Investigao Experimental das Caractersticas Aerodinmicas de um Novo Dispositivo de Alta Sustentao

Raposeiro, H. A. D. M., Camelier, I. A., Gamboa, P. V.

Departamento de Cincias AeroespaciaisUniversidade da Beira Interior

Rua Marqus Dvila e Bolama6200 Covilh, Portugal

Resumo

O presente estudo tem como objectivo ensaiar uma nova configurao de dispositivos de alta sustentao eprever a sua potencial aplicao em certos sectores aeronuticos; baseia-se na aplicao de uma superfcie no bordode ataque de um perfil, de modo a analisar a sua influncia sobre as caractersticas aerodinmicas do mesmo. Omodelo de estudo foi o perfil da aeronave Boeing 737-200 para poder comparar-se o efeito do dispositivo numa asabidimensional com e sem flaps.

O estudo foi efectuado no tnel de vento da Academia da Fora Area Portuguesa, onde se realizaramdiversos ensaios, com vrias posies do dispositivo, por forma a retirar algumas concluses sobre o seu uso. Emboraos ensaios no tnel de vento tenham sido realizados com um nmero de Reynolds de 220.000, devido a limitaes derigidez do modelo, pode concluir-se, dos dados experimentais, que o dispositivo tem potencial para melhorar os valoresoperacionais nas descolagens e nas aterragens, pelo que novas investigaes devem ser prosseguidas.

Introduo

medida que as aeronaves comerciais foram aumentando a sua velocidade de cruzeiro, devido aodesenvolvimento de motores mais potentes, a carga alar aumentou, aumentando tambm a necessidade douso dos dispositivos de alta sustentao para manter as velocidades de aterragem e descolagem dentro delimites razoveis.

A complexidade dos dispositivos de alta sustentao poder ter atingido o seu pico com o Boeing747, que usa flaps de fenda tripla e slats de arqueamento varivel. Desde ento, a tendncia tem sido a dedesenvolver dispositivos de elevados coeficientes de sustentao, mas que sejam mais simples, para reduzir ocusto de aquisio e manuteno da aeronave.

Com a actual evoluo das aeronaves comerciais estritamente necessrio melhorar os actuaisdispositivos de alta sustentao ou mesmo criar outros mais eficientes. A variao de 1 por cento nocoeficiente mximo de sustentao aterragem, na aeronave Boeing 777, poder valer um ganho de 1,8toneladas de carga til [1]. O objectivo deste trabalho , no s, analisar uma nova configurao dedispositivos de alta sustentao, mas tambm, compreender a sua potencial aplicao em certos sectoresaeronuticos.

Estudo aerodinmico

Tm sido discutidas, ao longo dos anos, teorias sobre a interaco entre perfis, sendo asconfiguraes com mais de 2 perfis, aquelas que mais atraem os aerodinamicistas. Podem encontrar-sereferncias sobre estas [2,3], no s nos flaps utilizados na aviao comercial como tambm nasembarcaes vela mais recentes. No ano de 1920, Handley Page demonstrou que, introduzindo um slat nafrente de um perfil, todo o sistema produzia um coeficiente de sustentao mximo superior ao do perfil

sozinho [3,4]. Chegou mesmo a concluir que um perfil constitudo por n+1 elementos gera mais sustentaodo que um perfil com apenas n elementos. Tambm ficou demonstrado que, pelo contrrio, a eficinciaaerodinmica (L/D) decresce, sendo este um dos grandes inconvenientes da configurao.

A presente investigao baseou-se na aplicao de uma nova superfcie acima do bordo de ataque deum perfil, por forma a analisar a sua influncia nas caractersticas aerodinmicas do perfil.

O dispositivo tem como principal funo aumentar a depresso no extradorso do perfil, obrigando acamada limite a contornar o bordo de ataque sem que descole, evitando, assim, a perda e permitindo ngulosde ataque mais elevados.

Simulao em CFD

Simulando um sistema idntico, num programa de CFD (Computational Fluid Dynamics) que usa omtodo dos painis, procurou-se analisar a distribuio de presso no extradorso do perfil. O perfil analisadofoi o NACA 23015, com um nmero de Reynolds (Re) de 1.000.000 (1 milho). Esta anlise foi elaborada,no com a inteno de obter um valor rigoroso do incremento de sustentao mas, para verificar se odispositivo iria alterar a sustentao no perfil e retirar as possveis concluses, no s a nvel aerodinmicomas tambm a nvel estrutural para dimensionamento do modelo para o tnel de vento.

Assim, foram estudados dois casos: o primeiro com o perfil isolado e o segundo com o perfil com odispositivo no bordo de ataque (Fig. 1).

Figura 1: Perfil 23015 sem e com o dispositivo de alta sustentao.

Da simulao retirou-se a distribuio do coeficiente de presso no extradorso do perfil para ambosos casos. As Figs. 2 e 3 mostram, para um ngulo de ataque de 10 , o CP no extradorso do perfil nos doiscasos.

Figura 2: CP no extradorso do perfil sem o dispositivo (esquerda) e com o dispositivo (direita).

dispositivo

Pode, facilmente, reparar-se que, com o dispositivo, existe uma maior depresso sobre o perfil,resultando no aumento do coeficiente de sustentao do mesmo. Sobrepondo os dois grficos, possvelvisualizar esse ganho (Fig. 3), que se encontra imediatamente sob o dispositivo adicionado.

Figura 3: Comparao do CP nos dois casos.

Modelo de estudo

O modelo usado no estudo experimental foi o perfil da aeronave Boeing 737-200. A geometria dassuperfcies de alta sustentao (flap de fenda tripla e slat de 3 posies) j existentes na asa desta aeronavefoi retirada das Refs. 5 e 6. A fidelidade da geometria permite comparaes mais objectivas. A Fig. 4 ilustrao modelo nas duas situaes j mencionadas acima: perfil com as superfcies de alta sustentao recolhidas(perfil limpo) e perfil com as superfcies de alta sustentao deflectidas (perfil sujo). Ambos os casosapresentam o dispositivo proposto.

Figura 4: Simulao em CAD para estudo do modelo para o tnel de vento.

Antes da construo do modelo foram realizados estudos em CAD para verificar o funcionamento ea geometria das vrias superfcies e para gerar uma malha para proceder a uma anlise estrutural simples porforma a estimar a resistncia e rigidez das superfcies menos espessas. Este estudo permitiu prever,aproximadamente, a velocidade mxima para a realizao dos ensaios.

ganho

Figura 5: Modelo no tnel de vento com a marcao das posies do dispositivo.

Foram marcadas vrias posies e incidncias para o ensaio do dispositivo para tentar saber qual asua influncia no desempenho do perfil. A Tabela 1 mostra as posies testadas.

Tabela 1: Posies do dispositivo.

Dispositivo x/c y/c incidncia [graus]posio 1 0,05 0,08 5posio 2 0,05 0,08 0posio 3 0,05 0,08 -5posio 4 0,05 0,12 0posio 5 -0,05 0,08 0posio 6 -0,05 0,08 -5posio 7 -0,05 0,12 0

O estudo foi efectuado no tnel de vento da Academia da Fora Area Portuguesa. Foram feitosdiversos ensaios, com diversas posies do dispositivo, de modo a obter-se vrias curvas e ento poderretirar-se algumas concluses preliminares sobre o seu uso prtico.

Resultados

Os ensaios no tnel de vento foram realizados com um Re de 220.000. No se realizaram testes comRe superiores devido ocorrncia de flutter no dispositivo, resultante da baixa rigidez do material usado e dasua espessura muito pequena.

As Figs. 6 e 7 resumem os resultados dos ensaios, j com as correces [7], apresentando as curvasde Cl e Cm.

Pode ver-se que possvel aumentar o coeficiente de sustentao do perfil com este dispositivo,dependendo os valores da sua posio. O aspecto mais notrio o grande aumento do ngulo de ataque deperda obtido, sem, no entanto, haver mudana no ngulo de sustentao nula. A variao do coeficiente demomento a 1/4 da corda com o ngulo de ataque apresenta um declive mais ou menos uniforme at perda,indicando que esta se aproxima progressivamente com o aumento do ngulo de ataque.

Da Fig. 6 v-se que o efeito do dispositivo diferente do efeito do slat de 3 posies original, namedida em que ele no afecta o arqueamento do perfil.

S a posio 2 produz um Cl superior quele obtido com o slat de 3 posies e apenas para ngulosde ataque superiores.

-1,0

-0,5

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

-10 0 10 20 30 40 50 60 70ngulo de ataque [graus]

C l ; C

m

sem dispositivodispositivo posio 1dispositivo posio 2 dispositivo posio 7slat 3 posies

Figura 6: Cl e Cm para o perfil limpo e com o dispositivo.

-2,0

-1,0

0,0

1,0

2,0

3,0

4,0

-10 0 10 20 30 40 50 60 70ngulo de ataque [graus]

C l ; C

m

sem dispositivodispositivo posio 1 dispositivo posio 2 dispositivo posio 3dispositivo posio 4dispositivo posio 5dispositivo posio 6dispositivo posio 7

Figura 7: Cl e Cm para o perfil sujo e com o dispositivo.

Para o perfil com flaps, tambm possvel aumentar o coeficiente de sustentao, mas o incrementono atinge a mesma magnitude obtida no caso do perfil sem flaps. Neste caso apenas a posio 3 resultounum Cl superior ao produzido pelo perfil sujo sem o dispositivo. O comportamento na perda parece, aqui, serdominado pelos dispositivos de alta sustentao originais: flap e slat.

A eficincia aerodinmica, para os melhores resultados, piorou, em mdia, cerca de 20% parangulos de ataque at 20 e cerca de 5% para ngulos superiores. Nalguns casos houve melhoria nos ngulosde ataque mais elevados.

De ambos os estudos parece haver evidncia de que a posio e atitude do dispositivo crtica nomelhoramento do desempenho do perfil.

Concluso

Analisando os resultados, para o perfil com o dispositivo, pode-se reparar que a sustentao aumentada, tanto em relao ao perfil limpo como em relao a outros dispositivos de alta sustentao nobordo de ataque. Observou-se, tambm, que no existe uma variao significativa no coeficiente demomento.

Com a utilizao do dispositivo na posio 3, na aviao comercial, possvel obter um ganho de8% no CL para ngulos de ataque de aproximao (aproximadamente 8,5 ). Para a aeronave Boeing 737-200,pode representar um ganho operacional de 1,7 toneladas por voo [8]. Considerando uma aeronave de maioresdimenses, como o futuro Airbus A380, este ganho seria ainda mais significativo, pois traduzia-se em 16toneladas por voo, ou um incremento de cerca de 160 passageiros.

Como o coeficiente de momento em torno do quarto de corda quase no varia, para ngulos deataque inferiores a 16 , no existem grandes preocupaes a nvel da estabilidade da aeronave [9].

Tal configurao poder ser utilizada em aeronaves do tipo STOL (Short Take-Off and Landing) ouem aeronaves de voo lento de vigilncia area.

Trabalho futuro

Este estudo experimental tem um carcter preliminar, uma vez que o grau de aprofundamento foilimitado. Nesta perspectiva, surgem vrias questes que podero ser respondidas com uma investigao maiscuidada. Abaixo so mencionadas algumas sugestes:

Proceder a novos ensaios usando, nas superfcies mais finas, um material mais rgido que permitaaumentar o Re para valores mais prximos dos reais e aumentar a credibilidade dos resultados;

Proceder a ensaios com dimenses variveis da corda do dispositivo e usar um sistema electro-mecnicoque permita aumentar as posies e incidncias do dispositivo passveis de serem estudadas;

Fazer um estudo computacional simulando os ensaios em tnel de vento para alargar o Re at valoresreais;

Caso os resultados sejam prometedores ser interessante estudar mecanismos de retraco do dispositivopara dentro da asa;

Referncias[1] Nield, Brian N., An Overview of the 777 High Lift Aerodynamics Design, High Lift and Separation

Control Conference Proceedings, University of Bath, United Kingdom, 1995[2] Boeing Commercial Airplane Company, High Lift Selected Concepts, 1978[3] Marchaj, C. A., Aero-Hidrodynamics of Sailing, Granada Publishing, 1979[4] Anderson, John D. Fundamentals of Aerodynamics McGraw-Hill International Editions, Second

Edition, 1991[5] Rudolph, Peter K. C., High-Lift Systems on Commercial Subsonic Airliners, National Aeronautics

and Space Administration, 1996[6] Rudolph, Peter K. C., Mechanical Design of High Lift Systems for High Aspect Ratio Swept Wings,

National Aeronautics and Space Administration, 1998[7] Pope, Rae, Low-Speed Wind Tunnel Testing, John Wiley & Sons, Second Edition, 1984[8] Boeing Flight Operations Engineering, Flight Transport Performance Methods[9] Nelson, Robert C., Flight Stability and Automatic Control, McGraw-Hill Book Company, 1999