Prof. MSc. Luiz Eduardo Miranda J. Rodrigues

29. Variação das curvas de tração disponível e requerida com a altitude Prof. MSc. Luiz Eduardo Miranda J. Rodrigues

30. Envelope de vôo Prof. MSc. Luiz Eduardo Miranda J. Rodrigues

31. Tempo estimado para se completar a missão • Cálculo dos tempos parciais para cada etapa de vôo • Tempo total varia geralmente entre 60s e 100s • Normalmente se considera uma altura entre 20m e 30m acima do solo • Parâmetro importante para dimensionar o tanque de combustível Prof. MSc. Luiz Eduardo Miranda J. Rodrigues

32. Gráfico de carga útil em função da altitude-densidade • Fundamentado no desempenho de decolagem • Cálculo do peso máximo de decolagem para uma faixa de altitude entre 0m e 2500m com incrementos de 100m • Linearizar os pontos e mostrar a equação no gráfico • Correção da tração disponível para a altitude • Ajustar o peso até que o comprimento desejado seja obtido (59m) Prof. MSc. Luiz Eduardo Miranda J. Rodrigues

33. Pontos importantes do gráfico de carga útil em função da altitude-densidade • Independente da altitude, com o peso máximo de decolagem a velocidade de estol será sempre a mesma • Lembrar de subtrair o peso vazio da aeronave • Utilizar a carga útil em kg Prof. MSc. Luiz Eduardo Miranda J. Rodrigues

34. Características de desempenho da aeronave Ícaro 2006 • Motor OS.61 FX – hélice APC 13x4 • Velocidade de estol = 12,54m/s • Velocidade para máximo alcance = 21,62m/s • Velocidade para máxima autonomia = 16,43m/s • Pista para decolagem = 59m • Pista para pouso = 119m • Máxima razão de subida = 1,53m/s • Razão de descida = 1,4m/s • Raio de curvatura mínimo = 12,52m • Teto absoluto de vôo = 4800m Prof. MSc. Luiz Eduardo Miranda J. Rodrigues

35. Aeronaves da Uninove no AeroDesign Prof. MSc. Luiz Eduardo Miranda J. Rodrigues

36. 1° vôo da equipe Fly Girls em 2006 Prof. MSc. Luiz Eduardo Miranda J. Rodrigues

37. Bibliografia sugerida • [1] DURAND, W. F., & LESLEY, E. P., Experimental research on air propellers II, T. R. n°30, NACA 1920. • [2] LESLEY, E. P., Propeller tests to determine the effect of number de blades at two typical solidities, T. N. n°698, NACA 1939. • [3] ANDERSON, JOHN, D. Aircraft performance and design, McGraw-Hill, New York, 1999. • [4] ANDERSON, JOHN, D. Introduction to fligth, McGraw-Hill, New York, 1989. • [5] FEDERAL AVIATION REGULATIONS, Part 23 Airwothiness standarts: normal, utility, acrobatic, and commuter category airplanes, USA. • [6] RAYMER, DANIEL, P., Aircraft design: a conceptual approach, AIAA, Washington, 1992. • [7] ROSKAM. JAN, Airplane aerodynamics and performance, DARcorporation, University of Kansas, 1997. Prof. MSc. Luiz Eduardo Miranda J. Rodrigues