Janeiro, 2024 - Marechal do Ar Anil Chopra (aposentado) Na semana passada, a Agência de Projetos de Pesquisa Avançada de Defesa dos EUA (DARPA) autorizou a construção de um avião X-65 com controles de voo a jato de ar, uma nova tecnologia que substitui superfícies de controle móveis por Atuadores Active Flow Control (AFC) que usam jatos de ar para controle. O contrato foi concedido à Aurora Flight Sciences, uma empresa da Boeing, para construir uma aeronave em grande escala chamada X-65. A DARPA espera um dia substituir todas aquelas superfícies de controle caras e pesadas por um sistema muito mais simples que depende de jatos de ar. Se for bem-sucedido, poderá ser um salto revolucionário. Evolução do sistema de controle de voo de aeronaves - Se você já se sentou na janela de um avião, provavelmente notou muita atividade nas asas, uma sinfonia complexa tocada pelas superfícies de controle. Curiosamente, eles são controlados por um intrincado sistema escondido na aeronave. Os controles de vôo são necessários para controlar a direção e a velocidade de uma aeronave em vôo. Os controles do motor da aeronave também são considerados controles de vôo, pois mudam de velocidade.
Um sistema convencional de controle de voo de aeronave de asa fixa (AFCS) consiste em superfícies de controle de voo, controles de cabine, ligações e os mecanismos operacionais e computadores necessários. O primeiro vôo controlado e sustentado de uma aeronave mais pesada que o ar, movida a motor, pelos irmãos Wright em 1903, tinha alguns sistemas de controle de aeronave. O layout atual do sistema de controle de voo evoluiu em abril de 1908 e foi usado no monoplano Blériot VIII de Louis Blériot. Os controles primários de vôo da cabine possuem um controle (yoke) no centro ou na lateral do piloto. Ele controla a função desviando os ailerons e inclinando o elevador. Os pedais do leme controlam a guinada movendo o leme.
A alavanca de empuxo ou acelerador controla a velocidade ou empuxo do motor para aeronaves motorizadas. Os controles da cabine foram inicialmente conectados à superfície mecanicamente por meio de hastes e cabos. À medida que as velocidades e as cargas aerodinâmicas aumentaram, foram introduzidos hidro-boosters e posteriormente sinalização elétrica (fly-by-wire) através de um computador. Nesta fase, foram introduzidos dispositivos de sensação artificial para que o piloto não sobrecarregasse inadvertidamente a aeronave porque muito pouca força ou deslocamento moveria significativamente a superfície de controle.
Os cabos elétricos foram posteriormente substituídos por cabos de fibra óptica. Além disso, foram introduzidas redundâncias por ter mais de um sistema hidráulico ou de sinalização. Em alguns casos, as superfícies de controle poderiam ser combinadas, como em um ruddervator de cauda em V ou onze e flaperons, e estes hibridizaram os movimentos e efeitos. Existem também alguns controles secundários, como flaps, freios a ar, ripas de ponta, spoilers e compensadores. Alguns aviões também possuem asas de varredura variável. Eles alteram os perfis das asas para variar a sustentação e o arrasto para regimes de voo específicos e ajudam o piloto a exercer um controle mais preciso ou a aliviar a carga de trabalho.
Abordagem de pesquisa recente para sistemas de controle
Diversas tecnologias estão sendo pesquisadas para integrar as funções de controle de voo nas próprias asas. Os materiais elásticos poderiam permitir que asas flexíveis mudassem a forma aerodinâmica durante o vôo. Eles também são conhecidos como “asas compatíveis adaptativas” ou “aerofólios metamorfoseados”. A asa aeroelástica ativa X-53 foi um esforço da Força Aérea dos EUA, da NASA e da Boeing. Esforços notáveis também foram feitos pela FlexSys, que conduziu testes de voo usando aerofólios flexíveis adaptados a uma aeronave Gulf Stream III.
Isso removeria as superfícies de controle e as dobradiças e melhoraria a eficiência aerodinâmica. Estes poderiam imitar a flexão natural das asas dos pássaros durante o vôo. A Adaptação Aeroelástica Passiva (PAT) está sendo considerada para asas de alta proporção de aspecto. A segunda abordagem está relacionada à fluídica. Algumas décadas atrás, algumas aeronaves incorporaram sistemas como flaps soprados. Parte do ar do compressor da aeronave foi desviado para soprar sobre os flaps para aumentar a eficiência. O ar também foi soprado sobre a asa para retardar a separação da camada limite e, assim, aumentar a sustentação.
Mas a nova abordagem é que peças mecânicas maiores e mais complexas sejam totalmente substituídas por ranhuras fluidas menores e mais simples que emitem fluxos de ar através de muitos pequenos jatos para mudar a direção dos veículos. Este controle de fluxo ativo promete simplicidade, massa reduzida, custa muito menos e reduz a inércia e os tempos de resposta. Uma variante disso foi demonstrada no Demon UAV, que voou pela primeira vez no Reino Unido em setembro de 2010.
O Projeto DARPA AFC
A DARPA e uma subsidiária da Boeing, Aurora Flight Sciences, começaram a construir a primeira aeronave X-65 em escala real usando atuadores de controle de fluxo ativo (AFC) para demonstrar um novo método de controle de voo que não utiliza peças móveis externas.
A aeronave não tripulada com asas em forma de diamante é um jato experimental que está sendo desenvolvido sob o programa Control of Revolutionary Aircraft with Novel Effectors (CRANE), supervisionado pela DARPA, a agência de pesquisa e desenvolvimento do Pentágono. O programa Micro Adaptive Flow Control da DARPA ajudou a ser pioneiro na compreensão fundamental da dinâmica de fluidos que eventualmente levou ao CRANE. A tecnologia AFC alterará o campo de fluxo aerodinâmico da aeronave para adicionar energia ou impulso ao fluxo de ar sobre a aeronave.
O programa CRANE visa eliminar todas as superfícies de controle e desenvolver uma aeronave totalmente controlada por jatos de ar pressurizado que alteram os fluxos de ar circundantes sobre a aeronave durante o vôo. Isso reduzirá as complexidades mecânicas e criará mais espaço a bordo para outros sistemas importantes/de combate. Superfícies externas imóveis também melhorarão muito a capacidade furtiva. A AFC poderá revolucionar as embarcações militares e comerciais no futuro.
Layout do bocal do projeto DARPA AFC
Em fase experimental, para reduzir o risco, o primeiro demonstrador X-65 contará com superfícies de controle móveis convencionais e atuadores AFC usando jatos de ar pressurizado. Um conjunto de 14 bancos AFC com canais de abastecimento de ar controláveis de forma independente será incluído na nave. Sensores em toda a fuselagem monitorarão como o desempenho do efetor AFC se compara aos mecanismos de controle tradicionais. À medida que os testes avançam, os controles mecânicos serão bloqueados e substituídos seletivamente até que o sistema AFC tenha controle total.
O X-65 terá envergadura de 9 metros (30 pés) e pesará 3.200 kg (7.000 libras), aproximadamente o tamanho da aeronave de treinamento T-38 dos EUA. Ele voa até Mach 0,7. O design distinto em forma de diamante aumentará a resistência da aeronave. Testes preliminares, incluindo revisão crítica do projeto, testes em túnel de vento e construção de modelos em escala, já foram concluídos. O X-65 já está em fabricação; o lançamento está planejado para o início de 2025, e o primeiro voo será em meados de 2025.
O sistema AFC utiliza uma série de bicos instalados nas extremidades dos aerofólios. Os efetores serão incorporados em todas as superfícies de elevação. Ao disparar ar comprimido desses bicos, eles podem alterar a pressão do ar nas proximidades e alterar o fluxo de ar sobre o aerofólio.
Dessa forma, o sistema pode alterar a rotação, inclinação e guinada da aeronave. Os atuadores AFC poderão um dia substituir todas as superfícies de controle caras e relativamente mais pesadas por um sistema muito mais simples que use jatos de ar para fazer a mesma coisa. Uma vez certificada, a tecnologia permitirá tornar as fuselagens mais leves e robustas. Novas aeronaves poderiam ter asas mais finas e longas, com eficiência muito maior. A tecnologia também poderia ser aplicada à fuselagem para gerar mais sustentação e reduzir o arrasto.
Pesquisa AFC da BAE Systems
A BAE Systems testou com sucesso a tecnologia de voo sem flaps destinada a aprimorar a capacidade militar como parte de um projeto financiado pela DARPA. Um modelo de titânio impresso em 3D foi testado para testar fisicamente suas características aerodinâmicas em um túnel de vento de alta velocidade. O teste ajudou a compreender os benefícios potenciais de custo, peso e desempenho que as tecnologias de controle de fluxo poderiam oferecer.
O modelo AFC em escala real projetado digitalmente e o software de previsão apoiarão levar o projeto ao limite. O teste em túnel de vento validou terabytes de dados, ajudando a amadurecer pesquisas aerodinâmicas significativas em dinâmica de fluidos computacionais.
Um futuro revolucionário
O X-65 quebra o paradigma centenário de design para controles de vôo. Um novo método de controle de vôo que não utiliza peças móveis externas será um grande salto no projeto de aeronaves. Isso reduzirá bastante o peso e economizará volume.
Contribuirá significativamente para a furtividade. O palco ainda é experimental. A robótica de produção avançada e a engenharia digital acelerariam o programa. O conceito X-65 revolucionará as aeronaves militares e civis do futuro. Fisicamente, pode ser empregado primeiro em aviões de combate. Ele poderá embarcar em aviões comerciais em 6 a 8 anos.
Na Índia, o Laboratório Aeronáutico Nacional (NAL) e o Instituto Indiano de Ciência (IISc), ambos com sede em Bengaluru, estão a realizar pesquisas sobre dinâmica de fluidos. A maioria dos IITs está analisando o assunto.
O professor Satish Dhawan, ex-presidente da ISRO, é considerado o pai da dinâmica de fluidos experimental na Índia. Ele foi um dos pesquisadores mais eminentes na área de turbulência e camadas limite, e é creditado por estabelecer o primeiro túnel de vento supersônico na Índia, no IISc.
A BITS Pilani inaugurou a instalação de túnel de vento de última geração mais significativa e maior (5 m) da Índia em setembro de 2023. O NAL tem túneis de vento trissônicos de 1,2 m e subsônicos de 1,5 m. A Índia ainda tem de atingir o nível de financiamento que o Departamento de Defesa dos EUA e a NASA podem pagar. No entanto, o impulso do governo Atmanirbharta (autossuficiência) nos levará lá mais rápido.
Fonte: https://www.eurasiantimes.com