Qual é a relação entre AOA e velocidade no ar?
Sabemos que qualquer aeronave estolará em sua velocidade de estol (para um peso específico, posição do CG, etc.), mas também, que o mesmo avião sempre estolará no mesmo ângulo de ataque.
Eu li que IAS é a maneira mais fácil de controlar AOA, porque na realidade é tudo sobre AOA e nada a ver com velocidade no ar. Que ao mudarmos o IAS estamos mudando o vento relativo e daí AOA. Por outro lado, sei que o AOA crítico não muda com o peso (será sempre o mesmo para um determinado aerofólio), mas sim a velocidade de estol.
Existem também barracas de alta velocidade ... Estou confuso. Podemos entrar em um estol sem atingir o AOA crítico? Qual é exatamente a relação entre AOA e IAS?
Respostas
"Podemos entrar em um estol sem atingir o AOA crítico?" -- não.
"Sabemos que qualquer aeronave estolará em sua velocidade de estol (para um peso específico, posição do CG, etc.)" - precisamos adicionar "G-loading" a esta lista de parâmetros. A "velocidade de estol" de que geralmente falamos é a velocidade de estol 1-G . Altere o peso ou o carregamento G e a velocidade no ar correlacionada com as alterações do ângulo de ataque de estol.
"Por outro lado, eu sei que o AOA crítico não muda com o peso" - correto, mas para um determinado carregamento G, como 1 G, a velocidade no ar correlacionada àquele AOA crítico é dimensionado de acordo com a raiz quadrada de O peso.
"Qual é exatamente a relação entre AOA e IAS?" - se conhecermos o IAS onde a asa atinge o estol AOA em algum dado peso e carregamento G, então podemos ajustar esse IAS para alguma outra condição multiplicando pela raiz quadrada da mudança no peso vezes a raiz quadrada do mudança no carregamento G. "Mudança em" significa a proporção, ou seja, novo dividido pelo inicial.
A relação fundamental entre AOA e IAS é que a força líquida de sustentação em qualquer AOA é proporcional à velocidade do ar (IAS) ao quadrado.
Aqui está uma complicação extra com a qual você pode não querer se preocupar agora - a "paralisação dinâmica" - Qual é a causa imediata da paralisação? - role para baixo até o último parágrafo.
Uma resposta prática para ajudá-lo a entender o ângulo crítico de ataque e as velocidades de estol seria a operação de jatos rápidos. A maneira mais rápida de pousar um jato é juntando-se para um 'run-in and break', que pode ser em qualquer velocidade, mas normalmente 350kts. Uma curva de g alto seria usada da parte superior da pista na altura do circuito para a posição a favor do vento. A aeronave seria puxada para a curva até que o buffet de estol fosse alcançado. Este estol e o arrasto associado reduzem a velocidade da aeronave de forma rápida e fácil até a velocidade de aproximação. Como a aeronave está acima do estol mínimo e retém muita energia, uma redução das forças de controle em qualquer ponto restabeleceria o vôo normal. Embora a aeronave sofresse um 'estol' em alta velocidade devido ao AOA crítico ser excedido, a mesma aeronave estolaria em cerca de 100kts em linha reta e nivelada.
A resposta direta para a pergunta como ela é ("Qual é a relação entre AOA e velocidade do ar?") É simples: absolutamente nenhuma - isto é, até que você introduza o contexto e algumas condições.
Seu contexto é: queremos um avião para voar. E não apenas 'voar', mas para manter o nível, pelo menos. Para isso, você precisa de uma certa quantidade de sustentação . A sustentação é usada para neutralizar o peso , então você precisa de pelo menos isso para voar nivelado. Além disso, você precisará de algum extra para realizar a maioria das manobras (como curvas).
A maneira como os aviões criam sustentação é usando asas. Se 'consertarmos' a asa para simplificar (isto é, esquecer os flaps e outros dispositivos que mudam a asa 1 ), haverá apenas duas variáveis sob o controle do piloto que afetam a sustentação:
- Ângulo de ataque (AoA).
- Velocidade do ar. (Os pilotos geralmente falar indicado (ou calibrado ) velocidade do ar, em vez de verdadeira velocidade aerodinâmica. Ele inclui, implicitamente, a densidade do ar e, portanto, a altitude).
Quanto mais de cada um, mais força. A dependência é quadrática na velocidade no ar (velocidade no ar dupla, 4x a sustentação) e mais ou menos linear no AoA (até você se aproximar do estol).
O que determina o estol é, na prática, apenas o AoA, 2 como você já entende. Se você tivesse um sensor AoA preciso, isso é tudo que você precisa observar para evitar o estol. (Mas você ainda precisa ter conhecimento de como o avião voa, ou seja, as dependências acima, a fim de saber o que fazer para evitá-lo).
No entanto, por vários motivos, você geralmente não tem esse sensor. Nesse caso, você pode usar a velocidade do ar como proxy. Mas a velocidade no ar está ligada ao AoA por meio de sustentação, como discutimos. Você também precisa saber a elevação atual! Como você sabe? Bem, em um vôo reto e nivelado, o levantamento é exatamente igual ao peso, por definição. Você sabe o seu peso porque preencheu o gráfico de peso e equilíbrio antes do vôo, certo? Você também sabe quanto combustível usou até este ponto.
Portanto, quanto mais pesado for o seu avião (digamos, se você carregar um passageiro extra), mais força de sustentação será necessária nas mesmas condições. E, como sabemos, podemos criar essa sustentação extra de duas maneiras: aumentando o AoA ou aumentando a velocidade no ar, ou ambos. Se apenas aumentarmos o AoA, obviamente chegaremos mais perto do estol e, em algum ponto, estolaremos - na mesma velocidade no ar em que éramos perfeitamente capazes de voar com peso menor. Ou, ao contrário, se 'consertarmos' o AoA (digamos, considere o estol AoA - que é fixo, como sabemos), precisaremos de maior velocidade no ar para maior peso. (Velocidade no ar de 1,4x para peso duplo).
É por isso que sua velocidade de estol varia com o peso. Também varia com o carregamento G, que é o caso quando a asa precisa criar mais sustentação do que peso. (Curva coordenada é a primeira manobra que os pilotos aprendem quando isso acontece). Quando os documentos (como POH) especificam 'velocidade de estolagem', eles também especificam o peso ao qual se aplica. (Se não o fizerem, eles implicam conservadoramente no peso máximo permitido). Eles também costumam ter gráficos de como a velocidade no ar de estol aumenta nas curvas (como uma função do ângulo de inclinação).
Portanto, quando falamos sobre ' velocidade no ar de estol ', entendemos isso como ' velocidade no ar na qual a asa produz a quantidade necessária de sustentação enquanto está no AoA de estol '. A 'quantidade necessária', por sua vez, depende das condições consideradas: para o caso mais simples de vôo direto e nivelado, é apenas o peso.
1 Bem como sobre gelo, insetos e sujeira na superfície, etc.
2 Na verdade, a velocidade no ar verdadeira também tem um efeito por meio do número de Reynolds (Re), mas no contexto do GA esse efeito é muito menor. A taxa de mudança de AoA também é importante, mas apenas para manobras muito agressivas, como em acrobacias.
A relação entre AOA e velocidade do ar é explicada de forma bela na Equação de sustentação:
$Lift$ = Densidade do ar x Área da asa x Coeficiente de elevação (curvatura e AOA) x V$^2$.
IAS é uma maneira fácil de controlar AOA
Teoricamente sim. Na realidade, não é muito prático porque a velocidade no ar não pode ser alterada instantaneamente adicionando empuxo. Isso é especialmente verdadeiro quando a aeronave é maior, como um avião comercial.
A inércia (massa) deve ser superada para se mover, conforme mostrado pela Equação de Aceleração:
$Force$ = Massa x Aceleração
Reorganizando para: Aceleração = Força / Massa
É a velocidade no ar que cria sustentação, portanto, devemos continuar adicionando empuxo até que estejamos voando rápido o suficiente para voar (como na decolagem em modo de corrida).
podemos entrar em um estol sem atingir AOA crítico
Sim! Se você diminuir a velocidade demais, o avião não fará sustentação suficiente para suportar seu peso. O avião vai "afundar" de sua linha de vôo, o que aumenta o AOA na asa. Então você perde .
Isso é especialmente verdadeiro se o seu Centro de Gravidade estiver muito para trás ou (para construtores), se a cauda for muito pequena.
Também há estol de alta velocidade ... Estou confuso
Não precisa ser. Um estol ocorre quando o AOA da asa excede seu limite. As pessoas param em velocidades mais altas porque estão se esforçando demais para virar, por exemplo, para chegar a uma pista.
Portanto, a melhor maneira de evitar o estol é observar nossa velocidade no ar (para não precisarmos de um AOA alto) e não ser muito agressivo com o elevador.