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Design de Configuração de aeronaves

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Palestra-22 Aircraft Configuration Design

Olá, deixe-nos ter um olhar sobre o design de configuração de aeronaves. Esta é uma decisão muito importante que um designer ou uma equipe de design tem que fazer em relação à aeronave. E aqui há muitas, muitas opções disponíveis para nós. Assim como há uma enorme sala para inovação e mudança. Este material em particular, estou em dívida com meu amigo, o professor Bill Mason, da Virginia Tech. E eu gostaria de reconhecer a contribuição dele. Na verdade, a maior parte do material que você vai ver é tirado de suas anotações.
(Consulte O Tempo De Deslizamento: 01:03)

Vamos ouvir sobre Bill Mason. Ele ensina design de aeronaves na Virginia Tech e também é um aeroviário muito estabelecido. Aqueles que querem saber sobre Bill Mason devem ir para este site. Bill Mason está conectado com a coleta e a manutenção de uma grande quantidade de dados relacionados ao design de aeronaves, vários códigos, vários relatórios interessantes estão disponíveis em seu site. E ele estava entre as primeiras pessoas a disponibilizar informações publicamente em seu site.
(Consulte O Tempo De Deslizamento: 01:44)

Então você tem uma pessoa que é um designer que é o Chefe, ele é o chefe. E sua principal área de interesse ou preocupação é como exploramos a tecnologia para geração de nova capacidade? Vamos usar uma nova capacidade que alguém pode pagar para ter? Ou vamos ter uma olhada nos avanços da tecnologia e ver se podemos aplicá-los para atender a exigência do cliente. Então, mantendo esses 2 em mente, a equipe de design que eu mostrei aqui como indivíduo mas na vida real não é um indivíduo na vida real, é na verdade uma equipe.

Eles vêm junto com um conceito de configuração. E há uma nota interessante de que formas da aeronave se modificaram ao longo dos anos para explorar os avanços da tecnologia. E esta declaração será elaborada em detalhes nos próximos slides.
(Consulte O Tempo De Deslizamento: 02:46)

Quando falamos sobre o conceito de configuração, temos que entender que estamos olhando para como localizar itens como a carga útil. Que tipo de arranjo de fontes de elevação precisamos usar? Temos uma superfície de controle ou muitas superfícies de controle? E qual é a localização deles? Temos que decidir que tipo de sistema de propulsão usaremos. E temos que decidir também se temos um trem de pouso e qual o tipo e aproximadamente que tipo de layout de trem de pouso.

Comecemos por olhar para a primeira aeronave bem-sucedida que os irmãos Wright tinham desenvolvido. Quais foram os principais aspectos configuracionais desta aeronave em particular? Primeiro é que eles foram para um conceito de controle muito inovador. Eles estavam mais preocupados com o controle do que sobre a estabilidade.
Por isso, é por isso que eles usaram canards. Eles eram nadadores muito realizados e eles estavam tentando alcançar um marco e usando suas habilidades de pilotagem, eles foram capazes de alcançar com sucesso o voo.

Eles também foram bem-sucedidos parcialmente porque foram capazes de integrar um sistema de propulsão de peso muito leve sobre suas aeronaves. E o seu desenhado foi uma melhoria contínua e evolução. Não foi durante a noite.
(Consulte O Tempo De Deslizamento: 04:43)

Olhemos para quais são as características de uma boa aeronave de transporte e este slide mostra uma aeronave do Airbus estável e uma do Boeing estável. Ambos parecem bastante parecidos, exceto 1of eles são motor gêmeos, o outro são quatro motores. Mas ambos compartilham alguns bons recursos padrão. Em primeiro lugar, uma boa aeronave de transporte tem que ser aerodinamicamente eficiente. E quando eu digo isso eu também quero dizer integrar o sistema de propulsão de tal maneira que a eficiência da pista não está comprometida.

E isso é alcançado pelo que é chamado de streamlining. Assim, uma boa aeronave de transporte deve ser devidamente simplificada, deve equilibrar-se perto do nível de estabilidade para o arrasto mínimo. Se ele se equilibrar em algum outro local então o arraste vai ser mais alto porque o trim drag que é 1 componente do arrasto, teremos um olhar para estimação de arrasto e componentes de arrasto um pouco mais tarde. Lá vou elaborar este ponto um pouco mais adiante. Em uma boa aeronave de transporte o trem de pouso deve estar localizado em relação ao centro de gravidade.

Isso deve ser feito de tal maneira que a aeronave possa rodar facilmente durante a decolagem. Caso contrário, a distância de decolagem vai ser grande ou você precisará de uma superfície de controle de tamanho muito grande. Ao longo do envelope de voo ou ao longo de todo o envelope de altura e velocidade em que suas aeronaves foram liberadas para operar devemos ter autoridade de controle adequado. Então, que não há chance de a aeronave entrar em qualquer área de instabilidade também como mencionamos direito no desenho inicial é bom se ele pode ser construído facilmente e em grande número.

Então, que se torne acessível e também deve ter baixos custos de manutenção. Então, que os custos operacionais são minimizados e em dias modernos e uma aeronave tem que ser um bom vizinho. Ela tem que ser capaz de operar em nosso ambiente sem muita perturbação. Então, deve ser tranquilo e deve ter baixas emissões. Por isso, esses 6 pontos são a marca de uma boa aeronave de transporte e a configuração da aeronave deve ser escolhida para tentar alcançar um equilíbrio nestes 6 pontos.
(Consulte O Tempo De Deslizamento: 06:58)

Vejamos as principais tecnologias que são usadas na concepção de uma propulsão e estruturas aerodinâmicas de aeronaves. São tecnologias muito bem conhecidas sobre esses que estudamos. No final da década de 70s controles de voo como tecnologia começaram a emergir como um enorme player de papel. Na década de 80s e início
90s, começamos a olhar para sistemas, aviônicos e observáveis e tecnologia de fabricação, as técnicas de fabricação tornaram-se muito importantes.

E hoje, o próprio processo de design é uma tecnologia fundamental. Temos hoje uma tecnologia chamada de otimização de design multidisciplinar que é usada para conceber e projetar a aeronave mantendo em mente a interação entre várias disciplinas e tentando alcançar a excelência e a eficiência desde o início. E para isso, as diversas interações entre as disciplinas têm que ser capturadas.

E daí temos que olhar para uma abordagem simultânea e que é muito bem modificável para a análise utilizando as técnicas de MDO. Por isso, hoje, o design de aeronaves é, em sua maioria, dirigido pela tecnologia MDO disponível. Agora, não é muito fácil integrar os avanços em cada tecnologia neste ambiente multidisciplinar. E, às vezes, a evolução tecnológica individual pode causar muitos problemas ou questões quando elas têm de ser integradas.
(Consulte O Tempo De Deslizamento: 08:36)

Vejamos o que se entende por uma aeronave de linha de base porque qualquer inovação ou qualquer nova configuração será considerada com respeito a esta linha de base específica. Por isso, para uma aeronave de transporte subsônico, você tem uma linha de base que foi sugerida pela primeira vez pela empresa Boeing em forma de Boeing 747. Então, quais são as características que distribuímos a carga horda em torno do centro de gravidade. Por isso, alguma parte da carga útil está à frente do centro de gravidade, alguma parte fica para trás e tentamos manter a CG.

Nós fornecemos controle longitudinal usando uma cauda convencional montada atrás e usando um braço de momento nós fornecemos a energia de controle necessária. Nós fornecemos uma cauda vertical para dar uma estabilidade direcional e leme para controle. E tentamos pilotar a aeronave de tal forma que o trim drag seja mínimo perto do local ou perto do nível de estabilidade em que queremos que ele voe. O arrasto de trim é causado por causa do arrasto devido às superfícies de controle que são deflecidas a fim de aparar a aeronave.

Ou para criar uma situação em que o movimento líquido que atua na aeronave seja 0 sobre o centro de gravidade e maior a deflexão da superfície de controle é necessária, maior será o arrasto por causa deles. E isso vai continuar durante todo o voo e, daí, vai contribuir com uma grande quantidade para o arrasto e, daí, é importante que a aeronave possa aparar a pouco ou nenhuma deflexão das superfícies de controle e a configuração padrão que funciona para uma aeronave subsônica convencional é a combinação de trem de pouso de fuselagem da asa, como mostra esta figura.

Sendo assim, qualquer partida desta configuração para uma aeronave de transporte subsônico pode ser considerada como um desvio ou uma variação. E deveria haver uma razão bastante sólida para fazer isso. Não estamos dizendo que todas as aeronaves de transporte se parecem com isso e devem se parecer com isso estamos apenas dizendo que tem que haver uma razão sólida para se afastar desse olhar particular. Porque ao longo dos anos, a experiência dos designers resultou nesse tipo de configuração como base. Mas, tendo dito isso, há várias opções disponíveis para o designer para o layout.
(Consulte O Tempo De Deslizamento: 11:05)

Layout representa a localização relativa das várias grandes montagens como a asa, fuselagem, cauda etc. Então, onde você coloca as asas? Você coloca as asas à frente na fuselagem ou atrás?
Você as coloca acima da fuselagem ou abaixo ou coloca-a através da fuselagem? Onde você coloca os motores? Na verdade, que tipo de motores você usa? E onde você as coloca, coloque-as abaixo da asa, acima da asa, na parte frontal da fuselagem, na parte posterior da fuselagem, na cauda vertical. Todas essas escolhas estão disponíveis.

Onde você coloca as superfícies de controle e quais opções estão disponíveis para as superfícies de controle e temos que ter muito cuidado para que tenhamos espaço suficiente para pouso de trem pois o trem de pouso é um requisito necessário para qualquer aeronave de transporte de grande porte. E podemos olhar para possíveis designs inovadores para obter melhorias ou para atender a alguns dos requisitos que podem não ser possíveis de serem abordados usando a linha de base convencional? (Consulte o Tempo de Slide: 12:10)

Nesse ponto, começamos a olhar para perguntas que surgem na mente de um aluno sobre por que temos um tipo de recurso particular. Por que temos motores podados abaixo das asas? Por que temos uma asa varrida? Por que fazer varrido? Por que as variáveis varriam? Por que canards? Por que voar de asa?
Por que winglets? Por que 3 superfícies? Há tantas perguntas. E há uma razão e lógica para cada uma dessas escolhas que o designer ou a nossa equipe de design faz no layout. Obrigado por sua atenção. Passaremos agora para a próxima seção.