Conceitos Fundamentais para Aeronaves — Avião ✈️
Uma aeronave é qualquer veículo que possa voar usando o ar como meio para o fluido. Então, dentro desse conceito temos o helicóptero, o drone, o avião, o dirigível, e muitos outros tipos de aeronaves.
Para cada um desses tipos de aeronaves há vários requisitos para se encaixar em uma categoria específica, mas neste artigo falarei apenas alguns conceitos fundamentais que aviões possuem, como a estrutura, a fuselagem e alguns conceitos extras bem interessantes. ✈️
Componentes Principais de um Avião
O avião é definido como uma aeronave de asa fixa movida a propulsão mecânica que se mantem em voo devido ao escoamento nas asas gerando empuxo para a aeronave.
O avião pode ser projetado de várias maneiras, mas os componentes principais são os mesmos independente de como são usados. As característica operacionais e dimensões são determinadas pelos objetivos a serem alcançados pelo projeto.
Se o objetivo for uma competição, como a AeroDesign, há vários requisitos que a competição exige para o avião, como tamanho da asa, tipo de asas, carga útil, e muitos outros. Se o objetivo for para uso militar, então, além de apenas ser capaz de voar, a aeronave deve ser capaz de carregar determinados tipos de carga, que podem ser pessoas, objetos ou suprimentos. Independente do objetivo, geralmente, os aviões possuem fuselagens, asas, empenagem, trem de pouso e grupo moto-propulsor.
Lembrando que esses componentes são apenas os principais, então em cada um deles há vários sub-componentes, que podem ser bem complexos dependendo da aeronave. Na figura abaixo é mostrado de forma mais detalhada como seria a estrutura de um avião. Nessa estrutura pode-se separar em componentes mais simples da mesma forma que no caso anterior.
Fuselagem
A fuselagem inclui a cabine de comando e compartimento de cargas. A fuselagem é a parte central da aeronave e é a partir dela que outros componentes são fixados.
A fuselagem pode ser construída de três formas de estruturas diferentes: treliça, monocoque e semi-monocoque.
A estrutura em forma de treliça é o esqueleto da fuselagem. Ela é formada por treliças de modo que a resistência e a rigidez desse tipo de estrutura é obtida através da junção de uma série de modelos triangulares, como mostrado na figura abaixo.
A estrutura de monocoque tem o formato aerodinâmico formado pelas cavernas, estruturas em arcos de círculo. As cargas atuantes em voo são suportadas por essas cavernas e pelos revestimento, que além de aliviarem o peso da aeronave também são eficientes estruturalmente. Na figura abaixo é mostrado o interior da fuselagem formada por cavernas e revestimanto.
A estrutura semi-monocoque é formada pelas cavernas, revestimantos e longarinas. Os esforços aerodinâmicos são suportados por esses três subcomponentes. Na figura abaixo é mostrado um exemplo de uma estrutura semi-monocoque.
Asas
As asas são os componentes que geram sustentação para a aeronave quando ela está em movimento. A asa é a principal responsável por gerar força suficiente para o avião decolar.
Elas possuem vários perfis, formatos de asa, estruturas, tamanhos e muitos outros subcomponentes que variam dependendo do projeto que se deseja realizar. Em uma postagem anterior, foi comentado um pouco sobre os aerofólios, perfis de asas. Caso tenha interesse acesse o link abaixo. Nesta postagem será detalhada um pouco mais sobre a estrutura de uma asa.
As asas podem variar quanto a fixação na fuselagem, número de asas, formato da superfície, formato do aerofólio e muitos outros subcomponentes.
Estrutura
As estruturas principais de um asa são as nervuras, as longarinas, bordo de ataque e bordo de fuga.
As nervuras dão o formato aerodinâmico. Elas são os alívios, buracos, que são feitos nos perfis para diminuir o peso da aeronave e transmitir esforços do resvestimento para a longarina de forma mais eficiente que se tivesse sem as nervuras.
A longarina é o principal componente estrutural da asa. Ela une as nervuras e por meio de um suporte longo atravessa toda a semiasa. As longarinas são dimensionada para suportar esforços de cisalhamento, flexão e torção oriundas das cargas aerodinâmicas atuantes durante o voo. É comum aeronaves possuírem longarinas dianteira e traseira, como mostrado na figura abaixo.
O bordo de ataque localiza-se na parte dianteira da asa, no qual estão localizados os slats da aeronave. O bordo de fuga localiza-se na parte traseira da asa, que contem os ailerons, spoilers e flaps.
Forma Geométrica
As asas podem ter vários tipos de formatos que variam de acordo com os requisitos do projeto. Na figura abaixo são mostrados vários tipos de geometria de asas para um mesmo componente central.
Além disso, a geometria das asas segue um conjunto de parâmetros que ajudam na definição do formato. Alguns desses parâmetros são a envergadura (tamanho entre as pontas de asas sem o componente central), o afilamento (razão entre a corda da ponta e a corda da raiz), a área da asa, o alongamento (razão entre o quadrado da envergadura pela área da asa) e enflechamento (ângulo que a asa faz com o eixo y).
Na imagem ao lado são mostrados de forma mais técnica alguns parâmetros geométricos para vários formatos de asa.
As geometrias mais comuns são as asas retangulares, trapezoidais e elípticas, mas, como explicado anteriormente, é possível projetar uma asa de forma personalizada. Um caso interessante é para algumas aeronaves militares que possuem enflechamento negativo. 😀
Perfil
Quanto ao perfil da asa, os principais componentes geométricos são o bordo de ataque (parte superior do perfil), bordo de fuga (parte inferior do perfil), corda (linha reta que une o bordo de ataque ao bordo de fuga do perfil), extradorso (curva superior do perfil) e intradorso (curva inferior do perfil).
O perfil pode ser escolhido segundo critérios que dependem, principalmente, de fatores aerodinâmicos. Os mais comuns são os perfis NACA, mas a partir de ensaios em túneis de vento é possível testar outros tipos de perfis para se ajustar ao tipo de aeronave que se deseja projetar.
Posição da Asa
Em relação a fuselagem, a asa de um avião pode ser alta, média ou baixa. A escolha da posição da asa na fuselagem vai depender da função que a aeronave vai exercer e do projeto.
Empenagem
A empenagem tem como função principal estabilizar e controlar o avião durante o voo. As componentes principais da empenagem são o leme, os compesadores, o profundor (responsável pela estabilidade e controle longitudinal da aeronave), o estalibizador vertical e o estabilizador horizontal (responsáveis pela estabilidade e controle direcional da aeronave).
A empenagem, junto com alguns componentes da asa, é usada para possibilitar graus de liberdade de rotação nos três eixos do avião: o lateral, que gera o movimento de arfagem; o longituginal, que gera o movimento de rolagem; e o vertical, que gera o movimento de guinada. Nas duas figuras abaixo são mostrados os componentes usados para gerar as rotações e os eixos possíveis de rotação.
Trem de Pouso
O trem de pouso tem como funções principais apoiar o avião no solo. No caso que ele estiver parado, possibilitar a movimentação da aeronave durante o processo de taxiamento e realização de pouso e decolagem.
Na maioria das aeronaves os trens de pouso são rodas, mas há algumas aeronaves que possuem trem de pouso usando flutuadores, hidroaviões, e esquis, para operações na neve.
O trem de pouso pode ser classificado em duas categorias: de acordo com a disposição das rodas em triciclo ou convencional.
O trem de pouso triciclo é aquele no qual existem duas rodas principais ou trem principal geralmente localizado embaixo das asas e uma roda frontal ou trem do nariz.
O trem de pouso convencional é formado por um trem principal e uma bequilha geralmente localizada no final do cone de cauda.
Grupo Moto Propulsor
O grupo motor propulsor é o responsável por fornecer a potência necessária para gerar impulso para o avião. Esse grupo, pode ser classificado em 2 tipos: os motores convencionais e os motores a reação.
Motores Convencionais
Os motores convencionais possuem o conjunto motor e hélice. A função primária do motor é fornecer a potência necessária para colocar a hélice em movimento de rotação, e, uma vez obtido esse movimento, a hélice tem a função de gerar tração para impulsionar o avião.
As aeronaves que utilizam esse tipo de motor podem ser classificadas como monomotores, bimotores e multimotores, de acordo com o número de motores existentes na estrutura.
Além disso, esses motores possuem cilindros que impulsionam a hélice usando cilindros de pressurização, que queimam segundo processos de queima de dois tempos ou quatro tempos.
Motores a Reação
Os motores a reação utilizam turbinas a gás para gerar o impulso necessário para movimentar o avião. Esses motores podem ser classificados em três tipos principais: turbojato, turofan e turbohélice.
Turbinas são amplamente empregadas na propulsão de aviões e outros tipos de aeronaves. Isto se deve principalmente à característica de alta densidade de potência, em relação a outras máquinas como motores de combustão interna. Ou seja, as turbinas a gás geram maiores potências comparadas a máquinas de mesmo peso, o que é vantajoso, uma vez que a redução do peso (melhor relação peso-potência) das aeronaves acarreta em maior eficiência e capacidade de carga.
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