Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica 1ºanoprojfeup/submit_17_18/uploads/relat_1M01... · Numa outra abordagem, apresentar-se-ão os prós e os contras associados a esta categoria

Engenharia Mecânica

na Aviação

Aviões Supersónicos

Mestrado Integrado em

Engenharia Mecânica – 1ºano

Coordenador Geral: Prof. Lucas Filipe da Silva

Coordenadora de Curso: Prof.ª Teresa Duarte

- Trabalho realizado no âmbito da unidade

curricular de Projeto FEUP

Coordenadores:

Manuel Firmino da Silva Torres e Sara Marinho

Ferreira

Supervisor: Prof. José Duarte Ferreira

Monitor: Tiago Carvalho Leça

Equipa 1M01_1:

- up201707256 Cíntia Sofia Ribas Silva

- up201707391 José Lourenço Gomes

Milheiro Lowden da Silva

- up201705140 Luís Miguel da Rocha Mâncio

Côrte-Real

- up201703853 Ricardo Manuel Pinto Coelho

- up201705528 Rui Mendes Carneiro Gomes

Realizado entre 26 de setembro e 31 de

outubro de 2017

Entregue a 2 de novembro de 2017,

Porto

FEUP – MIEM 2017/2018 Página 2

Engenharia Mecânica na Aviação – Aviões Supersónicos

Resumo

Este trabalho, realizado no âmbito da unidade curricular de Projeto FEUP, tem como

objetivo principal retratar alguns dos aspetos da Engenharia Mecânica presentes na aviação

supersónica.

Assim, numa primeira fase, são apresentados os fundamentos teóricos inerentes ao

voo de um avião, com referência a conceitos fundamentais para a compreensão do restante

trabalho.

De seguida, serão expostas as características próprias de um avião supersónico ao

nível da aerodinâmica, dos motores e dos materiais utilizados no seu fabrico, sendo feitas

as comparações necessárias com a aviação subsónica.

Numa outra abordagem, apresentar-se-ão os prós e os contras associados a esta

categoria de aviões.

Por fim, é brevemente explicitada a história e evolução da aviação supersónica, com

uma pertinente referência a um dos mais icónicos aviões supersónicos: o Concorde.

Palavras - chave

● Aviação

● Aerodinâmica

● Materiais de Revestimento

● Ângulo de Ataque

● Fluxo de Ar

● Stall

● Velocidade Supersónica

● Número de Mach

● Barreira do Som

● Onda de Choque

● Concorde

● Motores

● Rácio Bypass

● Afterburn

● Arrasto

● Propulsão

● Sustentação



Agradecimentos

Gostaríamos, primeiramente, de agradecer ao nosso supervisor o professor José

Manuel Ferreira Duarte e ao nosso monitor Tiago Carvalho Leça que se mostraram sempre

disponíveis no seu auxílio e cuja ajuda constante foi fundamental para o desenvolvimento

deste projeto.

Em segundo lugar, não podemos deixar de agradecer a todos os palestrantes que, na

primeira semana de aulas, através de uma formação contínua, permitiram que

adquiríssemos um conjunto de competências essenciais à realização deste trabalho e que

constituem ferramentas importantes para nosso percurso académico e futuro profissional.



Índice

Resumo ............................................................................................................................................ 2

Palavras - chave ............................................................................................................................. 2

Agradecimentos ............................................................................................................................. 3

Glossário ......................................................................................................................................... 6

1. Introdução.................................................................................................................................. 7

2. Fundamentos Teóricos Associados ao Voo de um Avião .................................................... 8

3. Aviões Supersónicos ................................................................................................................. 9

3.1. Velocidade Supersónica ..................................................................................................... 9

4.1. Design ................................................................................................................................... 9

4.2. Motores dos Aviões Supersónicos .................................................................................... 10

4.3. Materiais de Revestimento .............................................................................................. 11

5. As Vantagens e Desvantagens dos Aviões Supersónicos .................................................. 14

5.1. Vantagens .......................................................................................................................... 14

5.2. Desvantagens ..................................................................................................................... 15

6. História ..................................................................................................................................... 15

6.1. Evolução ............................................................................................................................. 15

6.2. O Futuro da Aviação Executiva........................................................................................ 18

6.3. Principais Fabricantes de Aviões Supersónicos .............................................................. 20

7. Concorde - O Ícone da Aviação Supersónica ...................................................................... 20

7.1. Design e Materiais do Concorde ...................................................................................... 21

7.1.1. Asa ............................................................................................................................... 21

7.1.2. Nariz ............................................................................................................................ 21

7.1.3. Materiais ..................................................................................................................... 22

Notas Finais .................................................................................................................................. 23

Trabalhos Futuros ....................................................................................................................... 23

Referências Bibliográficas.......................................................................................................... 24



Lista de Figuras

Fig. 1- As diferentes forças que atuam no avião ................................................................... 8

Fig. 3 - Pormenor de uma asa e as forças a que está sujeita .............................................. 10

Fig. 2 - Demonstração da deslocação do ar em materiais com diferentes formas. .............. 10

Fig. 4 - Motor de avião subsónico ....................................................................................... 11

Fig. 5 - Motor de avião supersónico .................................................................................... 11

Fig. 6 - Variação da resistência de diferentes matérias em função da temperatura ............. 12

Fig. 7 - Gráfico que compara a resistência de materiais ...................................................... 13

Fig. 8 - Avião em situação de stall....................................................................................... 14

Fig. 9 - Bell XS-1 – O primeiro avião supersónico ............................................................... 15

Fig. 10 - X-15 ...................................................................................................................... 16

Fig. 11 - Tupolev Tu-144 ..................................................................................................... 16

Fig. 12 - Concorde .............................................................................................................. 17

Fig. 13 - Boom .................................................................................................................... 18

Fig. 14 - NASA X-43............................................................................................................ 18

Fig. 15 - Avião AS2, da Aerion (protótipo) ........................................................................... 19

Fig. 16 - Jato Hypermach SonicStar .................................................................................... 19

Fig. 17 - Spike S-512 .......................................................................................................... 20

Fig. 18 – Concorde ............................................................................................................. 20

Fig. 19 - Várias posições do nariz do Concorde. ................................................................. 21

Lista de Tabelas

Tabela 1 - Variação da temperatura da superfície do avião a diferentes velocidades. ........ 12

Tabela 2 - Principais comparações entre o Concorde e os aviões comerciais .................... 14



Glossário

Mach 1 – medida adimensional de velocidade. É definida como a razão entre a velocidade

de um determinado objeto e a velocidade do som, a uma dada altura e temperatura.

Afterburn 2 – é um recurso de que dispõem alguns aviões para aumentar rapidamente a

sua velocidade, tornando possível a velocidade supersónica.

Rácio bypass 3 – é a razão entre o fluxo de massa de ar que passa pelo duto e o fluxo de

massa de ar que passa pelo centro do motor. Quanto maior for essa razão, mais económico

e silencioso é o motor, no entanto, também mais lento é o avião. Os aviões supersónicos,

com a sua razão muito baixa, comprometem o consumo de combustível e o barulho em

troca de alta velocidade.

Expansão ou Dilatação Térmica 4 – aumento de volume de um corpo devido à elevação

da temperatura. Depende da propriedade física de cada material (do seu coeficiente de

expansão térmica).

Stall 5 – redução na força de sustentação devido a um grande ângulo de ataque da asa ao

ar, que resulta na perda de velocidade e consequente queda do avião. Para recuperar de

uma situação de stall, o avião deve voar em direção ao solo para ganhar velocidade o mais

rapidamente possível para evitar a queda.



1. Introdução

No âmbito da unidade curricular de Projeto FEUP, inserida no Mestrado Integrado de

Engenharia Mecânica (MIEM), foi proposto à Turma 1M01 o tema “Engenharia Mecânica na

Aviação”. O Grupo 1 decidiu, então, centrar-se no tema “Aviões Supersónicos”.

Desde que o Homem tomou consciência do seu lugar no meio ambiente que o rodeava

e começou a observar, em particular, a incrível capacidade de voo das aves, ultrapassando

as dificuldades dos terrenos irregulares de acesso limitado e conseguindo, assim, percorrer

grandes distâncias rapidamente, que sentiu o desejo de conseguir o mesmo feito. Tentou,

inicialmente, acrescentar elementos ao seu corpo que não possuía, como asas, e, mais

tarde, através do desenvolvimento de diferentes tipos de máquinas que lhe permitissem

atingir esse objetivo.

Desta forma, o aparecimento dos primeiros aviões foram apenas a materialização de

um sonho já antigo do Homem. Contudo, para que esta concretização fosse possível foram

necessários ter em consideração diversos problemas, como encontrar um meio de

propulsão no aparelho, um método que possibilitasse o equilíbrio e controlo durante o voo e

estudar a aerodinâmica da máquina com vista à criação de estruturas (asas) que

permitissem a sustentação do aparelho.

Após a resolução dos problemas técnicos mais básicos da aeronáutica, no início do

século XX, a aviação civil e militar desenvolveu-se rapidamente, tratando-se esta conquista

de uma evolução tecnológica muito significativa para toda a humanidade.

O surgimento da aviação supersónica deu-se no pós Segunda Guerra Mundial, com a

crescente necessidade de criar aeronaves mais rápidas e, por isso, mais eficazes em

combate. No entanto, este propósito só foi possível alcançar com o desenvolvimento de

tecnologias que permitissem, por exemplo, a diminuição do arrasto e uma maior propulsão

por parte dos motores. Posteriormente tentou aliar-se a velocidade supersónica ao domínio

comercial, sem grande sucesso, pelo que esta ideia foi descontinuada.



2. Fundamentos Teóricos Associados ao Voo de um Avião

De forma sucinta, o que permite um avião manter-se no ar é, essencialmente um

equilíbrio de quatro forças que atuam sobre o mesmo: a propulsão, o arrasto, a sustentação

e o peso.

Por um lado, numa componente horizontal, existe a propulsão, assegurada pelos

motores. Estes, por sua vez, servem-se da terceira lei de Newton, acelerando um fluxo de

ar no sentido oposto ao do movimento, fazendo com que se crie uma força no sentido do

movimento: a propulsão [3].

O arrasto é a força que se opõe à propulsão. Esta força desempenha um papel

bastante relevante nos aviões supersónicos, já que o seu aumento é proporcional ao

quadrado da velocidade, sendo que quanto maior a velocidade, maior será o arrasto. É, no

fundo, uma força que resulta da resistência do ar, dependendo de aspetos tais como a

forma do avião e também da altitude a que viaja [3].

Na componente vertical lidamos, inevitavelmente, com o peso, força gravítica

responsável pela atração dos corpos no campo gravitacional da Terra. Assim, esta é a única

força que se revela impossível de alterar [4].

Para combater o peso, recorre-se à sustentação, que é proporcionada pelo formato do

perfil das asas. Tal como se verifica na figura, o ar que passa na parte superior da asa tem

de percorrer uma distância maior relativamente ao ar que passa pela parte inferior. Como

consequência, o ar que percorre a parte de cima vai ter uma velocidade superior ao que

percorre a parte inferior. Esta diferença de velocidades resulta numa diferença de pressões:

Fig. 1- As diferentes forças que atuam no avião [3]



é criada uma zona de baixa pressão onde o ar circula com mais velocidade sendo,

naturalmente, gerada uma força perpendicular à superfície da asa, denominada de

sustentação [4,5].

Assim, sempre que o módulo da sustentação for superior ao do peso, o avião sobe e

enquanto a propulsão for superior ao arrasto, este acelera.

3. Aviões Supersónicos

3.1. Velocidade Supersónica

A velocidade supersónica é uma velocidade superior à velocidade do som. A

velocidade do som é de cerca de 1236 km/h, a 20ºC e ao nível da água do mar. Para se

fazer referência à velocidade a que circula um avião supersónico é normalmente utilizada a

unidade Mach1, que é dada pelo quociente entre a velocidade a que o mesmo circula e a

velocidade do som naquelas circunstâncias.

M = 𝑣0

𝑣𝑠 , onde:

M é o número de Mach

v0 é a velocidade média relativa do avião

vs é a velocidade média do som

Assim, um avião supersónico, por definição, é aquele que circula entre Mach 1.2 e

Mach 5. Aqueles que não atingem Mach 1.2 são, por isso, aviões subsónicos e os que

ultrapassam Mach 5 são designados de aviões hipersónicos [1,2].

4. Características dos Aviões Supersónicos

4.1. Design

O design de um avião supersónico varia em relação ao de um avião subsónico (aviões

comerciais) no que diz respeito a toda a sua estrutura, uma vez que para suportar

velocidades supersónicas é necessário que o arrasto (resistência ao ar) seja minimizado.

Por exemplo, as asas de um avião supersónico são mais finas para diminuir o arrasto e

estão posicionadas de forma a que a sustentação seja a mais eficaz. Além disso, a

fuselagem é normalmente desenhada em forma de bala, apresentando uma frente mais

https://www.nasa.gov/audience/forstudents/5-8/features/nasa-knows/what-is-supersonic-flight-58.html








afunilada. Esta forma permite que o ar que passa por cima da asa aumente de velocidade,

pois a área a percorrer é superior à da parte de baixo, já que esta é plana, e, então, faz com

que a pressão em cima seja menor do que em baixo, permitindo a sustentação [6,7].

4.2. Motores dos Aviões Supersónicos

Os motores usados nas aeronaves supersónicas utilizam motores semelhantes aos

observáveis em aviões subsónicos, porém, modificados de forma a assegurar que se

produza a propulsão necessária para combater o arrasto (que é bastante maior a este tipo

de velocidades), através da aplicação da terceira lei de Newton (par ação-reação).

Os motores, para gerarem a propulsão, admitem ar para compressores que

gradualmente diminuem de tamanho, obrigando o ar a comprimir e, por isso, a pressão

deste aumentar, bem como a sua temperatura, isto porque, para se dar uma combustão

eficaz, será necessária uma pressão e temperatura do ar superiores à que existe na

atmosfera. No entanto, a combustão só se dá se a velocidade do ar for reduzida para

velocidades subsónicas. Assim, antes dos compressores, estão localizadas entradas de ar

desenhadas de forma a que o escoamento do ar que entre passe a ser subsónico. Isto

garante, então, a redução da velocidade do ar. Após a passagem pelos compressores, o ar

entra na câmara de combustão. Com a injeção de combustível, dá-se a combustão da

mistura. Os compressores recebem a energia para rotação de turbinas que se encontram

logo após a câmara de combustão, que rodam quando o ar quente a alta pressão passa por

elas para fora do motor, onde a pressão é inferior. Para aumentar a propulsão, os motores

subsónicos tentam maximizar o fluxo de ar enquanto os motores supersónicos dependem

mais do aumento da velocidade de rotação das turbinas pelo uso do “afterburn2” [37].

Fig. 2 - Pormenor de uma asa e as forças a que está sujeita. [8]

Fig. 3 - Demonstração da deslocação do ar em materiais com diferentes formas. [9]

Força

de

Arrasto

Força

de

Propulsão

Sustentação

+

Propulsão

Peso + Arrasto




O núcleo dos motores não difere muito. No entanto, a maior diferença prende-se no

“rácio bypass3“. Na aviação subsónica é utilizado um rácio bypass bastante considerável

(12:1), resultando numa significativa poupança de combustível e numa diminuição do ruído

provocado pelo motor. A nível supersónico, as prioridades são outras, pelo que o rácio

bypass é mais reduzido, forçando a maior parte do ar a ser direcionado para o núcleo do

motor. Tanto o compressor como a turbina apresentam um design bastante mais complexo,

com vista a maximizar a propulsão. É de salientar o facto de a entrada do motor ser

bastante larga, para que seja possível a redução da velocidade do ar que entra no motor.

Por fim, neste tipo de motores, é frequente o uso de afterburners, que se encontram

posteriores às turbinas e que, tal como o nome indica, são responsáveis por uma segunda

combustão por injeção de mais combustível na mistura resultante da primeira combustão,

que garante uma dose extra de propulsão e potência por período mais curto de tempo [12-

14].

4.3. Materiais de Revestimento

Os aviões supersónicos voam a uma altitude de cerca de 20 000 m e, por isso, os

materiais usados têm de ter características que lhes permitam viajar a essa altura. A

escolha dos materiais usados na construção de um avião supersónico está também

diretamente relacionada com as diferentes condições a que o aparelho está sujeito. Forças

de compressão e tração, condições ambientais adversas, exposição a fluídos e humidade,

corrosão, exposição à radiação (especialmente radiação ultravioleta), relâmpagos são

alguns dos fatores a considerar. No entanto, a finalidade a que se destina o avião - missões

militares ou voos comerciais – é igualmente um fator a ter em conta, pois aí entram outros,

como a manutenção do aparelho e a durabilidade dos materiais selecionados.

Fig. 4 - Motor de avião subsónico [10] Fig. 5 - Motor de avião supersónico [11]



A temperatura da superfície do avião durante o voo é também um dos fatores

preponderantes, uma vez que pode variar desde os -56,5ºC até mais ao menos aos 400ºC.

É igualmente importante referir que dependendo da velocidade a que o avião circula

também diferentes serão as temperaturas que estará sujeito. Verifica-se assim, tal como a

Tabela 1 o demonstra, que quanto maior a velocidade a que o avião circula, maior a

temperatura da superfície deste [15].

Velocidade (Número de Mach) Temperatura da Superfície (°C)

2.0 100

2.5 150

3.0 200

4.0 370

Alumínio, aço, titânio e as suas respetivas ligas, bem como materiais compósitos, são

alguns dos materiais mais utlizados na construção da estrutura de aviões. De acordo com a

Figura 6 abaixo apresentado é possível ver a resistência de certos metais em função da

temperatura máxima de serviço.

Fig. 6 - Variação da resistência de diferentes matérias em função da temperatura. [16]

Tabela 1 - Variação da temperatura da superfície do avião a diferentes velocidades. [16]



O alumínio apresenta uma elevada resistência, boa condutividade tanto térmica quanto

elétrica e alta resistência à corrosão. É por essa razão que, ainda hoje, é um material muito

utilizado na construção de aeronaves. Quando sujeito ao calor, porém, perde resistência.

No entanto, existem revestimentos próprios resistentes ao calor que lhe podem ser

aplicados para que suporte temperaturas mais elevadas, ou seja, para isso precisa de ser

tratado [16,17].

O titânio, por sua vez, é um material atrativo para aplicações aeroespaciais, porém o

seu custo é bastante elevado quando comparado com o alumínio ou o aço. Numa visão

mais otimista, este custo extra é justificado pelas vantagens que apresenta, como é o caso

do seu elevado ponto de fusão (funde aos 1668 °C), que garante que o calor não tem

efeitos significativos na estrutura do avião e, adicionalmente, a sua baixa expansão térmica4

garante estabilidade durante o voo supersónico [16,17].

Também é comum o uso de materiais compósitos, nomeadamente, os reforçados com

fibras de carbono devido à sua elevada resistência à tração e compressão (só é resistente à

compressão por causa da resina termoendurecida), à sua capacidade de flexão, à sua

resistência à corrosão e também por serem consideravelmente mais leves do que os

materiais anteriormente referidos [15].

No entanto, o verdadeiro desafio está em encontrar materiais com grande resistência

ao impacto e ao calor, que sejam leves e também que sejam baratos. Atualmente os

materiais usados em aviões supersónicos, como é o caso da fibra de carbono, apresenta

excelente resistência e seria o material mais indicado para o tipo de condições a que o

avião supersónico está sujeito, todavia o seu preço não permite às construtoras a sua

utilização, pelo que optam por materiais mais baratos e, consequentemente mais fracos

[18,19].

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

Titânio Aço Liga de alumínio(6061-T6)

Fibras deCarbono

(Laminado)

Ultimate Strenght (MPa)

Fig. 7 - Gráfico que compara a resistência de materiais. [20]



5. As Vantagens e Desvantagens dos Aviões Supersónicos

5.1. Vantagens

• A capacidade que os aviões supersónicos têm de atingir grandes velocidades

permite que o tempo de viagem diminua e torna possíveis viagens de grandes

distâncias em curto tempo [21].

• A velocidade a que viajam não os torna tão suscetíveis à turbulência e permite evitar

o “stall 5”, que é a perda de sustentação do avião e consequente queda do mesmo

por causa da separação do fluxo de ar do extradorso da asa do avião [21].

• A nível militar são armas poderosas para intersectar outros voos e para atacar e

eventualmente fugir de uma situação de perigo [21].

Tabela 2 - Principais comparações entre o Concorde e os aviões comerciais [21]

Fig. 8 - Avião em situação de stall. [22]



5.2. Desvantagens

• No entanto, estes aviões não são capazes de transportar muitos passageiros

devido ao seu tamanho reduzido. Devido ao seu imenso consumo de

combustível, a sua autonomia é bastante inferior à dos aviões comerciais. De

um ponto de vista comercial, são, por isso, muito inferiores aos aviões

convencionais [21].

• Estes aviões, ao passarem a barreira do som, provocam uma explosão capaz de

partir vidros e janelas, bem como de ensurdecer humanos e animais. A sua

passagem origina uma onda de choque cuja vibração chega mesmo a causar

danos materiais e auditivos [21] [23].

• Aliada à rapidez com que os aviões faziam as viagens estava o preço elevado.

Apenas quem tinha bastante dinheiro podia viajar neles.

• Exigem altos gastos de manutenção e de operação, bem como da construção

[24].

6. História

6.1. Evolução

O desenvolvimento do primeiro avião supersónico deveu-se ao ambiente presente no

mundo ocidental após a Segunda Guerra Mundial. Os E.U.A. viviam com prosperidade, o

que permitiu grandes investimentos e levou a grandes avanços no ramo da aeronáutica,

frutos da investigação e inovação feitas para a guerra [25].

Fig. 9 - Bell XS-1 – O primeiro avião supersónico [26]



A 14 de outubro de 1947, o “Bell XS-1”, pilotado pelo capitão da Força Aérea dos

E.U.A, Charles E. Chuck Yeager, tornou-se no primeiro avião a ultrapassar a velocidade do

som, atingindo os 1 541 km/h (a 1300 m de altitude). Apesar da sua importância para a

história da aviação, este avião foi apenas utilizado para fins de investigação, nunca tendo

sido usado para qualquer outro propósito [26].

O “X-15” foi um projeto conjunto da NASA com a Força Aérea dos E.U.A que se

prolongou entre 1959 e 1968. Esta aeronave estabeleceu tanto o recorde de velocidade

(atingindo 7 274 km/h – Mach 5.94), como o de altitude de voo (107 960 m,108 km). Este

avião foi particularmente importante na investigação para o desenvolvimento dos primeiros

vaivéns espaciais [27].

Apesar de não ser tão conhecido como o famoso Concorde, na verdade o “Tupolev Tu-

144” foi o primeiro avião supersónico comercial a ultrapassar a velocidade do som, voando

pela primeira vez a 31 de dezembro de 1968. Tinha uma capacidade de 120 passageiros e

era capaz de atingir os 2 430 km/h (Mach 1.98). No entanto, a sua produção e voo foram

interrompidos em 1983 devido a constantes acidentes, sendo mais conhecido o acidente

que matou 8 pessoas em 1973 quando voava no Paris Air Show [28].

Fig. 11 - Tupolev Tu-144 [28]

Fig. 10 - X-15 [27]



Provavelmente o avião supersónico mais famoso de sempre, o “Concorde” voou entre

1976 e 2003, transportando ao todo 2,5 milhões de passageiros nesse período de tempo.

Esta aeronave era bastante parecida com o “Tupolev Tu-144”, sendo igualmente veloz,

conseguindo atingir os 2 450 km/h (Mach 2.00). Foi fabricado pela British Aircraft

Corporation (BAC) em conjunto com a francesa Aérospatiale, tendo sido ao todo fabricados

20 exemplares, e operado pelas companhias British Airways e Air France.

Apesar do seu grande sucesso, o “Concorde” deixou de ser utilizado para fins

comerciais em 2003. Existem vários motivos e conspirações por trás do seu insucesso

repentino:

- A Força Aérea Americana concluiu que, após testes feitos, os voos supersónicos

causavam perturbações originadas pelo estrondo sónico, pelo que declararam que

os voos desta nave não eram viáveis no território americano e proibiram os voos

para lá. No entanto, há quem defenda, em teorias da conspiração, que tudo isto

não passou de uma desculpa para acabar com o sucesso deste avião e com a

hegemonia da British Airways e da Air France que, como não podiam ir para o solo

americano, perdiam os clientes capazes de pagar a viagem e consequentemente

perdiam o lucro, e assim a Boeing, empresa de aviação americana, podia

prosperar.

- Outro ponto foram as preocupações ambientais relacionadas com os potenciais

danos provocados na camada de ozono pelos gazes emitidos, já que este avião

era extremamente poluente.

- O acidente que o “Concorde” sofreu (em 25 de julho de 2000) foi um

acontecimento que contribuiu fortemente para o abandono desta aeronave.

- Finalmente concluiu-se que, em geral, o “Concorde” não era de todo rentável. Os

preços dos bilhetes eram elevados, significando que pouca gente andaria nele, e a

capacidade destes aviões era reduzida (apenas 120 passageiros) [21] [28,29].

Fig. 12 - Concorde [28]



Desde 2003 que não existe qualquer avião supersónico comercial em atividade. O

“Boom” é um projeto de uma empresa startup (com o mesmo nome) que visa mudar isso.

Esta aeronave teoricamente é capaz de atingir velocidades Mach 3.00 e terá um custo

calculado de bilhete estimado em 4500€, preço inferior ao que era para se viajar no

“Concorde” [28].

O “X-43A” detém até hoje o recorde para velocidade de voo, apesar de ser não

tripulado, tendo atingido Mach 9.6 (11 761 km/h) em novembro de 2004 e uma altitude de

33,5 km [30].

6.2. O Futuro da Aviação Executiva

No que diz respeito aos aviões que suportam a tecnologia supersónica, podemos

constatar que tais estão a ser desenvolvidos e testados para que num futuro próximo

possam fazer parte do dia-a-dia das pessoas.

Atualmente, as indústrias preocupam-se com a conceção de aviões mais rápidos,

sendo um exemplo a Aerion, criadora do projeto “AS2” (fig. 12) anunciado em 2014, que

espera, em 2021, ter o seu avião capaz de atingir velocidades entre o Mach 1.4 e Mach 1.6

Fig. 13 - Boom [28]

Fig. 14 - NASA X-43 [30]



(1 486 e 1 700 km/h, respetivamente) a voar. Juntou-se a este projeto a grande empresa

aeroespacial, a Airbus, que, conjuntamente com a Aerion, tornarão este projeto uma

realidade [31].

Outro exemplo a ter em conta é o jato “Hypermach SonicStar” que está a ser projetado

para atingir velocidade de Mach 4.4 (4 673 km/h), mais rápido que o “Lockheed SR-71”, que

foi, em tempos, o avião militar operacional mais rápido do mundo. A distinção deste avião

deve-se ao facto de o seu motor ser híbrido, usando tanto combustíveis fóssil como a

energia elétrica, o que é verdadeiramente inovador [21].

Por fim, a Spike Aerospace tem vindo, desde 2013, a conceber o seu avião

supersónico, o “Spike S-512”. Foi projetado para atingir velocidades na ordem do Mach 1.8

(1 912 km/h), sendo que a diferença preponderante está no facto de a cabine dos

passageiros não ter janelas, mas sim ecrãs ao longo de todo o corpo que passam a imagem

do exterior virtualmente [14] [33].

Fig. 15 - Avião AS2, da Aerion (protótipo) [31]

Fig. 16 - Jato Hypermach SonicStar [32]



6.3. Principais Fabricantes de Aviões Supersónicos

A atualidade e o futuro da aviação, tanto a nível comercial como militar, deve-se muito

ao contributo destas empresas:

• Sukhoi (criadora de caças militares)

• British Aircraft Corporácion Aerospatiale - BAC (criadora do Concorde)

• Airbus (jatos supersónicos)

• Supersonic Aerospace International (criação de jatos supersónicos executivos e

supersónicos silenciosos)

• Tupolev (criação de jatos supersónicos executivos)

• NASA (principal impulsionadora na conceção de aviões supersónicos)

7. Concorde - O Ícone da Aviação Supersónica

O Concorde é o maior ícone dos aviões supersónicos e tal deve-se ao facto de ter

permitido a muitos passageiros, durante quase 30 anos, realizarem viagens de Londres a

Nova Iorque em apenas 3 horas e meia, em comparação às 7 ou 8 horas dos aviões

convencionais.

Fig. 17 - Spike S-512 [33]

Fig. 18 – Concorde [34]



7.1. Design e Materiais do Concorde

7.1.1. Asa

A equipa de engenheiros que desenvolveu o Concorde concluiu que a melhor

solução para a formulação da asa seria adotar uma em forma de delta. Este

formato permite um excelente controlo da aeronave, bem como uma aterragem

suave, já que, quando a aeronave se aproxima do solo, esta diminui o

escoamento, o que impede a formação de vórtices, levando a uma criação de

uma espécie de “almofada de ar” [35].

7.1.2. Nariz

O nariz característico do Concorde foi desenhado para adquirir diversas

posições ao longo das diversas fases do voo pela necessidade de um design

aerodinâmico, de modo a reduzir o arrasto e aumentar a eficiência do avião.

Este mecanismo é controlado pelo sistema hidráulico e cada posição é utilizada

para específicos momentos do voo supersónico [35].

As diferentes posições do nariz (imagem da esquerda para a direita, de cima

para baixo): [35]

- Nariz e viseira totalmente para cima: posição usada de modo a proteger o

cockpit do calor e da pressão, ficando o nariz alinhado com o resto do corpo.

Usada durante o voo supersónico.

- Nariz totalmente para cima e viseira recolhida: posição usada em voo

cruzeiro a velocidades subsónicas.

- Nariz para baixo 5º: posição usada durante a descolagem.

- Nariz para baixo 12,5º: posição utilizada na aterragem.

Fig. 19 - Várias posições do nariz do Concorde [36].



7.1.3. Materiais

Sendo um avião projetado para atingir velocidades de Mach 2.0, seriam

necessários materiais com propriedades físicas, químicas e mecânicas, isto é,

resistentes à corrosão, fadiga, tração, compressão, entre outros. Assim, a base

estrutural da aeronave foi feita numa liga de alumínio e cobre. No resto do corpo

podemos encontrar também o titânio e o aço, materiais que igualmente satisfazem

os requisitos [35].



Notas Finais

• Em suma, os aviões supersónicos são aqueles que voam a velocidades entre Mach

1.2 e Mach 5.0.

• A aerodinâmica do avião é fundamental para a diminuição da resistência do ar e

para que seja possível atingir mais facilmente velocidades supersónicas.

• O tipo de voo que o avião efetua vai determinar as características físicas dos

materiais aplicados na sua estrutura e revestimento.

• Deve-se enfatizar ainda que o tipo de motores usados não difere muito dos motores

subsónicos, a exceção da utilização de afterburners que permitem uma propulsão

extra.

• Denote-se ainda que as aeronaves supersónicas criam ondas de choque, o Boom

sónico, capazes de provocar danos materiais e a nível da saúde.

• Concluindo estes aviões podem ser usados tanto para fins militares como para fins

comerciais.

Trabalhos Futuros

• Seria interessante estudar a aerodinâmica dos aviões hipersónicos (velocidade

superior a Mach 5.0), assim como a arquitetura do seu motor, em particular do avião

X-43A da NASA.

• Um estudo aprofundado acerca da viabilidade da aplicação da aviação supersónica

num contexto comercial atual seria igualmente relevante.



Referências Bibliográficas

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[2] https://www.nasa.gov/audience/forstudents/5-8/features/nasa-knows/what-is-supersonic-

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[3] https://www.sciencelearn.org.nz/images/286-forces-affecting-flight Acedido a 12 de

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[4] http://www.if.ufrgs.br/tex/fis01043/20031/Andre/ Acedido a 12 de Outubro de 2017

[5] https://mundoestranho.abril.com.br/tecnologia/como-o-aviao-voa/ Acedido a 12 de Outubro

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[6] Ashby, Michael F. (1999).”Materials Selection in Mechanical Design”. Butterworth-

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[7] https://www.grc.nasa.gov/www/k-12/airplane/move.html Acedido a 3 de outubro de 2017

[8] http://fisicaqui.blogspot.pt/2010/05/como-funciona-asa-de-um-aviao.html Acedido a 12 de

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[9] https://cmans.wordpress.com/2012/07/02/paraigua-de-disseny/ Acedido a 12 de outubro de

2017

[10] https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Turbofan_operácion_lbp.svg Acedido a 12 de

outubro de 2017

[11] http://www.leteckemotory.cz/motory/f404/index.php?en Acedido a 12 de outubro de 2017

[12] https://aviation.stackexchange.com/questions/22385/why-do-military-turbofan-engines-use-

a-low-bypass-rácio Acedido a 9 de outubro de 2017

[13] https://aviation.stackexchange.com/questions/9066/why-cant-jet-engines-operate-with-

supersonic-air-and-how-do-they-slow-it-down Acedido a 9 de outubro de 2017

[14] http://itamarclaudionetto.no.comunidades.net/aerodinamica-de-alta-velocidade Acedido a 9

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[15] https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/B0080431526000139 Acedido a 9 de

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[16] http://howthingsfly.si.edu/ask-an-explainer/what-most-suitable-material-can-be-used-

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[17] http://aeromagazine.uol.com.br/artigo/construcao-do-aviao-do-futuro_2112.html

[18] https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0261306912006905#f0005 Acedido a 6

de outubro de 2017

[19] http://howthingsfly.si.edu/ask-an-explainer/what-most-suitable-material-can-be-used-

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[20] https://www.engineersedge.com/material_science/yield_strength.htm Acedido a 3 de

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[21] Andrei Megre Souto, Gustavo Henrique Silva Rodrigues, João Victor Rodrigues Gasparin e

Rafael Honorato Bezerra. (2016). “Rompendo a barreira do som: Estudando a física envolvida

na aerodinâmica do avião supersónico”. Escola Magnus Domini. Acedido a 3 de outubro de

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[22] https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Deep_stall.svg Acedido a 12 de outubro de 2017

[23] https://pt.wikipedia.org/wiki/Estrondo_s%C3%B4nico Acedido a 3 de outubro de 2017

[24] http://fsim.com.br/ceaero/dow/Curso04_Pistoresi.pdf Acedido a 3 de outubro do 2017

[25] http://www.historynet.com/supersonic-revolution.htm#prettyPhoto Acedido a 3 de outubro de

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[26] http://www.historynet.com/supersonic-revolution.htm#prettyPhoto Acedido a 3 de outubro de

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[27] https://www.nasa.gov/centers/armstrong/news/FactSheets/FS-052-DFRC.html Acedido a 9

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[29] https://youtu.be/a_wuykzfFzE Acedido a 12 de outubro de 2017

[30] https://www.nasa.gov/centers/armstrong/news/FactSheets/FS-040-DFRC.html Acedido a 9

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[31] http://aviationweek.com/business-aviation/airbus-help-aerion-design-supersonic-business-jet

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