Investigação

Áreas de Investigação

  • Aeroacústica
  • Dinâmica de Voo
  • Ensaios em Voo
  • Magneto-Hidrodinâmica (MHD)
  • Estruturas Aeroespaciais
  • Mecânica dos Fluidos Computacional
  • Sistemas Dinâmicos Não-Lineares

Aeroacústica

A aeroacústica, como o nome indica, é a área de conhecimento que estuda a propagação de ondas sonoras pelo ar. Também é fácil de perceber que desempenha um papel preponderante na concepção e projecto de um avião. De facto, um aspecto determinante no projecto de um avião comercial, mesmo para os supersónicos, prende-se com as restricções legais sobre os níveis de ruído permitidos para voos sobre áreas habitadas. Além disso, são igualmente relevantes em projectos de aviões, o conforto acústico na cabine e a fadiga acústica de materiais, entre outros.
O estudo do som gerado aerodinamicamente realizado nos últimos cinquenta anos tem tido como principal objectivo reduzir o ruído produzido pelos aviões, por forma a torná-lo aceitável para as pessoas que vivem nas vizinhanças dos aeroportos. O ruído pode causar a fadiga dos materiais, para valores acima dos 150 dB, que ocorrem em estruturas próximas de motores a jacto ou de foguete. As previsões mais recentes indicam que o tráfego aéreo  duplicará o valor actual no ano 2015. À medida que o volume de tráfego aumenta, é preciso reduzir o ruído provocado por cada descolagem e aterragem, de forma que a exposição total ao ruído das populações residentes próximo de aeroportos não aumente.
Decorrem actualmente investigações em vários projectos de aeroacústica, nomeadamente:

  • Estudo de propagação do som em tubeiras de secção variável;
  • Ruído de hélices;
  • Estudo da interacção de um vórtice com a pá de um rotor de helicóptero;
  • Acústica da camada limite e da camada de corte de um escoamento;
  • Acústica de tubeiras com impedância não uniforme;
  • Fadiga acústica dos materiais.

Dinâmica de Voo

A Dinâmica de Voo estuda todos os factores do voo de um avião, incluindo o desempenho, estabilidade e controlo, as manobras que podem ser realizadas, os efeitos de perturbações atmosféricas, a gestão de tráfego aéreo e as características de novas configurações de aviões. Referimos alguns exemplos nestes domínios. As questões de controlo e estabilidade de voo põem-se, mesmo para aviões convencionais, nos regimes não lineares de voo a grande incidência. Certas perturbações atmosféricas põem em causa a segurança: por exemplo o windshear que é uma combinação de ventos (vento descendente sobreposto com vento frontal que passa a vento de cauda) perigosa nas fases de descolagem e aterragem. Trata-se de prever as consequências dessas perturbações para escolher trajectórias seguras de penetração ou evitamento. A gestão do tráfego aéreo põe várias questões relacionadas com o aumento da capacidade sem diminuir a segurança, por exemplo: diminuir a separação entre aviões, sem aumentar o risco de colisão, usando navegação mais precisa. A capacidade das pistas de aeroportos depende da separação entre aviões, que é determinada de forma a que a esteira turbulenta deixada pelo avião da frente não afecte excessivamente o avião seguinte: o aumento da capacidade das pistas, supõe uma menor separação entre aviões e melhor conhecimento dos efeitos das esteiras turbulentas. Aviões futuros, com capacidades muito superiores aos actuais, por exemplo uma asa voadora para 1000 passageiros, permitem grandes economias de combustível (da ordem dos 40%) mas põem novos problemas de estabilidade e controlo, visto que se trata de "configurações" não convencionais. De entre os temas de investigação neste domínio cita-se:

  • Estabilidade de Voo não-linear em voo a grande incidência;
  • Efeitos de perturbações atmosféricas ( windshears) no voo perto do solo;
  • Separação de aviões em voo para manter probabilidades de colisão extremamente baixas;
  • Separação de aviões à descolagem e aterragem para obter a capacidade máxima das pistas mantendo a segurança;
  • Novas configurações de aviões de transporte de passageiros de grande capacidade e eficiência, e suas características de estabilidade e controlo.

Ensaios em Voo

Por ensaios em voo entende-se a avaliação crítica do desempenho duma aeronave, ou dos seus sistemas, em condições reais de utilização, isto é, com a aeronave em voo. A realização de ensaios em voo consiste na medição, e posterior análise, dum conjunto de parâmetros inerentes à aeronave em ensaio, aos seus sistemas ou ao meio que a circunda. Os meios que permitem a realização de ensaios em voo designam-se por sistemas de instrumentação, sendo comstituídos por componentes embarcados e por sistemas não embarcados, instalados numa estação de acompanhamento no solo. Normalmente, os meios embarcados permitem medir, codificar, registar e/ou transmitir para o solo em tempo real (telemetria), os valores correspondentes às medidas realizadas em voo. Os meios no solo, directamente relacionados com o sistema de instrumentação, permitem a recepção e/ou reprodução, descodificação, processamento e análise dos dados, recolhidos na aeronave em ensaio.
Portugal dispõe de capacidade autónoma de realização de ensaios em voo, a qual, em princípio, permite a realização de ensaios em voo de qualquer tipo e sobre qualquer aeronave. Esta capacidade está associada ao Grupo de Trabalho de Ensaios em Voo (GTEV), o qual resultou da cooperação entre o Instituto Superior Técnico e a Força Aérea Portuguesa. Até ao momento foram instrumentadas as seguintes aeronaves da Força Aérea Portuguesa:

  • CASA 212 AVIOCAR - Basic Aircraft for Flight Research (BAFR) 
  • AEROSPATIALE SA-330 PUMA
  • VOUGHT A7-P CORSAIR II (duas aeronaves instrumentadas) 
  • LOCKHEED P3-P ORION (duas aeronaves instrumentadas) 
  • DORNIER/DASSAULT ALPHA-JET (duas aeronaves instrumentadas)
  • LOCKHEED C130-H HERCULES
  • SOCATA TB-30 EPSILON (duas aeronaves instrumentadas)
  • DASSAULT FALCON 20
  • DASSAULT FALCON 50

A capacidade existente tem sido utilizada em vários projectos de investigação e desenvolvimento em diversas áreas:

  • Dinâmica de Voo - vários projectos (CASA 212 AVIOCAR - BAFR)
  • Gestão e Controlo de Tráfego Aéreo - projecto EFEDAL com o EUROCONTROL (CASA 212 AVIOCAR - BAFR);
  • Navegação por Satélite - Avaliação Operacional do Sistema EGNOS, projecto de colaboração internacional envolvendo diversas entidades, nomeadamente o EUROCONTROL (DASSAULT FALCON 20 e DASSAULT FALCON 50); Avaliação Operacional de um Sistema GBAS, projecto de colaboração com a NAV PORTUGAL e a Força Aérea Portuguesa (DASSAULT FALCON 50)
  • Monitorização de Cargas em Voo para a Avaliação da Integridade Estrutural de Aeronaves - projectos VOUGHT A7-P CORSAIR II, LOCKHEED P3-P, LOCKHEED C130-H HERCULES, DORNIER/DASSAULT ALPHA-JET e SOCATA TB-30 EPSILON
  • Certificação de Novas Configurações de Voo/Análise de Flutter - Vários projectos para a Força Aérea Portuguesa (DORNIER/DASSAULT ALPHA-JET)
  • Caracterização da Utilização Operacional de Motores - projecto LARZAC para a Força Aérea Portuguesa e TURBOMECA (DORNIER/DASSAULT ALPHA-JET)

Magneto-Hidrodinâmica (MHD)

A energia originada pelas reacções nucleares que acontecem no centro do Sol e o campo magnético solar dão origem a um plasma nas regiões em torno do Sol - a magnetosfera - e que se estende para o espaço interplanetário - o vento solar. Na magnetosfera e vento solares acontecem fenómenos muito variados e complexos, alguns dos quais ainda mal compreendidos. Por exemplo, ainda não se conhece em detalhe o mecanismo físico que faz com que a parte exterior da magnetosfera solar - a corona - tenha uma temperatura muito mais elevada que as suas regiões mais interiores. A actividade solar, que origina o vento solar, varia ciclicamente e tem consequências importantes no ambiente espacial. Nos máximos da actividade solar, quando ocorrem mais erupções solares, existe mais matéria e energia emitidas para as regiões interplanetárias que podem provocar interrupções nas comunicações das sondas espaciais e satélites ou mesmo danifica-los. Este fenómeno também se faz sentir na superfície da Terra, originando as auroras e chegando a afectar o funcionamento de centrais eléctricas.
A ACMAA está envolvida no estudo da atmosfera e vento solares no contexto da magneto-hidrodinâmica, teoria que trata o plasma como um fluido. O trabalho que tem sido realizado incide nomeadamente no estudo da propagação das denominadas ondas magneto-hidrodinâmicas, que são originadas nos plasmas pelas interacções entre o fluido e o campo magnético.

Estruturas Aeroespaciais

Estruturas Adaptativas - Na ultima década, os desenvolvimentos tecnológicos nos materiais e nos meios computacionais permitiram a criação de um novo campo de investigação, onde sensores integrados nas estruturas fornecem informações sobre estas a um sistema de processamento e controle; este por sua vez actua sobre a estrutura, alterando as suas propriedades estruturais. Para o bom desenvolvimento deste campo é necessário o estudo em três tópicos distintos:

  • Desenvolvimento de materiais adequados para os sensores e actuadores;
  • Estudo dos circuitos eléctricos, com o objectivo de criar novos algoritmos de controle e processamento de sinal;
  • Criação de novos algoritmos de computação.

Na investigação em curso estuda-se a possibilidade de aplicar materiais piezzo-eléctricos (materiais que se deformam com a aplicação de uma corrente eléctrica, e por sua vez fornecem corrente eléctrica quando são deformados) como actuadores e sensores inseridos nas estruturas aeronáuticas, de modo a suprimir o flutter (vibrações que se observam num avião a altas velocidades e que podem provocar a sua perda) e o ruído no próprio avião.

Controle de Estruturas Espaciais Flexíveis - As estruturas espaciais actuais são bastantes complexas na sua estrutura, apresentado três características distintas: (i) são estruturas flexíveis; (ii) têm múltiplos componentes flexíveis, tais como antenas e booms; e (iii) é necessário prever com bastante precisão as suas futuras capacidades, ainda no projecto. Deste modo,  a importância do estudo das deformações estruturais e térmicas tem vindo a  aumentar,  nas várias fases de criação: projecto, fabrico e construção. Como as especificações de projecto e de missão pretendidas para a maior parte dos projectos não são viáveis com a tecnologia actual, torna-se necessário desenvolver novas metodologias nas áreas de controlo e da dinâmica do veículo, nomeadamente, no estudo do controle de atitude e de supressão de vibrações de estruturas flexíveis espaciais, na presença de perturbações.

Controlo Activo de Vibrações de Veículos Aéreos e Submarinos - Actualmente, veículos que se desloquem sobre ou debaixo de água usam propulsores para a locomoção e rudders para controlar a direcção do deslocamento; estes sistemas de propulsão geram níveis apreciáveis de ruído, o que pode ser extremamente prejudicial ao meio ambiente. Os animais marinhos e micro-organismos movimentam-se através de alterações do seu corpo. Com a evolução da Mecatrónica e das estruturas adaptativas, tornou-se possível e desejável a investigação dos príncipios biológicos de locomoção, com vista à construção de sistemas de propulsão eficientes e silenciosos para veículos submarinos. A viabilidade da utilização de materiais adaptativos para a deformação e controle da forma dos corpos é o tema principal da investigação decorrente.

Sistemas Dinâmicos Não-Lineares

A quase totalidade dos modelos físico-matemáticos com interesse em engenharia correspondem a sistemas dinâmicos: discretos, como por exemplo, equações diferenciais discretizadas, de dimensão finita, como as leis de Newton, ou de dimensão infinita, como as equações de Navier-Stokes para fluidos Newtonianos. A par desse facto, está a não linearidade desses modelos, que pode dar origem a movimentos com grande complexidade (caos). Assim, pretende-se, nesta área de investigação, estudar a geometria e a dinâmica envolvidas nesses modelos. Como exemplos de aplicações em engenharia aeronáutica pode citar-se, entre muitos outros, o problema de controlo e estabilidade de voo, de estabilidade de atitude de um satélite, de estabilidade de escoamentos de fluidos, e de bifurcações de pontos de equilíbrio, como o varejamento.

Mecânica dos Fluidos Computacional

O progresso da indústria informática propiciou o desenvolvimento de métodos computacionais que permitem a simulação acurada de problemas de engenharia que interessam a indústria. Nesse contexto, e como sugere o seu nome, a mecânica dos fluidos computacional ocupa-se dos problemas que envolvem escoamentos de fluidos. A sua área de actuação estende-se a domínios tão diversos como a bioengenharia, o ambiente, a geração de energia,a indústria automóvel e aeroespacial, só para referir algumas áreas. Com efeito, a mecânica dos fluidos computacional ocupa hoje uma posição de destaque na indústria aeroespacial. Os seus principais atributos são a acuidade dos resultados, o baixo custo de cálculo e o seu curto tempo de resposta.