Introdução aos Efeitos de Flap na Distribuição de Elevadores

A capacidade de modificar a distribuição de elevação de uma asa durante as diferentes fases de voo é uma pedra angular do design moderno de aeronaves. Os flaps, como dispositivos primários de elevação de alta altitude, são fundamentais para alcançar esta flexibilidade. Ao estender ou retrair estas superfícies móveis na borda de trilha da asa, os pilotos e os sistemas de controle de voo podem alterar o comprimento efetivo do âmbar e dos acordes da asa, influenciando diretamente as forças aerodinâmicas. O tamanho do retalho (sua extensão e extensão de acordes) e sua colocação precisa ao longo da asa (inboard, outboard, ou múltiplos painéis) ditam como o elevador é redistribuído pelo vão. Esta redistribuição tem profundas implicações para o comportamento de estanca, eficácia de controle de rolagem, momentos de pitch e arrasto geral. Compreender estas interações é essencial para otimizar o desempenho de de descolagem e aterragem, mantendo as margens de segurança. As seguintes secções irão explorar os princípios aerodinâmicos que ligam a geometria de retalho à distribuição de levantamento, os engenheiros de troca e os métodos práticos utilizados para avaliar e validar estes desenhos.

Fundamentos da geração de flaps e elevadores

Como os flaps aumentam o elevador

Os flaps funcionam principalmente aumentando o calibre da asa e em algumas configurações, estendendo o comprimento do acorde. Um aumento no calibre eleva o coeficiente máximo de elevação (CL,max]) a asa pode atingir antes de parar. Além disso, a deflexão do retalho diminui o ângulo de ataque necessário para gerar um determinado elevador, permitindo que a aeronave voe em velocidades mais lentas, mantendo o elevador. Os tipos de flap mais comuns incluem:

  • Abas de planície: Simplesmente a parte traseira da asa dobradiça para baixo. Eles adicionam cambero, mas criam um arrasto significativo em grandes deflexões.
  • Flaps fragmentados: A superfície inferior deflete enquanto a superfície superior permanece fixa, produzindo mais arrasto do que retalhos simples com aumentos de elevação semelhantes.
  • Abas desmontadas: Quando implantadas, abre-se uma lacuna entre o retalho e a asa, permitindo que o ar de alta energia de baixo flua sobre a parte superior do retalho, retardando a separação do fluxo e mantendo-se um C maiorL,max.
  • Fowler flaps: Estes deslizam para trás nas faixas antes de defletir, aumentando o comprimento dos acordes e o camber. Eles fornecem o maior aumento no elevador e são comuns em aviões comerciais.

Cada tipo de retalho produz uma alteração única na distribuição de pressão ao redor da asa, que afeta diretamente a distribuição de elevação ao longo do vão.

Básicos de Distribuição de Elevadores Spanwise

Numa asa ideal, finita, a distribuição do elevador é elíptica – significando que o elevador por unidade varia suavemente da raiz para a ponta, o que minimiza o arrasto induzido. Qualquer desvio de uma distribuição elíptica (devido a uma inclinação de afinação, varredura ou implantação de retalhos) aumenta o arrasto induzido e pode causar tendências de garra ou inclinação da barra. Os flaps alteram o coeficiente de elevação seccional local ao longo do vão, dependendo da sua posição e ângulo de deflexão. A alteração na distribuição do elevador deve ser considerada não só para o desempenho aerodinâmico, mas também para cargas estruturais, uma vez que o momento de flexão da asa pode aumentar significativamente quando os flaps são implantados assimetricamente ou perto da raiz da asa.

Tamanho do flap – Efeito no total de elevação e arrasto

Cordwise Extent e Propth

O tamanho de um retalho pode ser definido pelo seu acorde como uma fração do acorde da asa (relação corda-a-asa) e sua extensão em vão. Uma corda de retalho maior (por exemplo, 30% do acorde da asa vs. 15%) produz um aumento maior no benefício de C[L[[[[[[[FLT:TFT:1]]][[[[Flt:TFT]]]]] para uma determinada deflexão, porque altera uma porção maior da linha de cambalhoa. No entanto, para além de um determinado tamanho, o arrasto adicional da separação de fluxo no próprio retalho pode reduzir o benefício do levantamento-a-drago. Por exemplo, os retalhos de Fowler num Boeing 737-800 têm uma relação de acordes em torno de 25-30% e estendem-se em torno de 70% da meia-espanha. Aumentar ainda mais o acorde do retalho necessitaria de sistemas de atuação mais pesado e aumentaria o momento de dobramento da raiz da as asas.

Arraste a pena e os limites práticos

À medida que a deflexão da aba aumenta, o arrasto aumenta acentuadamente devido à forma de arrastar a superfície deformada e ao arrasto induzido da distribuição alterada do elevador. O arrasto total na configuração de aterragem pode ser três a quatro vezes o arrasto limpo da asa. O tamanho do flap deve ser equilibrado com a necessidade de um desempenho adequado de subida se um motor falhar durante a descolagem. As regras (por exemplo, 14 CFR Parte 25) exigem que as configurações do flap decolagem permitam um gradiente de subida positivo após a falha do motor. Portanto, a seleção do tamanho do flap é um compromisso entre o elevador de baixa velocidade e o arrasto de alta velocidade.

Os designers usam a dinâmica de fluidos computacionais (CFD) juntamente com dados empíricos para determinar o acorde e o encalço ideal da flap para uma missão de aeronave.

Colocação de flap e distribuição de elevador Spanwise

Flaps de bordo

Os retalhos de bordo estão localizados perto da raiz da asa e da fuselagem. Eles afetam a distribuição do elevador na região central da asa. Como a raiz carrega uma parte significativa do elevador em uma distribuição elíptica típica, os retalhos de bordo podem produzir grandes aumentos no elevador total, enquanto têm um efeito relativamente menor no momento de flexão da asa (desde que o braço do momento da raiz é curto). Os retalhos de bordo também tendem a promover um padrão de estadia raiz-primeiro, o que é vantajoso para manter a eficácia do aileron na baia. No entanto, a interferência da fuselagem e a compensação das asas-corpo podem limitar a eficácia dos retalhos de bordo extremos.

Flaps de popa

Os flaps de popa são posicionados perto das pontas das asas. Eles aumentam o elevador na asa externa, o que pode melhorar o controle de rolagem em velocidades baixas, porque o aumento local do elevador proporciona mais momento de rolagem por unidade de deflexão de aileron. No entanto, os flaps de popa também deslocam a distribuição de elevador de forma espalçada para fora, o que aumenta o arrasto induzido e pode fazer com que as pontas das asas param antes da raiz, especialmente se os flaps forem grandes e desviados significativamente. Esta tendência de garra pode levar a uma perda súbita do controle de rolagem e um risco de rotação. Para mitigar isso, muitas aeronaves incorporam washout (torceando a asa para que a ponta tenha um ângulo de incidência menor) ou dispositivos de ponta como slats.

Painéis de múltiplos flap

A maioria dos aviões modernos usam vários painéis independentes ao longo do vão (por exemplo, flaps Fowler monoblocados dentro e fora do ar no Airbus A320). As seções de popa geralmente têm uma deflexão máxima menor do que as seções de bordo para limitar os efeitos adversos no comportamento de estande. Além disso, as feiras de flap (as caixas simplificadas que se estendem abaixo da asa) afetam o fluxo local e podem causar vórtices. A colocação dessas feiras é cuidadosamente projetada para minimizar a interferência com o sistema de elevação.

Considerações de concepção e trocas

Cargas estruturais e atuação

O tamanho e a colocação da placa ditam diretamente a complexidade mecânica e o peso do sistema de acionamento. Os retalhos grandes requerem poderosos atuadores hidráulicos ou elétricos, e a estrutura da asa deve ser reforçada para levar os momentos adicionais de flexão e torção. O braço da alavanca dos retalhos externos em relação à raiz da asa exacerba momentos de flexão da raiz. Para manter o peso estrutural sob controle, os designers podem limitar a extensão desmembramento dos retalhos ou usar esquemas de deflexão diferencial (por exemplo, menos deflexão outboard). Além disso, as faixas da aba devem ser fixadas a costelas robustas, o que aumenta o custo de fabricação.

Interação com outros dispositivos de alta tensão

Os flaps não operam isoladamente. A maioria das aeronaves de transporte combinam flaps de bordas laterais com flaps de ponta ou de Kruger. O efeito combinado destes dispositivos na distribuição de elevação é complexo. Os Slats, localizados na borda superior, energizam a camada de contorno sobre a parte superior da asa, permitindo deflexões de flap mais elevadas sem barrar. A posição em acordes e a localização desmedida das lâminas devem complementar o arranjo de flaps.

Por exemplo, no Boeing 777, as lâminas estendem- se quase a extensão completa, excepto para um segmento próximo da fuselagem, enquanto as flaps são divididas em secções de bordo e popa. Esta sinergia cria uma distribuição de elevação mais uniforme através do vão em ângulos de ataque elevados.

Controle de integração de superfície

Ailerons e spoilers também interagem com flaps. Quando os flaps são implantados, os ailerons podem cair (como no Airbus A330) para funcionar como superfícies adicionais de flap, aumentando o elevador ao longo da borda de saída da trilha. Isto requer uma engrenagem cuidadosa para evitar sobrecarga da asa de popa. Por outro lado, spoilers (lift dumpers) são normalmente inibidos quando os flaps estão em certas posições, porque sua implantação pode causar elevação assimétrica e perda de controle.

Métodos de Análise Computacional e Experimental

Dinâmica de Fluidos Computacionais (CFD)

O design moderno de aeronaves depende fortemente do CFD para simular efeitos de flap na distribuição de elevadores. Os solucionadores de Navier-Stokes (RANS) com média de Reynolds podem prever o campo de pressão ao redor da asa com flaps desviados, capturando separação de fluxo, interações de vigília e arrasto induzido. Estudos paramétricos que variam acorde de retalho, span, ângulo de deflexão e gap/sobreposição (para flaps entalhados) ajudam os engenheiros a encontrar configurações ideais. Os resultados do CFD são frequentemente validados contra dados de túnel de vento para cargas de flap e pressões de superfície.

Teste do túnel de vento

Modelos de túnel de vento com flaps funcionais são usados para medir diretamente as distribuições de elevação, arrasto, momento de arremesso e pressão. Tufts ou tinta sensível à pressão visualizam padrões de separação de fluxo. As células de carga dentro dos anexos dos retalhos medem momentos de dobradiça, que são críticos para o dimensionamento do atuador. O número de Reynolds descompasso entre o modelo e a escala completa (especialmente para pequenas lacunas de abas) é contabilizado usando correções empíricas. Testes recentes do sistema de elevação de alta velocidade Boeing 787 envolveram campanhas extensas de túnel de vento para refinar a geometria dos retalhos para uma distribuição ideal de elevação e redução de ruído.

Exemplos práticos em design de aeronaves

Família Boeing 737

O 737 utiliza retalhos triplotados em variantes mais antigas (737-200) e flaps Fowler monolotados na série NG e MAX. O vão do retalho estende-se de perto da fuselagem até apenas a bordo do aileron. A deflexão do retalho de popa é limitada a 30 graus para descolagem e 40 graus para pouso, enquanto os flaps de popa podem ir até 60 graus. Essa deflexão diferencial garante que a asa externa não para de forma prematura. A colocação e dimensionamento do retalho evoluíram ao longo de décadas para melhorar o manuseio de baixa velocidade, mantendo alta eficiência de cruzeiro.

Airbus A320 Neo

O A320 emprega dois painéis de retalhos por asa: um retalho de placa simples e um retalho de placa externa monolotado, ambos do tipo Fowler. O retalho de placa interna tem um acorde maior e maior alcance de deflexão. O retalho de placa externa é projetado para produzir menos elevação por extensão de unidade para evitar barranco de ponta. Além disso, os flaperons (flap combinado e superfícies de aileron) no A320 auxiliam na distribuição de elevador durante a abordagem, automaticamente caindo com seleção de flaps. Esta integração melhora o controle de rolo em velocidades baixas sem sacrificar uniformidade de elevação.

General Aviation (Cessna 172)

O Cessna 172 utiliza retalhos monoblocados acionados eletricamente que se estendem de cerca de meia-espanha até perto da fuselagem. A colocação do retalho é totalmente a bordo dos ailerons, garantindo que a asa externa permaneça limpa aerodinamicamente para o controle do rolo. O tamanho do retalho (cerca de 40% da semi-espanha e 40% do acorde) proporciona um aumento suficiente para operações de campo curto, mantendo uma característica suave de estanca. A distribuição do elevador desloca-se para dentro com a implantação do retalho, reduzindo o momento de flexão da raiz da asa – um resultado estrutural benéfico para uma aeronave leve.

Aplicações Militares

Aeronaves de caça como o F-16 usam flaps de ponta (também chamados flaperons) combinados com flaps de ponta que muitas vezes servem funções duplas como ailerons. O tamanho e a colocação da aba são otimizados para manobras em ângulos altos de ataque, às vezes até 30 graus. A distribuição do elevador deve ser controlada firmemente para evitar parada ou partida assimétrica. Os computadores de controle de voo digital programam deflexões de flap com base no número de Mach e ângulo de ataque para manter uma carga de spanwise favorável.

Conclusão

O efeito do tamanho do retalho e da colocação na distribuição do elevador de aeronaves é um desafio de engenharia multidimensional que equilibra a aerodinâmica, estruturas, controles e segurança. Os flaps maiores aumentam o elevador, mas também aumentam as cargas de arrasto e estruturais; a colocação de popa melhora o rolo, mas os riscos de inclinação da inclinação; a colocação de bordo aumenta a estabilidade, mas pode limitar a autoridade do aileron. Através do uso de ferramentas computacionais avançadas e testes de túnel de vento extenso, os designers podem adaptar configurações de flap para alcançar a distribuição desejada de elevador em todas as fases do voo. A aplicação bem sucedida desses princípios é evidente nos sistemas de elevação de aviões modernos, que permitem uma operação segura em velocidades lentas, mantendo um desempenho eficiente de cruzeiro. As tendências futuras incluem flaps adaptativos ou morfistas que podem otimizar continuamente a distribuição de elevador em tempo real, prometendo ainda maior eficiência e flexibilidade.

Para mais informações, considere o primer do Centro de Investigação da NASA Glenn em dispositivos de elevação e o manual de Conhecimento Aeronáutico da FAA Pilot (capítulo 4: Aerodinâmica do Voo]. Para uma metodologia de projeto aprofundada, consulte .