Algumas velocidades são calculadas e outras são obtidas através de vôos de ensaio durante o processo de certificação de uma aeronave.
Fator de Carga
Fator de carga (n) é a razão entre a sustentação produzida pela asa de uma aeronave (L) e seu peso (W). Para que uma aeronave esteja em voo reto horizontal, é necessário que a sustentação seja igual ao peso. Nesse caso, o fator de carga será 1.
Figura 1 - Equação do fator de carga
Ângulo de Ataque e Coeficiente de Sustentação
Observando-se a equação da sustentação (Figura 2), nota-se que esta é diretamente proporcional ao quadrado da velocidade e ao coeficiente de sustentação (CL). Sendo assim, mantendo-se voo reto horizontal, quando diminui-se a velocidade é necessário aumentar o CL para manter a sustentação constante e, consequentemente, o fator de carga igual a 1 (lembrando-se que o peso é constante para um dado instante do voo).
Figura 2 - Equação da Sustentação
Figura 3 - CL em função do ângulo de ataque
O ângulo de ataque onde o CL é máximo é conhecido como ângulo crítico (também chamado de ângulo de estol, ângulo de sustentação máxima ou ângulo de perda).
Dispositivos Hipersustentadores
Uma outra forma de aumentar o CL sem mudar o ângulo de ataque é utilizar-se dispositivos hipersustentadores como flaps e slats, mostrados na figura 4. O uso de tais dispositvos é considerado nos cálculos de decolagem e pouso por aumentar significativamente o CL, conforme mostrado na figura 5.
Figura 4 - Tipos de Flapes
Figura 5 - Variação do CL em função da posição de flap
Ocorre que, como a configuração de flaps / slats numa decolagem é constante, o fabricante deve determinar uma velocidade de estol para cada configuração de decolagem aprovada para a aeronave.
Uma outra forma de aumentar o CL sem mudar o ângulo de ataque é utilizar-se dispositivos hipersustentadores como flaps e slats, mostrados na figura 4. O uso de tais dispositvos é considerado nos cálculos de decolagem e pouso por aumentar significativamente o CL, conforme mostrado na figura 5.
Figura 4 - Tipos de Flapes
Figura 5 - Variação do CL em função da posição de flap
Ocorre que, como a configuração de flaps / slats numa decolagem é constante, o fabricante deve determinar uma velocidade de estol para cada configuração de decolagem aprovada para a aeronave.
Velocidade de Estol
A velocidade de estol é defina como a mínima velocidade em que a asa pode pruduzir sustentação suficiente para suportar a aeronave.
Requisito
FAR 25.103 - Stall Speed - The reference stall speed, VSR, is a calibrated airpeed defined by the applicant. VSR may not be less than 1-g stall speed.
Até meados da década de 80, o FAR 25 estipulava uma definição para ensaios de determinação de velocidade de estol que era:
- Após a ocorrência do estol, o piloto deveria continuar puxando o manche para entrar em um estol mais profundo;
- A menor velocidade registrada durante a manobra era declarada a velocidade de estol para a configuração em teste;
- Os cálculos ignoravam o fator de carga quando calculando o CL e a velocidade.
Durante o processo de certificação da aeronave Boeing 767-300, surgiram algumas questões relacionadas à determinação da velocidades de estol que provocaram a mudança do FAR 25 para o conceito hoje conhecido como 1-g Stall Speed:
- Quando ocorre o estol, a recuperação é iniciada imediatamente, ao contrário do que ocorria no passado;
- A velocidade onde ocorre a maior sustentação é definida como velocidade de estol;
- Os cálculos passaram a levar em consideração o fator de carga.
Com essa modificação, a 1-g stall speed (método novo) é cerca de 5 a 7% maior do que a FAR stall speed (método antigo).
Determinação da Velocidade de Estol
No ensaio para determinação da velocidade de estol, os seguintes pontos devem ser seguidos:
- Buffeting significativo; ou
- O controle de pitch atinja o batente traseiro e não ocorra aumento de pitch com o controle mantido nessa posição.
Caso a aeronave possua um sistema que empurre o nariz para baixo em um determinado ângulo de ataque (stick pusher, por exemplo), a velocidade de estol deve ser, no mínimo, 2 kts ou 2% (o que for maior) acima da velocidade de atuação do dispositivo.
Efeito do Peso
Quando o peso de uma aeronave aumenta, as características aeroelásticas da asa permitem uma maior flexão, o que causa uma diminuição do CL para uma dada configuração em relação a um peso menor, como mostrado na figura 6. Como o CL diminui, é necessário aumentar o ângulo de ataque para manter a sustentação. Em uma situação extrema (ângulo de ataque crítico), a sustentação será menor na aeronave pesada e, para manter a sustentação igual ao peso é necessário aumentar a velocidade.
Por isso, a velocidade de estol aumenta quando o peso aumenta.
Figura 6 - Efeito do peso no CL
Efeito da Posição do CG
Para manter uma aeronave em vôo horizontal, é necessária uma força para baixo produzida pelo estabilizador horizontal, como mostrado na figura 7 e a sustentação produzida pela asa deve ser:
Figura 7 - Força necessária no estabilizador para voo reto horizontal
Velocidade de Estol em Curva
Quando a aeronave inicia uma curva nivelada, a sustentação deve aumentar para compensar a perda resultante da inclinação do vetor de sustentação, mostrada na figura 8.
Figura 8 - Composição de forças em curvas
Determinação da Velocidade de Estol
No ensaio para determinação da velocidade de estol, os seguintes pontos devem ser seguidos:
- Potência em idle;
- Asas niveladas, desaceleração com 1-g (Lift = Weight);
- Aeronave compensada para vôo nivelado em velocidade entre 1.13 e 1.3 VSR;
- Passo de hélice ajustado para decolagem (se aplicável);
- Trem de pouso e flap ajustados para a configuração que se deseja calcular a velocidade de estol (configuração de decolagem por exemplo);
- CG na posição mais desfavorável;
- A desaceleração deve ocorrer a uma razão de um nó por segundo;
- A aeronave é considerada estolada quando dá ao piloto uma indicação clara de natureza aceitável que está estolada - FAR 25.201(d). Essa indicação pode ser:
- Buffeting significativo; ou
- O controle de pitch atinja o batente traseiro e não ocorra aumento de pitch com o controle mantido nessa posição.
Caso a aeronave possua um sistema que empurre o nariz para baixo em um determinado ângulo de ataque (stick pusher, por exemplo), a velocidade de estol deve ser, no mínimo, 2 kts ou 2% (o que for maior) acima da velocidade de atuação do dispositivo.
Efeito do Peso
Quando o peso de uma aeronave aumenta, as características aeroelásticas da asa permitem uma maior flexão, o que causa uma diminuição do CL para uma dada configuração em relação a um peso menor, como mostrado na figura 6. Como o CL diminui, é necessário aumentar o ângulo de ataque para manter a sustentação. Em uma situação extrema (ângulo de ataque crítico), a sustentação será menor na aeronave pesada e, para manter a sustentação igual ao peso é necessário aumentar a velocidade.
Por isso, a velocidade de estol aumenta quando o peso aumenta.
Figura 6 - Efeito do peso no CL
Efeito da Posição do CG
Para manter uma aeronave em vôo horizontal, é necessária uma força para baixo produzida pelo estabilizador horizontal, como mostrado na figura 7 e a sustentação produzida pela asa deve ser:
LWING = W + LTAIL
Figura 7 - Força necessária no estabilizador para voo reto horizontal
Se considerar-se um deslocamento do CG para trás, será necessária uma força menor produzida pelo estabilizador horizontal. Com peso constante, a sustentação da asa pode ser menor para manter o voo o que requer um ângulo de ataque menor.
Com a necessidade de um ângulo de ataque menor, é possível produzir a sustentação necessária para voar em uma velocidade menor quando o CG está mais para trás.
Uma vez que o CG trazeiro permite velocidades de estol menores e o FAR 25 requer que o CG esteja na posição mais desfavorável para a realização dos ensaios, os voos de teste devem ser feitos com o CG no limite dianteiro.
Com a necessidade de um ângulo de ataque menor, é possível produzir a sustentação necessária para voar em uma velocidade menor quando o CG está mais para trás.
Uma vez que o CG trazeiro permite velocidades de estol menores e o FAR 25 requer que o CG esteja na posição mais desfavorável para a realização dos ensaios, os voos de teste devem ser feitos com o CG no limite dianteiro.
Velocidade de Estol em Curva
Quando a aeronave inicia uma curva nivelada, a sustentação deve aumentar para compensar a perda resultante da inclinação do vetor de sustentação, mostrada na figura 8.
Figura 8 - Composição de forças em curvas
Para aumentar a sustentação mantendo-se a velocidade constante é necessário aumentar o CL, aumentando-se o ângulo de ataque. Numa situação de ângulo crítico, a sustentação total não será suficiente para manter o vôo nivelado, sendo necessário aumentar a velocidade. Dessa forma, a velocidade de estol em curvas é maior do que em vôo horizontal.
