Aula 07 Concorde o Transporte Supersônico

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Teoria de Voo II
Aula 07 – Transporte Supersônico
Prof. Ten Cel R1 Norival Floriano Júnior
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Transporte Supersônico
ROTEIRO
A – Fuselagem 
B – Asas
C – Motores
D – Aquecimento da estrutura
E – Elevado arrasto de onda
F – Deslocamento do centro de pressão
G – Estrondo Sônico
H – Voo Hipersônico
I - Conclusão
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Transporte Supersônico
INTRODUÇÃO
	
		No projeto de um avião supersônico, diversos problemas devem ser enfrentados, entre eles:
		- Aquecimento da estrutura, principalmente do revestimento, devido às grandes velocidades;
		- Elevado Arrasto de Onda, que acarretará redução de L/D, problemas de estabilidade e controle longitudinal advindos do deslocamento para trás do centro de pressão em velocidades supersônicas;
		- Elevado ruído produzido pelos motores na decolagem;
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Transporte Supersônico
INTRODUÇÃO
	
		- Estrondo Sônico;
		- Deterioração de todos os tipos de estabilidade devido à redução do coeficiente de Sustentação e da inclinação da curva deste coeficiente com o ângulo de ataque devido ao aumento do número de Mach; e
		- Compromissos do projeto de um avião que aterra e decola subsonicamente nos mesmos aeroportos dos aviões subsônicos, cruza o Mach 0,95 sobre os continentes e Mach 2 sobre o oceano.
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Transporte Supersônico
INTRODUÇÃO
	
		O Concorde foi o único transporte supersônico que voou regularmente.
		Foi projetado e construído pelas empresas francesas Sud Aviation (agora é um parte da Airbus) e Snecma, e pelas britânicas British Aircraft Corporation e Bristol Siddley (atualmente parte da Rolls Royce), com suporte financeiro dos países de origem.
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Transporte Supersônico
INTRODUÇÃO
	
		O projeto teve início em 29 de novembro de 1962, o primeiro voo teste ocorreu em 2 de março de 1969 e o primeiro voo comercial em 21 de junho de 1976.
		A velocidade de cruzeiro era de Mach 2, peso máximo de decolagem de 389.000 libras (176.450Kg), carga paga de 25.000 libras e capacidade de passageiros de 108 a 128 pessoas, dependendo da configuração.
		Essa aula propõe-se a analisar sucintamente algumas partes do Concorde.
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Transporte Supersônico
A – Fuselagem 
	
		O Concorde tinha a fuselagem muito longa e muito fina porque, como foi visto na aula anterior, o arrasto de uma fuselagem em voo supersônico é inversamente proporcional ao quadrado da relação comprimento/diâmetro.
		“A forma que produz o menor Arrasto para um determinado comprimento e diâmetro é denominada Sears-Haack, e seu coeficiente de Arrasto vale:
 Cd = 9,87 onde FR = comprimento 
				 (FR)2 diâmetro máximo”	
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Transporte Supersônico
A – Fuselagem 
	
		Como consequência, o espaço para os passageiros era menor que o dos grandes transportes transônicos.
(747 / 777 / A-340 / A-380)
		Como o Concorde decolava e aterrissava com ângulos de ataque muito superiores àqueles dos transportes transônicos, ele tinha um nariz móvel.
		Se o nariz da aeronave fosse fixo, a visão da pista seria de apenas 5º para baixo.
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Transporte Supersônico
A – Fuselagem 
	
		Assim o nariz que no voo supersônico deve estar na direção da fuselagem, abaixava para a aterragem e decolagem. Existiam 4 posições da combinação visor e nariz, três das quais eram usadas em cada fase do voo.
		Em velocidades acima de 250Kt, o nariz e o visor eram completamente levantados.
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Transporte Supersônico
A – Fuselagem 
	
		Abaixo de 250 Kt, o ângulo de ataque começava a aumentar para cerca de 7º. Assim, o nariz era baixado para a posição de 5º, deixando uma visão de cerca de 10º.
		Essa posição também era usada na decolagem.
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Transporte Supersônico
A – Fuselagem 
	
		Na aterragem, a partir do momento em que as rodas eram baixadas, o nariz era deslocado para a posição de 12,5º.
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Transporte Supersônico
B – ASAS
	
		O Concorde tinha a asa fina, de duplo delta, que foi projetada para reduzir, ao máximo, o deslocamento do centro de pressão para trás nas velocidades supersônicas, com enflechamento de 70º.
		Os aviões de transporte transônicos têm aproximadamente 35º de enflechamento.
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Transporte Supersônico
B – ASAS
		Como o Concorde não possuía empenagem, ele empregava “elevões” na asa, que faziam o papel de ailerons e profundores.
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Transporte Supersônico
B – ASAS
		Para evitar o problema de torção da asa, os elevões externos eram automaticamente neutralizados em velocidades superiores às do projeto.
		Para compensar, em parte, o grande número de problemas no regime supersônico, a asa delta empregada nesse avião, possuía seu “dispositivo hipersustentador próprio”, dispensando o uso de flapes, slates, slotes e etc.
		Para aterrissar e decolar com velocidade reduzida, um avião com asa delta emprega um ângulo de ataque muito maior que o dos seus parceiros subsônicos e transônicos.
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Transporte Supersônico
B – ASAS
		Nesses grandes ângulos de ataque, os filetes de ar formam nosso conhecido vórtex.
		Todos os aviões produzem vórtices nas pontas de suas asas. Eles podem ser vistos nos dias úmidos como “espirais” de vapor na ponta das asas dos aviões que decolam ou aterrissam.
		A asa delta, no entanto, à medida que o seu ângulo de ataque aumenta, produz vórtices maiores, os quais envolvem toda a superfície superior da asa, aumentando a sucção e, portanto, a Sustentação – Vórtex Lift.
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Transporte Supersônico
B – ASAS
	
		Observando-se fotografias de decolagem e aterrissagem do Concorde, vemos que ele desaparece numa nuvem de vapor d'água por ele próprio produzida, porque a redução da pressão provoca a condensação do vapor de água do ar.	
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Transporte Supersônico
C – MOTORES
		O Concorde era equipado com 4 turbojatos Rolls Royce/Snecma Olympus 593 Mark 610, de 38.050 libras de tração de decolagem.
		Para compensar a reduzida tração dos turbojatos nas baixas velocidades, o Concorde empregava a pós combustão na decolagem e também nas aceleração de Mach 0,95 para Mach 1,7. O tempo gasto nesse procedimento era de aproximadamente 15 minutos. As pós combustão eram ligadas aos pares para reduzir o desconforto dos passageiros.
		De Mach 1,7 até Mach 2, a aceleração era feita sem necessidade desse auxílio.
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Transporte Supersônico
C – MOTORES
		O TU 144, transporte supersônico construído pela União Soviética era equipado com quatro motores turbofans.
		Para produzir a tração necessária no cruzeiro supersônico (Mach 2,35) era empregada a pós combustão, elevando exageradamente o consumo de combustível.
		Desnecessário dizer que o avião não vingou. 	
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Transporte Supersônico
C – MOTORES
		Para o Concorde, além do motor propriamente dito, os dutos de admissão e de escapamento eram muito importantes pois o conjunto deveria funcionar com eficiência nos regimes subsônicos e supersônicos.
		Tanto o duto de admissão como o de escapamento eram de geometria variável.
		Ex de situações que essa geometria devia solucionar:
		1- O duto de admissão devia assegurar sempre que a velocidade dos filetes do ar chegasse ao compressor de baixa pressão com no máximo Mach 0,5. 
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Transporte Supersônico
C – MOTORES
		2- Voando a Mach 2, por exemplo, ocorria uma grande transformação de pressão dinâmica em estática, mas em contrapartida, elevava a temperatura do ar para 200ºC.
		3- Esse elevação de temperatura do ar no interior do motor tornava necessário o emprego de ligas especiais no compressor.
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Transporte Supersônico
C – MOTORES
		Na decolagem,como o motor necessitava de todo o ar possível, a entrada auxiliar e as rampas ficavam completamente abertas.
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Transporte Supersônico
C – MOTORES
		A entrada auxiliar fechava aproximadamente em Mach 0,7 e com Mach 1,3 as rampas estavam fechadas produzindo uma série de ondas de choque para reduzir a velocidade dos filetes de ar.
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Transporte Supersônico
C – MOTORES
			Durante o voo, os computadores ajustavam a posição das rampas e da entrada auxiliar para admitir a massa de ar necessária para os motores.
			Modificações na tração dos motores também requeriam modificações no fluxo de ar, o que era regulado da mesma forma.	
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Transporte Supersônico
C – MOTORES
		O problema mais difícil para o bocal de admissão ocorria no corte de um motor em velocidades supersônicas.
		Nessa hora, subitamente o motor precisava de pouco ou nenhum ar. As rampas se fechavam completamente, mandando parte do ar para cima, enquanto a entrada auxiliar (spill door) abria completamente para expulsar o ar para baixo.	
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Transporte Supersônico
C – MOTORES
		Essa situação de corte de um motor em velocidade supersônica fazia com que o Concorde tivesse uma característica única: “se um motor fosse cortado no voo supersônico, o avião rolava para o lado errado”.
		Vamos analisar:
		1) Qualquer avião, inclusive o Concorde, guinará na direção do motor parado.
		2) Como consequência, a asa no lado oposto temporariamente terá maior velocidade que a asa do motor parado, e portanto, se elevará, devido a maior Sustentação. 	
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Transporte Supersônico
C – MOTORES
		3) Essa situação resulta em um rolamento e uma guinada na direção do motor parado.
		“Guinada e rolamento pra cima do motor em pane.”
		Vamos ver o que provocava, no Concorde, o rolamento para o lado errado:
		1) Na velocidade de Mach 2 existia um excesso de ar entrando no motor cortado que tinha de ser expelido.
		2) a entrada auxiliar abria, o ar era forçado para baixo e, como reação, a asa subia, rolando o avião para o lado errado. “Rolamento para cima do motor bom.”
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Transporte Supersônico
C – MOTORES
		Uma característica interessante dos motores do Concorde era que ele podia empregar no ar os dois reversores dos motores internos, para aumentar a razão de descida.
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Transporte Supersônico
D – AQUECIMENTO DA ESTRUTURA 
	
		Um dos motivos que limitaram a velocidade do Concorde a Mach 2 foi a possibilidade de empregar a estrutura e revestimentos de ligas de alumínio, material fácil de trabalhar, baixo peso específico e com propriedades bem conhecidas.
		Se o cruzeiro fosse de Mach 3, o revestimento deveria ser de titânio ou aço inoxidável, o que encareceria o avião e aumentaria substancialmente seu peso.
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Transporte Supersônico
D – AQUECIMENTO DA ESTRUTURA 
	
		As temperaturas máximas do nariz e do revestimento do Concorde eram, respectivamente, 120ºC e 100ºC.
		Quando a temperatura do nariz do Concorde, mostrada num instrumento do painel, atingia 127ºC, o piloto deveria reduzir a velocidade de Mach 2 para Mach 1,98.
		Na realidade, o aumento da temperatura tinha atingido 182ºC, pois a temperatura do ar na altitude de cruzeiro era de cerca de -55ºC
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Transporte Supersônico
E – ELEVADO ARRASTO DE ONDA
	
		Para reduzir o Arrasto, a fuselagem tinha uma pequena razão diâmetro/comprimento, e a asa tinha uma pequena espessura aerodinâmica.
		Como a asa deveria abrigar o trem de pouso e a maior parte das 95 toneladas de combustível, a forma delta era vantajosa, pois a longa corda permitia uma boa espessura geométrica, correspondendo a uma pequena espessura aerodinâmica.
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Transporte Supersônico
E – ELEVADO ARRASTO DE ONDA
		Os aviões militares normalmente possuem aerofólios de cunha dupla ou bi-convexo, o que lhes permite a maior eficiência nas velocidades supersônicas de combate, com a contrapartida de pobre desempenho nas decolagens, aterrissagens e outras etapas subsônicas.
		O Concorde adotou um meio termo, o perfil tinha pequena espessura aerodinâmica, porém seu bordo de ataque era arredondado.
		A relação tração/peso desse avião era maior que a de quadrimotores transônicos (747, A-340, A-380), o que representa aumento de peso e de consumo horário de combustível quando comparado com aqueles aviões.
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Transporte Supersônico
F – DESLOCAMENTO DO CENTRO DE PRESSÃO
		Como estudado em aulas anteriores, o CP – Centro de Pressão – move-se para trás quando os filetes de ar alcançam velocidades supersônicas.
		Nos aviões transônicos o deslocamento do CP é pequeno, e seus efeitos são compensados pelo Mach trimmer.
		“Os aviões a jato contam com um dispositivo denominado Mach Trimmer, que é sensível ao número de Mach e programado para atuar sobre o estabilizador horizontal de incidência variável ou sobre o profundor móvel, enviando um sinal proporcional ao número de Mach, de forma a tornar positiva a estabilidade do avião no seu eixo longitudinal em qualquer velocidade do envelope do mesmo”.
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Transporte Supersônico
F – DESLOCAMENTO DO CENTRO DE PRESSÃO
		No Concorde, apesar da asa ser projetada para reduzir o “passeio” do CP, este se deslocava 6 pés na velocidade de Mach 2.
		Considerando um peso médio de 170 toneladas, nessa situação havia um aumento no momento de “picar”.
		O emprego do Mach trimmer elevaria o arrasto a níveis impossíveis de serem suportados.
		A solução encontrada foi o deslocamento para trás do CG dos mesmos 6 pés, com a transferência de 20 ton. de combustível para tanques especiais na traseira da fuselagem.
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Transporte Supersônico
F – DESLOCAMENTO DO CENTRO DE PRESSÃO
		No fim do voo, quando o Concorde reduzia a velocidade para Mach 0,95 o combustível do cone traseiro fazia a viagem de volta.
		A posição do CG do Concorde era tão importante que o Machímetro tinha dois bugs que mostravam os números de Mach aceitáveis para o CG em que ele estava no momento, além de outro instrumento que indicava a posição e variação permissível do CP para o número de Mach que o avião estava voando.
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Transporte Supersônico
F – DESLOCAMENTO DO CENTRO DE PRESSÃO
		Quando o CP estava fora dos limites, dois alertas eram acionados para o flight engineer, que era o responsável pelas transferências de combustível.
		No primeiro aviso soava uma campainha e acendia uma luz vermelha no painel.
		No caso da situação se agravar sem providências do engenheiro de voo, a luz passava a acender e apagar intermitentemente. 
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Transporte Supersônico
G – ESTRONDO SÔNICO
		Voando supersonicamente, um avião gera duas ondas de choque, uma no nariz (onda de proa) e outra na cauda.
		As outras ondas de choque, provenientes do canopy, bordo de ataque da asa, naceles do motor etc... tendem a se juntar com as ondas principais.
		A onda de proa forma o cone de Mach e segue o avião, da mesma maneira que a onda produzida por um navio nas águas do oceano, com a diferença que ela é tridimensional.
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Transporte Supersônico
G – ESTRONDO SÔNICO
		Ao atingir o solo, as duas ondas de choque produzem dois estampidos, que são conhecidos por estrondo sônico (sonic boom).
		Diferentes aviões supersônicos produzem diferentes estrondos sônicos, como se fossem suas “assinaturas”.
		Quando o avião for pequeno, as duas ondas estarão muito próximas, e parecerão uma única onda.
		Os ruídos produzidos pelo Concorde eram suficientemente separados para não serem confundidos com um ruído único.
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Transporte Supersônico
G – ESTRONDO SÔNICO
		Os estrondos sônicos são inevitáveis quando um avião ultrapassa aproximadamente Mach 1,15 e serão tanto maiores quanto mais elevados forem seu peso evelocidade, e menor quando em mais altitude estiver voando o avião.
		A turbulência na atmosfera também pode aumentar ou reduzir o nível de estrondo sônico.
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Transporte Supersônico
H – VOO HIPERSÔNICO
		Apesar de não ocorrerem mudanças drásticas no escoamento, o voo que iguala ou supera a velocidade de Mach 5 é definido, arbitrariamente, como voo hipersônico, e não mais supersônico.
		Em 12/04/1961, o major soviético Yuri Gagarin tornou-se o primeiro homem a voar hipersonicamente, pois sua nave chegou a Mach 25 na volta à atmosfera. Em 1962 o avião experimental X-15 atingiu Mach 6,72 e altitude máxima de 108Km. Em 1969 e no começo da década de 70, os veículos Apolo atingiram Mach 36 no retorno à atmosfera da Terra.
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Transporte Supersônico
H – VOO HIPERSÔNICO
		Basicamente, o regime hipersônico começa quando a onda de choque fica muito próxima da superfície de um corpo fino.
		Verifica-se que no voo supersônico a onda de choque obliqua está longe da superfície do aerofólio de 4% de espessura.
		No voo hipersônico porém, a onda de choque está próxima da superfície do aerofólio.
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Transporte Supersônico
H – VOO HIPERSÔNICO
		Primeiramente, o ângulo do cone de Mach é tão pequeno que a onda de choque de proa pode interagir seriamente com a camada limite do corpo.
		Segundo, o ar atinge temperaturas elevadíssimas na região onde ele é desacelerado, como na camada limite.
		O aumento da temperatura na camada limite eleva a viscosidade e diminui a densidade do ar. O resultado é que espessura da camada limite fica muito maior que no voo supersônico ou subsônico, e, portanto muito grande em comparação com a espessura da onda de choque.
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Transporte Supersônico
H – VOO HIPERSÔNICO
		Devido ao grande aumento da temperatura, novos materiais devem ser pesquisados, pois as ligas de alumínio e mesmo de titânio e aço inoxidável não as suportariam.
		O X-15, por exemplo, tinha a estrutura externa de titânio e aço inoxidável, porém o seu revestimento era de “Inconel X”, uma liga de aço níquel capaz de suportar temperaturas de até 1200ºF (649ºC).
		Desnecessário dizer da importância do isolamento de calor nesses veículos.
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Transporte Supersônico
I – CONCLUSÃO
		Apesar do Concorde ter representado um grande avanço tecnológico, não foi um sucesso comercial; apenas 15 aviões foram vendidos.
		Um dos motivos foi o alto custo operacional; seu consumo de combustível por assento era cerca de quatro vezes o do Boeing 747, e de seu peso de decolagem apenas 6% era carga paga, contra 20% no Boeing 747.
		Carga paga é a soma dos pesos dos passageiros, bagagens, carga e correio. É a carga que paga as despesas e gera o lucro do transportador.
		
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Transporte Supersônico
I – CONCLUSÃO
		Um dos problemas enfrentados na homologação desse avião foi o nível de ruídos na decolagem, pois o Federal Aviation Administration – FAA dos Estados Unidos estabeleceu, em 1969, limites máximos de ruídos toleráveis para as decolagens e aterragens dos aviões, limites estes superados pelo Concorde. Esses limites foram reduzidos ainda mais em 1977.
		O Concorde só foi homologado porque o seu projeto era anterior a 1969. Novos aviões supersônicos, porém, serão julgados pelos valores de 1977.
		O motor de ciclo variável, com os modernos supressores de ruídos desenvolvidos pelo Pratt Whitney e GE para a NASA poderá dar uma solução a este problema.
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Transporte Supersônico
I – CONCLUSÃO
		Apesar dos problemas citados, um levantamento estatístico do tráfego aéreo leva-nos à conclusão que é possível o aparecimento de um novo transporte supersônico nas próximas décadas.
		Em estudos de demanda do transporte aéreo realizado nos Estados Unidos, notou-se o aumento de 93 milhões de passageiros-milhas para 163 bilhões, num intervalo de 45 anos.
		Um aumento de 1.750% no tráfego aéreo que foi obtido com um acréscimo de apenas 350% no número de aviões.
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Transporte Supersônico
I – CONCLUSÃO
		Isso foi conseguido graças a gerações sucessivas de aviões de maiores produtividades, medida pelo produto velocidade vezes número de assentos.
		Como estudos mostram que essa tendência persiste, a demanda por transporte aéreo continuará a aumentar substancialmente nos próximos anos.
		Para atendê-la, será necessário aumentar o tamanho, evidentemente, pode causar um alívio no acúmulo de aviões, mas o aparelho pode se tornar tão grande que só fique eficiente numa única rota.
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Transporte Supersônico
I – CONCLUSÃO
		Já existe tecnologia para produzir, hoje, um eficientíssimo avião de transporte com capacidade de 1.000 passageiros, e velocidade de Mach 0,92.
		Porém, em que rotas ele seria viável ?
		O aumento de número de aviões atenderá à demanda, mas poderá resultar em congestionamento já ocorre em inúmeros aeroportos e regiões do mundo. Portanto, a única esperança real de atendimento da demanda nos próximos anos será superar, novamente, a barreira do som, e produzir aviões de transporte supersônicos.
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Transporte Supersônico
I – CONCLUSÃO
		A NASA, outras agências europeias e japonesas, bem como fabricantes de aviões e motores continuam desenvolvendo estudos destinados a viabilizar este tipo de transporte.
		Possivelmente, em breve os Boeing 747, 767, 777, 787 e Air Bus 330, 340 e 380 terão concorrentes supersônicos.
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Teoria de Voo II
Aula 07 – Voo Supersônico
			Esta aula referiu-se aos capítulos 9, 10 e Conclusão da bibliografia.
Bibliografia: Aerodinâmica de Alta Velocidade
Autor: Nelson Soler Saintive
Editora: ASA – Edições e Artes Gráficas Ltda.
 São Paulo – SP
Prof. Ten Cel R1 Norival Floriano Junior
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