Embarcaçõesaltodesempenho.docx

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO

Relatório 1

Aluno: Gabriel Campos Baroni DRE: 113021650 Disciplina: Embarcações de Alto Desempenho Professor: Richard Schachter

Sumário 1 Introdução.................................................................................................................................3 2 Classificação..............................................................................................................................4 3 Tipos Básicos de AMVs..............................................................................................................5 3.1 Embarcações Planadoras........................................................................................................6 3.2 Aerobarcos.............................................................................................................................7 3.3 ACVs(Air Cushion Vehicles).....................................................................................................9 3.4 SESs( Surface Effect Ships)....................................................................................................11 3.5 SWATHs(Small Waterplane Area Twin-Hulls)........................................................................13 3.6 WIGs(Wings in Ground Effect)..............................................................................................15

1 Introdução Os veículos em estudo neste relatório são as chamadas Embarcações de Superfície de Alto Desempenho(AMVs- Advanced Marine Vehicles). Embarcações de superfície são aquelas que operam na interface ar/água ou na sua proximidade, havendo ou não uma porção submersa. O conceito de alto desempenho para tais embarcações está diretamente ligado à sua capacidade de conjugar altas velocidades com um bom comportamento em ondas levando em consideração fatores de projeto essenciais para a concepção da embarcação, como por exemplo manobrabilidade e estabilidade. O surgimento de embarcações deste tipo ocorreu devido a busca por projetar veículos com altas velocidades. As motivações são uso como embarcações militares, de passageiros, resgate, competições e outros diversos enfoques. Porém, um grande desafio sempre foi aliar esse requisito de forma segura dentro dos limites da tolerância humana em águas agitadas, garantindo a integridade física dos tripulantes. São diversos os tipos de variedades de concepções das formas de casco e peculariedades ligadas a estes tipos de embarcações, cada uma apresentará suas prórias vantagens e desvantagens em relação a seu funcionamento. Portanto não há uma melhor concepção para todas as aplicações, é essencial entender o que cada veículo possibilita e suas respectivas limitações. A obtenção de altas velocidades nestas embarcações ocorre quando uma porção significativa do casco é retirado da água. Ou seja, há uma redução drástica da resistência ao avanço proporcionado pela interação do casco com o mar. A massa específica do ar é 816 vezes menor que a da água, a sustentação do casco é o grande artifício para obtenção de altas velocidades de operação. As velocidades são consideradas elevadas para as embarcações do tipo AMVs ,inalcançáveis para cascos de deslocamento, já que neste caso o aumento progressivo de velocidade acarreta na formação de ondas e as componentes de resistência total são intensificadas e o aumento da potência desenvolvida é inútil, como pode ser visto na Figura 1 que fornece a relação de potência em função da velocidade para alguns tipos de embarcações.

Figura 1 Relação potência e velocidade

2 Classificação As embarcações AMVs podem ser classificadas por modo de sustentação. Os modos básicos de sustentação são hidrostática, hidrodinâmica, aerostática e aerodinâmica. Sustentação hidrostática é explicada pelo princípio de Arquimdedes, portanto sustentação fornecida pelo volume de fluido que a porção submersa do seu casco desloca. Neste grupo são incluídos as embarcações convencionais, os submarinos e os SWATHs(Small Waterplane Area Twin-Hull). A Sustentação hidrodinâmica é relativa a sustentação de veículos ,operando na superfície, que quando em movimento possuem a maior parte de sua sustentação originária da interação de dispositivos submersos com fluido líquido. Incluem os planadores e aerobarcos.

Os veículos de sustentação aerostática, operando em meio aéreo(próximos da superfície), têm a sua sustentação originada por fenômenos físicos não relacionados ao seu movimento. Inclui os veículos a colchão de ar(ACVs) e os navios de efeitos de superfície(SESs). Os veículos de sustentação aerodinâmicas diferem do tipo aerostático pelo fato de sua sustentação ser originada pelo escoamento aerodinâmico em torno de algum dispositivo. É o caso de aeroplanos e WIGs.

Figura 2 Classificação por modos de sustentação

3 Tipos Básicos de AMVs Em seguida serão apresentados cada uma das características, particularidades, vantagens e desvantagens para cada uma das principais embarcações do tipo AMV.

3.1 Embarcações Planadoras São embarcações de sustentação hidrodinâmica e são utilizadas para diversos fins como recreio, uso militar, resgate ou serviço e até em competições de embarcações de alta performance. Dentro dessa classificação tamém é possível incluir as embarcações do tipo catamarã.

Figura 3 Embarcação de planeio

Figura 4 Catamarã em competição alta velocidade

Apresentam como vantagens :  

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Concepção e construção bastante simples. Baixo consumo de combustível, baixo custo de construção e manutenção, simplicidade de operação e manobra em porto sem haver a necessidade de instalações especiais no local. Opera com eficiência também no regime hidroestático. Importante nos casos do funcionamento de embarcações militares que necessitam navegar em condições de velocidades mais baixas em regime de patrulha. Boa qualidade aerodinâmica.

Apresentam como desvantagens : 

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Comportamento em ondas deficiente, apresentando perda de velocidade em ondas de baixa frequência. O seakeeping destas embarcações é ruim nestes casos. Estabilidade dinâmica deficiente em altas velocidades. Possui baixa capacidade de carga quando comparada a outras embarcações AMVs.

3.2 Aerobarcos São embarcações de sustentação hidrodinâmica possuindo apêndices ligados ao seu casco, fólios hidrodinâmicos. Os fólios principais deste tipo de embarcações são os submersos e os do tipo secante. Os sistemas de fólios submersos operam completamente submersos na água, apresentando sistemas automáticos para regulação do ângulo de ataque do perfil hidrodinâmico. Enquanto os de fólio secante proporcionam a sustentação atravessando e tangenciando a superfície da água.

Figura 5 Aerobarco fólio secante

Figura 6 Aerobarco fólio submerso

Apresentam como vantagens : 

Operação com fólios possibilita a redução da demanda de potência requerida para locomover a embarcação, apresentando bom comportamento em ondas a partir do acionamento e sustentação fornecida pelos fólios.

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Possibilidade de regulação de ângulos de ataque do perfil hidrodinâmico aumentando a eficiência de sustentação.

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Possibilidade de implantar fólios retráteis que por sua vez permitem que estas embarcações operem em regiões e ocasiões de menores calados.

Apresentam como desvantagens: 

Operam com deficiência abaixo da velocidade de decolagem, inviabilizando utilização em largas faixas de velocidades restringindo a faixa de operação.

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Sistema automático de controle ativo (Auto Pilot ou Foils) possui alto custo, inviabilizando financeiramente alguns projetos.

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Limitação de tamanho e capacidade de carga .

3.3 ACVs(Air Cushion Vehicles) São embarcações de sustentação aerostática que operam sobre colchões de ar formados pela insuflação de ar no interior de uma saia flexível. O colchão de ar é o volume de ar localizado sob o casco que é reposto de forma permanente e mantido à pressão superior à atmosférica evitando o contato direto da embarcação com a superfície da água ou do solo. A propulsão dos ACVs é quase sempre aérea permitindo que tenham uma operação anfíbia, utilizado em vários tipos de terrenos. Apresentam como vantagens :    

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Devido a pequena resistência ao avanço podem alcançar altas velocidades. Sua resistência se reduz praticamente à resistência aerodinâmica. Grande capacidade de carga Faciliade de operação portuária de embarque de passageiros ou de carga devido a sua capacidade de operação anfíbia Pequenos calados de operação, por isso são relativamente imunes a problemas causados pelo impacto de madeiras flutuantes, redes de pesca, cabos e outros objetos A forma do seu convés, com alta razão boca/comprimento, favorece o arranjo de passageiros e de carga.

Apresentam como desvantagens :  

Grande consumo de combustível. Grandes acelerações verticais, acarretando em baixo nível de conforto.

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Pequena estabilidade direcional e dificuldade de se controlar o curso e a velocidade de avanço e frenagem Necessidade de complexos sistemas de direcionamento operando em conjunto com a operação Uso de combustível para os motores de maior valor agregado Alto custo de contrução e manutenção. Seus sistemas de propulsão e insuflamento sõa os motivos para os altos custos mencionados

Pela sua flexibilidade de operação é adequado para utilizações militares, como em desembarques de tropas de ataque rápido ou de resgate em terrenos não navegáveis.

Figura 7 ACV iniciando operação em solo

Figura 7 ACV de uso militar

3.4 SESs( Surface Effect Ships) São embarcações de sustentação aerostática cujo colchão de ar está contido em um compartimento não completamente flexível, como ocorre nos ACVs. Possui dois cascos laterais rígidos e apresentam estruturas flexíveis insufladas à vante e à ré.A estrutura inflável à vante é muito semelhante a saia dos ACVs. Seu princípio básico de funcionamento é que, na condição estática, o pressão do colchão, expressa em coluna de água salgada, não pode nunca exceder o menor valor do calado, caso contrário o ar é expelido do colchão. A propulsão dos SESs é aquática e se dá, normalmente, por hidrojato, implicando em um bom rendimento do sistema propulsivo pois a resistência ao avanço é pequena. Algumas de suas vantagens são : 

Grandes velocidades são possíveis de serem alcançadas( chegando até 90 nós), já que a resistência ao avanço é muito baixa.

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Grande capacidade de carga.

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Boa estabilidade direcional, dois cascos esbeltos afastados, e boa manobrabilidade, distância das instalações propulsoras até a linha de centro.

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Relação consumo/velocidade superior aos ACVs

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Possibilidade de dupla operação :sobre o colchão e sobre o casco.

Algumas de suas desvantagens são : 

Diferente dos ACVs, o SESs não apresentam operação anfíbia, e além disso seu seakeeping é mais crítco já que o amortecimento fornecido pelo colchão e pela saia é menor

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Apresenta consumo elevado de combustível

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Custo de manutenção alto, possui rápido desgaste

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Necessidade de sistema de insuflamento ativo capaz de controlar a pressão interna do colchão é complexo e de alto custo

Figura 9 SES de uso militar

Figura 8 SES de uso militar

3.5 SWATHs(Small Waterplane Area Twin-Hulls) São embarcações de deslocamento com sustentação hidrostática. Operam em velocidades intermediárias entre embarcações convencionais de deslocamento e de outras embarcações de superfície de alto desempenho. Por possuir pequena área de linha d’água possui excelente comportamento em ondas. O SWATH é um catamarã cujos cascos são muito afilados na altura da linha d’água de oepração, adquirindo a forma de torpedos em sua porção submersa. Algumas de suas vantagens são :    

Operam em variados estados de mar, garantida pelo excelente comportamento em ondas. Grande superfície da plataforma pode ser aproveitada comercial ou estrategicamente .em com acordo com sua finalidade específica. Velocidade alta em relação com outras embarcações de deslocamento. Excelente comportamento em mar parado.

Algumas de suas desvantagens são   

Possui grande calado, o que reduz sua capacidade de operação em algumas regiões. Estabilidade avariada precária. Instabilidade presente nos movimentos de heave e pitch.

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Alta complexidade estrutural conduzindo a um alto custo de contrução relativo ao grande volume de material necessário. Componente de resistência friccional agravada devido à grande superfície molhada, limitando por fim sua velocidade. Dificuldade de instalação dos motores devido à forma dos torpedos.

Figura 11 Ilustração dos torpedos submersos

Figura 12 SWATH com helideck instalado

Figura 13 Comparação das porções submersas de embarcação catamarã e do SWATH

3.6 WIGs(Wings in Ground Effect) São embarcações de sustentação aerodinâmica que operam muito próximas da superfície, não estando necessariamente em contato com a água. Utilizam o artifício do efeito de solo para obter maior razão sustentação/arrasto, operando com suas asas próximas à água. Suas asas são bastante curtas quando comparadas a aviões convencionais. Algumas de suas vantagens são :

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Excelente relação lift/drag graças ao efeito de solo e pequena perda de sustentação devido à inibição de vórtices de ponta

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Atingem velocidades altíssimas em relação a qualquer uma das embarcações aquáticas, resistência puramente aerodinâmica.

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Sua operação dificulta a detecção por radares e também por sonares, possibilidade de atua como veículos de espionagem

Algumas de suas desvantagens são : 

Altos custos de contrução e operação, construção demanda alta tecnologia

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Manobrabilidade deficiente operando na superfície da água

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Seakeeping crítico, sua condição de operação pe limitada a estado de mar mais baixos.

Figura 14

Figura 15 WIG em operação

Figura 16