Aeromodelismo - São Jose dos Campos

CARACTERÍSTICAS DO PROJETO DE UM AEROMODELO

PRIMEIRA PARTE
É necessário conhecer as regras elementares de aerodinâmica antes de iniciar o projeto de um aeromodelo ou mesmo construir um "kit". Essencialmente, uma aeronave voa quando sua asa é impulsionada através do ar, o que faz com que ela crie uma força de baixo para cima chamada sustentação. Além das asas, o aparelho tem superfícies estabilizadoras na cauda que consistem de leme no plano vertical e estabilizador no plano horizontal que exercem forças continuas para manter a trajetória do vôo, como as penas na cauda de uma flecha. Há também o motor que gira a hélice que penetra no ar desenvolvendo uma tração suficiente para vencer a força do arrasto, que é a resistência criada pelo avanço da aeronave através da densa camada gasosa da atmosfera. Um planador não tem motor e, por isso, ele voa graças a uma massa de lastro colocada em seu nariz que faz com que a força da gravidade substitua o motor.

A sustentação é gerada por dois fatores: o formato do perfil e o ângulo de ataque (inclinação ou ajuste angular) da asa que deverá ser positivo, isto é, o bordo-de-ataque mais elevado que o bordo-de-fuga, como o ajuste de uma pipa (papagaio, pandorga, quadrado, etc.) que mantém-se no ar devido ao seu elevado ângulo de ataque em relação à direção do vento. Na asa, grande parte da sustentação é obtida pelo formato do perfil mas inclinando-se positivamente a asa em relação ao fluxo de ar, aumenta-se seta sustentação, porém com uma penalidade: o arrasto também aumenta até um ponto que, pelo excesso de ângulo de ataque, a sustentação se degenera produzindo uma situação que denominamos estol.

Pode-se então afirmar que um setor entre 2 e 6 graus positivos é a melhor faixa para se posicionar o ângulo de ataque da asa de um aeromodelo. Uma asa de um planador primário (bem simples), feita de uma chapa de balsa, isto é, sem qualquer abaulamento em seu perfil, necessita de um pequeno ângulo positivo para gerar sustentação (como a pipa), o mesmo acontecendo com os perfis simétricos dos avançados modelos de acrobacia, tanto de VCC como radiocontrolados.

Como foi explicado no artigo "Teoria do Vôo" (Brasil Modelismo n.0 7, pág. 10), a sustentação é criada pelo perfil. Aproximadamente, o extradorso de uma asa produz dois-terços do total da força de sustentação ficando o outro terço por conta do intradorso quando o conjunto está posicionado em um ângulo de ataque correto. Os perfis variam muito quanto às suas formas; todos são convexos na parte de cima mas alguns são chatos, côncavos ou apresentam uma curvatura reversa na parte de baixo. Outros são completamente chatos em cima e em baixo e não apresentam nenhuma curvatura. Falando-se de forma genérica, quanto mais espesso for o perfil, maior será a sustentação e o arrasto por ele gerados; quanto mais delgado, menor a sustentação e o arrasto, o que predispõe a uma maior velocidade. Por causa disso é que os aviões cargueiros e bombardeiros têm perfis espessos e aeronaves de corrida e caças militares têm asas com perfil delgado.

A mesma regra se aplica aos aeromodelos. Um modelo lento e de alta sustentação, como os radiocontrolados, quase sempre utilizam perfis espessos. Planadores lançados a mão, em sua maioria, empregam perfis chatos, são muito leves e precisam voar bem rápido após o lançamento para ganharem altura rapidamente. O perfil da asa de um aeromodelo deve ser escolhido cuidadosamente, de acordo com o tipo, categoria e modalidade do aparelho. A chave do problema da seleção de um perfil está no que chamamos de relação sustentação/arrasto que nada mais é que a relação entre a quantidade de sustentação e a quantidade de arrasto gerados por uma determinada área de asa a um dado ângulo de ataque.

Esse número é geralmente obtido através de testes em túneis de vento. Naturalmente, o perfil que apresentar maior relação sustentação-arrasto (20:1, por exemplo) deve ser selecionado. Por sorte não é preciso pesquisar em túneis de vento para selecionar o perfil de um aeromodelo. Isso já foi feito é apresentado através de gráficos. Entretanto, existem centenas (ou até milhares) de perfis à disposição para seleção e a sua escolha deverá ser feita através de tentativas e experiências. Aliás, é assim que o aeromodelista projeta aeromodelos cada vez melhores!

É tentando, insistindo, observando resultados, tentando de novo... Paciência é a melhor das virtudes de um bom praticante. Revistas e livros especializados publicam tabelas e gráficos que ajudam a escolher o perfil ideal. Nessas publicações são plotadas curvas que indicam os coeficientes de sustentação conforme o ângulo de ataque. Os gráficos também indicam o arrasto, a relação sustentação/arrasto e são acompanhados de uma tabela de coordenadas para serem utilizadas no desenho do perfil. Se o aeromodelista pretende projetar um modelo de velocidade ele deverá selecionar um perfil que apresente arrasto mínimo em ângulos de ataque bem próximos a zero graus. A velocidade produzirá uma boa sustentação mantendo também boa a relação sustentação-arrasto. Um aeromodelo de vôo-livre necessitará de uma alta relação sustentação-arrasto aliada a um perfeito ajuste do ângulo de ataque para obtenção da tão desejada eficiência.

Mas ainda há um outro fator que dá para "esquentar a cabeça" de qualquer aeromodelista. Trata-se do efeito escala, do qual falaremos mais especificamente na segunda parte deste artigo. Alguns perfis que parecem ser o que melhor existe quando utilizados em aviões reais mudam de características quando aplicados em aeromodelos.

Quanto menor for o aeromodelo, mais sensíveis serão as mudanças. Mas existem alguns perfis que já comprovaram ser eficientes mesmo em asas de pequenas cordas e, por isso, são bastante conhecidos pelos aeromodelistas e alguns deles estão aqui ilustrados.

Um dos perfis mais conhecidos é o Clark-Y Ele é ótimo para aeromodelos mas apresenta algumas limitações quando empregado em aviões de grande porte (aqui o efeito escala beneficiou o modelo). A sua espessura é moderada e não compromete a sustentação, o que faz dele o favorito para aeromodelos de vôo-livre ou aparelhos radiocontrolados para treinamento. Perfis côncavo-convexos com curvatura reversa no intradorso, como o NACA 6409, o RAF 32, o Eiffel 400 e o NACA 4612 são excelentes para aparelhos de vôo-livre, planadores ou motorizados. Perfis simétricos como o NACA 2415 e outros são largamente empregados em aeromodelos acrobáticos VCC ou radiocontrolados. Os delicados modelos para interiores têm um perfil tão delgado que só o extradorso é plotado e, para finalizar, os modelos de velocidade devem empregar perfis simétricos ou semi-simétricos bem delgados.

A evolução dos microcomputadores veio beneficiar os aeromodelistas; hoje em dia pode-se adquirir programas ("softers") que não só auxiliam o desenho de perfis como também auxiliam no projeto estrutural da asa.

Os regulamentos que regem as competições de vôo-livre motorizado, como o Power-F.A.I., especificam uma determinada área máxima de asa, limitam a cilindrada do motor e determinam o tempo máximo que o aeromodelo deve voar sob a potência do motor. Modelos atuais de competição tendem a ganhar altura quase que verticalmente impulsionados por motores superpotentes e, depois, devem voltar ao solo em vôo planado. Uma vez que perfis espessos causam arrasto suficiente para retardar a subida motorizada, as asas desses modelos estão se tomando cada vez mais delgadas. Muitos projetos bem sucedidos empregam perfis plano-convexos mais afilados que o Clark-Y em vez dos côncavos-convexos porque, apesar destes últimos tecnicamente apresentarem melhores resultados de planeio, eles são sujeitos às deformações no intradorso causadas pela entelagem (cobertura da célula do aeromodelo por papel, tecido ou plástico esticado sobre a estrutura) que cria depressões e outras imperfeições sobre as nervuras, longarinas, etc. que deformam o desenho do perfil. As nicas asas que mantém perfeitos os contornos do perfil em toda a extensão da envergadura são aquelas totalmente chapeadas com balsa, o que as toma mais pesadas do que as enteladas.

Aeromodelos radiocontrolados geralmente empregam perfis plano-convexos (como o Clark-Y, para treinamento), semi-simétricos (transição para acrobacia ou escala) e simétricos (acrobacia ou velocidade). Os perfis simétricos são também utilizados em quase a totalidade dos aeromodelos VCC onde podem ser espessos em modelos que vão dos treinadores aos altamente acrobáticos ou delgados em modelos de velocidade. Uma alternativa mais simples do que aquela de sair selecionando perfis através de tabelas e gráficos seria consultar projetos semelhantes publicados em revistas especializadas ou copiando da planta de um "kit" de modelo similar. Mas, de qualquer forma, procure familiarizar-se com a nomenclatura dos perfis e procure entender o processo para desenhá-los a partir de uma tabela de coordenadas.

A quantidade de sustentação produzida por uma asa é afetada pelo seu formato e pelo seu alongamento que é a relação entre seu comprimento (ou envergadura) e a sua largura (ou corda). Calcula-se o alongamento dividindo-se a envergadura pela corda média. Por exemplo, uma asa com 98cm de envergadura e 18cm de corda média teria um alongamento igual a 6:1 (98÷18= 6). Os formatos poderão ser vários (veja a ilustração) mas os mais comuns são os retangulares, trapezoidais, elípticos (ou parabólicos que são muito semelhantes) ou combinações destes três. Teoricamente, nos aeromodelos, devido ao efeito escala, as asas elípticas são consideradas as mais eficientes seguidas pelas trapezoidais. Na prática, como em várias categorias e modalidades há modelos vencedores que utilizam asas com formato retangular não se sabe se vale realmente a pena plotar e cortar nervuras para asas elípticas ou trapezoidais.

Entretanto, o alongamento é mais determinante que o formato. Maiores alongamentos realmente aumentam a eficiência das asas de aviões reais e aeromodelos porque quanto menor for a corda, menor será o arrasto induzido (resistência produzida pelo movimento da aeronave através do ar). Ao cortar a atmosfera a asa causa perturbações no ar ao seu redor. Uma maneira simples de visualizar o aumento de arrasto induzido em proporção ao crescimento da corda é imaginarmos um círculo tendo como raio a largura da corda. A área do círculo represente a quantidade de arrasto induzido. Observe na ilustração como cresce o arrasto quando a corda é dobrada de largura. Planadores de alto desempenho apresentam asas com grandes alongamentos, algumas vezes excedendo à20:1. Por razões estruturais aviões de carga ou bombardeiros quase nunca ultrapassam a relação 20:1. Aeronaves de corrida ou caças militares geralmente têm asas com 6:1. Conforme suas categorias e modalidades, os aeromodelos apresentam variações típicas nos alongamentos de suas asas (vide ilustração).

Vimos que a sustentação é gerada pelo perfil que causa um vácuo parcial no extradorso da asa ao atravessar a atmosfera em velocidade suficiente. O ar, com mais pressão no intradorso, empurra a asa para cima como se esta fosse um pistão dentro de um cilindro. Mas nas pontas o diferencial de pressão faz com que o ar em baixo flua rapidamente para cima contornando o bordo marginal (ponta da asa).

Como a asa está em movimento para a frente, o ar não passa para o extra-dorso e sim vai ficando para trás criando um movimento circular que causa um redemoinho que chamamos de vórtice. Esta perda de energia é uma grande causadora do arrasto induzido e a forma de minimizá-lo é justamente diminuir a corda nas pontas.

Este é um dos motivos porque as asas elípticas são mais eficientes que as outras. Outra maneira de reduzir o vórtice éa incorporação de winglets que são pequenas superficies verticais instaladas nas pontas das asas mas este é um recurso cuja eficiência ainda não está definitivamente comprovada em aeromodelos.

Há também o arrasto parasita produzido por componentes da aeronave expostos ao fluxo de ar como rodas, montantes, cabeças de rebites, etc.

Faz parte do arrasto parasita o atrito com o ar causado pela fricção do ar atmosférico com a superfície do avião. Isso explica a utilização de filetes e carenagens formando curvas elaboradas para melhorar as características aerodinâmicas do aparelho e conseqüentemente reduzir o arrasto parasita.

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