Flutter Ressonância Aero-Elástica

Aspectos Básicos do "FLUTTER" e de sua Prevenção

Nos últimos 10 anos ocorreram no Brasil, cerca de 4 acidentes mortais com planadores em 2 dos quais, o fenômeno de "flutter" ou ressonância aeroelástica, esteve presente, e ao que tudo indica, o desconhecimento deste fenômeno, parece ter contribuído substancialmente.
Procuraremos aqui, dar uma ligeira idéia do que é o "flutter", como ocorre, porque ocorre e o que se pode fazer para evitá-lo.

O que é o "flutter" (ressonância aeroelástica)

Para compreender o "flutter" é interessante em primeiro lugar, considerarmos o comportamento de um sistema mecânico bastante conhecido ou seja o de uma massa, uma mola e um amortecedor quando submetido a uma força externa oscilatória. Variando-se a freqüência da oscilação externa, atinge-se um ponto, que se chama de ressonância, em que as oscilações da massa são ampliadas ao máximo.

Se colocarmos num gráfico, a resposta da massa em função da freqüência da oscilação de entrada, teremos curvas conforme a figura abaixo.

Este comportamento natural de um sistema é geral e como exemplo temos os casos de "Shimmy" de rodas de automóveis e os circuitos de rádio e televisão Sintonizar um aparelho é alterar os seus ele- mentos de modo a fazê-lo "ressoar" numa certa freqüência.
Assim o "flutter" em aviões ou planadores, nada mais é do que mais um caso particular deste fenômeno vibratório geral, no qual:

  • As forças externas são fornecidas pelo ar em movimento, sendo o seu valor, portanto, proporcional ao quadrado da velocidade do planador, como quase todas as forças aerodinâmicas.

  • As massas, são as das partes oscilante em movimento , uma asa, um aileron ou um profundor.

  • Os amortecedores no caso de superfícies fixas como uma asa, é o atrito interno de deformação dos materiais das estrutura e no caso de superfícies móveis, também os atritos dos sistemas de comando. Em ambos os casos, estes amortecimentos são bastante pequenos sendo um pouco maiores para as estruturas rebitadas e parafusadas ou fabricadas em material composto. Há ainda, um certo amortecimento provocado pelo próprio ar que envolve a superfície em movimento, mas que, sendo praticamente constante, o seu valor relativo às forças aerodinâmicas cai com o a velocidade, além de sofrer modificações devido a esta. Imaginem um remo oscilando dentro d'água e terão uma idéia deste tipo de amortecimento. De qualquer maneira, o fundamental é que o amortecimento é quase sempre pequeno.

  • As molas, no caso de superfícies fixas, é representado pela própria estrutura e no caso de superfícies móveis é mais uma vez, o próprio ar em movimento ajudado em certos casos pela elasticidade do próprio sistema de comando.

O "flutter" pode ocorrer, pela excitação e vibração de uma única superfície fixa isoladamente como por exemplo uma asa, o que não é freqüente, ou em casos mais raros, com uma deriva ou um estabilizador isolados. Nestes casos, ele é geralmente catastrófico devido ao amortecimento muito fraco.

O 'flutter" pode ocorrer ainda, devido a vibração de uma superfície móvel isolada, profundor. leme, etc. Nestes casos, ele se apresenta mais controlável pelo piloto, a não ser quando a mola é representado por um sistema de comando demasiadamente flexível.

Mas o caso mais comum de "flutter" é o de acoplamento da vibração de uma superfície móvel com a de uma fixa, e que por ser acoplado, é mais difícil de ser analisada. Imaginem por exemplo um sistema com 2 molas, 2 amortecedores, 2 massas e 2 mãos.

Um sistema deste é mais complexo e na realidade, uma asa com um aileron representa um sistema com pelo menos 3 graus de liberdade envolvendo flexão da asa, torção da asa e deflexão do aileron ou as vezes com graus de liberdade adicionais envolvidos.

Uma empenagem, representaria um sistema ainda mais complexo se considerarmos a torção e flexão do cone da cauda, etc.
A análise de como ocorre tudo isto, logicamente não é simples e o seu estudo representa em si uma especialização completa no campo da engenharia aeronáutica, mas para o entendimento do que veremos adiante, o até aqui exposto é suficiente.

Prevenção do "flutter"

Vamos tentar estabelecer algumas regrinhas baseadas nos quatro elementos fundamentais - massa - mola - amortecedor - força externa:

  • Massa

O desbalanceamento correto das superfícies de comando é fundamental na prevenção do 'flutter". Digo desbalanceamento porque a maioria dos planadores não tem superfícies balanceadas, seja estática de ou dinamicamente. Isto não quer dizer, que estas não devam ser cuidadosamente pesadas após qualquer reforma ou construção. Qualquer acréscimo de peso ou maior afastamento do centro de gravidade da linha de articulação com relação ao projeto original ou modelo homologado pode ter conseqüências desagradáveis. Ex. O projeto do SB-5 exige o bordo de fuga do profundor fabricado em balsa - logo não deve ser empregado outro material.

A introdução de tanques de lastro ou de qualquer massa razoável nas asas, altera seu comportamento vibratório. Estas massas serão tão mais prejudiciais quanto mais externas e quanto mais recuados em direção ao bordo de fuga.

As reformas estruturais geralmente acarretando aumento de peso, e é útil comparar-se a freqüência natural da asa antes e depois de reformas. Esta freqüência pode ser facilmente medida, sacudindo as asas naturalmente" pelas pontas e contando-se o número de oscilações obtidas, digamos em um minuto. Uma variação substantiva da freqüência natural é sempre um alerta.

  • Mola

Os sistemas de comando devem ser conservados livres de folgas e jogos e nos sistemas de comando por cabos, estes devem ser mantidas com a tensão correta pois tal como ocorre com as cordas de um violão, a freqüência de vibração da superfície de comando irá depender desta tensão. Após as montagens e desmontagens. é útil verificar-se o comportamento das superfícies de comando, mantendo-se fixos os pedais e o manche. Quanto a "mola" aerodinâmica, a única coisa que podemos fazer é não ultrapassar os limites de velocidades previstas.

  • Amortecedor

Deve-se procurar manter a estrutura da aeronave, íntegra em todos os seus elementos - uma nervura ou caverna deslocadas ou um remendo mal feito podem alterar o amortecimento de uma asa ou de cone da cauda. Também sob este aspecto, é interessante manter-se um registro das freqüências naturais dos componentes que permite detectar falhas internas ocorridas por exemplo após pousos duros ou fora de pista. A substituição de roldanas ou guinhóis com buchas por outros com rolamentos pode facilitar o aparecimento de "flutter", pela redução do atrito e portanto do amortecimento do sistema.

  • Força externa

A ocorrência do "flutter" sempre exige uma excitação correta numa velocidade determinada. Pode-se voar num planador sujeito a flutter' e ultrapassar a velocidade de flutter sem que este ocorra. Isto, parece ter ocorrido nos dois acidentes mencionados na introdução e em ambos os casos, o fenômeno somente só se apresentou a baixa altura, excitado pela turbulência de alta freqüência provocado pela interferência do vento com os acidentes do solo.

Os vôos de ensaio para garantia de inexistência de flutter (quando empregados ) são feitos a grande altura, por pilotos experientes e conhecedores do fenômeno, equipados com pára-quedas. Além da excitação dos comandos em todas as velocidades são também utilizados vibradores ou explosões de cartucho. As velocidades são aumentadas gradativamente, mas ainda assim, em muitos casos, a aproximação da zona de flutter" somente pode ser pressentida através da análise de registros que permitam acompanhar a evolução do comportamento dos amortecimentos da estrutura e das superfícies de comando.

CONCLUSÃO

A melhor garantia contra o flutter é o vôo dentro dos limites de velocidade em planador devidamente homologado, construído de acordo com o projeto original e com manutenção adequada.

O vôo a vela, como qualquer outro esporte, tem seus riscos, mas o perfeito conhecimento destes riscos, tornaria os mesmos altamente improváveis.

Após 1972 ocorreram ainda dois outros acidentes fatais com planadores, (um SB-5 e um Elfe) ocasionados ao que tudo indica por "flutter" de empenagem horizontal.

Publicado no Boletim Anual de 1972 da FBVV (Atual ABVV).

Test Flutter DG-300