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Fundamentos de Aeronáutica I Aula 1 Histórico da Aviação 2012 Prof. Dr. Odenir de Almeida Laboratório de Mecânica dos Fluidos UFU – Universidade Federal de Uberlandia Conteúdo 1. Síntese histórica sobre a arte de voar; 2. Principais personagens e máquinas voadoras; 3. O Período da Primeira Guerra Mundial (1914-1918) 4. O Período entre Guerras (1918-1939) 5. O Período da Segunda Guerra Mundial (1939-1945) 6. A busca pelo mais rápido 7. Transporte Supersônico (SSTs) 8. O Futuro... Introdução Síntese histórica sobre a arte de voar • Relatos históricos mostram pessoas tentando voar por meios de asas amarradas em suas pernas e braços; • Em muitos textos de livros especializados, mostram o mito de Daedalus e Icarus, como o primeiro registro da tentativa do homem em alçar vôo. Daedalus and Icarus, by Charles Paul Landon, 1799 (Musée des Beaux-Arts et de la Dentelle, Alençon) Introdução Síntese histórica sobre a arte de voar • Outro relato histórico é atribuído a Marco Polo (1299 A.D) que diz ter identificado marinheiros chineses presos a pipas sendo utilizados como observadores; • No entanto, os primeiros vôos impulsionados e com humanos a bordo foram efetuados com o uso de balões (mais leve do que o ar); • França 1783 – Os irmãos Montgolfier criaram um balão que tripulado por duas outras pessoas, realizaram o primeiro vôo ainda não controlável – Iniciava-se a era do vôo do mais-leve-que-o-ar; • Os modelos iniciais eram conduzidos pelo vento (não controlável); Modelo do balão de ar quente dos irmãos Montgolfier Em exposição no museu de Londres Fonte: http://en.wikipedia.org/wiki/File:Montgolfier_Balloon.JPG Introdução Síntese histórica sobre a arte de voar • O próximo passo na era do vôo do mais-leve-que-o-ar foi a dirigibilidade. Aparecimento dos então chamados dirigíveis; • Os dirigíveis possuíam a característica do formato alongado e uso de dispositivos de controle de navegação. Posteriormente foram utilizados motores para auxiliar na navegação e propulsão; Dirigível desenvolvido por Dupuy de Lome em 1872 Fonte: http://en.wikipedia.org/wiki/File:DupuyLomeDirigeable.jpg Santos Dumont circundando a torre Eifel em 19 de Outubro de 1901 Fonte: http://en.wikipedia.org/wiki/File:Sd_num6_rounding_tower.jpg Introdução Síntese histórica sobre a arte de voar • É interessante também relatar o uso de asas móveis (flapping wings) para alçar vôo; • Leonardo Da Vinci (1400 A.D) foi um dos primeiros inventores a propor o uso de ornitópteros e planadores; Desenhos de Leonardo da Vinci Fonte: http://www.google.com.br Introdução Síntese histórica sobre a arte de voar • Em 1804, Sir George Cayley publica um tratado dos princípios mecânicos de navegação aérea “On Aerial Navigation”, considerado um dos primeiros estudos sobre aerodinâmica com rigor científico; • Sir George Cayley é considerado um dos pioneiros em entender o conceito da configuração de um avião moderno (1799): • Asas fixas, empenagem, fuselagem; • Dispositivo separado para propulsão; • Reconheceu que a tração (empuxo) deve superar o arrasto aerodinâmico; • Esboçou o primeiro diagrama vetorial sustentação-arrasto na história da engenharia aeronáutica; Introdução Síntese histórica sobre a arte de voar • Sir George Cayley: Discos de prata inscritos por Cayley mostrando a configuração de um avião moderno e o primeiro diagrama vetorial sustentação-arrasto (1799) Introdução Síntese histórica sobre a arte de voar • Em 1853, um planador (triplano) criado por Sir George Cayley alça vôo em Brompton Dale no norte da Inglaterra, levando o seu cocheiro; • Este foi o primeiro vôo tripulado em um planador. http://www.ctie.monash.edu.au/hargrave/cayley.html Introdução Síntese histórica sobre a arte de voar • De 1890 a 1903 diversas tentativas quase bem sucedidas de vôos usando motores a vapor ou de combustão interna foram conduzidas ao redor do mundo; • No século 19 os inventores estavam obcecados com a “força bruta”; • Dada uma quantidade de tração (ou potência mecânica) de um motor, a aeronave poderia ser “lançada” no ar; Mais potência Mais peso Maior velocidade para gerar sustentação Introdução Síntese histórica sobre a arte de voar • Com esta abordagem verificava-se a tendência de simplesmente “lançar” a máquina na atmosfera, sem meios de controlá-la efetivamente; • Como resultado desta filosofia errônea, surge então a idéia de se construir motores com mais potência e menos peso. Um dos parâmetros críticos no projeto de uma aeronave passa a ser a relação tração / peso (T/W); 2180 hp Peso de decolagem: 8000 lbs http://en.wikipedia.org/wiki/Hiram_Stevens_Maxim Introdução Principais personagens e suas máquinas voadoras 1783 – Irmãos Montgolfier (Vivarais, França): Primeiro vôo tripulado em balão de ar quente; 1853 – Sir George Cayley (Brompton Dale, Inglaterra): Primeiro vôo tripulado em um planador; 1891-1896 – Otto Lilienthal: • O alemão Otto Lilienthal teve expressiva contribuição na arte de voar, projetando e voando planadores; • Otto Lilienthal claramente demonstrou a superioridade aerodinâmica de aerofólios curvados em relação à superfícies planas; • Publicou um importante livro que serviu de base para a ciência da aerodinâmica: “Bird Flight as the Basis of Aviation”; • Publicou a primeira polar de arrasto: Introdução Principais personagens e suas máquinas voadoras 1891-1896 – Otto Lilienthal: http://www.lilienthal-museum.de/olma/esoest.htm Introdução Principais personagens e suas máquinas voadoras 1834-1906 – Samuel Pierpont Langley: • Iniciou uma série de experimentos em aerodinâmica em 1887 e publicou um livro “Experimentos em Aerodinâmica” em 1890; • Foi contratado para construir uma máquina voadora para o governo americano; • Langley construiu e voou várias aeronaves não-tripuladas, chamadas aeródromos (aerodromes). Estas foram as primeiras máquinas “mais pesadas do que o ar” a efetuar vôos com sucesso. Utilizavam motores a vapor; • O avião tripulado de Langley (Large Aerodrome) tinha uma boa relação tração x peso mas uma aerodinâmica marginal e estruturalmente era limitado. A aeronave foi lançada sobre o rio Potomac em 7 de outubro de 1903, acidentando-se. Introdução Principais personagens e suas máquinas voadoras 1834-1906 – Samuel Pierpont Langley: http://pt.wikipedia.org/wiki/Ficheiro:Samuel_Pierpont_Langley_-_Potomac_experiment_1903.jpeg Introdução Principais personagens e suas máquinas voadoras Wright Brothers: • Em 1903 acontece o primeiro vôo motorizado bem sucedido nos Estados Unidos, pelos irmãos Wright; • Este feito é considerado como o início da era dos biplanos (strut and wire biplanes) e vai de 1903 a 1930; • No projeto do “Flyer”, conceitos e cálculos aeronáuticos foram empregados como propulsão, aerodinâmica, estrutural, e controlabilidade; • O sistema de propulsão era composto por um motor de quatro cilindros em linha, projetado e construído por Orville Wright. O mesmo produzia 12hp e pesava cerca de 140 lbs; • O motor acionava duas hélices via uma corrente de bicicleta; Introdução Principais personagens e suas máquinas voadoras Wright Brothers: Introdução Principais personagens e suas máquinas voadoras Wright Brothers: Primeiro vôo do Wright Flyer - 1903 Introdução Principais personagens e suas máquinas voadoras Wright Brothers: Principais observações e considerações sobre os irmãos Wright: • Devida importância às hélices. Eficiência da ordem de 70%; • Controlabilidadeda aeronave. Foram os primeiros a reconhecer a importância dos controles de vôo nos três eixos: controle de arfagem, controle de rolagem, controle de guinada; • Tinham maior controle sobre a eficiência aerodinâmica através do parâmetro L / D (sustentação/arrasto); • Escolheram um aerofólio que daria L/D ~ 6.0; • Escolheram uma razão de aspecto para a asa da ordem de 6.0; • Sabiam da importância em reduzir o arrasto; Introdução Principais personagens e suas máquinas voadoras Wright Brothers: Video Introdução Principais personagens e suas máquinas voadoras Alberto Santos Dumont: • Em 1906, Alberto Santos Dumont realizou o primeiro vôo motorizado bem sucedido na Europa – Catalogado pelo Aeroclube de Paris; • Entusiasta da aviação, Santos Dumont projetou e construiu vários balões e dirigíveis. O primeiro balão recebeu o nome de Brasil: • Foi o primeiro a receber o prêmio Deutsch de circunavegação em torno da Torre Eifel; 113 m³ Introdução Principais personagens e suas máquinas voadoras Alberto Santos Dumont: Nº 4, Nº 5, Nº 6 420 m³ 7 HP 550 m³ 16 HP 630 m³ 16 HP Introdução Principais personagens e suas máquinas voadoras Alberto Santos Dumont: Introdução Principais personagens e suas máquinas voadoras Alberto Santos Dumont: 21 “14-bis” Envergadura: 12 m Fuselagem: 10 m 24 -> 50 HP 1.000 -> 1.500 rpm Video Introdução Principais personagens e suas máquinas voadoras Alberto Santos Dumont: 21 24 Demoiselle Comprimento: 8 m Envergadura: 5,6 m 20 -35 HP 96 Km/h Introdução Principais personagens e suas máquinas voadoras Louis Blériot: • Aviador francês, o primeiro homem a realizar a travessia do canal da Mancha, em 1909; • Com o Blériot XI no dia 25 de Julho de 1909, Louis Blériot conseguiu ser o primeiro piloto a voar os 33 km de distância entre França e Inglaterra; • O Blériot XI era um monoplano de asa média de apenas um lugar, com motor Anzani refrigerado a ar de três cilindros e 25HP. A área da asa tinha pouco mais do que 14 m2. Introdução O período da Primeira Guerra Mundial (1914-1918) • Contínua evolução das aeronaves; • O avião passa a ser usado no cenário da guerra executando missões militares de ataque, defesa e reconhecimento; • Várias limitações técnicas: pouca potência dos motores; falhas estruturais; dificuldade para controlar a aeronave, vôo limitado a baixa altitude e baixas velocidades; NIEUPORT 1917 MOTOR: DARRACQ, 20/25 HP ENVERGADURA: 8,4 m COMPRIMENTO: 7,5 m VELOCIDADE MÁXIMA: 85 KM MONOPLANO Introdução O período entre guerras (1918 – 1939) • Surge a idéia (baseada apenas na intuição) do “carenamento” (streamlining) da fuselagem e motor; • Necessidade de motores mais potentes; • Os biplanos construídos com treliças e arames ainda eram a base da indústria aeronáutica, devido a natureza conservadora dos projetistas; • Surgimento do trem de pouso retrátil em 1924 sob a idéia de se reduzir a relação D/L (arrasto/sustentação); • Surgimento das corridas aéreas impulso para a aerodinâmica; contribuiu para finalizar a era dos biplanos; inicia-se a evolução dos aviões a propelidos por hélices (propeller driven airplanes); • Propeller driven airplanes – 1930 a 1950 Introdução O período entre guerras (1918 – 1939) • Durante esse período, novos itens foram incorporados no projeto das aeronaves; • A velocidade, a altitude, a eficiência e segurança das aeronaves evoluiram consideravelmente; • A década de 30 é considerada a “Era de Ouro da Aviação”; • Listam-se as noves principais inovações em termos de projeto na década de 30: Introdução O período entre guerras (1918 – 1939) • Inovações Tecnológicas: 1. Primeiro monoplano de asa cantilever: • Deve-se a Louis Blériot (Blériot XI) que cruza o canal da Mancha em 1909; • Hugo Junkers projeta e constrói o primeiro monoplano com asa cantilever todo em aço (1915); • O Ford trimotor foi o primeiro monoplano amplamente aceito nos E.U.A (1926); Introdução O período entre guerras (1918 – 1939) • Inovações Tecnológicas: 2. Trem de pouso retrátil; 3. Carenagem ao redor dos motores radias a pistão: • Carenagem primitiva para o Dayton-Wright XPS-1; • O maior avanço em carenar o motor foi devido a NACA (National Advisory Committee for Aeronautics) nos E.U.A, através de vários testes sistemáticos usando túneis de vento para entender a aerodinâmica das carenagens nos motores e projetor formas eficientes para os mesmos; • Resultados indicaram 60% de redução de arrasto e melhor eficiência de resfriamento quando o motor foi integralmente carenado; Boeing P12 Introdução O período entre guerras (1918 – 1939) • Inovações Tecnológicas: 4. Hélice de controle variável (Variable Pitch Propeller): • Com a torcão da pá de motores a hélice é projetada para otimizar o ângulo de ataque em cada seção (aerofólio), relativo ao escoamento, obtendo-se a máxima relação L/D; • No entanto, em motores com a pá fixa, a eficiência é máxima somente no ponto de projeto (otimizado para uma velocidade de projeto); Qualquer ponto de operação fora desse valor, trás desvantagens em termos de eficiência; • O primeiro dispositivo prático e confiável para o controle de uma pá variável durante a operação da aeronave surgiu em 1933 – Boeing 247; Introdução O período entre guerras (1918 – 1939) • Inovações Tecnológicas: 5. Combustível de aviação com alta octanagem: • Até então os motores “sofriam” com o problema da combustão irregular nos cilindros; Falha (knock or pinging); “batimento da cabeça do pistão”; • Em 1930 as forças armadas adotaram um combustível com 87% de octanagem; Em 1935 aumentaram para 100%, o que possibilitou uma queima melhor com maior taxa de compressão e maior potência para os motores; • Com a introdução do combustível com 100% de octanagem permitiu o aumento da potência de um motor R-1820 Cyclone de 500 para 1200HP. Introdução O período entre guerras (1918 – 1939) • Inovações Tecnológicas: 6. Dispositivos Hiper-Sustentadores (High-lift devices): • Uma área maior da asa fornece maior sustentação nas fases de decolagem e pouso de uma aeronave. Este critério dita a relação entre o peso da aeronave e a sustentação (W/L – Carregamento da asa); • Velocidades de cruzeiro requerem área menor de asa – grandes diferenças de pressão e maior arrasto; • Baixas velocidades requerem área maior de asa – maior sustentação; • Os dispositivos hiper-sustentadores permitem a flexibilização no formato e tamanho da asa, visando otimizá-la para as diferentes fases do vôo; Introdução O período entre guerras (1918 – 1939) • Inovações Tecnológicas: 6. Dispositivos Hiper-Sustentadores (High-lift devices): Introdução O período entre guerras (1918 – 1939) • Inovações Tecnológicas: 7. Cabine pressurizada: • A altitude limite para cruzeiro em uma cabine não pressurizada é de 18.000ft; • A primeira aeronave pressurizada foi o Lockheed 10E Electra e tinha um teto de operação de 35.000 ft; Amelia Earhart Introdução O período entre guerras (1918 – 1939) • Inovações Tecnológicas: 8. Supercharger – Turbo Compressor: • Bomba mecânica para compressão do ar antes de entrar no motor para a mistura, permitindo pressurização do motor; • Alta prioridade nos anos 30 e 40. Todos os aviões militares de alta desempenho na II Guerra Mundial utilizavam turbo-compressores; P-47 Thunderbolt Introdução O período entre guerras (1918– 1939) • Inovações Tecnológicas: 9. Aerofólios Laminares: • Cerca de 99% da camada limite ao redor das asas e fuselagem é turbulenta, aumentando consideravelmente o arrasto de atrito (ou fricção); • A NACA desenvolveu uma série de aerofólios laminares, o qual reduzia o arrasto em cerca de 50%; Na prática, para uma aeronave com asa de seção laminar (laminar airfoil wing), a redução do arrasto não é tão significativa devido às imperfeições construtivas, sujeira etc; P-51 Mustang Primeiro avião a utilizar esse conceito Introdução O período da Segunda Guerra Mundial (1939-1945) • Expressivo crescimento na produção de aeronaves; • Projeto e construção de grandes bombardeiros; • Caças operando em uma grande variedade de atividades; • Boa parte das aeronaves da II Guerra, foram projetas antes do conflito. Os novos projetos foram paralisados em detrimento da produção em massa de modelos já existentes; • Nos E.U.A foi um período de intenso projeto e melhoramento ao invés de um período de inovações; • Os ingleses e alemães tinham uma visão diferente: A era do avião a jato. Introdução O período da Segunda Guerra Mundial (1939-1945) • A era do avião a jato: MESSERSCHIMIDT ME 262A Primeiro vôo: 18 de abril de 1941 Introdução O período da Segunda Guerra Mundial (1939-1945) • A invenção do motor a jato causou uma revolução na indústria aeronáutica no que diz respeito ao projeto de aeronaves e desempenho. É considerado um dos marcos na aviação; • A propulsão por motores a jato permitiu a idealização e realização de vôos a altas velocidades (transônico e supersônicos); • O motor a jato foi desenvolvido independentemente por duas pessoas: • Frank Whittle (Inglaterra – Patenteado em 1930) • Hans von Ohain (Alemanha – vôo da aeronave Heinkel He 178 em 1939) Introdução A busca pelo mais rápido • Com o advento do avião a jato, um grande número de inovações nos projetos de aeronaves se faz necessário para aqueles que querem voar próximo ou acima da velocidade do som; • A asa enflechada: R.T. Jones, um aerodinamicista da NACA descreveu a teoria de asas enflechadas (Swept Wings) no fim da II Guerra; • A aeronave North American F-86 Sabre foi o primeiro avião a utilizar asas enflechadas em 1948; • Vôo subsônico e supersônico: uma aeronave com asa enflechada pode voar mais rápido do que qualquer outro avião com asa plana, para a mesma configuração; • A asa enflechada permanece dentro do cone de Mach formado no nariz da fuselagem; Introdução A busca pelo mais rápido North American F-86 Sabre Crew 1 Propulsion 1 Turbojet Engine Engine Model General Electric J47-GE-17B Engine Power 23,2 kN 5216 lbf Speed 1137 km/h 614 kts 707 mph Service Ceiling 16.642 m 54.600 ft Range 1.345 km 726 NM 835 mi. Empty Weight 5.656 kg 12.469 lbs max. Takeoff Weight 7.756 kg 17.099 lbs Wing Span 11,30 m 37,1 ft Wing Area 27,8 m² 299 ft² Length 12,29 m 40,3 ft Height 4,57 m 15,0 ft First Flight 01.10.1947 Production Status out of production Total Production 9793 Introdução A busca pelo mais rápido • A quebra da barreira do som (1947): • A barreira do som foi quebrada pelo Cap. Charles (Chuck) Yeager numa aeronave experimental da NASA propelida a foguete - Bell X-1: Video Introdução A busca pelo mais rápido • Oito anos mais tarde a aeronave Lockheed F-104 foi o primeiro caça a manter um vôo sustentável a Mach 2.0; • O F-104 apresentava as melhores características em termos de aerodinâmica supersônica: • Um nariz pontiagudo; • Seção da asa (aerofólio) com 4% de espessura; • Fuselagem delgada; • Asas extremamente finas e chanfradas; • Asa reta, mas com pequena razão de aspecto. Introdução A busca pelo mais rápido • O conceito de Asa Delta surgiu na Alemanha durante os anos 30 e 40; • Em 1930, Dr. Alexander Lippisch projetou uma asa delta com 20° de flecha; • Ambas tecnologias (conhecimento) das asas enflechadas e asas delta foram transferidas para os E.U.A após o término da II Guerra; • O F-102 Convair foi a primeira aeronave a apresentar Asa Delta: Introdução A busca pelo mais rápido • Embora o F-102 Convair utilizasse asa delta, o mesmo não podia voar supersônico sem a utilização do conceito da “Regra das áreas” – R. Whitcomb; • O conceito da “Regra das áreas” foi um dos mais importantes desenvolvimentos técnicos durante a era dos aviões a jato; Introdução Transporte Supersônico • Na década de 60, os E.U.A, Inglaterra e França iniciaram desenvolvimentos em aeronaves de transporte supersônico (SSTs); • No entanto, a Rússia através da Tupolev, foi capaz de projetar e produzir o primeiro SST. O Tu-144 vôo pela primeira vez em 31 de Dezembro de 1968. Mais de 12 aeronaves foram construídas, mas nenhuma se manteve em serviço por longo período, provavelmente devido a problemas não especificados; Um dos Tu-144 foi completamente destruído em 1973 no Show Aéreo de Paris (Le Bourget); • Nos E.U.A o governo preparava uma resposta através do Boeing 2707 em 1966. Devido a falta de conhecimento técnico os custos do projeto estava atingindo cifras da ordem de US$ 5 bilhões e finalmente o congresso americano cancela o desenvolvimento. Introdução Transporte Supersônico • Tu-144 Introdução Transporte Supersônico • Concorde: • O primeiro e único SST a ser visto em serviço é o Concorde fabricado pelo consórcio anglo-francês. Foi projetado e construído para: • Voar a velocidade de cruzeiro de Mach 2.2 • Transportar 125 passageiros • O primeiro vôo supersônico (M>1) aconteceu em 1969; Excedeu Mach=2 em 1970; • Entrou em serviço em 1976. Os pedidos iniciais de 74 aeronaves foram reduzidos drasticamente devido a crise do petróleo; Introdução Transporte Supersônico • Concorde: • O Concorde pode ser considerado um sucesso em termos técnicos mas não foi viável financeiramente; • É considerado um projeto revolucionário; • Os projetistas do Concorde tinham pelo menos 15 anos de experiência em projetos militares. Introdução Transporte Supersônico • Concorde: • Boa aerodinâmica supersônica: nariz pontiagudo, fuselagem delgada e asa delta; Video Introdução O Futuro... • Conceitos não-convencionais: • VTOL-Vertical Takeoff and Landing Convair XFY-1 Pogo Video Video Introdução O Futuro... • Conceitos não-convencionais: • Asas Voadoras (Flying Wings) • O conceito de asa voadora não é novo. Jack Northrop ficou famoso pelos projetos de asas voadoras na década de 30. Durante a II Guerra, Northrop construiu diversas asas voadoras para serem bombardeiros: YB-49 Introdução O Futuro... • Conceitos não-convencionais: • Aeronaves Invisíveis (Stealth Aircraft) • São primariamente projetados para ter a menor seção transversal visível pelo radar; • Apresentam cantos chanfrados e superfícies planas recortadas. São projetadas para refletir e/ou difundir as ondas do radar ao invés de refletí-las de volta para o mesmo; Utilizam-se materiais absorventes e pintura especial para o mesmo propósito; • A aerodinâmica é sacrificada: Cantos vivos, superfícies planas recortadas, suavidade nas formas. Compromisso de projeto para atingir uma específica missão; Introdução O Futuro... • Conceitos não-convencionais: B2 – Bomber Introdução O Futuro... • Conceitos não-convencionais: • Aeronaves não-tripuladas (Unmanned Aerial Vehicles - UAVs) Global Hawk Predator IntroduçãoO Futuro... • Novos conceitos (?) • Vôo orbital (?) • Vôo hipersônico (?) • Micro veículos (?) • Veículos que imitam a natureza (Biomimetic or Morphing) (?) Referências O presente material foi baseado nas seguintes referências: 1. Soban, Danielle, Apostila AE3310 Performance, Georgia Institute of Technology, 2002; 2. Revista ABCM, História da Aviação Brasileira, Vol. 9, no. 2, Abril – Setembro de 2003; 3. Gouvea, R. P., FAMAER Familiarização Aeronáutica, Manual de Treinamento – Embraer, 2006.
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