A eficiência das aeronaves está associada a uma legislação cada vez mais restritiva no que diz respeito à emissão de poluentes e de ruídos e ao consumo de energia. A resposta a esse desafio está no uso de tecnologias e de novos materiais que se traduzem no conceito de aeronave verde (green aircraft), demandando, por sua vez, o desenvolvimento de novos conceitos em aeronáutica.
A indústria aeronáutica tem registrado significativos avanços em direção a aeronaves maiores e mais leves, com asas mais alongadas e, portanto, mais flexíveis. “Asas mais alongadas têm frequência menor de vibração estrutural que pode, por isso, interagir com o movimento do próprio avião. Neste caso, é necessário considerar esta vibração no projeto das leis de controle e não apenas filtrá-la a posteriori”, exemplifica Flávio Silvestre, chefe do Departamento de Mecânica de Voo da Divisão de Engenharia Aeronáutica do Instituto Tecnológico de Aeronáutica (ITA), em São José dos Campos.
O tratamento dessa vibração de baixa frequência para a estabilidade da aeronave e seu impacto nos sistemas de controle são tema central do projeto Estudos Avançados em Física de Voo, desenvolvido pelo Laboratório de Novos Conceitos em Aeronáutica (LNCA), no âmbito do Edital Inova Aerodefesa da Financiadora de Estudos e Projetos (Finep) em parceria com a Embraer. O LNCA também abriga os projetos Aplicação de Compósitos em Asas Alongadas e Acústica de Motores a Jato Instalado, também financiados pela Finep e Embraer.
O projeto em Física de voo, coordenado por Silvestre, trata de construir ferramentas de simulação que incluam a vibração estrutural nos estudos da estabilidade da aeronave e nos projetos das leis de controle. “O objetivo é validar modelos de simulação dinâmica da aeronave, incluindo os efeitos de aeroelasticidade para diferentes níveis de flexibilidade e, portanto, de complexidade”, ele afirma.
Nos modelos tradicionais a aeronave – assim como as asas – é tratada como um “corpo rígido” em movimento. “Apenas posteriormente são analisadas as frequências da vibração da aeronave e filtradas as respostas dos sensores para que não haja participação dessa vibração no comportamento do controlador”, diz Silvestre. Quando essas frequências se tornam muito baixas – aproximando-se do movimento da aeronave – fica cada vez mais difícil realizar essa filtragem. “Nesse caso, o desempenho do controlador ficaria comprometido”, ele adverte.
Alguns protótipos de aeronaves de grande flexibilidade já foram desenvolvidos e operados, como o Helios, projetado pela NASA. “Em nosso projeto utilizaremos o modelo X-Hale, desenvolvido pelo Prof. Carlos Cesnik, da Universidade de Michigan”, disse. Cesnik é engenheiro aeronáutico formado pelo ITA (1987). Trabalhou na Embraer antes de assumir posição na Universidade de Michigan e é um dos mais respeitados especialistas em aeroelasticidade no mundo. Ele participa do projeto Estudos Avançados em Física de Voo, além de ser o primeiro ocupante da Cátedra EMBRAER no ITA.
O X-HALE é uma plataforma de baixo custo para avaliação de fenômenos aeroelásticos não lineares, concebido com asa extremamente flexível, fabricada em compósito. “Aeronaves mais econômicas têm sua eficiência aerodinâmica aumentada por meio de asas mais alongadas, o que leva ao aumento da flexibilidade estrutural”, explica Silvestre.
A asa do protótipo é formada por seis painéis modulados com alongamento 30 – envergadura/corda –, o que lhe confere alta flexibilidade. Também é conversível para alongamento 20, de menor flexibilidade, com a subtração de painéis. “Nosso objetivo é reproduzir essa aeronave para validação de modelos de dinâmica e leis de controle por meio de ensaios em voo”, justifica Silvestre. O X-Hale será construído por encomenda por meio de licitação já em andamento.
A equipe do projeto é formada por quatro professores da Divisão de Engenharia Aeronáutica do ITA, um pós-doutorando, um doutorando e quatro alunos de mestrado. “O projeto terá duração de três anos. A plataforma X-Hale, cuja construção está em fase de licitação, ficará pronta até o final do ano e entrará em operação no início de 2016”, adianta Silvestre. A partir desse momento, terá início o experimento. “Até agora, o trabalho é teórico. Estamos avaliando em ambiente virtual o desempenho dessa aeronave e verificando também o treinamento do piloto. Os primeiros ensaios serão realizados tão logo o primeiro protótipo esteja pronto.”
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