Tipos de construção de aeronaves - Types of aircraft construction
A construção de fuselagens de aeronaves evoluiu desde os primeiros arranjos estruturais de treliças de madeira para estruturas de concha monocoque até as estruturas de concha semimonocoque atuais.
Estrutura de Treliça
A principal desvantagem da estrutura de treliça é a falta de uma forma aerodinâmica. Neste método de construção, comprimentos de tubos, chamados longons, são soldados no local para formar uma estrutura bem reforçada. As escoras verticais e horizontais são soldadas às longarinas e conferem à estrutura uma forma quadrada ou retangular quando vista da extremidade. Suportes adicionais são necessários para resistir ao estresse que pode vir de qualquer direção. Longarinas e anteparas, ou formadores, são adicionados para moldar a fuselagem e apoiar a cobertura.
À medida que a tecnologia avançava, os projetistas de aeronaves começaram a envolver os membros da treliça para otimizar o avião e melhorar o desempenho. Isso foi originalmente realizado com tecido de pano, que acabou dando lugar a metais leves, como o alumínio. Em alguns casos, o revestimento externo pode suportar todas ou a maior parte das cargas de voo. A maioria das aeronaves modernas usa uma forma dessa estrutura de pele estressada conhecida como construção monocoque ou semimonocoque.
Monocoque
A construção monocoque usa pele estressada para suportar quase todas as cargas, como uma lata de bebida de alumínio. Embora muito forte, a construção monobloco não é altamente tolerante à deformação da superfície. Por exemplo, uma lata de bebida de alumínio suporta forças consideráveis nas extremidades da lata, mas se a lateral da lata for ligeiramente deformada enquanto suporta uma carga, ela colapsa facilmente.
Como a maioria das tensões de torção e flexão são suportadas pela pele externa e não por uma estrutura aberta, a necessidade de órtese interna foi eliminada ou reduzida, economizando peso e maximizando o espaço. Um dos métodos notáveis e inovadores para usar a construção monocoque foi empregado por Jack Northrop. Em 1918, ele desenvolveu uma nova maneira de construir uma fuselagem monocoque usada para o Lockheed S-1 Racer. A técnica utilizou duas meias conchas de compensado moldado que foram coladas em torno de aros ou longarinas de madeira. Para construir as meias conchas, em vez de colar muitas tiras de compensado sobre uma forma, três grandes conjuntos de tiras de abeto foram embebidos com cola e colocados em um molde de concreto semicircular que parecia uma banheira. Em seguida, sob uma tampa bem fechada, um balão de borracha foi inflado na cavidade para pressionar o compensado contra o molde. Vinte e quatro horas depois, a meia concha lisa estava pronta para ser unida a outra para criar a fuselagem. As duas metades eram cada uma com menos de um quarto de polegada de espessura. Embora empregada no período inicial da aviação, a construção monocoque não ressurgiria por várias décadas devido às complexidades envolvidas. Todos os dias, exemplos de construção monobloco podem ser encontrados na fabricação de automóveis, onde o monobloco é considerado padrão na fabricação.
Semimonocoque
A construção semimonocoque, parcial ou metade, utiliza uma subestrutura à qual é fixado o revestimento do avião. A subestrutura, que consiste em anteparas e/ou formadores de vários tamanhos e longarinas, reforça a pele tensionada retirando parte da tensão de flexão da fuselagem. A seção principal da fuselagem também inclui pontos de fixação das asas e um firewall. Em aviões monomotores, o motor geralmente é fixado na frente da fuselagem. Existe uma divisória à prova de fogo entre a parte traseira do motor e a cabine de comando ou cabine para proteger o piloto e os passageiros de incêndios acidentais no motor. Essa partição é chamada de firewall e geralmente é feita de material resistente ao calor, como aço inoxidável. No entanto, um novo processo de construção emergente é a integração de compósitos ou aeronaves feitas inteiramente de compósitos.
Construção Composta
História
O uso de compósitos na construção de aeronaves pode ser datado de aeronaves da Segunda Guerra Mundial, quando o isolamento de fibra de vidro macio foi usado nas fuselagens do B-29. No final da década de 1950, os fabricantes europeus de planadores de alto desempenho usavam fibra de vidro como estruturas primárias. Em 1965, o tipo FAA certificou a primeira aeronave totalmente em fibra de vidro na categoria normal, um planador suíço chamado Diamant HBV. Quatro anos depois, a FAA certificou um Windecker Eagle monomotor de quatro lugares na categoria normal. Em 2005, mais de 35% das novas aeronaves eram construídas com materiais compostos.
Composto é um termo amplo e pode significar materiais como fibra de vidro, tecido de fibra de carbono, tecido Kevlar™ e misturas de todos os itens acima. A construção compósita oferece duas vantagens: peles extremamente lisas e a capacidade de formar facilmente estruturas complexas curvas ou simplificadas.
Materiais Compósitos em Aeronaves
Os materiais compósitos são sistemas de matriz reforçados com fibra. A matriz é a “cola” usada para unir as fibras e, quando curada, dá forma à peça, mas as fibras carregam a maior parte da carga. Existem muitos tipos diferentes de fibras e sistemas de matriz.
Em aeronaves, a matriz mais comum é a resina epóxi, que é um tipo de plástico termofixo. Comparado a outras opções, como a resina de poliéster, o epóxi é mais forte e possui boas propriedades de alta temperatura. Existem muitos tipos diferentes de epóxis disponíveis com uma ampla gama de propriedades estruturais, tempos e temperaturas de cura e custos.
As fibras de reforço mais comuns usadas na construção de aeronaves são a fibra de vidro e a fibra de carbono. A fibra de vidro tem boa resistência à tração e compressão, boa resistência ao impacto, é fácil de trabalhar e é relativamente barata e prontamente disponível. Sua principal desvantagem é que é um pouco pesada, e é difícil fazer uma estrutura de carga de fibra de vidro mais leve do que uma estrutura de alumínio equivalente bem projetada.
A fibra de carbono é geralmente mais forte em resistência à tração e compressão do que a fibra de vidro e tem uma rigidez de flexão muito maior. Também é consideravelmente mais leve que a fibra de vidro. No entanto, é relativamente pobre em resistência ao impacto; as fibras são quebradiças e tendem a quebrar sob impacto forte. Isso pode ser bastante melhorado com um sistema de resina epóxi “endurecido”, como usado nos estabilizadores horizontais e verticais do Boeing 787. A fibra de carbono é mais cara que a fibra de vidro, mas o preço caiu devido às inovações impulsionadas pelo programa B-2 na década de 1980 e pelo trabalho do Boeing 777 na década de 1990. Estruturas de fibra de carbono muito bem projetadas podem ser significativamente mais leves do que uma estrutura de alumínio equivalente, às vezes em 30% ou mais.
Vantagens dos Compósitos
A construção em compósito oferece várias vantagens em relação ao metal, madeira ou tecido, sendo seu menor peso o mais citado. O peso mais leve nem sempre é automático. Deve-se lembrar que construir uma estrutura de aeronave com compósitos não garante que ela seja mais leve; depende da estrutura, bem como do tipo de compósito utilizado.
Uma vantagem mais importante é que uma estrutura aerodinâmica muito suave, curva composta, feita de compósitos, reduz o arrasto. Esta é a principal razão pela qual os designers de planadores mudaram de metal e madeira para compósitos na década de 1960. Em aeronaves, o uso de compósitos reduz o arrasto para as aeronaves da linha de produção Cirrus e Columbia, levando ao seu alto desempenho apesar do trem de pouso fixo. Os compostos também ajudam a mascarar a assinatura de radar de projetos de aeronaves “furtivas”, como o B-2 e o F-22. Hoje, compósitos podem ser encontrados em aeronaves tão variadas quanto planadores à maioria dos novos helicópteros.
A falta de corrosão é uma terceira vantagem dos compósitos. A Boeing está projetando o 787, com sua fuselagem totalmente composta, para ter um diferencial de pressão mais alto e maior umidade na cabine do que os aviões anteriores. Os engenheiros não estão mais tão preocupados com a corrosão da condensação de umidade nas áreas ocultas das peles da fuselagem, como atrás de mantas de isolamento. Isso deve levar a custos de manutenção de longo prazo mais baixos para as companhias aéreas.
Outra vantagem dos compósitos é seu bom desempenho em um ambiente de flexão, como em pás de rotores de helicópteros. Os compósitos não sofrem fadiga do metal e crescimento de trincas como os metais. Embora seja necessária uma engenharia cuidadosa, as pás de rotor compostas podem ter uma vida útil consideravelmente maior do que as pás de metal, e a maioria dos novos projetos de helicópteros grandes tem todas as pás compostas e, em muitos casos, cubos de rotor compostos.
Desvantagens dos Compósitos
A construção composta vem com seu próprio conjunto de desvantagens, sendo a mais importante a falta de prova visual de danos. Os compósitos respondem de forma diferente de outros materiais estruturais ao impacto, e muitas vezes não há nenhum sinal óbvio de dano. Por exemplo, se um carro bater de ré em uma fuselagem de alumínio, pode amassar a fuselagem. Se a fuselagem não estiver amassada, não há danos. Se a fuselagem estiver amassada, o dano é visível e os reparos são feitos.
Em uma estrutura composta, um impacto de baixa energia, como um solavanco ou uma queda de ferramenta, pode não deixar nenhum sinal visível do impacto na superfície. Sob o local do impacto pode haver extensas delaminações, espalhando-se em uma área em forma de cone a partir do local do impacto. Os danos na parte de trás da estrutura podem ser significativos e extensos, mas podem estar ocultos. Sempre que alguém tiver motivos para pensar que pode ter havido um impacto, mesmo que pequeno, é melhor obter um inspetor familiarizado com compósitos para examinar a estrutura para determinar os danos subjacentes. O aparecimento de áreas “esbranquiçadas” em uma estrutura de fibra de vidro é uma boa indicação de que ocorreram delaminações de fratura da fibra.
Um impacto de energia média (talvez o carro recuando na estrutura) resulta no esmagamento local da superfície, que deve ser visível a olho nu. A área danificada é maior do que a área esmagada visível e precisará ser reparada. Um impacto de alta energia, como uma colisão de pássaros ou granizo durante o vôo, resulta em um furo e uma estrutura severamente danificada. Em impactos de média e alta energia, o dano é visível a olho nu, mas o impacto de baixa energia é difícil de detectar.
Se um impacto resultar em delaminação, esmagamento da superfície ou furo, então um reparo é obrigatório. Enquanto aguarda o reparo, a área danificada deve ser coberta e protegida da chuva. Muitas peças compostas são compostas de camadas finas sobre um núcleo de favo de mel, criando uma estrutura de “sanduíche”. Embora excelente por razões de rigidez estrutural, tal estrutura é um alvo fácil para a entrada de água (entrada), levando a mais problemas posteriormente. Um pedaço de “fita de velocidade” sobre o furo é uma boa maneira de protegê-lo da água, mas não é um reparo estrutural. O uso de uma pasta de enchimento para cobrir o dano, embora aceitável para fins cosméticos, também não é um reparo estrutural.
O potencial de dano térmico à resina é outra desvantagem do uso de compósitos. Embora “muito quente” dependa do sistema de resina específico escolhido, muitos epóxis começam a enfraquecer acima de 150 ° F. A tinta branca em compósitos é frequentemente usada para minimizar esse problema. Por exemplo, a parte inferior de uma asa pintada de preto voltada para uma rampa de asfalto preto em um dia quente e ensolarado pode chegar a 220 °F. A mesma estrutura, pintada de branco, raramente excede 140 °F. Como resultado, as aeronaves compostas geralmente têm recomendações específicas sobre cores de tinta permitidas. Se a aeronave for repintada, essas recomendações devem ser seguidas. Danos causados pelo calor também podem ocorrer devido a um incêndio. Mesmo um pequeno fogo de freio rapidamente extinto pode danificar os revestimentos da asa inferior, as pernas do trem de pouso composto ou as calças das rodas.
Além disso, os decapantes químicos são muito prejudiciais aos compósitos e não devem ser usados neles. Se a tinta precisar ser removida de compósitos, apenas métodos mecânicos são permitidos, como jateamento suave ou lixamento. Muitas peças compostas caras foram arruinadas pelo uso de decapante e tais danos geralmente não são reparáveis.
Derramamentos de fluidos em compósitos
Alguns proprietários estão preocupados com derramamentos de combustível, óleo ou fluido hidráulico em superfícies compostas. Estes geralmente não são um problema com compósitos modernos usando resina epóxi. Normalmente, se o derramamento não atacar a tinta, não prejudicará o compósito subjacente. Algumas aeronaves usam tanques de combustível de fibra de vidro, por exemplo, nos quais o combustível circula diretamente contra a superfície do compósito sem o uso de selante. Se a estrutura de fibra de vidro for feita com alguns dos tipos mais baratos de resina de poliéster, pode haver um problema ao usar gás automotivo com etanol misturado à mistura. Os tipos mais caros de resina de poliéster, assim como a resina epóxi, podem ser usados com gás de automóvel, bem como gás de aviação 100 octanas (avgas) e combustível de aviação.
Proteção contra raios
A proteção contra raios é uma consideração importante no projeto de aeronaves. Quando uma aeronave é atingida por um raio, uma quantidade muito grande de energia é fornecida à estrutura. Seja pilotando uma aeronave leve da aviação geral (GA) ou um grande avião, o princípio básico da proteção contra raios é o mesmo. Para aeronaves de qualquer tamanho, a energia do impacto deve ser espalhada por uma grande área de superfície para reduzir os amperes por polegada quadrada a um nível inofensivo.
Se um raio atinge um avião de alumínio, a energia elétrica é conduzida naturalmente facilmente através da estrutura de alumínio. O desafio é manter a energia fora de aviônicos, sistemas de combustível, etc., até que possa ser conduzida com segurança ao mar. O revestimento externo da aeronave é o caminho de menor resistência.
Em uma aeronave composta, a fibra de vidro é um excelente isolante elétrico, enquanto a fibra de carbono conduz eletricidade, mas não tão facilmente quanto o alumínio. Portanto, condutividade elétrica adicional precisa ser adicionada à camada externa da pele composta. Isso é feito normalmente com malhas finas de metal coladas às superfícies da pele. Malha de alumínio e cobre são os dois tipos mais comuns, com alumínio usado em fibra de vidro e cobre em fibra de carbono. Quaisquer reparos estruturais em áreas protegidas contra raios também devem incluir a malha, bem como a estrutura subjacente.
Para aeronaves compostas com antenas de rádio internas, deve haver “janelas” na malha de relâmpagos na área da antena. Antenas de rádio internas podem ser encontradas em compósitos de fibra de vidro porque a fibra de vidro é transparente para frequências de rádio, onde a fibra de carbono não é.
O Futuro dos Compósitos
Nas décadas que se seguiram à Segunda Guerra Mundial, os compósitos ganharam um papel importante no projeto de estruturas de aeronaves. Sua flexibilidade de projeto e resistência à corrosão, bem como as altas relações resistência-peso possíveis, sem dúvida continuarão a levar a projetos de aeronaves mais inovadores no futuro. Do Cirrus SR-20 ao Boeing 787, é óbvio que os compósitos encontraram um lar na construção de aeronaves e vieram para ficar.
