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terça-feira, 19 de janeiro de 2016

Corpos fuselados  e  seres marinhos

O desenvolvimento da aerodinâmica voltada para a aviação nos apresentou com o passar dos anos várias vertentes de projeto, a ideia de aeronave já encarnou várias silhuetas, formas influenciadas na maioria dos casos, pela ocupação de carga e tripulação, também em grande parte pela resistência dos materiais utilizados, sendo esse último fator grande responsável  por manter durante muito tempo linhas de fuselagem muito conservadoras.
Por ser elemento de vital importância, as asas tiveram seus contornos exaustivamente testados e catalogados tornando mais simples o dimensionamento para um novo projeto, mas o mesmo não ocorre para a fuselagem, existem sim publicações que nos orientam sobre um melhor contorno e distribuição de volume,mas nada que  seja tão prático quanto os perfis de asa. Esse aspecto bem observado pelo aerodinamicista brasileiro Francisco Leme Galvão engenheiro aeronáutico pelo instituto tecnológico da aeronáutica, o levou à elaboração de uma nota técnica muito interessante acerca do dimensionamento de fuselagens para planadores, na qual ele parte do contorno de um aerofólio conhecido para o plano formado por x e y da fuselagem (vista lateral) e traça as coordenadas de z ,(vista frontal) baseadas em relações de medida encontradas em alguns seres marinhos como o Atum e os tubarões, a razão disso é por  uma melhor penetração dessas formas, e maior número de Reynolds.


A publicação desse  ensaio data de meados de 1970, no entanto essa teoria não se viu macissamente difundida  na aviação geral porque é mais voltada para planadores ,além disso exige um acabamento superficial impecável, incompatível com a miscelânea utilizada de rebites , dzus, e parafusos. Mas recentemente já sob a luz dos compósitos na aviação tivemos dois exemplos muito bem sucedidos da aplicação desse princípio em aeronaves motorizadas, ambos desenvolvidos na universidade Federal de Minas Gerais (UFMG) tendo à frente do projeto o senhor Paulo Iscold, são eles o CEA 308, e o Anequim, detentores de vários recordes de velocidade.

Aeronave Anequim

                                 Aeronave CEA 308

sexta-feira, 3 de julho de 2015

                                      MATERIAIS COMPÓSITOS NA AVIAÇÃO
                                         (E o desenvolvimento de suas aplicações)
Gamaliel Brum  
Lídia Farias
Pedro Henrique 
Rafaela Pereira
Raphael Elias
Alunos do curso de engenharia aeronáutica, Universidade Fumec,

Faculdade de engenharia e arquitetura.

  Resumo

             Os compósitos são materiais que apresentam duas ou mais fases físico-químicas distintas, não miscíveis arranjadas e separadas por uma interface ,cuja criação surgiu da necessidade de se construir objetos mais resistentes e essenciais a vida do ser humano. Materiais compósitos são constituídos por uma fase matriz,de caráter continuo responsável por definir e resguardar a estrutura de carga ou reforço, enquanto a fase de reforço se caracteriza por ser descontínua e resistente. A combinação destes elementos permite alcançar propriedades complementares não atingíveis quando isolados. As propriedades físico-químicas apresentadas pelos compósitos estruturais dependem da quantidade de material utilizado, o grau de adesão e o arranjo existente entre estes materiais. Uma vez que esses compósitos estruturais apresentam inúmeras vantagens dentre elas, maior resistência à corrosão, menor peso e baixa expansão térmica ,além do baixo custo de produção, a utilização destes matérias no ramo aeronáutico vem se destacando cada vez mais devido a essas vantagens. Palavras chave: Avanços ,compósitos, aviação.

  Introdução

           A união de materiais de natureza diferente ,com a finalidade de se construir algo, remonta os tempos mais antigos, do elementar tijolo de barro e fibras de capim, ao radome da mais moderna aeronave, os materiais compostos tem permitido grandes avanços nos sistema mecânicos. E por recente que pareça o tema, a idéia de se combinar materiais pela união destes (sem modificação de suas estruturas individuais), está intimamente ligada ao nascimento da aviação, o fato é que a vertente de se construir aeronaves inteiramente metálicas proposta por Hugo Junkers(1919), e o conseqüente desenvolvimento dessas ligas, parece ter desviado o olhar da indústria aeronáutica, daquela que é sua vocação primeira: O uso de material composto em suas estruturas(as primeiras aeronaves eram feitas de madeira , e tecido embebido ,numa espécie de resina ,o dope). São inegáveis os avanços conquistados a partir do desenvolvimento das ligas metálicas,mas os sistemas reforço/matriz ressurgem ainda mais atraentes. Respaldados pela ciência dos materiais e as modernas técnicas construtivas, o “composto” tem assumido importantes posições ,o que lhe falta é tempo de serviço, em funções estruturais primárias de maior vulto.

  1.0 O desenvolvimento de suas aplicações

             O desenvolvimento das aeronaves modernas em termos de performance, tem se dado principalmente por dois caminhos, a redução de peso e os avanços aerodinâmicos, e é sobre esse aspecto que reside a grande vantagem em se usar materiais baseados em fibras de alto desempenho, são mais leves e permitem melhor acabamento superficial. Encabeçam essa lista de materiais as fibras de carbono/grafite , fibras aramidas , e fibras de vidro (para menores requerimentos),cujo uso em componentes de pequena e média importância estrutural, já passa de alguns lustros.
                                 Figura 1: Pá de hélice,feita de fibra cuja estrutura falhou.

      Mas afinal, o que são os pró e os contra dessa tecnologia nas aplicações aeronáuticas? Que fatores mantém divididas as opiniões nessa indústria e até onde vai o “receio” dela em aplicar largamente esse material?

         As fibras de alto desempenho, surgiram com impressionantes características de resistência e leveza frente a materiais tradicionais como o aço, e as ligas de alumínio. As peças se tornaram mais leves e com resistência à tração final, muito superiores(no caso da fibra de carbono) e com maior resistência à pressão normal (no caso das fibras aramidas), no entanto essas fibras quando falham o fazem de forma abrupta, sem gerar indícios anteriores que pudessem ser plenamente detectados por alguma inspeção, como ocorre com as ligas metálicas através dos ensaios não destrutivos, e isso é um fator preocupante para as inspeções. Nos metais (material isotrópico),os sinais de fadiga , trincas ou estiramentos, frente a esforços próximos do valor limite, nos dão um claro indício das reais condições da peça, mas no caso de partes feitas utilizando-se material composto, o comportamento ante a um esforço crescente atende a um outro padrão, segundo (Agarwal & Broutman,1990) do primeiro momento de sujeição a esse esforço até a ruptura(falha) do material o sistema reforço/matriz passa por quatro estágios de deformação a se saber:

  -No primeiro estágio, a fibra e a matriz se deformam de forma elástica(deformação reversível)

 -No segundo estágio, a fibra continua a se deformar de forma elástica, mas a matriz passa a se deformar plasticamente(deformação irreversível).

 -No terceiro estágio, a fibra e a matriz deformam de forma plástica.

-No quarto e último estágio as fibras se rompem.

         Fica implícito, que sendo a matriz menos resistente à tensão em relação à fibra, após a ruptura dessa, no quarto estágio, o material se encontra na iminência de falhar. É preciso ainda que consideremos um outro fator ,a qualidade da impregnação e a posterior cura do material, pois os estágios descritos acima consideram a melhor interação mecânica, da matriz através dos recessos da fibra,assim se porventura a cura dessa matriz não houver se processado de forma eficiente, ou essa resina não houver fluido através das tramas da fibra, poderemos esperar resultados inferiores , ruptura mais breve que o descrito. Apesar dessa clara divisão de estágios, a ruptura de peças de material composto se processa num intervalo muito curto, as mudanças devidas à anisotropia não são comparáveis àquelas verificadas nos metais, dessa forma, podemos dizer que o receio da indústria, até então ,num uso mais amplo dessas tecnologias se deve, a incerteza da real condição estrutural de determinada peça em serviço. Um exemplo clássico de  risco financeiro representado à indústria aeronáutica, devido a falha de tecnologia,foi o caso da gigante Rolls Royce, que em meados de 1971 , sofreu um impacto financeiro grande , quase indo a bancarrota devido as falhas recorrentes de uma família de motores cujas pás  do rotor eram de fibra de carbono . Depois de conseguir suporte financeiro do governo e se restabelecer a empresa se dedicou a qualidade dos serviços junto aos clientes e principalmente , retornou os projetos , e o desenvolvimento de seus motores baseados em ligas metálicas , historicamente mais confiáveis.

1.1 Frentes de desenvolvimento


É nesse ponto, que  nós estudantes de engenharia, nos perguntamos: O que deve ser feito para que descobertas tão importantes no campo da ciência  dos materiais se tornem ,mais importantes e aplicáveis em nossas aeronaves?
Desde as primeiras aplicações dos materiais compostos modernos (advanced composites) , nos planadores alemães ou nos caças da força aérea inglesa, o que tem ocorrido é uma mudança não só no teor e na qualidade dessas fibras e resinas, como na forma em que são aplicadas(técnicas construtivas),  e é nesse aspecto que acreditamos residir o caminho a se trilhar com os compósitos daqui em diante, a isso chamamos de desenvolvimento de suas aplicações. Mas  cabe antes dividir esse desenvolvimento em dois ramos, avanços aerodinâmicos ( novos conceitos e configurações de aeronaves mais eficazes) e avanços construtivos (técnicas construtivas) que permitam ao material trabalhar sob suas melhores condições de resistência específica.
           No campo dos avanços aerodinâmicos, para que essa ideia se torne clara é preciso que pensemos  na seguinte  questão,  seria possível construirmos uma aeronave das primeiras “eras da aviação” de forma eficiente dispondo da  miscelânea de materiais utilizados atualmente na construção de aeronaves leves? Rebites, chapas de alumínio aeronáutico,solda, longarinas e reforçadores, em muitos casos não seriam capazes de reconstruir de forma fiel essa aeronave, tampouco atenderiam ao requerimentos de peso e resistência desse modelo.Nesse ponto concordamos que para o uso pleno desses novos matérias houve paralelamente mudança de paradigma, desenvolveram se as ligas , e desenvolveram –se  suas aplicações. Por isso, é necessário pensar no material composto não como algo excêntrico, mas algo diferente (Foreman,2002), a maior parte dos esforços  até então tem se  voltado para tornar  esse material aplicável aonde o metal o é,  e existem limitações naturais para isso, mas se pensarmos em aeronaves desenhadas para o uso dos compósitos em suas estruturas ,então poderemos ter melhores resultados.
  Figura 2: Boeing 797, blended wings concept

             Os novos conceitos e configurações a exemplo, do Boeing 797, e a série D (“dupla bolha”) do MIT apontam para aeronaves aerodinamicamente superiores, que voam com maior  “facilidade” e menores esforços estruturais, menor consumo e peso final,  e com um design favorável ao uso de modernas técnicas de construção, por material composto ,como veremos adiante.
















Figura 3: Aeronave conceito D, MIT

             No campo dos avanços construtivos,  a questão é: Será que o  ideal a se buscar , são aeronaves, com grandes seções inteiriças, feitas de composto,formando uma espécie de corpo único?  De fato, essa era a proposta inicial ,observada nas primeiras formas de construção (como o hand-lay-up),na busca de acabamento superficial impecável e leveza, o que atende muito bem a aeronaves experimentais e de pequeno porte, devido às suas dimensões, mas se torna muito complexo e criterioso em aeronaves maiores, sobretudo àquelas que são  pressurizadas. Em adição a isso é preciso se considerar que os reparos numa estrutura única são sempre temerários, risco análogo ao das aeronaves cuja estrutura é unicamente moncoque.

             Nesse aspecto o desenvolvimento da aplicação desses matériais (sobretudo a fibra de carbono e Kevlar) se verifica em formas de construção inovadoras, que mesclam a confiabilidade do conceito semi-monocoque ,e a praticidade  dos amplos painéis de compósitos previamente fabricados.Nesse sentido cabe aqui ressaltar duas técnicas interessantes, a primeira delas é denominada SOFI sigla cujo significado é (Stringer Outside Frame Inside) ,reforçadores externos e  cavernas internas (Kolesnikov,2003), neste conceito de estrutura, os reforçadores e as cavernas ficam de lados opostos ao revestimento interno estrutural e é prevista a utilização de um núcleo de espuma e um revestimento externo que completa essa estrutura. A construção SOFI se mostrou, eficiente e mais leve para os mesmos requerimentos estruturais, em relação a uma fuselagem semi-monocoque em alumínio, (peso 8% menor) conforme demostrado pelos alunos do ITA, para a aeronave UNIQUE no (3rd CTA-DLR Workshop on Data Analysis & Flight Control Copyright © 2009 by AA September 14-16, 2009, S. J. Campos,SP, Brazil).














Figura 4:Painel construído na forma SOFI

                  A segunda delas  denominada PRSEUS (pultruded rod, stitched, efficient, unitized structure), em desenvolvimento conjunto entre Boeing e Nasa, prevê a construção de painéis pré fabricados para aeronaves presurizadas, sua forma de construção consiste em painéis pré formados de fibra de carbono, que são posicionados  juntos  sobre   a estrutura interna (reforçadores verticais e longitudinais),sobre os quais um revestimento especial,cujo núcleo  também de espuma é fixado.

















Figura 5: Painel de PRSEUS montado

      A grande diferença porém está nessa fixação, o conjunto é unido por uma espécie de costura de pontos longos, que confinam a extensão de danos provocados por  rasgos no revestimento, e previnem de forma consistente as falhas por delaminação, superando nesse aspecto o uso de fixadores mecânicos, segundo a engenheira Daw Jegley, integrante dessa divisao de pesquisa da Nasa. Com o uso desses painéis, preve-se a construção de aeronaves híbridas asa/fuselagem como o 797 já descrito, o que pode mudar a aviação sobremaneira, daqui em diante.



Figura 6: Esquema de montagem do PRSEUS

Conclusão

A partir dessa breve avaliação, das nuanças dos materiais compostos, no âmbito da indústria aeronáutica,percebe-se que além do desevolvimento específico desses materiais (aumento de resistência a diversos fatores), é necessário se desenvolver soluções de engenharia nas aeronaves , para beneficiar o uso dos compósitos,  para que trabalhem em suas melhores condições, e não somente naquelas previstas para o metais, para tal, 
conceitos construtivos inovadores, e configurações novas de aeronaves, devem se aliar e “ajudar” mutuamente. Essa mudança de foco poderá ainda abrir caminho a outros materiais novos, ainda tímidos na aviação, como os nanomaterias (compósitos de grapheno, nanotubos de carbono) e os sonhados  sistemas matriz/reforço inteiramente metálicos.


Referências

Irfan,Umair. Piper,Julia (2013). “U.S look to regain lead in making Carbon fiber.”
Scientific American, junho de 2013.
Sloan ,Jeff (2011). “PRSEUS perform for pressurized cabin walls.”
Composite World     setembro de 2011.
Milmo,Dan(2011). “Why Rolls-Royce is seen as engine of recovery for UK economy.”
The Guardian,11 de novembro de 2011.
Agarwal,Bhargwan. Broutman, Lawrence.(1990).
“Analysis and performance of fiber composites”
. John Wiley & sons.Inc 1990.
Iscold,José Henriques (2007) (dissertação).
“ Desenvolvimento do processo de fabricação de laminados de material composto
      polimérico de fibra de vidro para aplicação na construção aeronáutica.” 2007
Foreman,Cindy (2002). “Advanced Composites” Jeppensen Sanderson.Inc.(2002)

Kolesnikov,B.Y (2003): “Carbon Fiber Composite Airplane fuselage:
concept and analysis.” German Aerospace center(DLR). (2003)

terça-feira, 31 de março de 2015

O colossal Sistema ômega.

Nos dias atuais acostumados que estamos com o uso do sistema GPS, com precisão característica e rápida taxa de atualização, mal podemos conceber os notáveis sistemas que equiparam as aeronaves numa navegação assistida no período da segunda guerra e do pós guerra. Sistemas utilizando radiofrequência, com baixa frequência sem o uso de satélites. O princípio dessa geração de sistemas, para assistir o voo, se assinala com os sistemas LORAN A e LORAN C ( ainda existentes) que eram espalhados pela costa americana, esse sistema era baseado em pulsos sequenciais a serem codificados. Essa sistema no entanto dependia de bases terrestres mais próximas, e apresenta bastante sensibilidade a interferências geradas pelo próprio sistema elétrico da aeronave. Mas com a necessidade de avanços mais significativos e amplos em se tratando de batalhas a grandes distancias (eventuais ,pela guerra fria) surgiu um novo sistema que , seria o primeiro ter alcance global , o sistema OMEGA.
Figura1: Formação de hipérboles entre as ondas transmitidas Omega foi um sistema de radionavegação por baixa frequência (10 a 14 kHz) utilizado para obter a posição de aviões e navios e determinar as suas rotas. Operado pelos Estados Unidos da América e por seis outros Estados parceiros, o sistema OMEGA foi o primeiro sistema de radionavegação de âmbito global, isto é utilizável em praticamente toda a superfície da Terra. As primeiras seis estações ficaram operacionais em 1971, permitindo a operacionalidade do sistema, embora com algumas limitações no Pacífico Sul e na região Antárctica, tendo a gestão do sistema sido entregue à Guarda Costeira dos Estados Unidos da América, baseava-se na operação de 8 transmissores de onda longa, transmitindo em frequências entre os 10 kHz e os 14 kHz, localizados em posições geográficas muitos distanciadas (na realidade grosso modo um em cada continente) por forma que em cada ponto da superfície terrestre fosse possível receber o sinal transmitido por pelo menos três deles a partir de ângulos que permitissem uma triangulação segura da posição.
Figura 2: posicionamento das antenas do sistema no globo A determinação da posição era feita a partir de um modelo hiperbólico de linhas de posição determinadas pela comparação da fase dos sinais recebidos de cada uma das estações que pudessem ser escutadas no processo de obtenção da posição. Este método permitia obter posições com um erro máximo e 4 milhas náuticas, ou seja um desvio máximo em relação à posição determinada da ordem dos 2,2 km. As antenas que transmitiam para esse sistema eram as maiores estruturas já vistas, para esse fim. Apesar de ter sido concebido inicialmente como um sistema militar, num processo comum a muitas outras tecnologias (como o GPS), o OMEGA foi progressivamente sendo adoptado para uso civil, passando a equipar aviões comerciais e navios mercantes. No entanto mesmo antes de operacionaliza-lo outra vertente surgia como solução para as comunicações globais , a idéia surgiu logo depois da segunda guerra em 1945 quando Arthur Clarke um oficial da RAF, propos em um artigo a colocação de tres satélites repetidores em torno da terra. Daí , em diante conhecemos a história, e logo o sistema GPS (navstar) passou a ser mais viável que o OMEGA e este foi desligado em 1997.

sábado, 19 de julho de 2014

Aeronaves, do tecido ao tecido A matéria prima das primeiras aeronaves elementares como o flyer, o Demoisselle e tantas outras das primeiras idades da aviação era basicamente, madeira e tecido. A necessidade de asas leves e aerodinamicamente limpas , levou ao desenvolvimento da técnica do dope, e de maior esmero do uso dos tecidos ( linho, dacron,etc.) para maior resistencia a intempéries e esforços enfim, isso manteve o homem no céus por muito tempo. Mas será que o "conceito" do tecido está ultrapassado?
asa entelada Os motores se tornaram mais poderosos, e as aeronaves podiam então ser feitas de madeira. Mais adiante ,com os trabalhos do senhor Hugo Junkers os aviões podiam ser todos metálicos, e gradualmente se consolidou a técnica construtiva largamente utilizada até os dias de hoje baseada em parafusos, rebites, e chapas aeronáuticas , ( o que solucionava em muito o problema dos ataques químicos). Mas quando um recurso se mostra findo... eis que durante segunda guerra, os ingleses precisaram de outra solução para o revestimento de seus spitfires que não o alumínio, que estava escasso, eis que surge o gordon aerolite, o " pai dos materiais compostos modernos". Mas o que era basicamente esse material? Um conjunto de fibras retorcidas embebido numa resina, que ao solidificar, forma matriz do material, (não se parece um super dope?). É bem verdade que o princípio básico de todo material composto é um conjunto formado por uma trama de fibra(carbono, vidro,aramida) preenchida com uma resina que se solidifica (epóxi, derakane) Note que a idéia de fios orientados suportar esforços está aí presente, isso é o conceito de tecido , observe que geralmente as malhas de fibra, tem a mesma disposição de urdidura e trama que os tecidos próprios à entelagem.
Fibra de kevlar Mas sabemos que apesar das grandes qualidades do material composto ele não assumiu posições "decisivas", como revestimento da seção central da asa de um Boeing por exemplo. Eis que surge um novo vetor tecnológico o PRSEUS, essa técnica construtiva tem sido testada nas seções de material composto da NASA, idéia da engenheira aeroespacial Dawn Jegley e trata-se de um sistema matriz X reforço como os outros , mas com uma diferença, tais painéis não são unidos por rebites, mas por uma espécie de costura com pontos longos. Enfim nossos revestimentos quase sempre foram tecidos só que agora eles podem voltar a ser costuradas como antes.