Avio projetado na USP consome at 30% menos combustvel

Mecnica

Com informações do Jornal da USP – 01/09/2023

Avio mais eficiente

Uma equipe da Escola de Engenharia de So Carlos (SP) apresentou um novo conceito de aeronave comercial que apresenta novos rumos para a confeco de avies de grande porte para passageiros.

Um prottipo em escala 28 vezes menor foi construdo para os primeiros testes em tnel de vento.

Comparado aos grandes jatos convencionais, o modelo de avio proposto traz uma reduo de cerca de 12% no combustvel queimado. Porm, pode ser alcanada uma economia de at 30% usando combustveis alternativos e materiais mais leves previstos para serem usados pela indstria aeronutica nos prximos 20 anos.

Como o foco a eficincia, o novo avio alcana um desempenho semelhante aos atuais em termos de velocidade, mas com maior economia. Isso significa tambm que os trajetos poderiam ser mais longos do que avies do mesmo porte – com 180 passageiros – j que haveria menos necessidade de abastecimento com a mesma capacidade de combustvel no tanque.

Asas em caixa

Um dos destaques do projeto est nas asas em forma de caixa, que no so exatamente uma novidade, mas muito pouco comuns. O modelo 14-bis, de Alberto Santos Dumont, tinha asas assim, sendo que elas j haviam sido testadas em 1893 pelo engenheiro ingls Lawrence Hargrave na confeco de pipas. O conceito aerodinmico das asas em caixa, no entanto, foi apresentado apenas em 1924 pelo fsico alemo Ludwig Prandtl.

“Ele apresenta o benefcio de diminuio do arrasto induzido quando h duas asas conectadas s pontas. Existe um fenmeno de vrtice de ponta em uma asa normal que pode ser reduzido se conseguirmos fazer asas mais longas, ou com uma superfcie vertical na ponta delas,” explicou o professor Pedro Mosquera. Esses vrtices so gerados pela prpria sustentao das asas, mas exercem uma fora contrria ao movimento do objeto que est voando.

As asas de qualquer avio so levemente voltadas para cima, para cria uma diferena de presso entre a parte superior e a parte inferior. Como a presso na parte de cima da asa menor do que na de baixo, a fora resultante joga o avio para cima, dando-lhe sustentao. Quando esse ar pressionado debaixo das asas escoa pelas laterais para a parte de cima, formam-se grandes redemoinhos nas pontas. Isso introduz uma fora contrria ao movimento do avio, induzida pela sustentao das asas: Quanto maior a sustentao, maior o arrasto induzido. Esse efeito evitado quando h uma dobra voltada para cima nas extremidades.

O conceito de asas em caixa tambm permite a construo de avies mais leves. “O 14-bis s voou por causa da unio das duas asas feita com uma superfcie que estava atrs do centro de gravidade. No se tinha ideia disso, mas essas asas juntas, com essa superfcie que tem algum tipo de efeito aerodinmico, do uma rigidez muito grande. Duas asas sozinhas seriam muito flexveis, a no ser que houvesse uma estrutura muito grande em cada uma delas. Unindo as pontas ou fazendo uma caixa, isso fica muito mais resistente,” explicou o professor Fernando Catalano, membro da equipe.

Ingesto de camada limite

Outro conceito inovador usado no projeto do avio a chamada ingesto de camada limite. A aplicao desse conceito em avies de passageiros foi apresentada por engenheiros do MIT em 2017. Desde ento, ele tem sido testado em projetos conceituais pela NASA.

Quando um avio voa, quatro foras atuam nele: O empuxo faz a nave ir para frente, o arrasto desacelera, o peso empurra para baixo e a sustentao nas asas compensa o peso para mant-lo no ar.

Com as tcnicas usadas atualmente, somente motores muito grandes poderiam diminuir o consumo de combustvel. Esse aumento de tamanho, entretanto, traz outros problemas. “O motor maior vai ocupar uma rea maior, o que vai produzir mais arrasto em um voo. Ele tambm vai ser mais pesado e, para levantar esse peso, preciso mais sustentao. O arrasto induzido a sustentao ao quadrado. um efeito bola de neve. importante saber parar para pensar uma configurao ao nvel da tecnologia que temos atualmente,” explicou Pedro.

O novo projeto trabalha com outra ideia. Com o avio em movimento, as molculas de ar ao redor se agrupam devido ao atrito com a superfcie. Isso forma uma camada de ar com velocidade reduzida prxima aeronave, o que aumenta a espessura total de deslocamento do objeto atravs do ar. Na parte da frente do avio, essa camada de ar zero, mas vai ficando mais espessa quanto mais as molculas de ar batem sobre a fuselagem.

Nos avies de passageiros convencionais, os motores ficam distantes do corpo para evitar que esse fluxo catico de ar ao longo da estrutura seja aspirado e danifique o propulsor. No entanto, a tecnologia explora a possibilidade de incorporar motores na parte de trs da aeronave, sugando o fluxo de ar da superfcie. Essa configurao exige um ventilador mais robusto, capaz de corrigir os turbilhes antes que eles alcancem o propulsor.

“Os vetores de velocidade que entram no motor so completamente perturbados. Uma das etapas seguintes de pesquisa justamente pesquisar compressores que ajudem esses vetores de velocidade a serem apropriados para o correto funcionamento do motor,” explica o pesquisador.

Teste em tnel de vento

Antes de fabricar um avio, parte dos testes so feitos em simuladores computacionais. Em seguida, uma miniatura precisa ser testada em um tnel de vento. No ambiente controlado do tnel, o vento passa como se o modelo, que fica parado, estivesse voando. Nessa etapa, uma balana mede o arrasto, a sustentao e outras foras que atuam sobre o prottipo em escala menor.

Dessa forma, possvel simular a aeronave subindo, descendo, virando, rolando e em outras condies. Os pesquisadores tambm medem a presso exercida na asa e visualizam o escoamento de ar, o que permite corrigir efeitos no previstos nas simulaes computacionais.

O projeto j atingiu o nvel trs na mtrica de prontido tecnolgica TRL (Technology Readiness Level), uma escala desenvolvida pela NASA para avaliar a maturidade de uma determinada tecnologia. Quando atinge o nvel quatro, o mais alto alcanado exclusivamente pelas universidades, a tecnologia precisa ser submetida a testes pela indstria.

Atualmente, a equipe est desenvolvendo quatro projetos de avio com a Embraer. O sucesso completo alcanado no nvel nove do TRL, quando a tecnologia est implementada e comprovadamente eficaz, um processo que normalmente leva de 10 a 15 anos.

O Brasil um dos poucos pases que concebe, projeta, constri, certifica e vende avies comerciais. De acordo com a plataforma alem Statista, a indstria aeronutica brasileira foi a 11 maior exportadora do mundo em 2021, frente das de Israel, Pases Baixos, Sua e Japo.

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