UAV-01 OLHARAPO (Parte V) UAV-02 (Parte V) ULM Rans S-12 Airaile (Parte I)

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1 UNIVERSIDADE DA BEIRA INTERIOR PROJECTO DE AERONAVES II PROJECTO DE AERONAVES II /2008 UAV-01 OLHARAPO (Parte V) UAV-02 SKYGU@RDIAN (Parte V) ULM Rans S-12 Airaile (Parte I) Descrição do Projecto Parte VI

2 ÍNDICE 1. INTRODUÇÃO REQUISITOS Olharapo SkyGu@rdian Rans S Normas MASSAS Massas do Olharapo Massas do SkyGu@rdian MOTORIZAÇÃO DO SKYGU@RDIAN Motor Hélice TAREFAS Olharapo Fuselagem Motor Eléctrico SkyGu@rdian Instalação do Motor Alternativo no Nariz Instalação do Motor Alternativo na Cauda Cauda com Empenagem em V Sistema de Recuperação (Pára-quedas) Rans S Verificações e Ensaios Montagem da Estrutura Montagem dos Sistemas e instrumentos Tarefas Individuais Calendário de Trabalhos Cooperação Relatório AVALIAÇÃO BIBLIOGRAFIA PVG-3792/ /

3 1. INTRODUÇÃO Nos últimos anos, o Departamento de Ciências Aeroespaciais (DCA) da Universidade da Beira Interior (UBI) tem realizado variadas actividades no âmbito do desenvolvimento de aeronaves não tripuladas (UAVs), ao nível da concepção, construção e ensaio de plataformas e ao nível de sistemas. Assim, para dar continuidade aos trabalhos anteriores realizados nesta área, vão ser realizados trabalhos de projecto, implementação e ensaio em dois UAVs. No seguimento de trabalhos de projecto conceptual, trabalhos de projecto detalhado e ensaios realizados nos anos lectivos de 2000/2001 a 2006/2007 sobre o UAV Olharapo pretende-se continuar com o desenvolvimento da aeronave através de alterações estruturais e reconstrução e ensaio do seu motor eléctrico. No final deste trabalho o protótipo do Olharapo deve estar pronto a receber o equipamento do piloto automático e a realizar voos de ensaio. Também, no seguimento de trabalhos de projecto conceptual, trabalhos de projecto detalhado e ensaios realizados nos anos lectivos de 2001/2002 a 2006/2007 sobre o UAV SkyGu@rdian pretende-se continuar com o desenvolvimento do sistema propulsivo a gasolina, implementar algumas alterações estruturais e desenvolver um sistema de recuperação. No final deste trabalho o protótipo do SkyGu@rdian deve estar equipado com o sistema propulsivo a gasolina e pronto a realizar voos de ensaio. O DCA possui um Ultraleve Motorizado (ULM) em fase de construção. Existem algumas tarefas necessárias realizar para que o ULM Rans S-12 fique concluído: acabamento da montagem da cobertura da fuselagem, instalação dos instrumentos e sistemas, preparação do motor, verificações e ensaios. Pretende-se com este trabalho concluir estas tarefas para que se possa transportar a aeronave para o Aeródromo da Covilhã e para proceder à sua certificação. Esta descrição do projecto apresenta as tarefas necessárias realizar durante o semestre bem como o plano de trabalhos a cumprir. Este projecto requer dedicação e trabalho contínuo para que os prazos sejam cumpridos e para que os resultados sejam satisfatórios. É essencial que os alunos sejam autónomos e desenvolvam capacidade para a resolução de problemas. A função do docente é ensinar, orientar e aconselhar e nunca fazer o trabalho pelo aluno. 2. REQUISITOS Os requisitos para este projecto são apresentados abaixo e durante o decorrer do projecto devem ser respeitados. Possíveis alterações nos requisitos serão discutidas e acordadas pelo docente e por todos os elementos envolvidos no projecto Olharapo Estão a desenvolver-se no DCA, no âmbito de outras disciplinas, sistemas de controlo autónomos para UAVs. Deseja-se que o Olharapo tenha espaço suficiente dentro da sua fuselagem para poder trasnportar este equipamento. Para isso, é necessário aumentar a altura da sua fuselagem para que a motherboard do controlador de 17cm x 17cm possa ser alojada no seu interior juntamente com outros sistemas, como por exemplo os sistemas de alimentação e sensores. Em 2005 foi projectado e construído um motor eléctrico específico para os requisitos do Olharapo. Após ensaios preliminares verificou-se algum sobreaquecimento e por isso é necessário recosntruí-lo para corrigir este problema e ensaiá-lo. O trabalho no Olharapo consiste nas seguintes tarefas: PVG-3792/ /

4 a) Fuselagem b) Motor eléctrico 2.2. Em ensaios ao sistema propulsivo verificou-se a necessidade de instalar um motor mais potente. Assim, adoptou-se o motor Fuji BT-50 com 5,0hp às 10000rpm. A aeronave já voou com sucesso com este motor instalado no nariz mas é necessário projectar e fabricar uma carenagem para este motor que se adapte à fuselagem e que proporcione a refrigeração necessária. Segundo a concepção original da aeronave o sistema propulsivo é instalado na cauda. Esta configuração requer um veio de transmissão entre o motor e o hélice uma vez que, por razões de peso e centragem, o motor não pode ser colocado na extremidade da cauda onde está o hélice. Os elementos da transmissão estão fabricados à excepção do veio em fibra-decarbono/epoxy que precisa de ser construído. Após a montagem e ensaio do sistema, este será instalado no protótipo do UAV. Na configuração com motor no nariz não faz sentido ter a cauda em Y pois a parte inferior desta cauda (a empenagem vertical) tem a função de proteger o hélice. Assim, pode instalar-se uma empenagem em V, o que requer que a fuselagem traseira seja alongada para manter as características de estabilidade e controlo. Para voar fora de zonas restritas (como aeródromos por exemplo) o INAC exige que os UAVs seja equipados com um sistema de recuperação para casos de emergência. Assim, é necessário projectar e instalar um sistema de pára-quedas que permita ser aberto em voo e que traga a aeronave em segurança até ao solo. O trabalho no SkyGu@rdian inclui as seguintes tarefas: a) Instalação do motor alternativo no nariz b) Instalação do motor alternativo na cauda c) Cauda com empenagem em V d) Sistema de recuperação (pára-quedas) 2.3. Rans S-12 É necessário fazer um ponto da situação da construção do ULM para avaliar o que está feito, o que falta fazer, as peças existentes e as peças em falta para que se possa proceder ao planeamento dos passos a realizar para a conclusão da aeronave. O trabalho no Rans S-12 inclui as seguintes tarefas: a) Verificações e ensaios b) Montagem da estrutura c) Montagem dos sistemas e instrumentos 2.4. Normas As normas de projecto a utilizar, no que respeita ao dimensionamento da estrutura, serão as JAR-VLA. Todo o trabalho desenvolvido deve ter como objectivo principal a segurança. 3. MASSAS PVG-3792/ /

5 3.1. Massas do Olharapo Massa máxima na descolagem (protótipo) Massa vazio Carga máxima 6,0 kg 3,4 kg 2,6 kg A tabela abaixo mostra as massas (kg) descriminadas dos componentes do avião. Componente Massa % MTOM Fuselagem 0,937 15,73 Asa direita 0,542 9,10 Asa esquerda 0,545 9,15 Enpenagem direita 0,130 2,18 Enpenagem esquerda 0,131 2,20 Enpenagem vertical 0,000 0,00 Trem principal 0,215 3,61 Trem de nariz 0,055 0,92 Estrutura 2,555 42,89 Sistema propulsivo 0,515 8,65 Controlos de Voo 0,332 5,57 Sistemas e Equipamento 0,847 14,22 Massa vazio 3,402 57,11 Massa vazio operacional (OEM) 3,402 57,11 Carga 1,300 21,82 Baterias 1,255 21,07 Massa máxima à descolagem (MTOM) 5, , Massas do SkyGu@rdian Massa máxima na descolagem (protótipo) Massa vazio Carga máxima 16,5 kg 14,2 kg 2,3 kg A tabela abaixo mostra as massas (kg) descriminadas dos componentes do avião. Componente Massa % MTOM Fuselagem 3,180 19,27 Asa direita 2,499 15,15 Asa esquerda 2,406 14,58 Enpenagem direita 0,430 2,61 Enpenagem esquerda 0,420 2,55 Enpenagem vertical 0,220 1,33 Trem principal 0,730 4,42 Trem de nariz 0,100 0,61 Estrutura 9,985 60,52 Sistema propulsivo 3,610 21,88 Controlos de Voo 0,590 3,58 Sistemas e Equipamento 4,200 25,45 PVG-3792/ /

6 Massa vazio 14,185 85,97 Massa vazio operacional (OEM) 14,185 85,97 Carga 1,800 10,91 Baterias 0,515 3,12 Massa máxima à descolagem (MTOM) 16, ,00 4. MOTORIZAÇÃO DO 4.1. Motor Tipo Potência Fuji BT-50 5,0 hp às rpm 4.2. Hélice Tipo Diâmetro x passo bipá de passo fixo 18 x12 5. TAREFAS Existem várias tarefas neste projecto que devem ser realizadas segundo o calendário apresentado. Todas as tarefas têm uma componente de concepção e aplicação, embora em diferente proporção. Cada aluno tem que realizar determinada quantidade de trabalho, como indicado em seguida. O projecto é um processo iterativo em que a perfeição não é possível nem necessária. Os trabalhos serão discutidos em reuniões de projecto regulares onde o progresso será verificado e as tarefas a realizar serão definadas. Os trabalhos de Projecto de Aeronaves I, Projecto de Aeronaves II, Projecto I e Projecto II dos anos lectivos anteriores devem ser consultados Olharapo Fuselagem 1) Verificação dos requisitos de espaço na fuselagem 2) Projecto das alterações da fuselagem 3) Implementação das alterações da fuselagem 4) Preparação da aeronave para receber os sistemas 5) Pesagem e comparação com os requisitos 6) Montagem da aeronave 7) Desenhos 8) Relatório Motor Eléctrico 1) Verificação do projecto do motor 2) Projecto das alterações do motor 3) Fabricação do motor 4) Instalação do motor na aeronave e ensaio PVG-3792/ /

7 5) Pesagem e comparação com os requisitos 6) Desenhos 7) Relatório 5.2. SkyGu@rdian Instalação do Motor Alternativo no Nariz 1) Projecto do do nariz da aeronave (carenagem e parede de fogo do motor) 2) Implementação das alterações 3) Montagem do sistema de combustível 4) Elementos de comando 5) Pesagem e comparação com os requisitos 6) Montagem do sistema na aeronave 7) Ensaios estáticos preliminares 8) Desenhos 9) Relatório Instalação do Motor Alternativo na Cauda 1) Fabricação do veio de transmissão 2) Montagem da transmissão 3) Montagem do sistema de combustível 4) Montagem do banco de ensaios 5) Ensaios estáticos preliminares 6) Elementos de comando 7) Pesagem e comparação com os requisitos 8) Montagem do sistema na aeronave 9) Desenhos 10) Relatório Cauda com Empenagem em V 1) Verificação dos requisitos de estabilidade e controlo 2) Projecto da empenagem em V 3) Projecto das alterações da fuselagem 4) Fabricação da cauda (fuselagem traseira) 5) Elementos de comando 6) Instalação da cauda e empenagem em V na fuselagem 7) Ensaio dos novos componentes 8) Pesagem e comparação com os requisitos 9) Desenhos 10) Relatório Sistema de Recuperação (Pára-quedas) 1) Definição dos requisitos do sistema de recuperação 2) Projecto do sistema de recuperação 3) Projecto das alterações à aeronave para receber o sistema de recuperação 4) Fabricação/aquisição do sistema de recuperação 5) Implementação das alterações da fuselagem 6) Elementos de comando 7) Ensaio do sistema 8) Pesagem e comparação com os requisitos PVG-3792/ /

8 9) Desenhos 10) Relatório 5.3. Rans S Verificações e Ensaios 1) Ponto da situação 2) Identificação das peças necessárias e avaliação das peças em falta 3) Estudo do manual 4) Verificação de todos os sistemas e toda a estrutura 5) Planeamento de ensaios 6) Ensaios 7) Relatório Montagem da Estrutura 1) Ponto da situação 2) Identificação das peças necessárias e avaliação das peças em falta 3) Estudo do manual 4) Execução das tarefas necessárias na estrutura 5) Verificações e ensaios 6) Relatório Montagem dos Sistemas e instrumentos 1) Ponto da situação 2) Identificação das peças necessárias e avaliação das peças em falta 3) Estudo do manual 4) Execução das tarefas necessárias nos sistemas 5) Execução das tarefas necessárias nos instrumentos 6) Verificações e ensaios 7) Relatório 5.4. Tarefas Individuais A tabela seguinte mostra as tarefas individuais que deverão ser escolhidas na primeira semana do semestre. Tarefa Responsável Nº Tel. 0 Coordenação Pedro Gamboa Fuselagem Joel Fonseca Nuno Maia M1773 M Motor Eléctrico Henrique Instalação do Motor Alternativo no Nariz Gonçalo Pereira M Instalação do Motor Alternativo na Cauda Rúben Braga Cauda com Empenagem em V Pedro Santos M Sistema de Recuperação Ricardo Nunes M Pedro Manquinho Verificações e Ensaios Tiago Reis M Montagem da Estrutura Nuno Franco Montagem dos Sistemas e Instrumentos Paulo Correia M PVG-3792/ /

9 5.5. Calendário de Trabalhos O quadro abaixo apresenta o calendário de tarefas do projecto que deverá, na medida do possível, ser cumprido. Mês Fev. Março Abril Maio Junho Julho Tarefa \ Semana A. Teóricas/Reunião Estrutura Motor Montagem Ensaios Relatório Legenda: 5.6. Cooperação Aulas teóricas Trabalho a desenvolver durante o semestre Semanas sem aulas Todos os trabalhos têm um responsável individual mas, devido à dependência existente entre as várias tarefas, a cooperação é essencial. Cada elemento deverá planear o seu trabalho considerando as várias tarefas necessárias realizar e deverá proporcionar a outros elementos toda a informação e ajuda necessárias, para que todos os projectos sejam coerentes. Todas as tarefas requerem bastante trabalho para serem terminadas dentro do prazo Relatório Cada aluno deverá redigir um relatório onde incluirá todos os passos relevantes do seu projecto, incluindo decisões tomadas, descrição do trabalho, esboços, cálculos, desenhos e fotografias. O relatório deverá ser entregue até ao dia do exame, dia? de Junho de 2008 (primeira chamada) ou? de Julho de 2008 (segunda chamada). 6. AVALIAÇÃO A avaliação será baseada no trabalho ralizado ao longo do semestre e no relatório final, onde será colocado grande ênfase no trabalho de equipa e nas decisões tomadas com vista à conclusão do trabalho. A admissão a Exame (classificação de frequência ) requer a participação nos trabalhos do projecto e a conclusão da tarefa atribuída. A nota final é E=0,6F+0,4R e a aprovação é com E>10. Cada momento de avaliação é resumido abaixo. 1. Frequência (F) Freq F Trabalho do semestre Exame da Primeira Chamada (E=0,6F+0,4R) 100 R Relatório Exame da Segunda Chamada (E=0,6F+0,4R) 100 R Relatório PVG-3792/ /

10 4. Exame de Época Especial (E=0,6F+0,4R) 100 R Relatório? BIBLIOGRAFIA Abaixo estão listados alguns livros que podem ser consultados para a realização deste projecto. Os relatórios de projecto de anos anteriores também podem ser consultados mas tendo em atenção que a informação neles contida pode estar incorrecta. Muita informação pode ser encontrada na internet. 01. Abbot & Doenhoff, Theory of Wing Sections, Dover Publications Inc, AIAA Aerospace Design Engineers Guide 3rd edition, AIAA, Barnes W. McCormick, Aerodynamics Aeronautics and Flight Mechanics 2nd edition, John Wiley & Sons Inc, Bent McKinley, Aircraft Powerplants 4th edition, McGraw-Hill, Bill Clarke, The Cessna 172 2nd edition, Tab Books, Bruce K. Donaldson, Analysis of Aircraft Structures An Introduction, McGraw-Hill, Cláudio Barros, Introdução ao Projecto de Aeronaves Volume 1 & 2, CEA/UFMG, Comprehensive Reference Guide to Airfoil Sections for Light Aircraft, Aviation Publications, Daniel P. Raymer, Aircraft Design: A Conceptual Approach, AIAA Education Series, Darrol Stinton, Flying Qualities and Flight Testing of the Airplane, AIAA Education Series, Darrol Stinton, The Design of the Aeroplane, Blackwell Science, David A. Lombardo, Aircraft Systems Understanding Your Airplane, Tab Books, David J. Peery, J. J. Azar, Aircraft Structures 2nd edition, McGraw-Hill Inc, Egbert Torenbeek, Synthesis of Subsonic Airplane Design, Delft University Press, E. H. J. Pallet, Aircraft Instruments & Integrated Systems, Longman Scientific & Technical, E. H. J. Pallet, Los Sistemas Eléctricos en Aviación, Paraninfo, Geoff Jones, Building and Flying Your Own Plane, Patrick Stephens Limited, Homebuilt Aircraft Sourcebook 5th edition, AeroCrafter, Ian Moir & Allan Seabridge, Aircraft Systems, Longman Scientific & Technical, Jane s All the World s Aircraft, Jan Roskam, Airplane Design Volumes I to VIII, The University of Kansas, Jan Roskam, Chuan-Taw Edward Lan, Airplane Aerodynamics and Performance, DARcorporation, JAR-23, Joint Aviation Requirements for Normal, Utility, Aerobatic and Commuter Category Aeroplanes, JAR-VLA, Joint Aviation Requirements for Very Light Aeroplanes, John Cutler, Estructuras del Avión, Paraninfo, Krisham K. Chawla, Composite Materials 2nd edition, Springer, Ladislao Pazmany, Landing Gear Design for Light Aircraft Volumes I & II, Pazmany Aircraft Corporation, Ladislao Pazmany, Light Airplane Design, Pazmany Aircraft Corporation PVG-3792/ /

11 29. Martín Cuesta Alvarez, Vuelo con Motor Alternativo, Paraninfo, Michael C. Y. Niu, Airframe Structural Design, Conmilit Press Ltd., Michael J. Kroes & Thomas W. Wild, Aircraft Powerplants 7th edition, McGraw-Hill, Michael J. Kroes & William A. Watkins & Frank Delp, Aircraft Maintenance & Repair 6th edition, Macmillan/McGraw-Hill, Robert C. Nelson, Flight Stability and Automatic Control, McGraw-Hill, Robert M. Rivello, Theory and Analysis of Flight Structures, McGraw-Hill, S. Hoerner, Fluid Dynamic Drag, Hoerner Fluid Dynamics, S. Hoerner, Fluid Dynamic Lift, Hoerner Fluid Dynamics 37. S. Laroze & J.-J. Barrau, Mécanique des Strucutures Tome 1, Masson, S. Laroze, Mécanique des Structures Tome 2 Poutres, Eyrolles Masson, S. Laroze, Mécanique des Structures Tome 3 Thermique des Structures & Dynamique des Structures 2ème edition, Masson, S. Laroze, Mécanique des Structures Tome 4 Calcul des Structures en Matérieux Composites, Eyrolles Masson, Stelio Frati, L Aliante, Editore Ulrico Hoepli, Milano, Stephen P. Timoshenko, James M. Gere, Theory of Elastic Stability 2nd edition, McGraw-Hill International Editions, Ted L. Lomax, Structural Loads Analysis for Commercial Transport Aircraft Theory and Practice, AIAA Education Series, The Metals Black Book Volume 1 Ferrous Metals, Casti Publishing Inc, The Metals Red Book Volume 2 Nonferrous Metals, Casti Publishing Inc, T. H. G. Megson, Aircraft Structures for Engineering Students 2nd edition, Edward Arnold, Tony Bingelis, Firewall Forward Engine Installation Methods, EAA Aviation Foundation, Tony Bingelis, Sportplane Construction Techniques A Builder s Handbook, EAA Aviation Foundation, Tony Bingelis, The Sportplane Builder Aircraft Construction Methods, EAA Aviation Foundation, W. A. Lees, Adhesives and the Engineer, Mechanical Engineering Publications Limited, Y. C. Fong, An Introduction to the Theory of Aeroelasticity, Dover Publications Inc, 1993 PVG-3792/ /