Baixe Uma Metodologia para o Desen...Aeronaves Leves e Subsônicas - barroscap4 e outras Teses (TCC) em PDF para Engenharia Aeroespacial, somente na Docsity! 184 4 APLICAÇÃO DA METODOLOGIA DE PROJETO AO DESENVOLVIMENTO DA AERONAVE LEVE TRIATHLON 4.1 INTRODUÇÃO O objetivo do presente capítulo é ilustrar a aplicação da metodologia de projeto apresentada no capítulo anterior através do desenvolvimento de uma aeronave leve. Trata-se da aeronave Triathlon, um avião bi-place, lado-a-lado, monoplano, asa baixa sem montante, cauda convencional, trem-de-pouso escamoteável, triciclo, monomotor, com conjunto motopropulsor instalado no nariz da fuselagem. Na medida do possível, o projeto é apresentado de forma a servir como um roteiro para futuras aplicações da metodologia no projeto de aeronaves leves em geral. 4.2 ESPECIFICAÇÕES E REQUISITOS 4.2.1 FINALIDADE DA AERONAVE Pretende-se desenvolver uma aeronave monomotora, com potência na faixa de 80hp a 125hp, de dois lugares. A aeronave deverá atender simultaneamente a duas finalidades básicas: i) treinamento avançado de pilotagem elementar (na versão utilitário); ii) treinamento básico de acrobacia (na versão acrobático) quando operada por um único tripulante. Com estas duas aplicações básicas, ela atenderá ao desporto aéreo geral e ao turismo. 187 descida lenta é a refrigeração do motor. Descidas mais rápidas, poderão provocar trincas no bloco do motor. 4.2.3.2 PERFIL DE PROJETO DA MISSÃO DE VÔO DE TREINAMENTO DE ACROBA CIA À Figura 4.2 apresenta o perfil de projeto da missão de treinamento de acrobacia para a aeronave Triathlon. Figura 4.2 - Perfil típico de treinamento de acrobacia Note que, desta vez, trata-se de uma missão mais complexa, composta por várias etapas, cujas durações e consumos estimados estão mostrados na Tabela 4.2. Tabela 4.2 - Consumo estimado para treinamento de acrobacia “Fempo [min] Consumo estimado [litros] 1- | Partida, rolagem, decolagem 5 La 2- | Subida a 10 000 ft. 9 3.1 3- | Navegação 20 6.0 4- | Mergulho com potência até VNE 2 0.7 5- | Manobras Acrobáticas 15 5.0 6- | Decida normal 4 0.6 7- | Tráfego, toque e arremetida 15 5.5 O tempo total previsto para a missão é de 70min (1h 10min) com um consumo estimado de 22.4 litros (16.1 kg) de combustível. 188 Note que o tempo de acrobacia se restringe a 15 minutos. Um tempo superior a este geraria cansaço excessivo do aluno com consegiente comprometimento da aprendizagem!, 4.2.4 CARACTERÍSTICAS PRETENDIDAS Visando-se conciliar bom desempenho com simplicidade, optou-se por priorizar as seguintes características: $ Simplicidade construtiva & Possibilidade de construção por amadores. O Baixo custo de aquisição. O Elevada disponibilidade e manutenção simples. O Versatilidade operacional. O Boas características de vôo lento (estol). $ Boas características de entrada e saída de parafuso. O Boas características de vôo acrobático. O Qualidade de vôo superior. $ Desempenho elevado na sua categoria. O Alta segurança passiva (crashworthiness) O Alcance compatível com o vôo de turismo. O Possibilidade de corstrução com diferentes grupos moto- propulsores. ! Estudos sobre aprendizagem demonstraram a ineficiência de treinamento prolongado em diversas áreas sem o descanso e o sono entre atividades consecutivas. Durante o sono ocorre a fixação do aprendizado. No caso de acrobacia, considera-se 15 minutos por dia um ritmo adequado. 189 9 Uso preferencial de materiais nacionais em toda a célula. 9 Adequação ergonômica. O Design atual. 4.2.5 REQUISITOS Considerando-se o porte da aeronave Triathlon, conforme comentado no capítulo anterior, são aplicáveis as normas FAR-Part 23 e JAR-VLA. Como o Part 23 é mais extenso que o JÁR-VLA, contendo um número substancialmente maior de itens, grande parte deles não aplicáveis ao projeto Triathlon, optou-se pela adoção da norma JAR-VLA. Uma ressalva importante com relação à norma JAR-VLA é que ela proíbe o vôo acrobático das aeronaves segundo ela homologadas. Isto significa que a operação do Triathlon como aeronave acrobática (com restrição de peso) não poderá ser homologada segundo a norma JAR-VLA, Contudo, se homologado como aeronave experimental projetada para fatores de carga adequados para vôo acrobático, este tipo de operação passa a ser permitido. Adicionalmente, serão utilizados, no presente projeto, os seguintes instrumentos normativos: O As normas ABNT para os desenhos técnicos. O As normas americanas AN (Army and Navy) para os elementos de união (parafusos, arruelas, dzus, rebites e assemelhados como cabos de comando, polias, etc). O As normas SAE e ABNT para a escolha dos materiais metálicos. 192 4.3.1.2 ADEQUAÇÃO ERGONÔMICA. Buscar-se-á projetar a cabine da aeronave conciliando, dentro do possível, o mínimo de área frontal com o máximo de espaço interno. Para tal, os tripulantes serão colocados, lado-a-lado, assentados atrás da longarina principal da asa, em posição semi- reclinada. Para minimizar a área frontal da cabine (minimizar o arrasto da fuselagem) fixou-se o valor da largura da cabine em 7.06m, conforme a Tabela 3.8, deixando-se a altura da mesma para ser minimizada. 4.3.1.3 ESTÉTICA. Seguindo a orientação dada no capítulo anterior, durante todo o projeto fatores estéticos serão cuidadosamente considerados, seja na definição da geometria geral da aeronave, seja na definição de detalhes. Alguns deles serão mencionados no momento oportuno. 4.3.1.4 SIMPLICIDADE CONSTRUTIVA. A máxima "mantenha o projeto simples e adicione leveza” será considerada com atenção no decorrer do projeto Triathlon. Serão buscadas soluções que sejam eficientes e, ao mesmo tempo, simples. Por exemplo, as nervuras não serão obtidas por montagem, mas por recorte numa única peça. As cavernas serão feitas em duas metades (um único molde, pequeno) e será evitada a construção em lâminas de madeira, por ser muito laboriosa. No intuito de se reduzir peso, dentro do possível, associar-se-á mais de uma função para uma mesma peça. As ferragens deverão ser simples e robustas o suficiente. 193 4.3.1.5 CUSTO DE FABRICAÇÃO. Um baixo custo de fabricação deverá ser atingido através das seguintes diretrizes: O simplicidade construtiva; O dimensões e pesos reduzidos, em acordo com a filosofia de solução mínima; 9 construção em materiais compostos sem uso de moldes; Q adoção da norma mais compatível com a categoria da aeronave em desenvolvimento; 9 previsão de uso de motor aeronautizado ou aeronáutico não homologado pelos estritos padrões de certificação aeronáutica (porém aceito pela norma adotada, para utilização em aeronaves experimentais). 4,3,1.6 FACILIDADE DE TRANSPORTE NO SOLO Visando facilitar o transporte da oficina de fabricação para o aeroporto, o Triathlon deverá ter, não apenas o grupo motopropulsor, mas também o cone de cauda, removíveis, conforme mostra a Figura 4.3. f MN Pi Figura 4.3 — Esquema de desmontagem para transporte 194 4.3.2 MÉTODOS COMPARATIVOS 4.3.2.1] FICHAS TÉCNICAS Seguindo a metodologia apresentada no Capítulo 3, foram selecionadas trinta aeronaves para serem utilizadas nos Métodos Comparativos. As fichas técnicas das aeronaves selecionadas estão apresentadas no Projeto CB.10 Triathlon — Parte 1 (Barros, 1999). 4.3.2.2 TABELA COMPARATIVA A Tabela Comparativa para o projeto Triathlon está reproduzida na Tabela 4.3, contendo os dados das aeronaves selecionadas a serem comparados. 197 Tabela 4.3(cont.) — Tabela Comparativa Tabela Comparativa Sistema Métrico A tabela foi construída posicionando-se as aeronaves de acordo com a potência, dentro do possível, aumentando da esquerda para à direita. Assim, a primeira aeronave (Europa) apresenta 80 hp enquanto a última (Me-109) apresenta 1475 hp. As treze primeiras aeronaves da tabela são aquelas com potência dentro da faixa do projeto (80hp a 125hp). As seis primeiras, em particular, são as mais competitivas do ponto de vista do projeto atual (mesmo porte, etc.). Da décima quarta (Vari Eze) à décima sétima posição (Curumim), aparecem aeronaves de potências variadas, todas com pelo menos uma parâmetro bastante 198 peculiar. O Vari Eze comparece, apesar das suas dimensões diminutas e baixa potência, devido ao seu desempenho elevado quanto aos índices CAFE. O Uirapuru comparece por ser uma aeronave clássica no cenário nacional. O Tailwind aparece por ser um clássico da construção amadora americana, sendo muito veloz para a sua categoria, Jão Curumim, possuindo uma envergadura muito acima da média, aparece devido às suas boas características de vôo. Da décima oitava (GP-4) até a vigésima sétima (K-51) comparecem aeronaves de potência acima da faixa do projeto (de 160hp a 300hp) mas que apresentam notáveis características de vôo, podendo influenciar o projeto Triathlon quanto às proporções geométricas. Também com características de vôo notáveis, porém com potência bem superior a faixa do projeto (de 750hp a 1930hp), comparecem o Tucano, o P-51 e o Me- 109, cujas proporções geométricas podem ser úteis ao projeto Triathlon. Finalmente, na última coluna da tabela aparece uma estimativa preliminar para o projeto Triathlon, cujos valores, na verdade, foram determinados a posteriori, depois da aplicação dos métodos comparativos. Note que os parâmetros estimados para o Triathlon ficaram mais identificados com as seis primeiras aeronaves, que são da sua categoria. 4.3.2.3 COMPARAÇÃO VIA GRÁFICOS DE BARRAS Foram elaborados trinta e seis gráficos de barras, um para cada parâmetro da Tabela Comparativa, conforme apresentado no Projeto CB.I0 Triathlon — Parte 1 (Barros, 1999). De acordo com a importância atribuída ao parâmetro em exame, os valores estimados para o Triathlon ficaram, ora próximo a média, ora majorados, ora minorados, conforme indica a Tabela 4.3. A título de ilustração, a Figura 4.4 e a Figura 4.5 apresentam, respectivamente, gráficos de barras para a envergadura, um parâmetro geométrico, e para a velocidade máxima em vôo nivelado, um parâmetro de desempenho. 199 PSRRSSPESASIASEASGSIFpERsSERaaEE SitcgaiiiiiagçdsiCtelcads so ss 25 SaJas S233 se POC gÊ E Foi ti o diê O A RO 8 a 8 - 5 Figura 4.4 — Gráfico de barras do parâmetro envergadura (m) aen288 209 “E É gestor? es: | li Ni PoPPSSEPLILESRELEAZESIANCAREFISE SSPRSPRcSsgiasaElSgsigaIasci ss TDisizbocsssepaSans rECSEs ar glaa 235 gapigigisã da pos di Cas 3 8 eo 82 8 Ê 2º 25 : ê 55 z $ Figura 4.5 — Gráfico de barras do parâmetro velocidade máxima (km/h) A envergadura do Triathlon foi estimada um pouco abaixo da média aritmética das envergaduras das seis aeronaves da categoria. Já a velocidade máxima nivelada, um dos parâmetros de desempenho almejado, foi estimada um pouco acima dos seis primeiros, na versão acrobática, e próximo ao limite superior na versão utilitária. 4.3.2.4 COMPARAÇÃO VIA GRÁFICOS PARAMÉTRICOS Os principais gráficos paramétricos elaborados para o projeto Triathlon são apresentados a seguir. Os demais gráficos paramétricos, elaborados e analisados para O projeto Triathlon, podem ser consultados no Projeto CB.10 Triathlon — Parte 1 (Barros, 1999). 202 Razão de Subida A Figura 4.8 apresenta uma correlação entre a razão de subida e a relação - potência/peso para diversas aeronaves. Razão de Subida [m/s] un o 0.05 o 0.15 02 0.25 os Potência ! Peso [hp !kgf] Figura 4.8 - Correlação entre razão de subida e potência/peso Imagine, para cada aeronave nesta figura, uma reta ligando a origem com o seu ponto representativo. Quanto maior a inclinação da reta, melhor a aeronave sob este aspecto. Assim, as aeronaves mais próximas da borda superior da faixa azul (por exemplo, o K-51) apresentam razão de subida melhor do que aquelas mais próximas à borda inferior (Aero Boero e Uirapuru). Note que o Katana, embora com uma razão de subida inferior ao Ban-Bi está numa Posição mais favorável (a reta que passa por ele é mais inclinada que aquela que passa pelo Ban-Bi). Note que o Triathlon, posicionado na Figura 4.8 de acordo com os valores da Tabela Comparativa, aparece próximo a bissetriz da faixa azul. Dentro do possível, nas etapas subsequentes do desenvolvimento do projeto, deve-se buscar reposicioná-lo acima da reta atual. Em outras palavras, uma melhora na razão de subida e, ao mesmo tempo, na razão potência/peso, só será tecnicamente positiva se a razão entre estes parâmetros também aumentar. 203 4.3.2.5 COMPARAÇÃO POR VISTAS EM PLANTA NA MESMA ESCALA A seguir aparecem as vistas em planta das aeronaves listadas na tabela comparativa (Tabela 4.3), todas na mesma escala (1:100), permitindo uma comparação visual rápida (porte, envergadura, área alar, etc.). al Europa / Europa Turbo Pulsar / Pulsar Turbo SGráb G115 207 SF 260 CAP 10-b K51 Triathlon T-25 Universal Cessna 152 Aerô Bóero TTS Me 109 208 209 P-51 A vista em planta referente ao projeto Triathlon, obtida a posteriori , já aparece incluída para comparação, na página 207. 212 800 800 700 800 500 Peso Vazio [kgf] 300 200 100 0 10 20 so 40 so 60 70 ao so Volume da Asronave [m?] 100 Figura 4.11 - Correlação entre o volume da aeronave e peso da aeronave Às aeronaves mais robustas são aquelas mais próximas da borda superior da faixa azul. A Figura 4.11 mostra que quanto maior o volume da aeronave, maior o peso vazio da mesma. Objetivando projetar o Triathlon o mais leve possível, procurou-se posicioná-lo o mais próximo possível da borda inferior da faixa azul, chegando-se ao posicionamento mostrado na Figura 4.11. Note que, tanto a Figura 4.10 como a Figura 4.11 reforçam a filosofia solução minima para projetos de alto desempenho aerodinâmico. 4.3.3 DELIMITAÇÃO DO PROTÓTIPO 4.3.3.1 ESCOLHA DA CONFIGURAÇÃO EXTERNA A) Posição das asas Como a presente aeronave deverá operar tanto para vôos acrobáticos como para uso utilitário, optou-se pela configuração em asa baixa, que é a disposição que melhor 213 atende, simultaneamente, a estas duas categorias. Note que, na Tabela Comparativa, todas as aeronaves direcionadas para vôo acrobático apresentam asa baixa. B) Forma em planta das asas Considerando os comentários do capítulo anterior, para otimizar a relação resistência/peso da asa, minimizar a resistência induzida e preservar um valor baixo do momento de inércia transversal da aeronave (o que facilitará manobras acrobáticas de rolamento) será adotada a forma em planta trapezoidal. O autor também considera que, do ponto de vista estético, esta geometria é a mais adequada para o presente projeto. C) Enflechamento das asas No projeto Triathlon, as espessuras máximas dos perfis da asa estão a 40% da corda, região mais apropriada para colocação da longarina. Assim, para otimizar o projeto da longarina e facilitar a fabricação da longarina e suas ferragens, o enflechamento da asa será nulo a 40% da corda, ficando ligeiramente positivo a 25% da corda. D) Diedro das asas Considerando se tratar o Triathlon de um aeronave com asa baixa, para permitir um vôo de cruzeiro mais confortável, será adotado um ângulo de diedro ligeiramente positivo. 4.3.3.2 ASPECTOS DA CONFIGURAÇÃO INTERNA Optou-se pela configuração lado-a-lado, a qual traz os seguintes benefícios: i) minimiza a alteração da posição do centro de gravidade da aeronave quando com um ou com dois tripulantes; ii) facilita a comunicação entre tripulantes e iii) é comercialmente. mais aceita, Um aspecto relevante no caso do projeto Triathlon é que, considerando-se a grande largura dos motores possíveis de serem utilizados, a configuração lado-a-lado não acarretará aumento significativo da largura máxima da fuselagem.