Conhece a História da evolução de estruturas de aeronaves?
A história da estrutura das aeronaves permeia a história da aviação. Os avanços em materiais e processos utilizados na construção de aeronaves levou sua evolução de simples estruturas de treliça de madeira até as máquinas voadoras de suaves linhas aerodinâmicas de hoje.
Combinado com o contínuo desenvolvimento dos grupos motopropulsores a estrutura das “máquinas voadoras” tem mudado de forma significativa.
A descoberta chave de que “sustentação” poderia ser criada através da passagem do ar por cima de uma superfície curva levou ao desenvolvimento de aeronaves com asas fixas e rotativas.
Cayley
George Cayley desenvolveu um eficiente aerofólio curvado no início do século XIX, assim como, alguns anos mais tarde, GLIDERS (planadores) tripulados eficientes.
Ele estabeleceu os princípios do voo, incluindo a existência de sustentação, peso, empuxo e arrasto. Foi Cayley quem primeiro empilhou asas (STACKED WINGS) e criou um GLIDER de três asas que voou com um home em 1853.
Antes disso Cayley já havia estudado o centro de gravidade das máquinas voadoras, assim como os efeitos do diedro da asa. Além disso, ele foi o pioneiro no controle direcional de aeronaves, pela inclusão das primeiras formas de um leme em seus GLIDERS.
Otto Lilienthal
No final do Século XIX Otto Lilienthal utilizou as descobertas de Cayley. Ele produziu e voou seus próprios GLIDERS, em mais de 2.000 voos. Sua aeronave, feita de salgueiro e tecido, tinha asas criadas a partir de um extenso estudo das asas dos pássaros.
Lilienthal também fez uso padrão de FINS (estabilizadores verticais e horizontais, atrás das asas e da estação de pilotagem. Acima de tudo, Lilienthal provou que o homem poderia voar.
Octave Chbanute
Octave Chbanute, um engenheiro de pontes e estradas de ferro, aposentado, foi ativo na aviação no final do Século XIX.
Seu interesse na aviação era tão grande que, entre outras coisas, ele publicou um trabalho chamado “Progress in Flying Machines”. Este foi o resultado final de seus esforços para reunir e estudar toda a informação disponível sobre aviação.
Como o auxílio de outras pessoas ele construiu GLIDERS parecidos com aqueles que Lilienthal tinha feito, e depois o seu próprio.
Chanute avançou no desenvolvimento das estruturas das aeronaves com a construção de um GLIDER com STACKED WINGS incorporando o uso de arames como apoio para as asas.
O trabalho de todos estes homens eram de conhecimento dos Irmãos Wright quando eles construíram o seu avião motorizado em 1903. Foi o primeiro deste tipo a ser tripulado, o Wright Flyer, que tinha asas finas e cobertas de tecido ligadas ao que era, primariamente, uma estrutura de treliça de madeira.
ASAS
As asas tinham SPARS (longarinas) dianteiras e traseiras e eram apoiadas por STRUTS e arames. Dois conjuntos de asas empilhadas também faziam parte do Wright Flyer.
A aviação cresceu a partir do projeto criado pelos Irmãos Wright. Inventores e aviadores jovens começaram a construir suas próprias aeronaves. No início muitos eram similares aquele construído pelos Irmãos Wright usando madeira e tecidos com arames e STRUTS para apoiar a estrutura da asa. Em 1909 o francês Louis Blériot produziu uma aeronave com grandes diferenças de design.
Ele construiu, com sucesso, uma aeronave com apenas uma asa. As asas ainda eram apoiadas por arames, mas um mastro que se estendia acima da fuselagem possibilitava que as asas fossem apoiadas por cima, assim como por baixo.
Isso tornou possível que o maior comprimento da asa precisasse sustentar uma aeronave com um único conjunto de asas. Bleriot utilizou uma estrutura de fuselagem do tipo treliça Pratt.
Motores
Motores mais potentes foram desenvolvidos e a estrutura das aeronaves também mudou para usufruir destes benefícios. Em 1910 o alemão Hugo Junkers conseguiu construir uma aeronave com treliça e revestimento de metal devido a disponibilidade de grupos motopropulsores potentes o suficiente para impulsionar a aeronave nos céus.
Metal x Madeira
O uso de metal, ao invés de madeira, na estrutura primaria, eliminou a necessidade de WING BRACES e arames externos. O seu J-1 também tinha um único conjunto de asas (um monoplano) ao invés de um STACKED SET (conjunto empilhado).
Antes da I Guerra Mundial os motores mais potentes permitiram que fossem desenvolvidas asas mais espessas com longarinas mais fortes. OS WIRING WING BRACES não eram mais necessários. As asas HIGH-CAMBER superfícies mais planas e baixas criaram mais sustentação.
A I Guerra Mundial criou a necessidade de mais aeronaves confiáveis. Usadas principalmente para reconhecimento STACKED-WING TAIL DRAGGERS com estruturas de treliça de metal e madeira e revestidas principalmente de tecido dominaram os céus durante o período da guerra. O Fokker DR-1 Barão Vermelho era típico.
Em 1920 houve um aumento do uso de metal na construção das aeronaves. Foram desenvolvidas fuselagens capazes de levar carga e passageiros. Os primeiros FLYING BOATS com sua construção tipo casco da indústria naval proporcionou os desenhos técnicos para a construção de fuselagens SEMIMONOCOQUE. Os projetos do tipo casco desapareceram e prevaleceu a tendência dos designs mais limpos, mono asa.
Nos anos 30 as aeronaves totalmente de metal acompanharam motores mais leves e potentes. Fuselagens SEMIMONOCOQUE grandes foram complementadas com asas STRESS-SKIN designs. Foram construídas menos aeronaves de treliça e tecido.
A II Guerra Mundial trouxe uma grande quantidade de projetos de aeronaves totalmente de metal. DEEP FUEL-CARRYING WINGS eram a norma, mas o desejo por mais velocidade incitou o desenvolvimento de aeronaves com asas mais finas, nas quais os tanques de combustível eram localizados na fuselagem.
Material composto (fibra de vidro)
A primeira aeronave com estrutura de compósitos , o De Havilland Mosquito, utilizava um sanduíche de madeira BALSA na construção da fuselagem. O RADOME de fibra de vidro também foi desenvolvido neste período.
Pressurização
Após a II Guerra Mundial o desenvolvimento dos motores de turbina proporcionou voos em maiores altitudes. Surgiu a necessidade de aeronaves pressurizadas. Como resultado disso as construções SEMIMONOCOQUE precisavam ser ainda mais resistentes.
Um aperfeiçoamento na estrutura das fuselagens de metal foi alcançado para aumentar a resistência e combater a fadiga do metal causada pelo ciclo de pressurização e despressurização.
Janelas arredondadas e aberturas de portas foram desenvolvidas para evitar áreas frágeis onde rachaduras poderiam ser formadas.
Revestimentos de liga de alumínio de cobre totalmente usinados, resistentes a rachaduras e que permitem um revestimento mais espesso e afilamento controlado.
Uma usinagem química das estruturas de revestimento da asa proporcionaram maior resistência e superfícies lisas de alto desempenho. ASAS DE CONTORNO VARIÁVEL tornaram-se mais fáceis de construir.
O aumento da velocidade dos voos criou a necessidade de asas mais finas. A carga das asas também aumentou muito e como resposta foram desenvolvidas as asas MULTISPAR e BOX BEAM.
Nos anos 60 foram desenvolvidas aeronaves maiores para o transporte de passageiros.
Com uma melhora na tecnologia dos motores os aviões jumbo foram projetados e construídos. Ainda principalmente de alumínio com fuselagem SEMIMONOCOQUE e o tamanho dos aviões provocou uma busca por materiais mais resistentes e leves para a sua construção.
Estrutura sanduíche
O uso de estruturas com painéis tipo favo de mel nos aviões das séries Boeing diminuía o peso sem comprometer a resistência. Inicialmente o núcleo de alumínio com sanduíches de painéis de revestimento de alumínio ou fibra de vido eram utilizados nos painéis das asas, superfícies de controle de voo, assoalho das cabines e outras aplicações.
Um aumento constante do uso de estruturas de sanduíche de favo de mel com núcleo de espuma e uma ampla variedade de materiais compósitos caracterizou as estruturas da aviação a partir dos anos 70 até hoje.
Técnicas avançadas e combinações de materiais resultaram em uma mudança gradual do alumínio para fibras de carbono e outros materiais resistentes e muito leves.
Estes novos materiais foram projetados para atender requisitos específicos de desempenho dos vários componentes das aeronaves. Muitas estruturas de aeronaves são feitas com mais de 50 por cento de compósitos avançados, e algumas chegam a quase 100 por cento. O termo “very light Jet” (VLJ) descreve uma nova geração de jatos feitos quase que totalmente de materiais compósitos avançados.
É possível que estruturas de aeronaves de alumínio não compósitos tornem-se obsoletas, assim como os métodos de construção utilizados por Cayley, Lilienthal e pelos Irmãos Wright.
Usinagem mecânica revestimento
Simulados para Piloto e comissária: Clique aqui!
Glossário — História da evolução das estruturas de aeronaves
Termos em ordem alfabética. Clique em cada termo para navegar. Use “Voltar ao topo” ao final de cada item.
Aerofólio
Perfil com curvatura projetada para gerar sustentação ao passar pelo ar. A forma do aerofólio determina quanto ar é acelerado sobre e sob a asa, influenciando sustentação, arrasto e desempenho.
Arrasto
Força aerodinâmica que se opõe ao movimento da aeronave no ar. Cresce com a velocidade e com superfícies menos aerodinâmicas, e precisa ser vencida pelo empuxo do motor.
Asas de contorno variável
Asas com geometrias e espessuras otimizadas por processos de fabricação (como usinagem química) para obter superfícies mais lisas e eficientes, reduzindo peso e melhorando o desempenho em diferentes regimes de voo.
Asa multispar
Asa com múltiplas longarinas internas para distribuir a carga aerodinâmica. Aumenta a resistência estrutural e permite perfis mais finos sem perda de robustez.
Biplano (asas empilhadas)
Configuração com dois planos de asa sobrepostos e interligados por montantes e arames. Muito comum nas primeiras décadas da aviação pela simplicidade e rigidez estrutural obtidas com arriostras externas.
Box beam
Estrutura em “caixa” que une longarinas e painéis, formando um conjunto fechado de alta rigidez. É usada em asas modernas para resistir a flexão e torção com menor peso.
Carga alar
Razão entre o peso da aeronave e a área da asa. Cargas alares maiores tendem a exigir asas mais resistentes e perfis mais finos, influenciando velocidade de estol e desempenho em decolagem e pouso.
Camber (curvatura)
Curvatura do aerofólio. Perfis de alto camber geram mais sustentação em baixas velocidades; mudanças no camber ao longo da história permitiram asas mais finas e eficientes em altas velocidades.
Centro de gravidade (CG)
Ponto em que o peso total da aeronave se considera concentrado. Sua posição afeta estabilidade e controle; projeta-se a estrutura para manter o CG dentro de limites seguros.
Compósitos (materiais compósitos)
Materiais formados por fibras de alto desempenho (como carbono ou vidro) embebidas em matriz polimérica. Têm alta resistência específica e permitem reduzir o peso, sendo amplamente adotados em estruturas modernas.
Diedro
Ângulo de inclinação das asas em relação ao plano horizontal da aeronave. O diedro contribui para a estabilidade lateral, ajudando a aeronave a “voltar” ao voo nivelado após perturbações.
Empuxo
Força produzida pelos motores que impulsiona a aeronave para a frente, vencendo o arrasto. A evolução dos motopropulsores permitiu estruturas mais pesadas e resistentes (metal e, depois, compósitos).
Estrutura de treliça
Esqueleto de barras (geralmente madeira ou metal) montadas em triângulos, com cobertura de tecido nas aeronaves mais antigas. Simples e leve, porém dependia de arriostras externas e tinha mais arrasto.
Estrutura semimonocoque
Fuselagem e asas onde o carregamento é compartilhado entre o revestimento (pele) e reforços internos (longarinas, cavernas e stringers). Tornou-se padrão na aviação de metal e, depois, em compósitos, por unir leveza e resistência.
Fadiga (do metal)
Falha progressiva causada por ciclos repetidos de carga, como os de pressurização/despressurização. Leva a trincas que exigem detalhes estruturais e processos de fabricação para mitigação.
Favo de mel (estrutura sanduíche)
Painel composto por duas “películas” externas e um núcleo alveolar. Oferece alta rigidez com baixo peso, empregado em asas, superfícies de controle, pisos e diversas áreas da aeronave.
Fibra de carbono
Fibra sintética de altíssima resistência específica e rigidez, muito usada em compósitos avançados. Permite reduzir massa sem comprometer a resistência, favorecendo eficiência de combustível.
Fibra de vidro
Fibra usada em compósitos desde meados do século XX (ex.: radomes). Tem boa resistência específica e custo menor que a fibra de carbono, sendo usada em diversas partes não primárias e também em sanduíches.
Flying boat (barco voador)
Aeronave com casco semelhante ao de embarcação, capaz de operar na água. Inspirou soluções de fuselagem e ajudou a consolidar a construção semimonocoque em projetos maiores de transporte.
Glider (planador)
Aeronave sem motor, que voa aproveitando correntes de ar. Os primeiros estudos de aerofólios, estabilidade e controle foram validados com gliders antes do voo motorizado.
Janelas arredondadas
Aberturas com cantos arredondados em fuselagens pressurizadas para reduzir concentrações de tensão. Diminuem a probabilidade de formação e propagação de trincas por fadiga.
Ligas de alumínio aeronáuticas
Ligas leves e resistentes (muitas vezes usinadas a partir de placas) usadas em revestimentos e estruturas internas. Podem receber tratamentos e usinagem química para afinar paredes e manter rigidez.
Longarina (spar)
Principal elemento longitudinal da asa, responsável por suportar a maior parte das cargas de flexão. Em projetos modernos pode compor caixas estruturais (box beam) e asas multispar.
Montante (strut)
Suporte estrutural externo que conecta asas à fuselagem ou entre si. Junto com arames (arriostras), foi comum em aeronaves antigas para “travar” a asa, à custa de mais arrasto.
Monoplano
Aeronave com um único plano de asa. Ganhou espaço conforme os motores evoluíram e as asas ficaram mais espessas e resistentes, dispensando arriostras externas e reduzindo o arrasto.
Pressurização
Sistema que mantém pressão interna confortável em grandes altitudes. Impõe ciclos de carga na fuselagem, exigindo reforços, detalhes de projeto (janelas arredondadas) e controle de fadiga.
Radome
Carenagem transparente a ondas de rádio que protege antenas (normalmente no nariz da aeronave). Tradicionalmente feita de materiais compósitos, como fibra de vidro, por combinar leveza e transparência eletromagnética.
Revestimento resistente (stress-skin)
Conceito em que o “revestimento” externo também participa do carregamento, trabalhando junto com a estrutura interna. Permite reduzir arriostras externas e obter superfícies mais limpas aerodinamicamente.
Reforçador longitudinal (stringer)
Perfis alongados e leves que reforçam o revestimento, ajudando a distribuir cargas e evitar flambagem entre cavernas/longarinas. Elementos típicos em fuselagens e asas semimonocoque.
Taildragger (trem de pouso convencional)
Configuração de trem de pouso com duas rodas principais à frente e apoio traseiro (roda ou patim). Comum nas primeiras aeronaves com fuselagem de treliça e cobertura em tecido.
Tanques de combustível integrais
Combustível armazenado dentro da própria estrutura (ex.: asas profundas que carregam combustível). Libera espaço de fuselagem e pode melhorar a distribuição de cargas e alcance.
Treliça (ex.: tipo Pratt)
Arranjo estrutural com barras em padrões triangulados. O tipo Pratt é uma configuração comum em pontes e foi adaptado a fuselagens iniciais por sua eficiência com materiais disponíveis à época.
Usinagem química
Processo de remoção controlada de material por ataque químico, afinando chapas em áreas pouco solicitadas sem perder rigidez global. Permite painéis lisos e leves, úteis em asas e fuselagens.
Velocidade (impacto no projeto)
O aumento das velocidades levou à adoção de asas mais finas e resistentes, estruturas em caixa (box beam) e à migração de madeira/tecido para metal e, depois, compósitos, reduzindo arrasto e peso.
Very Light Jet (VLJ)
Categoria de jatos leves e modernos com ampla utilização de compósitos. Foca em eficiência, baixo consumo e custos operacionais reduzidos, aproveitando avanços de materiais e processos.
FAQ — Após ler o artigo
P: Por que os biplanos deram lugar aos monoplanos?
R: Com motores mais potentes e asas mais espessas, a estrutura passou a dispensar arriostras externas. O monoplano tem menos arrasto, é mais eficiente e pode transportar mais com melhor desempenho.
P: O que diferencia uma estrutura de treliça de uma semimonocoque?
R: Na treliça, a resistência vem do “esqueleto” de barras, com o tecido apenas cobrindo. Na semimonocoque, o revestimento também carrega carga junto com longarinas, cavernas e stringers, resultando em superfícies mais limpas e eficientes.
P: Por que a pressurização mudou o modo de projetar fuselagens?
R: A pressurização impõe ciclos de carga que geram fadiga. Para aumentar a vida útil, usam-se reforços, janelas arredondadas e processos de fabricação que controlam tensões e espessuras dos painéis.
P: “Revestimento resistente” é o mesmo que semimonocoque?
R: O conceito de “revestimento resistente” descreve quando a pele externa participa das cargas. A semimonocoque é a aplicação prática disso, combinando pele resistente e reforços internos.
P: Por que a indústria migrou de madeira para metal e depois para compósitos?
R: A evolução dos motores e da aerodinâmica exigiu estruturas mais rígidas e leves. O metal permitiu asas sem arriostras e fuselagens pressurizadas; os compósitos trouxeram maior resistência específica e menor peso.
P: O que são asas “multispar” e “box beam”?
R: São arranjos internos que distribuem melhor as cargas (múltiplas longarinas e caixas estruturais fechadas). Eles aumentam rigidez e resistência, permitindo asas finas e eficientes.
P: Qual a função dos painéis sanduíche em favo de mel?
R: Atingir alta rigidez com pouco peso. O núcleo alveolar separa duas películas resistentes, formando um “I” estrutural muito eficiente para pisos, superfícies de controle e áreas da asa.
P: Como a usinagem química melhora as asas?
R: Ela reduz espessura apenas onde as cargas são menores, preservando a rigidez nas regiões críticas. Isso gera superfícies lisas, leves e aerodinamicamente superiores.
P: O que é “tanque integral” e por que é vantajoso?
R: É quando o combustível é armazenado dentro da própria asa (ou estrutura). Economiza espaço, melhora a distribuição de peso e pode aumentar alcance e eficiência.
P: Compósitos substituem totalmente o alumínio?
R: Em muitos projetos modernos, compósitos respondem por mais de metade da estrutura e, em alguns casos, por quase tudo. Porém, a escolha depende da missão, custos e requisitos de manutenção e certificação.
P: O que significa VLJ na prática?
R: São jatos muito leves, com extensivo uso de compósitos e foco em baixo custo operacional. Aproveitam tecnologias que antes estavam só em aeronaves maiores.
0 Comentários