Projeto de aerofólio - Airfoil Design
Um aerofólio é uma estrutura projetada para obter reação sobre sua superfície do ar através do qual ele se move ou que passa por tal estrutura. O ar age de várias maneiras quando submetido a diferentes pressões e velocidades; mas esta discussão está confinada às partes de uma aeronave com as quais um piloto está mais preocupado em voo - a saber, os aerofólios projetados para produzir sustentação. Ao olhar para um perfil de aerofólio típico, como a seção transversal de uma asa, pode-se ver várias características óbvias de design. Observe que há uma diferença nas curvaturas (chamadas cambers) das superfícies superior e inferior do aerofólio. A curvatura da superfície superior é mais pronunciada do que a da superfície inferior, que geralmente é um pouco plana.
NOTA: As duas extremidades do perfil do aerofólio também diferem na aparência. A extremidade arredondada, voltada para a frente em voo, é chamada de borda de ataque; a outra extremidade, a borda de fuga, é bastante estreita e cônica.
Uma linha de referência frequentemente usada na discussão do aerofólio é a linha de corda, uma linha reta traçada através do perfil conectando as extremidades das bordas de ataque e fuga. A distância desta linha de corda para as superfícies superior e inferior da asa denota a magnitude da curvatura superior e inferior em qualquer ponto. Outra linha de referência, traçada do bordo de ataque ao bordo de fuga, é a linha de curvatura média. Esta linha média é equidistante em todos os pontos das superfícies superior e inferior.
Um aerofólio é construído de tal forma que sua forma aproveita a resposta do ar a certas leis físicas. Isso desenvolve duas ações da massa de ar: uma ação de elevação de pressão positiva da massa de ar abaixo da asa e uma ação de elevação de pressão negativa da pressão reduzida acima da asa.
À medida que a corrente de ar atinge a superfície inferior relativamente plana de uma asa ou pá do rotor quando inclinada em um pequeno ângulo em relação à sua direção de movimento, o ar é forçado a retroceder para baixo, causando uma reação ascendente em sustentação positiva. Ao mesmo tempo, a corrente de ar que atinge a seção curva superior do bordo de ataque é desviada para cima. Um aerofólio é moldado para causar uma ação no ar e força o ar para baixo, o que fornece uma reação igual do ar, forçando o aerofólio para cima. Se uma asa for construída de tal forma que cause uma força de sustentação maior que o peso da aeronave, a aeronave voará.
Se toda a sustentação necessária fosse obtida apenas da deflexão do ar pela superfície inferior da asa, uma aeronave precisaria apenas de uma asa plana como uma pipa. No entanto, o equilíbrio da sustentação necessária para sustentar a aeronave vem do fluxo de ar acima da asa. Aqui reside a chave para o vôo.
Não é preciso nem útil atribuir valores específicos à porcentagem de sustentação gerada pela superfície superior de um aerofólio versus aquela gerada pela superfície inferior. Estes não são valores constantes. Eles variam, não apenas com as condições de voo, mas também com diferentes designs de asas.
Diferentes aerofólios têm diferentes características de voo. Muitos milhares de aerofólios foram testados em túneis de vento e em voo real, mas nenhum aerofólio foi encontrado que satisfaça todos os requisitos de voo. O peso, velocidade e propósito de cada aeronave ditam a forma de seu aerofólio. O aerofólio mais eficiente para produzir a maior sustentação é aquele que tem uma superfície inferior côncava ou “escavada”. Como um projeto fixo, esse tipo de aerofólio sacrifica muita velocidade ao produzir sustentação e não é adequado para vôos de alta velocidade. Os avanços na engenharia tornaram possível para os jatos de alta velocidade de hoje tirar proveito das características de alta sustentação do aerofólio côncavo. Flaps de bordo de ataque (Kreuger) e flaps de bordo de fuga (Fowler), quando estendidos da estrutura básica da asa,
Por outro lado, um aerofólio perfeitamente aerodinâmico e com pouca resistência ao vento às vezes não tem força de sustentação suficiente para tirar o avião do solo. Assim, os aviões modernos têm aerofólios que atingem um meio-termo entre os extremos do design. O formato varia de acordo com as necessidades do avião para o qual foi projetado.
Baixa Pressão Acima
Em um túnel de vento ou em voo, um aerofólio é simplesmente um objeto aerodinâmico inserido em uma corrente de ar em movimento. Se o perfil do aerofólio tivesse a forma de uma lágrima, as mudanças de velocidade e pressão do ar que passa por cima e por baixo seriam as mesmas em ambos os lados. Mas se o aerofólio em forma de lágrima fosse cortado ao meio longitudinalmente, resultaria uma forma semelhante à seção básica do aerofólio (asa). Se o aerofólio for então inclinado de modo que o fluxo de ar o atinja em um ângulo, o ar que se move sobre a superfície superior seria forçado a se mover mais rápido do que o ar que se move ao longo da parte inferior do aerofólio. Esta velocidade aumentada reduz a pressão acima do aerofólio.
Aplicando o Princípio da Pressão de Bernoulli, o aumento da velocidade do ar no topo de um aerofólio produz uma queda na pressão. Essa pressão reduzida é um componente da elevação total. A diferença de pressão entre a superfície superior e inferior de uma asa sozinha não leva em conta a força de sustentação total produzida.
O fluxo descendente para trás da superfície superior de um aerofólio cria um downwash. Este downwash encontra o fluxo da parte inferior do aerofólio na borda de fuga. Aplicando a terceira lei de Newton, a reação desse fluxo descendente para trás resulta em uma força ascendente para frente no aerofólio.
Alta pressão abaixo
Uma certa quantidade de sustentação é gerada pelas condições de pressão sob o aerofólio. Devido à maneira como o ar flui sob o aerofólio, resulta uma pressão positiva, particularmente em ângulos de ataque mais altos. No entanto, há outro aspecto desse fluxo de ar que deve ser considerado. Em um ponto próximo ao bordo de ataque, o fluxo de ar é praticamente interrompido (ponto de estagnação) e então aumenta gradualmente a velocidade. Em algum ponto próximo ao bordo de fuga, atinge novamente uma velocidade igual à da superfície superior. De acordo com o princípio de Bernoulli, onde o fluxo de ar foi reduzido abaixo do aerofólio, uma pressão positiva para cima foi criada (ou seja, à medida que a velocidade do fluido diminui, a pressão deve aumentar). Como o diferencial de pressão entre a superfície superior e inferior do aerofólio aumenta, a sustentação total aumenta.
Distribuição de pressão
A partir de experimentos realizados em modelos de túnel de vento e em aviões de tamanho real, foi determinado que, à medida que o ar flui ao longo da superfície de uma asa em diferentes ângulos de ataque (AOA), existem regiões ao longo da superfície onde a pressão é negativa, ou menos que a atmosférica, e regiões onde a pressão é positiva, ou maior que a atmosférica. Esta pressão negativa na superfície superior cria uma força relativamente maior na asa do que é causada pela pressão positiva resultante do ar que atinge a superfície inferior da asa. A média da variação de pressão para qualquer AOA é chamada de centro de pressão (CP). A força aerodinâmica atua através deste CP. Em ângulos de ataque altos, o CP se move para frente, enquanto em ângulos de ataque baixos o CP se move para trás. No projeto de estruturas de asas, este curso de CP é muito importante, uma vez que afeta a posição das cargas de ar impostas à estrutura da asa em condições de baixa e alta AOA. O equilíbrio aerodinâmico e a controlabilidade de um avião são governados por mudanças no CP.
Comportamento do aerofólio
Embora possam ser citados exemplos específicos em que cada um dos princípios prediz e contribui para a formação da sustentação, a sustentação é um assunto complexo. A produção de sustentação é muito mais complexa do que uma simples pressão diferencial entre as superfícies superior e inferior do aerofólio. De fato, muitos aerofólios de içamento não possuem uma superfície superior mais longa que a inferior, como no caso de aerofólios simétricos. Estes são vistos em aeronaves de alta velocidade com asas simétricas, ou em pás de rotor simétricas para muitos helicópteros cujas superfícies superior e inferior são idênticas. Em ambos os exemplos, a única diferença é a relação do aerofólio com a corrente de ar que se aproxima (ângulo). Um avião de papel, que é simplesmente uma placa plana, tem um fundo e um topo exatamente da mesma forma e comprimento. No entanto, esses aerofólios produzem sustentação,
À medida que um aerofólio se move através do ar, o aerofólio é inclinado contra o fluxo de ar, produzindo um fluxo diferente causado pela relação do aerofólio com o ar que se aproxima. Pense em uma mão sendo colocada do lado de fora da janela do carro em alta velocidade. Se a mão estiver inclinada em uma direção ou outra, a mão se moverá para cima ou para baixo. Isso é causado pela deflexão, que por sua vez faz com que o ar gire em torno do objeto dentro do fluxo de ar. Como resultado dessa mudança, a velocidade em torno do objeto muda tanto em magnitude quanto em direção, resultando em uma força e direção de velocidade mensuráveis.
Uma Terceira Dimensão
Até este ponto, a discussão centrou-se no fluxo através das superfícies superior e inferior de um aerofólio. Enquanto a maior parte da sustentação é produzida por essas duas dimensões, uma terceira dimensão, a ponta do aerofólio, também tem um efeito aerodinâmico. A área de alta pressão na parte inferior de um aerofólio empurra a ponta para a área de baixa pressão na parte superior. Essa ação cria um fluxo rotativo chamado de vórtice de ponta. O vórtice flui atrás do aerofólio criando um downwash que se estende de volta à borda de fuga do aerofólio. Este downwash resulta em uma redução geral na sustentação para a porção afetada do aerofólio. Os fabricantes desenvolveram métodos diferentes para neutralizar essa ação. Winglets podem ser adicionados à ponta de um aerofólio para reduzir esse fluxo. Os winglets agem como uma barragem impedindo a formação do vórtice. Winglets podem estar na parte superior ou inferior do aerofólio. Outro método de combater o fluxo é afunilar a ponta do aerofólio, reduzindo o diferencial de pressão e suavizando o fluxo de ar ao redor da ponta.
