BRPI0811340B1

BRPI0811340B1 - Asa de aeronave e método para aumentar a sustentação de superfícies aerodinâmicas e para reduzir o arrasto

Info

Publication number: BRPI0811340B1
Application number: BRPI0811340-8A
Authority: BR
Inventors: Nicola Italo Catino
Original assignee: Alenia Aeronautica S.P.A
Priority date: 2007-06-29
Filing date: 2008-03-10
Publication date: 2019-08-06
Also published as: US20100181433A1; ITTO20070468A1; RU2469911C2; BRPI0811340A2; WO2009004499A1; EP2160324B1; US8387923B2; EP2160324A1; CA2689617A1; RU2010102887A; ES2512541T3

Abstract

asa de aeronave e método para aumentar a sustentação de superfícies aerodinâmicas e para reduzir o arrasto método para aumentar a sustentação de superfícies aerodinâmicas e para reduzir o arrasto onde um jato de ar é impelido sobre a superfície superior (22) de um flap (20) para aumentar sua sustentação; parte do ar neste jato de ar é extraído, através de tomadas de ar (41), da corrente de ar que está fluindo sobre uma superfície superior (11) da parte fixa (10) da asa, localizada a montante do flap; o jato de ar extraído por sucção pelas tomadas de ar (41) é reforçado por um jato de ar comprimido soprado através de uma passagem (30), a qual se abre imediatamente a jusante das tomadas de ar (41); isto cria um jato combinado, compreendendo o ar sugado e o jato soprado, o qual é ejetado sobre a superfície superior (22) do flap através de aberturas de saída (44) dispostas sobre a borda posterior da parte fixa da asa.

Description

ASA DE AERONAVE E MÉTODO PARA AUMENTAR A SUSTENTAÇÃO DE SUPERFÍCIES AERODINÂMICAS E PARA REDUZIR O ARRASTO [001] A presente invenção refere-se a um método para aumentar a sustentação de uma superfície aerodinâmica de uma aeronave e para reduzir o arrasto de uma superfície aerodinâmica em um veículo terrestre. A invenção foi delineada para aplicação, em particular, a asas de aeronave, como a descrição que segue tornará clara, mas a invenção pode também ser usada para melhorar a eficiência aerodinâmica de uma aeronave em geral ou aquela de um veículo terrestre.

[002] Quando alçando vôo ou aterrissando, as aeronaves modernas requerem uma capacidade de aumentar a sustentação; em outras palavras, a possibilidade de ampliar a capacidade normal das asas para manter a aeronave voando em velocidades reduzidas, nas quais elas operam nessas condições. Este efeito é tipicamente obtido pela deflexão, na direção para baixo, dos flaps.

[003] No passado, foi proposto que ar em alta pressão deveria ser extraído do motor a jato e soprado em velocidade supersônica sobre as superfícies superiores dos flaps através de uma passagem se desenvolvendo ao longo da borda posterior da parte fixa da asa, para aumentar a eficiência dos dispositivos de sustentação melhorada em aeronaves de combate. O suprimento de energia criado por este jato de ar retarda a perda de vácuo que ocorre sobre as superfícies superiores dos flaps quando a velocidade de vôo reduzida faz a corrente de ar que flui sobre a asa ter a tendência de se desgarrar da asa, causando uma perda de sustentação.

[004] O uso deste método, como aplicado no passado, não é possível em aeronaves mais modernas, particularmente em aeronaves civis, cujos motores a jato não podem suprir a quantidade requisitada de ar pressurizado. Esta limitação é inerente ao método, uma vez que requer o uso de uma velocidade de sopro muito acima da velocidade do som, a qual teria de requerer quantidades muito grandes de ar, especialmente por causa da área de asa das aeronaves modernas, sejam militares ou civis, ser muito grande. Em qualquer caso, o fluxo de ar provido deste modo seria insuficiente para grandes aeronaves.

[005] Uma asa de uma aeronave, de acordo com o preâmbulo da reivindicação 1, é conhecida a partir do documento US 2585676 A. Outras estruturas de asa são descritas

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2/7 nos documentos DE 1165419 B e WO 91/09776 A.

[006] Como uma alternativa, o ar comprimido poderia ser suprido por um compressor adequado, mas isto acarretaria um inaceitável aumento de custo, de peso, e de consumo de energia.

[007] O objetivo da presente invenção é, por isso, o de propor um método substancialmente melhorado o qual pode ser usado não somente para aumentar a sustentação de uma superfície aerodinâmica de uma aeronave, mas também para reduzir o arrasto de um veículo terrestre.

[008] Este e outros objetivos e vantagens, os quais ficarão mais claros abaixo, são atingidos de acordo com a invenção por uma asa de aeronave como definida na reivindicação 1. De acordo com outro aspecto da invenção, é proposto um método tal como o definido na reivindicação 10. As configurações preferidas da invenção são especificadas nas reivindicações dependentes.

[009] De modo resumido, um jato de ar é impelido sobre a superfície superior de um flap para aumentar sua sustentação. De acordo com a invenção, ao menos parte do ar neste jato é extraído, através de tomadas de ar, da corrente de ar que flui sobre uma superfície superior da parte fixa da asa, a montante do flap. Este jato é também usado para sugar correntes de fluido à montante de um duto de sopro. Na configuração preferida e mais eficiente da invenção, o jato de ar extraído por sucção desde as tomadas de ar é usado para aumentar o efeito de um jato de ar comprimido soprado através de uma passagem de sopro a qual se abre acima da superfície superior da parte fixa da asa, imediatamente a jusante da sucção das tomadas de ar. Isto cria um jato combinado, compreendendo o ar sugado e o jato soprado, o qual é dirigido em direção a aberturas de saída dispostas sobre a borda posterior da parte fixa da asa, e é ejetado sobre a superfície superior do flap.

[0010] Uma configuração preferida, mas não limitativa, da invenção será agora descrita. É feita referência aos desenhos anexos, nos quais:

- a Figura 1 é uma seção a qual representa esquematicamente o método de acordo com a invenção;

- a Figura 2 é uma vista em perspectiva em seção da parte posterior da asa de uma aeronave de acordo com a invenção;

Petição 870190033011, de 05/04/2019, pág. 10/21 ιπ

- a Figura 3 é uma vista em planta, desde cima, tomada na direção da seta III da fig. 2;

- a Figura 4 é uma vista em seção vertical ao longo da linha I V-na fig. 3;

- as Figuras 5 e 6 são vistas esquemáticas em seção vertical de um dispositivo de acionamento convencional para o flap de uma asa de aeronave;

- as Figuras de 7 a 10 são vistas esquemáticas em seção vertical de um dispositivo de acionamento de flap o qual pode ser usado de acordo com a invenção.

[0011] Inicialmente é feita referência à fig. 1, a qual é uma representação esquemática do princípio fundamental da presente invenção. Designada como (S) ela é uma superfície de um corpo sólido o qual está se movimentando em relação a um meio líquido ou gasoso, no qual o corpo está imerso. As camadas do fluido mais próximas da superfície do corpo são chamadas de correntes fluidas, e indicadas com (FF). As características das correntes fluidas determinam o desenvolvimento de forças que atuam sobre o corpo que se move. Em particular, as correntes fluidas geram uma força a qual se opõe ao avanço do corpo dentro do meio fluido, esta força sendo chamada de arrasto, e, caso o corpo seja de um formato adequado, tal como o das asas de uma aeronave, geram uma força perpendicular à direção do avanço do objeto, chamada de força de sustentação. Enquanto a força de arrasto se opõe ao movimento de veículos, aeronaves e navios, a força de sustentação atua principalmente nas aeronaves e nas velas de navios. Em certas condições, as correntes fluidas tendem a se romper para fora da superfície sobre a qual elas fluem; em tal caso, o arrasto aumenta grandemente e a capacidade de sustentação das asas e velas é severamente comprometida. A invenção torna possível controlar as correntes fluidas em contato com a parede sólida do corpo em movimento, então reduzindo a possibilidade de sua quebra para fora das superfícies, e, conseqüentemente, aumentando a capacidade de gerar o que é conhecida como força de sustentação e reduzindo o arrasto. O controle das correntes fluidas é provido por meio do efeito combinado da sucção das correntes fluidas abaixo da superfície (S) do corpo em movimento (através de uma passagem (CA) de sucção, ou uma abertura, ou superfície perfurada, ou tomada de ar do tipo NACA, como abaixo descrita) e a simultânea presença de um jato de fluido soprado (GS) a jusante do ponto de sucção e paralelo à superfície do corpo sólido.

[0012] A passagem (CA) de sucção possibilita que correntes de fluido entrem em um canal

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4/7 ejetor, ou passagem (CE), o qual se desenvolve perpendicularmente à direção das correntes fluidas. O canal ejetor se comunica com o exterior através de uma passagem (CS) de sopro. Preferentemente, um jato (GS) soprado (de ar ou de qualquer fluido), tendo uma velocidade maior do que aquela das correntes fluidas é injetado dentro do canal ejetor de modo que ele emerge da passagem de sopro. Devido à fricção, o jato soprado (GS) extrai as correntes fluidas através da passagem de sucção e as conduz consigo através da passagem de sopro. Então, um jato soprado final emerge da passagem de sopro e flui sobre a superfície (S), de modo a energizar as correntes fluidas a jusante da passagem de sopro.

[0013] Agora, com referência nas Figuras de 2 até 4, uma asa de aeronave compreende uma parte (10) principal fixa da asa com um painel superior (11), e um flap (20), articulado (como em dobradiça) à traseira da parte (10) fixa da asa, ao longo de um eixo mecânico (21) transversal. Através da presente descrição e das reivindicações, os termos e expressões que indicam posições e orientações, tais como traseira ou transversal, são considerados como se referindo à direção de avanço de uma aeronave ou veículo, e à condição na qual o dispositivo está neles instalado.

[0014] Uma passagem (30) para o ar comprimido extraído de um dos estágios de baixa pressão do compressor (não mostrado) e/ou da passagem (em by-pass) lateral (não mostrada) de um motor a jato tipo turbofan é provida na parte (10) fixa da asa, a uma certa distância da borda terminal traseira da asa. A passagem (30) se desenvolve transversalmente ao longo da asa e preferentemente tem uma seção transversal no formato de uma gota de lágrima, com um par de paredes (31) e (32) as quais convergem em direção à parte posterior para formar uma estreita fenda (33) traseira a qual é alongada transversalmente e atua como um bico ejetor, como explicado abaixo. O bico ejetor (33) se abre imediatamente acima de um painel (12) intermediário, o qual é disposto sob o painel (11) superior, e está dele separado.

[0015] Os painéis (11) e (12) formam entre si um espaço (42) o qual termina, na traseira, em uma abertura (44) de saída estreita alongada transversalmente a qual é formada pelas bordas posteriores (13) e (14) dos painéis (11) e (12). Preferentemente, os painéis (11) e (12) convergem em direção à traseira, provocando que o espaço (42) seja escalonado

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5/7 verticalmente em direção à traseira para aumentar a aceleração do jato de ar o qual emerge da abertura (44).

[0016] Um feixe de tomadas de ar (41), afastadas, uma da outra transversalmente por um espaço, em intervalos pré-determinados, é formado no painel (11) superior. As tomadas de ar (41) são formadas imediatamente a montante do bico ejetor (33). Na configuração preferida, mostrada nos desenhos, as tomadas de ar (41) são tomadas do conhecido tipo chamado NACA, tendo um perfil em formato de sino, como mostrado na fig. 3. Alternativa mente, em configurações menos preferidas (não mostradas), as tomadas de ar (41) podem ser, por exemplo, fendas (slots) ou aberturas de diferentes formatos. As tomadas de ar NACA são vantajosas porque suas capacidades de captura e sucção são para quantidades consideráveis de ar, criando perdas desprezíveis por arrasto.

[0017] A operação da asa mostrada nas fig. 2-4 é como segue. O ar comprimido impelido a velocidades sônicas através da passagem (30) é acelerado entre as partes (31) e (32) convergentes, e emerge em alta velocidade dos bicos ejetores (33), então injetando um jato de ar, aqui referido como jato soprado, dentro do espaço (42). Devido ao que é chamado de efeito ejetor, este jato soprado em alta velocidade extrai ainda mais ar através das tomadas NACA (41). O total de ar injetado no espaço (42), por isso, se origina parcialmente do jato soprado do bico ejetor (33) e parcialmente da sucção, através das tomadas NACA (41), da camada limítrofe da corrente que flui ao longo da superfície superior do painel (11) a montante destas tomadas de ar. Isto cria um jato combinado de ar comprimido (soprado e sugado) que é ejetado da abertura (44) de saída sobre a superfície superior (22) do flap. Este jato combinado contrabalança a quebra dos fluidos da superfície superior do flap, e assim compensa a perda de vácuo, e, por isso, de sustentação, devida à velocidade relativamente baixa da corrente que flui sobre a asa durante a decolagem ou aterrissagem.

[0018] Testes de simulação conduzidos pelo Solicitante demonstraram que, mesmo na ausência de um jato de ar comprimido fluindo através da passagem (30), há um grau de aumento de sustentação, mesmo que este seja de limitada extensão, devido somente à sucção através das aberturas NACA. Estas aberturas sempre sugam a camada limítrofe da superfície superior da asa, assim garantindo um mínimo de aumento de sustentação

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6/7 mesmo caso haja uma falha de motor.

[0019] A sustentação aumentada também tem o efeito favorável de possibilitar o mecanismo de acionamento do flap ser simplificado, permitindo uma redução nas dimensões do flap e da carenagem projetada para alojar o mecanismo de acionamento, como pode ser visto na comparação das fig. 5 e 6 com as fig. De 7 a 10. Um flap do tipo convencional (fig. 5 e 6) é acionado por um mecanismo bastante complexo o qual provoca um movimento combinado de rotação e translação no flap. De acordo com a invenção, por causa da sustentação aumentada provida ela configuração acima descrita, é possível produzir um flap (20) mais curto o qual é vantajosamente simplesmente articulado com dobradiça à parte fixa da asa (fig. de 7 a 10). Um pistão (45) é provido para provocar que um eixo (21) de torção gire por meio de uma alavanca (46) para acionar o flap. Isto rende uma redução de peso e custo, e na dimensão da carenagem (não mostrada) que contém o mecanismo de atuação, assim provendo menor resistência aerodinâmica ao avanço do veículo.

[0020] Retornando às fig. 2 e 4, quando o flap (20) é levantado para o vôo em velocidade de cruzeiro, uma borda (23) posterior superior do flap bloqueia a saída (44) do jato combinado de ar comprimido, soprado e sugado. Para evitar que as tomadas de ar (41) e o espaço (42) sejam bloqueadas por sujeira durante o vôo quando a saída (44) está fechada, é preferível prover uma cobertura (47), presa com dobradiça sob o painel superior (11), no ponto (48), para fechar as tomadas de ar (41) quando a sustentação aumentada não é requerida. Os movimentos de levantar e abaixar da cobertura (47), os quais correspondem, respectiva mente, ao fechamento e abertura das tomadas de ar (41), podem vantajosa mente serem coordenados ou simultâneos com os movimentos de levantar e abaixar dos flaps.

[0021] A invenção pode ser aplicada com particular beneficio a aeronaves a jato com motores de alto by-pass de qualquer tipo, seja civil ou militar, as quais requerem uma capacidade de aumentar a sustentação. A invenção pode ser particularmente vantajosa em aeronave supersônica que tem asas muito finas, onde o uso de superfícies de sustentação aumentada convencionais é muito restrito.

[0022] Como anteriormente afirmado, a invenção torna possível evitar que as correntes

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7/7 fluidas se quebrem para fora da superfície traseira sobre a qual o jato de ar suplementar é ejetado. Um efeito disto é uma diminuição do arrasto. Este efeito possibilita que a invenção seja usada também em veículos terrestres, para reduzir seu arrasto aerodinâmico.

[0023] Deve ser entendido que a invenção não está limitada à configuração aqui descrita e mostrada, a qual é para ser considerada como um exemplo de configuração; a invenção é aplicável a qualquer fluido (gasoso ou líquido) e pode ser modificada com relação à forma e arranjos das partes e detalhes de construção, e com relação à sua operação. Por exemplo, as tomadas de ar (41) poderíam ser formadas em um painel adicional (não mostrado) fixado acima do painel (11) superior da asa.

Claims

Reivindicações

1. Asa de aeronave, compreendendo uma parte (10) de asa fixa principal com uma superfície superior (11) e ao menos um flap (20) posterior móvel com uma superfície superior (22), e compreendendo meios para impelir um jato de ar suplementar sobre a superfície superior (22) do flap em uma direção idêntica à direção de uma corrente de ar que flui sobre a superfície superior (11) da parte fixa da asa, a asa compreendendo meios de tomada de ar distribuídos transversalmente ao longo da superfície superior (11) da parte (10) da asa fixa para o propósito de:

- capturar ar da dita corrente a qual flui sobre a superfície superior (11) da parte fixa da asa;

- dirigir o ar capturado em direção de uma ou mais aberturas de saída posteriores (44) dispostas próximas das áreas (13) de borda posterior da parte de asa fixa; e

- ejetar jatos de ar através das aberturas de saída (44) sobre a superfície superior (22) do ao menos um flap (20);

os meios de tomada de ar compreendendo:

- um painel (11) alongado transversal mente o qual forma ao menos parte da superfície superior da parte fixa (10) da asa e que se estende até as proximidades de uma borda posterior terminal (13) da superfície superior da parte fixa da asa;

caracterizada pelo fato de que os meios de tomada de ar compreendem

- uma pluralidade de aberturas ou tomadas de ar (41) formadas no painel (11) e separadas por um espaço uma da outra transversalmente em pré-determinados intervalos; e

- as ditas uma ou mais aberturas de saída posteriores (44).
2. Asa, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato das tomadas de ar (41) serem tomadas NACA tendo um perfil em forma de sino com sua parte mais larga na direção posterior.
3. Asa, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato do painel (11) superior formar, junto com um painel (12) intermediário que fica abaixo, um espaço (42) o qual termina na direção posterior em uma ou mais aberturas estreitas alongadas transversalmente as quais formam as ditas aberturas de saída (44).

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4. Asa, de acordo com a reivindicação 3, caracterizada pelo fato dos painéis (11, 12) convergirem em direção à parte posterior, de modo que o espaço (42) é inclinado verticalmente em direção à traseira, pelo que o ar é acelerado no espaço em direção às aberturas de saída (44).
5. Asa, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato do flap (20) ter uma borda superior frontal (23) a qual pode bloquear as aberturas de saída (44) quando o flap é levantado para dentro de uma posição de vôo na qual as superfícies superiores (11) da parte de asa fixa (22) e do flap são coplanares.
6. Asa, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizada pelo fato de compreender meios (47) de fechamento móveis associados com as tomadas de ar (41) para fechar ou abrir as tomadas de ar.
7. Asa, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizada pelo fato de compreender uma passagem (30) a qual se desenvolve transversalmente ao longo da asa e tem um ou mais bicos ejetores (33) de face para trás os quais se abrem próximo ou imediatamente a jusante das tomadas (41) de ar.
8. Asa, de acordo com a reivindicação 7, caracterizada pelo fato de ditos um ou mais bicos ejetores (33) estarem na forma de uma ou mais fendas estreitas alongadas transversalmente.
9. Asa, de acordo com a reivindicação 7, caracterizada pelo fato da passagem (30) ter paredes internas (31, 32) que convergem em direção à parte posterior e em direção a ditos um ou mais bicos ejetores (33).
10. Método para aumentar a sustentação de uma superfície (22) aerodinâmica de uma aeronave, o método sendo caracterizado pelo fato de incluir:

- prover a uma asa de aeronave de acordo com qualquer uma dentre as reivindicações precedentes;

- capturar ar, através de uma pluralidade de aberturas ou tomadas de ar (41) formadas no painel (11), da dita corrente a qual flui sobre a superfície superior (11) da parte fixa da asa;

- dirigir o ar capturado em direção de uma ou mais aberturas de saída posteriores (44) dispostas próximas das áreas (13) de borda posterior da parte de asa fixa; e

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- ejetar jatos de ar através das aberturas de saída (44) sobre a superfície superior (22) do ao menos um flap (20) em uma direção idêntica à direção de dita corrente de ar, a qual flui sobre a superfície superior (11) da parte fixa da asa.
11. Método, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de um jato de ar pressurizado ser impelido em alta velocidade próximo ou imediatamente a jusante das tomadas de ar (41) as quais podem capturar ar da corrente que flui sobre a primeira superfície (11), por meio do que o jato de ar pressurizado extrai ar do exterior através das tomadas de ar (41).
12. Método, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de:

- ar comprimido ser extraído, em uma aeronave com motor a jato, de um dos estágios de baixa pressão do compressor e/ou de uma passagem lateral (em by-pass) do motor a jato; e

- o ar comprimido assim extraído ser injetado dentro de uma passagem (30) que tem paredes internas convergentes (31, 32) de tal maneira que o ar comprimido é acelerado em direção de ao menos uma abertura injetora, ou bico (33), posicionada próxima das tomadas de ar (41), ou imediatamente a jusante das tomadas de ar (41), assim produzindo o jato de ar pressurizado que extrai ar do exterior através das tomadas (41) de ar.
13. Método, de acordo com a reivindicação 11 ou 12, caracterizado pelo fato do ar comprimido ser impelido a velocidades sônicas.