Estudo do Conceito e Construção de um Aeróstato Não Rígido por Evacuação de ar

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Departamento de Engenharia Mecânica e Gestão Industrial

Estudo do Conceito e Construção de

um Aeróstato Não Rígido por

Evacuação de Ar

por

Luís Miguel Terra Pinto

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Supervisionado por: Prof. Dr. António Torres Marques Prof. Dr. Marco Parente

Estudo do Conceito e Construção de um

Aeróstato Não Rígido por Evacuação de ar

por

Luís Miguel Terra Pinto

Dissertação apresentada em satisfação parcial dos requisitos para a obtenção do grau de Mestre em Engenharia Mecânica, especialização em Projeto e Construção Mecânica, da Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto. Esta dissertação foi supervisionada pelo Professor Catedrático Dr. António Torres Marques

Um aeróstato evacuado é considerado. A história de veículos mais leves que o ar é discutida e novas abordagens alternativas são propostas. Métodos não rígidos para suportar as forças do vácuo são introduzidos e diferentes materiais compósitos são analisados para máxima segurança. É alcançado um equilíbrio estrutural carregando os materiais à tração ao contrário de os carregar à compressão.

Abordagens por simulação numérica com software através do método de elementos finitos são amplamente testadas e mostram que as estruturas propostas, insufláveis com ar pressurizado, são capazes de suportar a pressão atmosférica e as forças implosivas do vácuo, mas ultrapassam o peso do mesmo volume de ar, independentemente do tamanho do dirigível. Foi provado que, se pressurizada com hélio, a estrutura teria flutuabilidade positiva e apresentaria vantagens face aos outros conceitos em uso.

Um método diferente é posteriormente analisado, baseando-se na repulsão eletrostática, que é capaz de produzir uma força à distância sem o incremento excessivo no peso. Algumas considerações eram necessárias e foram aqui apresentadas para fundamentar a pesquisa e, por fim, uma nova simulação de software por elementos finitos é explorada. Os resultados mostram que a estrutura pode ser construída utilizando materiais e processos atuais, sendo o conceito viável, embora esteja ainda pouco documentado. Mais pesquisa, principalmente trabalhos experimentais, é necessária para confirmar as evidências teóricas e permitir a candidatura a uma patente e a aplicação comercial do projeto.

Palavras-Chave

Aeróstato. Dirigível. Mais Leve Que O Ar. Vácuo. Rigidez Pneumática. Repulsão Eletrostática. Simulação por Elementos Finitos

i

Study of the Concept and Construction of a

Soft-Structured Vacuum Airship

by

Luís Miguel Terra Pinto

A dissertation submitted in partial fulfillment of the requirements for the Master’s Degree in Mechanical Engineering, specialization in Design and Mechanical Construction, of the Faculty of Engineering of the University of Porto. This dissertation was supervised by the Full Professor Dr. António Torres Marques

An air-evacuated airship is considered. The history of lighter than air vehicles is discussed and alternative new approaches are proposed. Soft-Structured vacuum methods are introduced and different composite materials are tested for maximum reliability. It is reached an ideal structure equilibrium loading the chosen materials under tension rather than compression.

Finite element numerical simulation approaches are extensively tested with software and have shown that air pressurized inflatable structures are able to withstand the atmospheric pressure and vacuum implosive forces, but surpass the weight of the same volume of air regardless of the size of the airship. It is proven that, if inflated with helium, the airship would be positively buoyant and offers advantages over other concepts in use.

A different method is then analyzed regarding electrostatic repulsion, which can deliver an action-at-a-distance without the excessive increment in weight. Some considerations where requested, and were here presented in order to ground the research, and a new finite element software simulation was then explored. The results have shown that the concept can be constructed using state of art materials and processes, and that the concept is feasible though still under documented. Further research, especially experimental work, is needed to confirm the theoretical evidences and allow for the patent application and the commercial use of the project.

Keywords

Airship. Lighter Than Air. Vacuum. Pneumatic Rigidity. Electrostatic Repulsion. Finite Element Simulation.

iii

Ao Professor Doutor António Torres Marques, orientador desta dissertação, desejo agradecer por toda a ajuda prestada na concretização deste estudo. Duvido que conseguisse encontrar alguém mais versátil e experiente em me encaminhar nestas análises tão díspares.

Ao Professor Doutor Marco Parente, coorientador e valiosa ajuda na modelação da hipótese Pneumática. Aprendi métodos que para sempre me serão úteis.

Ao Professor Doutor Paulo Sá do Departamento de Engenharia Física, por todas as fundamentais noções que precisei, especialmente nos tempos mais incertos da hipótese Eletrostática.

Ao Engenheiro Victor Granados, estudante de doutoramento, agradeço por toda a ajuda prestada quando um novo tipo de simulação foi requerido. E ademais pela organização de uma conferência que se revelou fundamental para o problema.

Ao Professor Doutor Emilio Ruiz Reina, da Universidad de Málaga, pela sua correspondência pese embora a distância.

Ao meu pai e à memória da minha mãe, que sempre lutaram por me dar o bom futuro que estou certo de conseguir.

A todos os meus amigos e familiares que sempre acreditaram nos meus devaneios.

À Tuna de Engenharia, que me formou enquanto estudante e me viu crescer durante este longo caminho. Sem a música, boémia e bons amigos o meu percurso académico não teria sentido.

Ao Sport Club do Porto, divisão de ginástica artística, por se certificarem que não era apenas a minha mente a ficar cansada.

À Real República dos LyS.O.S. para onde volto todos os dias, e onde os avanços e recuos deste conceito nunca passaram despercebidos.

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“One of the greatest discoveries a person makes, one of their great surprises, is to find they can do what they were afraid they couldn't do.” - Henry Ford

v Resumo ... iii Abstract ... i Agradecimentos ... iii Índice ... v Índice de Figuras ... ix Índice de Tabelas ... xi Capítulo 1 ... 1 Introdução ... 1 1.1 Contextualização e o Problema ... 1 1.2 Motivação e Objetivos ... 2 1.3 Metodologia ... 4 1.4 Estrutura do Documento ... 5 Capítulo 2 ... 7 Estado da Arte ... 7 2.1 Balões ... 8 2.1.1 História do Balonismo ... 8

2.1.2 Componentes de um Balão de Ar Quente Moderno ... 11

2.2 Dirigíveis ... 13

2.2.1 Dirigíveis Convencionais ... 13

2.2.1.1 Não Rígidos ... 16

2.2.1.2 Semi-Rígidos ... 17

2.2.1.3 Rígidos ... 18

2.2.2 Dirigíveis Não Convencionais ...20

2.2.2.1 Geometrias Não Convencionais ...20

2.2.2.2 Diferentes Gases de Sustentação ... 26

2.2.2.3 Métodos Adicionais de Sustentação ... 27

2.2.2.4 Outras Soluções Não Convencionais ... 29

Capítulo 3... 30

A Abordagem por Vácuo ... 30

3.1 Estudos com Casca Rígida ... 30

3.1.2 Restrições dos Materiais ... 31

3.1.3 Aplicação em Condições Extraterrestres ... 34

3.2 Estudos com Membrana Não Rígida ... 34

3.3 Considerações Adicionais... 35

3.3.1 Variação das Propriedades Físicas da Atmosfera com a Altitude 35 3.3.2 Expansão Isentrópica versus Expansão Isentálpica ... 38

3.3.3 Falha do Sistema de Sustentação por Vácuo ... 39

Capítulo 4 ... 40

A Solução por Rigidez Pneumática ... 40

4.1 Verificação Analítica do Conceito ... 41

4.1.1 Análise de Equilíbrio ... 41

4.1.2 Análise de Flutuabilidade ... 43

4.1.3 Análise de Estabilidade ... 44

4.2 Simulação Numérica Assistida por Computador ... 48

4.3 Discussão dos Resultados ... 58

4.4 Métodos de Construção da Estrutura Proposta ... 61

4.5 Uso Alternativo da Estrutura Proposta ... 65

4.6 Conclusões ... 67

Capítulo 5 ... 69

A Solução Eletrostática ... 69

5.1 Introdução ... 69

5.2 Conceitos Teóricos e Análise Prévia ... 70

5.2.1 Forças por Efeito das Cargas ... 70

5.2.2 Conservação da Carga ... 70

5.2.3 Propriedades do Campo Elétrico para Condutores ... 71

5.2.4 Análise da Densidade de Carga... 72

5.2.5 Análise pelo Tensor de Maxwell ... 73

5.2.6 Teorema de Earnshaw... 73

5.3 Tipos de Materiais Empregues ... 74

5.4 Carregamento das Esferas de Repulsão ... 75

5.5 Simulação Numérica Assistida por Computador ... 76

5.6 Discussão dos Resultados ... 79

5.7 Propostas Análogas ... 80

5.8 Conclusões ... 83

Capítulo 6 ... 85

6.1 Conclusões ... 85

6.2 Investigação Futura ... 86

Referências ... 87

- Anexos - ... 91

A.1 – Modelação Rigidez Pneumática - ΔR=100mm ... 92

A.2 – Modelação Rigidez Pneumática - ΔR=700mm ... 104

ix

Figura 1 – Velocidade atingida por cada veículo, a verde, vs o consumo de combustível

por capacidade de carga, a ponteado [1] ... 2

Figura 2 – Metodologia do Projeto ... 4

Figura 3 – Estrutura do Documento ... 5

Figura 4 – Representação da demonstração da passarola [3] ... 8

Figura 5 – Representação do lançamento histórico do balão dos irmãos Montgolfier [5] ... 9

Figura 6 – Balões de então comparados aos primeiros aeróstatos dirigíveis, de uma enciclopédia russa do virar do século XX [7] ... 10

Figura 7 – Esquema de um balão de ar quente moderno [8] ... 12

Figura 8 – Fotografia do desastre do Hindenburg [12] ... 14

Figura 9 – Cronologia do desenvolvimento dos dirigíveis [9] ... 15

Figura 10 – Diferentes configurações de dirigíveis convencionais [13] ... 15

Figura 11 –Configuração típica de um dirigível não rígido [11] ... 17

Figura 12 –Configuração típica de um dirigível semi-rígido [11] ... 18

Figura 13 –Configuração típica de um dirigível rígido [11] ... 19

Figura 14 –Dirigível rígido Dragon Dream, do conceito à construção [18] ...20

Figura 15 –Dirigível esférico da 21st Century Inc. [9] ... 21

Figura 16 –Esquema de um dirigível não-rígido para a exploração de florestas tropicais [19] ... 21

Figura 17 –Dirigível SkyShip rádio-controlado [22] ... 22

Figura 18 –Dirigível Alize [23] ... 22

Figura 19 – Representação de dirigíveis com asas [24] ... 23

Figura 20 –Conceito Nautilus de um dirigível não tripulado [25] ... 23

figura 21 –Airlander 10 no seu voo inaugural [26] ... 24

Figura 22 – Representação do dirigível LMH1 da Lockheed, configuração e vantagens [1] ... 25

Figura 23 – Dirigível deltoide Aereon 26 [27] ... 25

Figura 24 – Comparação da capacidade de elevação de diferentes gases de sustentação [28] ... 27

Figura 25 – Dirigíveis de grande capacidade: (a)HeliStat de Piasecki, (b)Helitruck, (c)Heliship, e (d)conceito Aerocrane [21] ... 28

Figura 26 – Dirigível Metal-Clad ZMC-2 [30] ... 29

Figura 27 – Embarcação voadora de Francesco de Lana[33] ... 30

Figura 28 – Pressão atmosférica e forças de simetria atuantes em meia casca esférica [34] ... 31

Figura 29 – Variação das propriedades físicas da atmosfera com a altitude [42] ... 36

Figura 30 – Primeiro esboço e legenda da estrutura proposta por rigidez pneumática 40 Figura 31 – Secção da estrutura analisada por Barton [40] ... 44

Figura 33 – Célula unitária, ligações e respetivos valores de pré-tensão e rigidez [40] . 46

Figura 34 – Ilustração da deformação prevista por Barton [40] ... 47

Figura 35 – Logótipos da empresa produtora e software escolhidos [44] ... 48

Figura 36 – Metodologia adotada para a análise ... 49

Figura 37 – Tabela de introdução das propriedades do material elástico do tipo lamina ... 51

Figura 38 – Representação do custo computacional em função do tamanho do modelo para cada método [45] ... 54

Figura 39 – Interface gráfica para a introdução das condições de fronteira ... 56

Figura 40 – Diferentes perspetivas da malha final ... 56

Figura 41 – Página de entrada do software Femap ... 57

Figura 42 – Gráfico ∆𝑅 em função de p – geometria esférica [46] ... 58

Figura 43 – Gráfico ∆𝑅 em função de p – geometria cilíndrica [46] ... 59

Figura 44 – Comparação geometrias esférica e cilíndrica para 𝑅𝑖 = 1𝑚 [46] ... 59

Figura 45 – Comparação geometrias aprox e não aprox, para 𝑅𝑖 = 1𝑚 [46] ... 59

Figura 46 – Peso teórico vs resistência para cada material [47] ... 62

Figura 47 – Configuração do compósito idealizado [47] ... 62

Figura 48 – Configuração do compósito tecido com “crimp” (acima) e do não tecido (abaixo). Comparação gráfica entre ambos [48] ... 63

Figura 49 – Esboço e legenda da estrutura proposta [43] ... 64

Figura 50 – Esboço e legenda da estrutura proposta [43]... 66

Figura 51 – Representação da estrutura eletrostática com o sentido das forças atuantes ... 69

Figura 52 – Representação do campo elétrico numa esfera condutora [49] ... 71

Figura 53 – Representação das etapas do carregamento por indução [56] ... 76

Figura 54 – Logótipo do software escolhido ... 77

Figura 55 – Representação da dupla membrana insuflada electrostaticamente [58] .... 81

Figura 56 – Representação da aplicação pretendida por Porter [58] ... 81

Figura 57 – Representação das diferentes fases da insuflação eletrostática [59] ... 82

xi

Tabela 1 – Parâmetros a considerar na determinação da densidade exterior .... 37

Tabela 2 - Sistema de unidades utilizado na simulação ... 49

Tabela 3 - Código .inp para cada estudo das propriedades dos materiais ... 51

Tabela 4 - Código .inp do Step para os vários tipos de estudo ... 55

Tabela 5 – Requisitos a confirmar pelos materiais ... 61

1

Capítulo 1

Introdução

Desde os tempos primordiais que a humanidade tem o sonho de copiar os pássaros e dominar a terceira dimensão do espaço. Lendas como a grega de Dédalo e Ícaro, entre outras originárias da Índia, China ou idade média europeia, alimentavam o sonho. No entanto, durante este período inicial, as questões de elevação, estabilidade e controlo não eram compreendidas, e a maioria das tentativas terminava em lesão grave ou morte.

Felizmente, na era moderna, o mundo já não é o desconhecido de outrora e a indústria de transporte aéreo, que rende anualmente 5 biliões de euros, é um enorme campo de possibilidades para os audazes que anseiam alcançar novas fronteiras.

Crê o autor deste documento, que o paradigma da sustentação estática, principal foco deste trabalho, encontra-se sub-explorado e, portanto, uma pesquisa fundamentada e mais ambiciosa é necessária para encontrar novas possibilidades de contrariar a força gravítica.

Colmatando esta falha, o autor propõe, por mérito próprio, as duas hipóteses abordadas neste documento, e acredita que estas irão renovar o interesse neste ramo da aviação, enriquecendo a tecnologia humana, com a esperança de aumentar o controlo que a civilização tem sobre o mundo que a rodeia.

1.1 Contextualização e o Problema

Quando um objeto flutua num fluído, como um navio na água ou um balão no ar, estes fazem-no porque estão sujeitos a uma força ascendente, a impulsão, de valor igual ao peso do fluído deslocado. Assim ficou demonstrado por Arquimedes no seu princípio da hidrostática. Aeróstato é a designação dada a veículos mais leves que o ar e que funcionam segundo este conceito.

Um balão flutua se a sua densidade média for menor do que a densidade do volume de ar equivalente. Tipicamente para este efeito opta-se por encher esse volume com um gás de baixa densidade. Ao valor dessa impulsão deve-se retirar o peso da membrana do balão, bem como o peso desse gás mais leve que o ar. Por norma, os aeróstatos têm membranas flexíveis embora carcaças rígidas também sejam utilizadas.

Os aeróstatos convencionais, em uso há mais de um século, provaram que a sua exploração é de máximo interesse. Como a figura abaixo demonstra, estes situam-se num ponto intermédio ideal, comparativamente a outros métodos de transporte, quando avaliadas a velocidade e o consumo de combustível por capacidade de carga.

Figura 1 – Velocidade atingida por cada veículo, a verde, vs o consumo de combustível por capacidade de carga, a ponteado [1]

Como será referido no capítulo seguinte, todas as atuais abordagens para a sustentação de veículos no ar, através da redução da sua densidade, apresentam desvantagens que, de uma forma ou de outra, têm atrasado a evolução deste meio de transporte em detrimento de outros mais explorados. No entanto, é intuitivo pensar que, caso fosse alcançada uma forma alternativa de tirar proveito da sustentação estática, o mundo como existe e o transporte aéreo transformar-se-iam.

1.2 Motivação e Objetivos

Por proposta do autor, é objeto de estudo deste documento, a análise da possibilidade de conseguir reduzir a densidade de aeróstatos, através da evacuação do ar interno, controlando assim o seu peso e flutuabilidade de uma forma mais segura e estável.

Partindo do conhecimento que a utilização de aeróstatos por evacuação de ar nunca foi bem-sucedida, é objetivo deste documento esmiuçar as hipóteses propostas, tendo por finalidade a obtenção de uma conclusão definitiva quanto à sua empregabilidade.

Em jeito de motivação, referem-se alguns exemplos de aplicações diretas para este conceito em análise:

 Meio de transporte aéreo que necessitaria de propulsão horizontal, mas com fácil e barata manobragem vertical, através de uma bomba de expulsão/admissão capaz de fazer variar a densidade do aeróstato;

 Coletor solar estratosférico com ligação direta à terra ou por armazenamento em baterias, capaz de funcionar independentemente da meteorologia e com painéis para diversos ângulos de incidência;

 Emissor/refletor de frequência em altitude para telecomunicações;

 Elevador vertical guiado, com o intuito de reduzir os custos da aterragem de aviões comerciais, para aceder a locais altos de interesse ou como transporte de material de construção para obras em altura;

 Criação de linhas de transporte aéreas transcontinentais por mono carril, sustentadas por conjuntos destes aeróstatos, que poderiam ser ancorados e alimentados por energia solar;

 Estação de combate a fogos não tripulada, em permanência sobre zonas de risco, que poderia ou não estar conectada a reservatórios para diminuir o peso a transportar;

 Utilização para fins publicitários ou produção de espetáculos itinerantes, sem necessidade da logística para a montagem/desmontagem.

Com a confirmação da viabilidade deste projeto, o desenvolvimento de diversos dispositivos, bem como software para o controlo dos mesmos, seria possível e estaria aberto a novas abordagens e pesquisas.

A fim dessa confirmação, serão documentados todos os passos dados neste projeto e, para melhor compreensão do leitor, uma contextualização fundamentada é dada aquando a introdução de cada tema.

De acordo com as regras académicas, a conduta ética e conforme é exigido, foram citados e referenciados todos os materiais e resultados que não sejam originais deste trabalho.

1.3 Metodologia

Este documento é constituído por duas abordagens distintas para as quais, em ambos os casos, foi seguida a metodologia abaixo descrita. Este processo aconteceu individualmente para cada uma das hipóteses, visto que o autor desconhecia a possibilidade eletrostática, em análise no capítulo 5, aquando do estudo da possibilidade por rigidez pneumática, em análise no capítulo 4.

Figura 2 – Metodologia do Projeto

A metodologia escolhida para este projeto pode ser dividida em quatro partes principais.

Em primeiro lugar, o processo começou com a procura, leitura e revisão bibliográfica do que diz respeito a este projeto e aos seus objetivos. Os principais tópicos abordados foram relativos ao estado da arte dos aeróstatos e foi feita uma busca de informação no âmbito das hipóteses propostas, sondando o que já foi feito e quais os avanços nesta área da aviação. Este passo inicial foi um dos mais importantes dado que ofereceu um entendimento geral de todos os conceitos, estabeleceu um pano de fundo na história e evolução destes e definiu um caminho claro nas escolhas que poderiam ser tomadas.

Em segundo, foi feita a análise de ferramentas que poderiam ser úteis na validação das hipóteses formuladas. Dado que algumas conclusões poderiam ser facilmente obtidas por cálculos analíticos e análises prévias, estes métodos foram exaustivamente explorados, numa fase inicial e, após a fundamentação dos conceitos idealizados, pôde-se partir para um estudo mais realista.

Em terceiro lugar, para a simulação numérica assistida por computador, foi conduzido um intensivo estudo de aprendizagem e posterior análise no software Abaqus

FEA para a primeira hipótese e no software Comsol Multiphysics para a segunda

hipótese. Após o desenho da geometria pretendia, o rigor na implementação das interações, propriedades dos materiais e condições de fronteira, foi crucial para o sucesso de ambas as simulações.

Por último, a quarta parte agrupa a análise dos resultados e as conclusões para cada hipótese. Naturalmente, e durante todo o projeto, sempre que houve alguma incongruência ou quando novos dados eram descobertos, recuava-se na cadeia metodológica, garantindo que nada ficaria por fundamentar.

1 - Revisão Bibliográfica 2 - Análise de Ferramentas e Cálculos Prévios 3 - Aprendizagem em Modelação e Posterior Simulação 4 - Análise dos Resultados e Conclusões

1.4 Estrutura do Documento

Para além da presente introdução, esta dissertação é composta por mais cinco capítulos.

O segundo capítulo descreve o estado da arte dos objetos de estudo e dá alguma visão histórica sobre a evolução dos aeróstatos ao longo do tempo, bem como diferentes abordagens já em utilização.

O terceiro capítulo introduz a abordagem por evacuação do ar interno, como forma de sustentação estática. Estudos prévios e considerações adicionais são analisados para fundamentar o interesse em aprofundar este estudo e compreender as variáveis envolvidas.

O quarto capítulo apresenta e discute a primeira abordagem - a solução por rigidez pneumática, sendo composto por um enquadramento científico, uma verificação analítica e outra com auxílio a software, comparando os resultados obtidos e discutindo-os numa pdiscutindo-osterior conclusão.

O quinto capítulo, à semelhança do anterior, é composto por uma análise teórica e verificação prévia, sendo seguido por nova simulação com auxílio a software, que é comparada a outras abordagens já propostas, todas relativas à segunda abordagem – a solução eletrostática.

O último capítulo apresenta as conclusões gerais do trabalho e propostas de investigação futura, sendo seguido pelas referências consultadas, bem como pelos anexos, que contêm informações auxiliares sobre os estudos realizados.

Figura 3 – Estrutura do Documento

Capítulo 1

•Introdução

Capítulo 2

•Estado da Arte

Capítulo 3

•A Abordagem por Vácuo

Capítulo 4

•A Solução por Rigidez Pneumática

Capítulo 5

•A Solução Eletrostática

Capítulo 6

7

Capítulo 2

Estado da Arte

Veículos mais leves que o ar, conhecidos popularmente como balões, dirigíveis ou zepelins, começaram como membranas preenchidas por ar quente e evoluíram para aeronaves de diversas configurações, utilizando qualquer gás que permita a sustentação. Estes podem estar conectados ou não à terra e possuir algum método de propulsão ou permanecer estáticos.

Neste documento, a palavra aeróstato será usada como referência para todos os veículos que obtêm sustentação devido à diferença positiva de pesos entre o ar deslocado e a soma dos componentes da respetiva embarcação, nomeadamente o gás de sustentação que possa ser utilizado e a combinação da carcaça, tripulação e outros constituintes. Esta classificação inclui todos os tipos de aeronaves de sustentação estática com ou sem sistemas de controlo e propulsão, contrastando com as aeronaves aladas que alcançam o voo através de uma sustentação dinâmica.

Serão, logo desde o início, abordados separadamente os aeróstatos sem propulsão, vulgo balões, e os aeróstatos com auxílio de propulsão, os dirigíveis.

No primeiro caso será descrita a génese e evolução do conceito, bem como os vários componentes utilizados; no segundo, onde mais avanços foram feitos, discutir-se-ão as diferenças construtivas entre cada modelo e a evoluçdiscutir-se-ão histórica que moldou o progresso destas aeronaves.

Os aeróstatos têm uma grande gama de possibilidades prontas a serem exploradas. A sua maior vantagem parte do baixo custo energético devido ao facto de conseguirem pairar por muito tempo sem reabastecer e os seus custos de operação serem muito inferiores quando comparados aos convencionais aviões de asas fixas e helicópteros. Estas aeronaves combinam as vantagens dos navios com as dos aviões. A velocidade de um dirigível é superior à de um navio no mar, os seus níveis de vibração são inferiores aos dos aviões e não são afetados pelos efeitos corrosivos da água marinha. Adicionalmente, estes podem descolar sem a necessidade de longas pistas, o que lhes permite o transporte de cargas de grandes dimensões até áreas remotas. O sistema de transporte de um aeróstato causa baixa poluição e consegue completar requisitos para os quais aviões e helicópteros não estão bem preparados. O baixo nível de ruído e vibrações, bem como uma baixa aceleração, permite também que estes possam ser uma plataforma ideal de vigilância e patrulha.

Neste documento a história e conhecimento base dos aeróstatos convencionais é primeiramente analisada; de seguida é descrito o progresso alcançado no desenvolvimento de aeronaves não convencionais bem como modelos mais recentes, enquadrando-se tudo no estado da arte atual deste ramo da aviação. Assim, a modelação estrutural, a análise e otimização do formato e diferentes soluções construtivas em aeronaves híbridas e de grande capacidade serão discutidas em maior detalhe.

2.1 Balões

-

Um balão é conceptualmente a mais simples de todas as máquinas voadoras. O balão é constituído por uma membrana de tecido – o envelope - preenchida por um gás que é mais leve do que a atmosfera circundante. Quando todo o balão é menos denso do que o ar em seu redor, este sobe levando consigo uma cesta, anexada por baixo, que transporta passageiros ou qualquer carga útil. Embora um balão não tenha sistema de propulsão, é possível fazê-lo subir ou descer em altitude, encontrando direções de vento favoráveis e obtendo assim algum grau de controlo direcional.

2.1.1

História do Balonismo

Os balões de ar quente não tripulados são populares na cultura chinesa. Desde o século II, com Zhuge Liang na era dos três reinos, que estes eram usados como lanternas para a sinalização militar. Estas lanternas são conhecidas como lanternas Kongming.

Embora não haja nenhuma evidência documental ou arqueológica direta de que quaisquer voos tripulados ou não tripulados anteriores àqueles discutidos abaixo tenham ocorrido usando estes métodos, Ege [2] analisa um relatório indireto de evidências de que os chineses "resolveram o problema da navegação aérea" usando balões, centenas de anos antes do século XVIII.

O primeiro voo de balão documentado na europa foi realizado por um padre português nascido no Brasil, Bartolomeu de Gusmão. A 8 de Agosto de 1709, em Lisboa,

Bartolomeu de Gusmão conseguiu levantar um pequeno balão de papel cheio de ar

quente, cerca de quatro metros à frente do rei D. João V e da corte portuguesa [3]. Apesar do espanto de todos os presentes, o conceito acabou por não ter seguimento e foi esquecido.

A primeira vez registada de um balão que tenha transportado passageiros foi construída pelos irmãos Joseph-Michel e Jacques-Etienne Montgolfier, oriundos de uma família de fabricantes de papel e que notaram a suspensão de cinzas em chamas de papel. A 19 de setembro de 1783, o Aérostat Réveillon, levava os primeiros seres vivos num voo controlado (uma ovelha, um pato e um galo), sendo estes transportados numa cesta anexa ao balão. Esta demonstração foi realizada diante de uma multidão no palácio real em Versalhes, incluindo o rei Luís XVI de França e a rainha Maria Antonieta. O voo durou aproximadamente oito minutos, cobrindo 3 km e atingindo uma altura de aproximadamente 460 m. Os animais desembarcaram em segurança depois da aterragem.

O primeiro voo de balão amarrado com seres humanos a bordo ocorreu a 19 de outubro de 1783 com o cientista Jean-François Pilâtre De Rozier, Jean-Baptiste

Réveillon e Giroud de Villette, no Folie Titon em Paris e o primeiro voo livre com

passageiros humanos acontecia a 21 novembro de 1783 também com De Rozier juntamente com o marquês François d'Arlandes. O balão subiu quase 15 m e em 25 minutos os dois homens viajaram pouco mais de 8 km [4]. Estavam assim estabelecidas as condições para a corrida à exploração aérea.

Apenas alguns dias depois, a 1 de dezembro de 1783, e após a prova do conceito, o professor Jacques Charles e os irmãos Robert lançaram o primeiro balão de hidrogénio tripulado a partir do Jardin des Tuileries em Paris, no meio de grandes multidões incluindo Benjamin Franklin, o representante diplomático dos Estados Unidos da América e Joseph Montgolfier. O balão com 380 metros cúbicos de hidrogénio tinha o envelope equipado com uma válvula de libertação de gás, e foi coberto com uma rede a partir da qual a cesta estava suspensa. Lastros de areia foram usados para controlar a altitude e o balão subiu a cerca de 550 m. Os tripulantes desembarcaram com sucesso após um voo de 2 horas e 5 minutos, cobrindo 36 km [6].

Desde esta descoberta que os balonistas procuravam um meio para controlar a direção dos balões. A partir da implementação dos dirigíveis e até à década de 1960, a produção de balões sem propulsão caiu em forte declínio. Apenas balões de gás eram utilizados até essa data em que os balões de ar aquecido foram revitalizados.

Figura 6 – Balões de então comparados aos primeiros aeróstatos dirigíveis, de uma enciclopédia russa do virar do século XX [7]

Hoje em dia, a ocupação é usada principalmente para fins recreativos, embora o balonismo também seja reconhecido como um desporto em numerosas competições por todo o mundo. A sua utilidade é limitada pelo facto de que um balão só pode ser voado em condições calmas e secas. O balão moderno, descrito na próxima secção, está muito longe do design original dos Montgolfiers.

2.1.2

Componentes de um Balão de Ar Quente Moderno

Esta é a parte colorida do balão. Em balões modernos é feito de um poliamida reforçado, resistente ao calor. É revestido no interior com uma camada de poliuretano ou silício que ajuda a reter calor e ar. Entre os voos o envelope é dobrado, enrolado e armazenado num saco com cerca de 1,5 metros de diâmetro. O envelope é composto por painéis entre as fitas de carga que passam através do envelope e o anexam ao cesto. As fitas de carga suportam toda a tensão no envelope e os painéis essencialmente apenas mantêm o ar quente para que este não escape do envelope.

 Válvula paraquedas

No topo do balão há um grande buraco que é usado para esvaziar o balão na aterragem ou quando se pretende perder elevação. Felizmente, durante o voo, este furo é selado por uma válvula paraquedas, mantida no lugar pela pressão dentro do balão. O piloto pode puxar o paraquedas para fora do buraco através de polias usando o cabo da válvula paraquedas que cai para o cesto.

 Cabo da válvula paraquedas

Isto permite ao piloto puxar a válvula paraquedas para esvaziar o balão.  Gomos

Estes são painéis de tecido cortado em ângulos específicos que, quando cosidos em conjunto, formam a geometria do balão.

 Painéis

Estes compõem os gomos.  Cesta

Este é o lugar onde os passageiros e piloto ficam durante o voo. Também contém os tanques de propano que estão conectados aos queimadores em cima. As cestas do balão são geralmente ainda feitas a partir dos ramos entrelaçados tradicionais, vulgo vime, porque nenhum outro material moderno dá a mesma combinação de leveza, força e flexibilidade. A flexibilidade é especialmente importante para absorver o impacto na aterragem e salvar os joelhos dos passageiros. Cabos de aço muito fortes passam através do cesto e por baixo do mesmo, estando ligados às fitas de carga do envelope. A cesta também pode conter instrumentos como um altímetro e um rádio para ajudar o piloto na navegação.

 Queimador

O queimador é alimentado por tanques de propano abaixo e é geralmente feito de aço inoxidável. É suportado por postes de suporte de plástico que se encaixam no cesto e também é conectado ao cesto por meio de cabos de aço. Tanto o envelope como o cesto estão ligados à armação do queimador, que deve ser forte.

 Saia

A parte mais baixa do invólucro é feita a partir de um material especialmente resistente ao calor e que serve para desviar qualquer vento da chama do queimador, permitindo que esta seja dirigida para dentro do invólucro, ajudando assim o balão a manter a sua forma.

 Cilindros de propano

Os cilindros estão localizados na cesta. O propano é altamente comprimido nos cilindros e assim que libertado flui rapidamente através de mangueiras para a bobina de aquecimento. Ao acender o queimador, acende-se primeiro uma chama piloto e esta acende o propano que está inicialmente na forma líquida. À medida que a chama queima, esta aquece o metal na tubulação circundante que converte o propano para gás. O propano na forma gasosa é um combustível mais eficiente e cria uma chama mais forte.

2.2 Dirigíveis

Os dirigíveis, aeróstatos com propulsão horizontal, podem ser classificados consoante a configuração da sua carcaça (não rígidos, semi-rígidos e rígidos), a forma como produzem sustentação vertical (convencional, alternativa e híbrida), e a sua capacidade de carga (baixa, média ou alta). A quantidade de carga tradicionalmente suportada por estes veículos é normalmente inferior a 30 toneladas, no entanto, aeronaves de grande capacidade podem atingir valores capazes de sustentar 500 toneladas. Os dirigíveis serão seguidamente divididos entre tipos convencionais e não convencionais.

De uma forma genérica, os dirigíveis convencionais têm um corpo axissimétrico, geram impulsão através de um gás leve fechado por uma carcaça, têm baixa capacidade de carga e usam combustíveis fósseis como fonte energética. Todos os outros são categorizados de uma forma diferente.

Nos dirigíveis não convencionais deverá haver uma alteração de grande impacto que fuja às tendências convencionais neste ramo da aviação. Esta alteração pode ser devida à geometria e projeto dos componentes, ao gás de impulsão, a um método alternativo de sustentação, à capacidade de carga ou ao método de alimentação energética.

2.2.1

Dirigíveis Convencionais

Os primeiros exemplares de um dirigível tiveram origem em balões de ar quente através da incorporação de sistemas de propulsão e controlo de direção. Este desenvolvimento incluiu um processo iterativo o qual, ao longo da história, resultou num conjunto de sucessos e tragédias.

O primeiro dirigível foi construído pelo engenheiro francês Henru Giffard em 1852. Esta aeronave tinha o comprimento de 43m e o diâmetro de 12m. Completou com sucesso o seu primeiro voo com uma distância de 27km a uma velocidade de 8km/h [9]. A primeira aeronave rígida foi projetada e construída por David Schwarz, um comerciante de madeira do império Austro-Húngaro, na década de 1890. Os principais componentes estruturais desta aeronave (esqueleto e cobertura exterior) foram feitos de alumínio. Em 1897, durante alguns testes controlados, a experiência acabou em desastre devido a uma falha na hélice [10]. A Alemanha tomou a liderança no desenvolvimento de dirigíveis antes da primeira guerra mundial. A companhia alemã Luftschiffbau Zeppelin era a maior produtora de dirigíveis rígidos no início de século XX. O lendário pioneiro

Graf Ferdinand von Zeppelin desenvolveu o seu primeiro modelo de um dirigível, o LZ1,

em julho de 1900. Tinha um comprimento de 126m, um diâmetro de 12m e atingia uma velocidade de 32km/h. Os dirigíveis rígidos produzidos por Zeppelin foram na sua grande maioria utilizados durante a primeira guerra mundial. Entretanto, o trabalho de

Zeppelin produz uma grande variedade de dirigíveis. Os modelos Graf Zeppelin LZ127, LZ129 e LZ130 conseguiam carregar cargas até 58 toneladas e incluíam compartimentos

luxuosos para passageiros, como nunca antes visto numa aeronave [11].

A França, Itália e Reino Unido também desenvolveram dirigíveis durante a primeira guerra mundial. O Reino Unido era ativo na construção de dirigíveis rígidos e não rígidos. Depois da guerra construíram dois modelos rígidos, R34 e R38, e em 1919

foi completada a primeira viagem transatlântica de ida e volta. Estes dois modelos destruíram-se passados dois anos. Os esforços britânicos na construção de dirigíveis pararam devido ao acidente da aeronave R101 a 4 de outubro de 1930 [10]. Tanto a França como a Itália participaram na construção de modelos semi-rígidos como o Roma e o Norge. A primeira aeronave americana, chamada California Arrow, foi construída por Thomas Scott Baldwin em 1904, tinha um comprimento de 16m e era alimentada por um motor de dois cilindros e 5 cavalos de potência. A indústria americana de dirigíveis começou em 1911 com a Goodyear and Goodrich como a principal empresa. A

Goodyear construiu o primeiro modelo semi-rígido americano, o RS-1. Os Estados

Unidos abandonaram o uso de hidrogénio como gás de sustentação devido ao desastre da aeronave italiana Roma em 1922. O primeiro dirigível rígido da marinha americana, o Shenandoah ZR-1, foi construído segundo o projeto de Zeppelin, mas usaria hélio em vez de hidrogénio para gerar impulsão. O seu voo inaugural foi a 4 de setembro de 1923. Muitos dirigíveis semi-rígidos italianos, britânicos e americanos construídos entre 1924 e 1935 despenharam-se devido às mais variadas razões (fogo, nevoeiro, tempestades, etc) poucos anos depois da sua construção. Ainda assim, foram cada vez mais usados até que o dirigível LZ129 Hindenburg se despenhou em Lakehurst, Nova Jérsia a 6 de maio de 1937. Esta era a maior aeronave rígida construída até à data e ficou completamente destruída em pouco mais de 30 segundos. Tinha 240m de comprimento, 40m de diâmetro e uma velocidade máxima de 130km/h [11].

Apesar do grande abalo que a investigação e desenvolvimento aeronáutico sofreram após o desastre do Hindenburg, o interesse pelos dirigíveis nunca desapareceu. Após este acidente, a marinha americana focou-se no projeto e construção de dirigíveis mais simples, não rígidos e preenchidos por hélio, durante mais de 3 décadas. Após a segunda guerra mundial, a companhia Goodyear construiu diversas aeronaves não-rígidas usando os mais recentes materiais e sistemas eletrónicos. Três modelos típicos foram o Columbia II, o MayflowerIII e o America. Também foi construída a maior aeronave não-rígida em 1961 – ZPG-3W. Embora a maior parte dos projetos de dirigíveis desde o pós guerra usasse configurações não-rígidas, várias companhias exploravam diferentes abordagens para os velhos conceitos [9].

Figura 9 – Cronologia do desenvolvimento dos dirigíveis [9]

2.2.1.1

Não Rígidos

Os dirigíveis não rígidos são muitas vezes referenciados na literatura de língua inglesa como “blimps”. O formato de um dirigível não rígido é sustentado pelo diferencial de pressão entre o gás interno de sustentação e a atmosfera. A figura 11 ilustra a configuração habitual destes aeróstatos.

O envelope é a membrana que encerra o gás de sustentação, os balonetes e oferece proteção do exterior. Os balonetes, bolsas internas, são cheios com ar por compressores para manter uma pressão interna fixa à medida que a temperatura do gás de sustentação ou a altitude da aeronave mudam. Os balonetes permitem que a pressão do envelope seja controlada. O enchimento relativo entre o balonete posterior e o anterior estão associados ao afundamento da cauda ou do nariz da aeronave. Ajustes no volume de ar nos balonetes e no volume do gás no envelope leva a alterações na sustentação. O peso da gôndola, compartimento de passageiros e tripulação, é suportado por um sistema de suspensão interno ajustável por cabos, que é contido no envelope e vai desde o topo até à gôndola. A principal função do sistema externo de suspensão, preso à parte inferior do envelope, é a de transferir a componente horizontal da carga da gôndola para o envelope. O tecido do envelope consiste num compósito laminado e é projetado para aguentar as cargas de voo e as possíveis agressões do ambiente. O tecido escolhido deverá ter um elevado rácio resistência-peso de forma a reduzir o peso geral, ter boa resistência à fluência para manter o volume e geometria constantes, ter baixa permeabilidade para assegurar a pureza do gás de sustentação e não perder conteúdo, ter elevada resistência às condições ambientais de forma a proteger a aeronave da temperatura, humidade e radiação ultravioleta, e ter uma elevada resistência à rutura e fadiga para garantir que funciona adequadamente durante o tempo de vida estimado. Tecidos mais leves poderão ser usados nos balonetes visto que estes estão sujeitos a requisitos menos exigentes.

Os dirigíveis não-rígidos têm estruturas mais simples e são mais fáceis de projetar, construir e conservar. Em comparação com as versões rígidas, os custos de fabricação são mais baixos e o tempo de produção é também mais baixo. Ainda comparados com estas, têm também a vantagem do peso geral da carcaça ser inferior, no entanto, existem contratempos na construção de aeronaves não-rígidas de grandes dimensões [9]. Uma grande quantidade de tecidos exige costuras de grande comprimento, uma vasta área de trabalho e métodos mecânicos específicos. O armazenamento e transporte de hélio para uma grande aeronave pode também ser um problema. Ademais, a insuflação do envelope e a instalação da estrutura frontal de suporte e da gôndola devem ser tratadas com cuidado devido à possível interação indesejada com a carcaça pressurizada.

Figura 11 –Configuração típica de um dirigível não rígido [11]

2.2.1.2

Semi-Rígidos

Os dirigíveis semi-rígidos partilham características dos outros dois tipos. Uma quilha rígida com um formato aerodinâmico percorre a face inferior desde o nariz até à cauda. Em contraste face às configurações não-rígidas, o sistema de suspensão catenária desempenha um papel muito menos significativo e a quilha suporta as cargas primárias. Esta quilha é usada para eliminar a função principal dos cabos de suspensão e para distribuir de forma uniforme o peso da cabine ao longo de todo o comprimento do dirigível. A interação entre a quilha e o envelope poderá ser favorável ou desfavorável. O suporte mútuo é bom para resistir e distribuir entre ambos os momentos de flexão, enquanto que o mau encaixe poderá gerar tensões adicionais. Assim, uma análise cuidada da interação entre a quilha e o envelope é crucial no projeto de dirigíveis semi-rígidos. É também intuitivo que este tipo de aeronaves têm um peso intermédio entre os outros dois, visto que a quilha induz cargas estruturais. A figura 12 ilustra a configuração habitual destes aeróstatos.

Em tempos mais recentes, o desenvolvimento destes dirigíveis foi revitalizado. O modelo alemão CargoLifter CL160 foi projetado para ter o comprimento de um Boeing 747s (256m) e a altura de um prédio de 27 andares (64m). Como estrutura chave desta configuração, a quilha oferece suporte para a plataforma de carregamento, a cabine de tripulação, a armação da carga, as principais unidades de propulsão e o convés interior. O projeto aerodinâmico do CL160 atingiu uma sustentação ótima e elevados níveis de eficiência de combustível. Uma inovação notável desta aeronave deve-se ao sistema de carregamento e descarregamento de cargas que tem lugar em pequenas áreas, servindo-se de uma grua enquanto o dirigível permanece estático no ar. Esta construção servindo- semi-rígida seria capaz de carregar bens de grande peso e volume até 50 metros de comprimento, no entanto a conclusão desde projeto foi adiada, em 2002, devido à falta de fundos [14].

O Zeppelin NT-07 é um dirigível semi-rígido prestigiado que permitiu a viagem a mais de 65000 passageiros desde a sua inauguração em 1997. Um exemplar é usado para turismo na Alemanha, outro serve propósitos de publicidade e aventura no Japão, um terceiro servia a prospeção de diamantes na África do Sul e o quarto foi produzido nos Estados Unidos com o intuito de servir tanto propósitos de turismo como para missões especiais [15].

Figura 12 –Configuração típica de um dirigível semi-rígido [11]

2.2.1.3

Rígidos

Em contraste face aos modelos não-rígidos, os dirigíveis de carcaça rígida podem manter a sua geometria independentemente da pressão do envelope devido a este estar suportado, por norma, por um esqueleto metálico. Todas as cargas externas são suportadas por esta carcaça estrutural. As estruturas de suporte externo são compostas por um conjunto de vigas transversas que formam armações aproximadamente circulares e vigas longitudinais atravessadas ao comprimento. As travessas, geralmente feitas de alumínio, são conectadas com as vigas longitudinais e são abraçadas por cabos metálicos pré-tensionados de forma a aumentar a resistência estrutural. Muitas das células que contêm o gás de sustentação são colocadas entre a armação transversal. A divisão do gás por vários balonetes em aeronaves rígidas aumenta a segurança e evita a perda súbita e substancial de sustentação em caso de emergência. O ajuste de sustentação devido a alterações de altitude ou temperatura pode ser conseguido devido à expansão e compressão individual de células de gás. Os requisitos mecânicos dos materiais do envelope em aeronaves rígidas são inferiores quando comparados às versões não-rígidas, uma vez que não existe uma grande suspensão de cargas aplicadas ao envelope. Por norma, as aeronaves rígidas são construídas com uma armação capaz de acomodar cargas de todos os tipos e magnitudes. A concentração de tensões nestas aeronaves é produzida pelos principais elementos da gôndola, asas e motores, que poderão estar interconectados por estruturas internas. Avanços recentes em novos materiais e superiores técnicas de conexão permitiram o projeto e construção de estruturas pressurizadas capazes de alta performance e baixo peso. A figura 13 ilustra a configuração habitual destes aeróstatos.

O comprimento de aeronaves rígidas deverá ser grande o suficiente para justificar uma estrutura rígida. É dito por Burgess [16] que este sistema não é apropriado para volumes abaixo de 1 milhão de pés cúbicos (28316.85 m3_{). Na verdade, a maioria excede}

o dobro deste valor. Embora as aeronaves não-rígidas sejam extensivamente utilizadas, as carcaças rígidas mostram a sua eficiência e benefícios pois não existem restrições de tamanho; porque conseguem ultrapassar o colapso do nariz a altas velocidades, que pode

acontecer nas configurações não rígidas, e porque permitem o acesso a áreas internas para inspeção e reparos. No entanto, o peso adicional deve ser cuidadosamente analisado. Adicionalmente, as aeronaves rígidas incluem grandes dificuldades na construção devido ao elevado custo das ferramentas e à alta complexidade estrutural [17].

Figura 13 –Configuração típica de um dirigível rígido [11]

Atualmente, o mais evoluído exemplar desta solução construtiva é o Dragon

Dream (fig. 14), da empresa americana Worldwide Aeros Corp, que é um dirigível

produzido à escala, como prova de conceito, segundo um projeto apelidado de

Aeroscraft. O protótipo de 35 milhões de dólares, com 82.3 m de comprimento, é capaz

de velocidades na ordem dos 100 km/h e não transporta cargas, mas servirá com ponto de partida para construções mais ambiciosas.

A verdadeira inovação deste conceito está no facto de serem usadas câmaras com hélio pressurizado que, através de válvulas pneumáticas, ajustam a sustentação enchendo câmaras de expansão que assim farão com que a densidade global do veículo se reduza ou aumente. A estrutura é composta por vigas de alumínio com furos de precisão para reduzir o peso, com um esqueleto em treliças de fibra de carbono. Também tem pequenas asas para aumentar a estabilidade bem como quatro patas hovercraft, para criar almofadas de ar tornando assim mais fácil deslizar por terrenos acidentados. Para propulsão tem 6 motores de 300 cv cada, retráteis e rotativos, dispostos em pares para minimizar as vibrações. O voo inaugural aconteceu com sucesso em 2013, embora a companhia se encontre atualmente num processo judicial depois de o hangar ter abatido por cima do veículo [18].

Figura 14 –Dirigível rígido Dragon Dream, do conceito à construção [18]

Como dito anteriormente, qualquer uma das configurações apresenta vantagens e desvantagens. Na verdade, a escolha irá sempre depender do tamanho do veículo, do tipo de materiais disponíveis e da aplicação a que se destina, entre vários outros fatores.

2.2.2

Dirigíveis Não Convencionais

Na segunda metade do último século houve um renascimento inesperado e dramático no desenvolvimento de novos veículos de sustentação estática. Considerável atenção tem sido prestada a aspetos fora do comum respeitantes à geometria, métodos de operação híbridos, gases de sustentação inovadores ou grande capacidade de carga. Em particular destaque encontram-se os dirigíveis híbridos e os veículos de grande capacidade. Desenvolvimentos preliminares de alguns programas na fase de protótipo foram alcançados, e muitos projetos agora a decorrer dirigem-se para um futuro promissor.

2.2.2.1

Geometrias Não Convencionais

 Dirigíveis Esféricos

Tradicionalmente, a geometria preferencial para um dirigível é a de um corpo alongado, estreito e axissimétrico, que obtém um equilíbrio entre a máxima sustentação e o mínimo de resistência ao ar. No entanto, adotando o formato de balões de ar quente, as aeronaves modernas também podem ser esféricas. Uma companhia canadiana, a 21st

Century Airships Inc., construiu 6 protótipos perfeitamente esféricos (fig. 15). Este tipo

de aeronave não está equipado com asas de controlo ou uma gôndola externa. De uma forma alternativa, a gôndola encontra-se dentro do envelope no fundo da esfera e dois motores são montados no lugar das asas, fora do envelope.

Embora as formas esféricas tragam grande arrasto aerodinâmico comparativamente a outras configurações, estas também têm vantagens próprias. É sabido que as geometrias esféricas oferecem a mínima área superficial para um dado volume entre qualquer outra geometria. Como a área superficial é proporcional ao peso do envelope, a forma esférica tem um peso mínimo e gera uma impulsão máxima. Além disso, as formas esféricas trazem excelentes características para a operação e amarração: o dirigível não precisa de velocidade para aterrar ou descolar como um dirigível convencional faz e a sua forma esférica permite que este seja amarrado ao chão sem usar um mastro de amarração [9].

Figura 15 –Dirigível esférico da 21st Century Inc. [9]

A forma esférica descrita e outras formas cónicas podem ser combinadas para uma configuração otimizada [19], a figura 16 ilustra este projeto geométrico de aeronaves não rígidas para a exploração de florestas tropicais. Pesquisas experimentais demonstraram que o coeficiente de arrasto pode ser reduzido em cerca de 50%, reduzindo-se a turbulência do escoamento, ao colocar um pequeno cone de menor diâmetro à frente da esfera e, principalmente, outro mais longo e largo atrás [20].

 Dirigíveis Lenticulares

Os dirigíveis lenticulares têm características aerodinâmicas aproximando-os de asas e, portanto, tornam possível a compensação de qualquer sobrepeso acidental (perda de hélio, crosta de gelo, etc) através da geração de sustentação dinâmica. A forma aerodinâmica dos dirigíveis lenticulares também é útil para o controlo em manobras de voo.

A empresa britânica Thermo Skyship contribuiu para o projeto de dirigíveis lenticulares e lançou um modelo controlado por rádio em 1975 (fig. 17). Entre 1975 e 1990, Mario Sanchez Roldan e Michael K. Walden construíram os dirigíveis lenticulares rígidos MLA-24, MLA-32-A e MLA-32-B. Destes importa ressalvar que o MLA-32-B foi o primeiro dirigível totalmente rígido tripulado em operação após mais de 50 anos. Além do Reino Unido e do México, a Rússia também tentou a construção dos dirigíveis lenticulares Thermoplan [21].

Figura 17 –Dirigível SkyShip rádio-controlado [22]

Um problema intrínseco associado a esta configuração é a grande força de arrasto que provoca devido à elevada relação superfície-volume. Enquanto presos, os dirigíveis lenticulares têm a desvantagem de serem facilmente afetados pelas cargas que transportam, em contraste com cascos de aeronaves tradicionais. O protótipo lenticular

Alize (fig. 18) foi produzido pela empresa francesa LTA em 2006.

 Dirigíveis com Asas

O conceito de dirigíveis com asas decorre de considerações por análise dos projetos de aviões, com o intuito de aproveitar a sustentação dinâmica gerada pelas asas. A proposta de Ames Megalifter (fig. 19) tem a forma de um avião clássico com asas fixas, anexadas a turbinas de hélice ou turbofans. A adição de um par de asas de grande envergadura ajuda a produzir sustentação dinâmica substancial, a melhorar a estabilidade do veículo, a diminuir o arrasto, bem como a aumentar a capacidade de carga útil [24]. Pela pesquisa feita, e ao que parece, até aos dias de hoje nunca foram construídos dirigíveis alados de tal envergadura.

Figura 19 – Representação de dirigíveis com asas [24]

 Casco duplo, múltiplo e dirigíveis híbridos

Dois ou mais cascos, com a geometria convencional de corpos aerodinâmicos, podem ser unidos através de estruturas de conexão. Esta conceção atinge uma redução do comprimento total para dado volume de gás ou um aumento do compartimento de gás sem um aumento do comprimento total.

Dois grandes cascos podem ser conectados por uma ala interna, como representado na figura 20, o que iria aumentar a sustentação dinâmica, criando assim uma força ascendente e que aumenta portanto a capacidade de carga [25].

Figura 20 –Conceito Nautilus de um dirigível não tripulado [25]

Esta configuração com casco duplo em vez de um mono-casco convencional reduz também a área de superfície lateral, tornando então o dirigível menos sensível a rajadas laterais. Estes primeiros projetos de casco duplo foram posteriormente utilizados em dirigíveis híbridos.

A empresa britânica Advanced Technologies Group Ltd. (ATG) em Cardington empregou um design de casco duplo pressurizado na sua série SkyCat de dirigíveis híbridos. Em 2016, o modelo Airlander 10 (fig. 21) com 91m de comprimento e atualmente o maior dirigível em uso, fez o seu voo inaugural, e poderá atingir os 4800 km de altitude [26]. Apesar de todas as evoluções no controlo e manobra empregues neste veículo, logo no segundo voo foram sentidas complicações na aterragem e o dirigível sofreu alguns danos, embora sem gravidade.

figura 21 –Airlander 10 no seu voo inaugural [26]

Uma configuração de triplo casco foi proposta pela empresa americana Aereon, mas nunca foi construída. A empresa Lockheed Martin projetou o dirigível híbrido experimental P-791 em 2004. Este protótipo com três lóbulos pressurizados foi testado em voo na instalação da Lockheed Martin na Palmdale Air Force Plant 42 em 2006. A mesma empresa recebeu recentemente luz verde por parte da US Federal Aviation

Administration para construir o seu novo dirigível híbrido LMH1 (fig. 22). O projeto

avaliado em 40 milhões de dólares, tem a capacidade de 60 toneladas, 21 lugares, atingirá uma velocidade cruzeiro de 111km/h e será cheio com 36812 m3 _{de hélio, o equivalente a}

15 piscinas olímpicas.

Este tipo de veículo aéreo híbrido poderá conseguir uma redução de 60% no custo de transporte por tonelada-milha comparativamente com aeronaves de asas fixas [1].

Figura 22 – Representação do dirigível LMH1 da Lockheed, configuração e vantagens [1] Não há, até à data, geometrias de casco múltiplo com mais de três compartimentos. Os projetos de casco múltiplo poderão igualmente dar lugar a construções mais simples de várias unidades com menor tamanho. No entanto, dependendo da forma escolhida para conexão desses vários cascos, irão certamente surgir muitas questões na estabilidade e no controlo de voo.

 Outras Geometrias Não Convencionais

Outras formas não convencionais incluem o deltoide, o dardo, com o corpo liso, o toróide ou “donut” e diversas outras formas. Estas geometrias foram projetadas para servir propósitos diferentes. O modelo Aereon 26 (fig. 23) com forma deltoide foi projetado para ter um bom rácio entre a sustentação estática e a sustentação dinâmica. A forma em dardo foi construída com o propósito de atingir alta eficiência de propulsão [21].

2.2.2.2

Diferentes Gases de Sustentação

Os gases de elevação para veículos aéreos de sustentação estática têm uma densidade menor do que a do ar circundante. A capacidade de elevação de vários gases leves e o vácuo são comparados na figura 24. O ar quente, o hidrogénio e o hélio são tradicionalmente os mais usados.

O hidrogénio fornece a maior elevação, pois tem a menor densidade de todos os elementos, no entanto requer cuidado extremo no seu manuseio para evitar incêndios indesejados ou explosões. Este acontecimento é bastante provável se o hidrogénio atingir a mistura estequiométrica correta quando em contacto com oxigénio, o que pode acontecer em caso de fuga. Este gás foi usado extensivamente para a sustentação dos primeiros projetos de aeróstatos, embora após o desastre do Hindenburg tenha sido substituído pelo hélio, ainda que a sequência exata de todos os eventos presentes no fogo do Hindenburg e as suas causas não tenham podido ser totalmente determinadas.

O hélio tem uma capacidade de elevação 7,3% menor do que a do hidrogénio, mas tem também menor densidade que todos os outros tipos de gases. Ao contrário do hidrogénio, o hélio, sendo um gás nobre, é inerte e incombustível. No entanto é bastante mais caro do que o hidrogénio e a sua oferta é limitada, porque apesar de ser um elemento muito abundante no universo, no planeta terra encontra-se apenas em algumas jazidas e é considerado um recurso não renovável pois não existe uma forma rentável de o sintetizar.

O metano é relativamente barato e a sua capacidade de elevação encontra-se entre a do hélio e a do ar quente, no entanto é inflamável.

O amoníaco é corrosivo, mas tem sido considerado para servir como gás secundário de sustentação. Ao gerar sustentação estática somente para a carga útil, o amoníaco fornece uma maneira segura de resolver o problema da dificuldade que há em manter o equilíbrio estático aquando do carregamento ou descarregamento de cargas. Os métodos tradicionais usados para lidar com este problema incluem a recuperação da água de exaustão, o impulso vetorizado ou a evacuação e compressão do gás de sustentação primário. O amoníaco, como um gás de sustentação secundário fornece um meio não convencional de abordar esta questão [28].

O vapor de água é não inflamável, não corrosivo, não nocivo, barato e sem odor. Para além disso pode ser facilmente produzido em qualquer lugar. No entanto, para estar na forma gasosa, a água necessita de estar a uma temperatura mínima de 100 ºC, e à medida que esta vai condensando nas bordas do envelope terá que ser constantemente reaquecida, o que fica muito dispendioso. Isto torna esta solução pouco interessante quando comparada com os restantes gases de sustentação.

O ar quente a 120ºC tem apenas um terço da capacidade de elevação do hidrogénio à temperatura de congelação da água. Portanto, e como o seu aquecimento fica muito dispendioso para grandes volumes, é usado principalmente em balões sem propulsão. No entanto, dirigíveis modernos podem usar o ar quente como gás de sustentação, diminuindo assim consideravelmente os custos de manutenção comparativamente à solução com hélio. O maior deste género foi produzido pela Per

Figura 24 – Comparação da capacidade de elevação de diferentes gases de sustentação [28]

2.2.2.3

Métodos Adicionais de Sustentação

Os dirigíveis híbridos têm sido estudados ativamente ao longo da história deste meio de transporte. A utilização dos dirigíveis tradicionais depende da condição de serem mais leves do que o ar. As aeronaves híbridas combinam as características de veículos mais leves que o ar com as de veículos aéreos mais pesados que o ar, não dependendo exclusivamente dos métodos convencionais para a geração de sustentação. Estes dirigíveis híbridos fazem uso, em parte, da flutuabilidade oferecida por um gás leve e em outra parte pela sustentação dinâmica gerada por hélices e pela geometria. São usualmente encontrados em combinação com configurações geométricas não convencionais. Podem empregar rotores de helicópteros, um casco em forma de asa, um corpo único ou cascos múltiplos. As desvantagens de grandes aviões em precisar de pistas longas para a descolagem e aterragem são superadas, bem como as dificuldades em helicópteros com grandes rotores.

O conceito de uma aeronave híbrida de grande capacidade de elevação foi proposto pela primeira vez pela Piasecki Aircraft Corp. na década de 1970. O design de

Piasecki (fig. 25-a) baseou-se na integração no corpo aerodinâmico tradicional de 4

rotores de helicóptero.

No século XX, os veículos aéreos híbridos foram classificados como Dynastat,

Rotastat, Helistat, Heliship, Helitruck, SLAB, Toroids e Rotating Hulls. Um Dynastat

combina as características de um dirigível e um avião, enquanto um Rotastat integra as características de um dirigível e um helicóptero. Os veículos aéreos híbridos podem transportar cargas significativamente maiores do que os dirigíveis convencionais de tamanho similar e são muito menos sensíveis aos efeitos climáticos. Quando operados a baixas velocidades podem transportar cargas pesadas com excelente economia de

combustível e, portanto, são considerados como uma ferramenta de transporte eficiente e económica para grandes cargas.

Na Universidade Técnica de Munique, Kuhn et al. [29] projetou um dirigível híbrido cuja sustentação estática, pelo gás leve no casco, e sustentação dinâmica, pela sua geometria alada, são usadas para um voo horizontal eficiente em energia; enquanto que a sustentação estática e o impulso de rotores são usados para pairar eficientemente. Na década de 1980 um veículo híbrido pesado chamado Aerocrane (fig. 25-d) foi projetado com um corpo esférico, cheio de hélio e com asas giratórias montadas a partir do centro do corpo esférico. Os motores giratórios foram instalados nas pontas das asas, e uma gôndola foi colocada abaixo da esfera. Um modelo dinâmico à escala de um décimo da carga útil de 50 toneladas foi construído para investigar as características de estabilidade e controlo. Descobriu-se que a elevada razão impulsão / peso e a baixa relação de aspeto destes dirigíveis de transporte híbridos, resultam em fortes interações aerodinâmicas não-lineares entre os rotores e o casco, tornando os veículos aéreos híbridos de grande carga bastante diferentes dos dirigíveis clássicos.

A Boeing Company e a SkyHook de Calgary, Alberta, começaram a desenvolver a aeronave de carga pesada JHL-40 em março de 2008. A sua carga útil é suportada por quatro rotores de helicóptero e o peso vazio do veículo é suportado pela flutuação neutra do dirigível. Mais recentemente, a empresa canadiana Millennium Airship participou no projeto e desenvolvimento da SkyFreighter, que é capaz de transportar uma grande carga para qualquer parte com segurança, rapidez e baixo custo. Nesta solução, o hidrogénio foi escolhido como um substituto para o combustível Jet A [17].

Figura 25 – Dirigíveis de grande capacidade: (a)HeliStat de Piasecki, (b)Helitruck, (c)Heliship, e (d)conceito Aerocrane [21]