PROJETO DE UM DISPOSITIVO PARA VIABILIZAR ENSAIOS SOBRE QUALIDADE DE VÔO DE AERONAVES

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1 PROJETO DE UM DISPOSITIVO PARA VIABILIZAR ENSAIOS SOBRE QUALIDADE DE VÔO DE AERONAVES Thomaz Daibert Machado Tavares IC Roberto da Mota Girardi PQ Resumo Nesse trabalho será discutido o desenvolvimento de um projeto para estudo da qualidade de vôo de aviões sujeitos a perturbações. Para tanto, será colocado um modelo de avião preso a um suporte na saída de um túnel de vento de pequeno porte. Quando o modelo estiver voando, sua estabilidade será perturbada e um sistema de aquisição de dados se responsabilizará pela leitura de seu movimento. Ao operador será permitido modificar algumas propriedades do modelo como a posição do centro de gravidade e o momento de inércia, podendo observar a influência dessas mudanças no comportamento da aeronave. Também será possível que o operador atue no ângulo das empenagens, como se estivesse pilotando o modelo. Foram projetados dois bancos de ensaio: um para a simulação do movimento longitudinal e outro para a simulação do movimento latero-direcional. Vale lembrar que essa separação só é possível porque esses movimentos estão desacoplados. Nesse período de iniciação científica foi construído apenas o simulador de movimento longitudinal, portanto maior atenção será dada a ele. Abstract In this work we will discuss the development of a project to study the flying conditions in planes that suffers disturbances. For that, a model plane will be placed in front of a small wind-tunnel. When in flight, its stability will be disturbed and a data acquisition system will be responsible of reading its movements. The operator will be capable of modifying the model s gravity center position, inertia moment, and watching the influence of these changes in the project. It will be also possible to change the angle of the horizontal tail, as if the operator was piloting the model. We projected two analysis benches: the first one to simulate the longitudinal movement and the second one to simulate the lateral movements. This separation is possible only because these are independent movements. In this work time, only the longitudinal movement simulator was built, so we will give it more attention. 1. INTRODUÇÃO O objetivo desse projeto é a elaboração um sistema que irá simular o vôo de um avião sujeito a algumas perturbações. Esse sistema é composto por um modelo e um suporte acoplado ao túnel de vento TE 44 do fabricante Plint and Partners, instalado no Laboratório de Engenharia Aeronáutica Prof. Feng ITA. O cumprimento dos requisitos de qualidade de vôo é um ponto importante no projeto de uma aeronave. A qualidade de vôo está associada à forma como a aeronave responde a perturbações do seu vôo normal, devido a rajadas. Por exemplo, após ter sofrido uma perturbação a aeronave pode oscilar muito antes de estabilizar a sua trajetória normal (neste caso os passageiros certamente iriam se sentir incomodados) ou pode ter uma estabilização bem amortecida, de maneira que poucas oscilações sejam sentidas pelos passageiros. A maneira como a aeronave se comporta depende de vários fatores, tais como: posição do centro de gravidade (CG) com relação à força de sustentação gerada pela asa, pelas distâncias do CG às empenagens horizontal e vertical e da forma e das dimensões da asa e das empenagens. O projeto deve permitir que o operador possa realizar algumas alterações rápidas durante o ensaio, podendo variar a posição do cento de massa, o momento de inércia, o ângulo da empenagem horizontal (movimento longitudinal e latero-direcional) e o ângulo da empenagem vertical do modelo (movimento latero-direcional). A idéia não é apenas simular o vôo, mas também verificar a influência desses elementos na estabilidade do modelo. Os dados colhidos, bem como a observação do

2 movimento, poderão ser comparados às equações previstas na teoria e, pela análise desses dados, pode-se avaliar se a configuração de um avião apresenta ou não boa qualidade de vôo. Esse tipo de ensaio não é muito comum, o que dificultou a busca de trabalhos já realizados na área. A idéia básica do projeto foi tirada de um manual da Plint and Partners [2], mas a concepção do modelo e de seu suporte foi toda desenvolvida durante essa iniciação científica. Esse artigo é composto pela apresentação do projeto e discussão do modelo e de seu suporte para simulação do movimento longitudinal e pela apresentação de experimentos e de dados colhidos. 2. PROJETO DO MODELO PARA SIMULAÇÃO DO MOVIMENTO LONGITUDINAL O modelo é constituído basicamente de um corpo de alumínio onde estão presas a asa, as empenagens horizontal e vertical, o eixo suporte (que serve de apoio para o modelo), pesos (para mudar a posição do centro de gravidade e o momento de inércia), um potenciômetro (responsável pela medida do ângulo do modelo) e um servo motor (para movimentar a empenagem horizontal). Essa estrutura foi revestida por uma fuselagem de fibra de carbono que melhora a aerodinâmica do modelo. Os materiais foram escolhidos principalmente por apresentarem baixa densidade, deixando o modelo mais leve, por serem de fácil manuseio e por estarem, em grande parte, disponíveis no laboratório. As principais dimensões do modelo são: envergadura, 320mm; comprimento, 370mm; altura da carenagem, 50mm; corda da asa, 56mm; envergadura da primeira empenagem horizontal, 130mm; corada da primeira empenagem horizontal, 22mm; envergadura da segunda empenagem horizontal, 184mm; corda da segunda empenagem horizontal, 31mm; distância entre as linhas de ¼ da asa e da empenagem horizontal, 195mm. Duas empenagens de tamanhos diferentes foram construídas para que se possa verificar a influência do tamanho da empenagem no movimento do modelo. Na figura 2 pode-se ver o projeto do modelo sem sua carenagem. Através da inserção ou retiras de pesos dianteiros e traseiros pode-se variar a posição do centro de gravidade em até 10cm e o momento de inércia em até 4 vezes. A posição do eixo deve coincidir com a posição do CG, pois o movimento de rotação de uma aeronave ocorre em torno desse ponto. Para isso, foi projetada uma caixinha que contém o eixo do modelo e o potenciômetro para medir o ângulo de ataque. Essa caixinha pode ser fixada em três diferentes posições: com o eixo localizado sobre o bordo de ataque, sobre a linha de ¼ da corda e sobre a linha média da asa. Essas posições foram escolhidas de forma que o CG possa estar na frente, sobre e atrás do centro aerodinâmico do modelo. A construção do modelo e do suporte foi realizada no próprio laboratório Prof. Feng e a foto final do modelo pode ser vista na figura 2. O modelo pesa cerca de 400g e seu momento de inércia calculado através da massa e da posição de cada elemento é 0,00457kg m 2 (para o CG do modelo localizado sobre a linha de ¼ da corda da asa). Figura 1: Vista lateral do projeto do modelo para simulação do movimento longitudinal Figura 2: Modelo já construído e com sua carenagem de fibra de vidro Após construção do modelo, o movimento de rotação sobre o eixo ocorreu praticamente sem atrito nenhum. Porém, ao conectar-se o potenciômetro de medida de ângulo, o atrito passou a ser considerável, mesmo tendo sido usado um potenciômetro de pouco atrito. Esse problema pode ser

3 devido à configuração adotada para o sistema de ligação potenciômetro-suporte. Foram feitas tentativas de lubrificação das articulações envolvidas, porém o atrito continuou atrapalhando. O próximo passo é refazer o projeto de ligação entre o potenciômetro e o suporte de forma que a influência do instrumento de medição no movimento do modelo seja minimizada. Figura 3: Esquema do modelo preso ao primeiro suporte já ligado ao túnel de vento Figura 4: Esquema do modelo preso ao segundo suporte e ligado ao túnel de vento Apesar de a construção do suporte em s (figura 3) ter ocorrido sem problemas, seu comportamento não foi o esperado. Foi necessária a inserção de contrapesos nas extremidades das hastes, pois a sustentação gerada não foi suficiente para levantar o modelo e o suporte. Devido ao grande comprimento das hastes horizontais e a necessidade do uso de contrapesos, o sistema que permite o movimento vertical apresentou uma inércia muito grande. Assim, o movimento de subida e descida do modelo foi comprometido, pois sua resposta às variações da sustentação ocorreu muito lentamente, não havendo nenhuma relação com o movimento longitudinal de uma aeronave real. Por isso o movimento do suporte não foi usado, tendo que ser impedido por um limitador preso à mesa. Esse problema com o suporte nos motiva a construir um segundo suporte. Sua construção ainda não foi realizada, porém seu projeto já está pronto e pode ser visto na figura 4. Este suporte será encaixado à boca do túnel por meio de quatro parafusos que se encontram nas extremidades de sua seção de teste. O modelo estará suspenso entre as duas polias da esquerda por um cabo de aço. Esse cabo irá contornar as quatro polias e o movimento se subida e descida do modelo será convertido em movimento de rotação das polias. Entre as polias da direita, deve haver um contrapeso para balancear a carga excessiva do modelo. Esse contrapeso deve servir também como esticador de cabo, para manter tracionado o cabo de aço. É visível que com essa configuração o problema da inércia do movimento vertical é resolvido. 3. INSTRUMENTAÇÃO USADA NA SIMULAÇÃO DO MOVIMENTO LONGITUDINAL Dois potenciômetros foram acoplados ao conjunto. Um para medir o ângulo de ataque (visto na figura 1) e outro para medir a posição vertical do modelo (ligado ao apoio 1 da figura 3. Os dois potenciômetros são alimentados por uma fonte de tensão e ligados a um sistema de aquisição de dados que lê a voltagem de saída dos potenciômetros. A calibração dos potenciômetros é necessária para relacionar a voltagem lida com a posição vertical ou ângulo de ataque do modelo. A calibração do potenciômetro que indica a posição vertical não foi feita, pois o movimento vertical do modelo foi impedido nos experimentos realizados, sendo necessária somente a calibração do outro potenciômetro. Para calibração, o potenciômetro foi alimentado por uma tensão de 11 V, conectado ao modelo e ao sistema de aquisição de dados. Foi obtido um conjunto de pontos relacionando a voltagem lida com o ângulo do modelo e um polinômio foi usado para ajuste desses pontos.

4 O servo motor está ligado à empenagem horizontal por meio de um braço rígido e um equipamento foi montado para comandar esse servo motor responsável pelo controle da empenagem. Seu funcionamento pode ser explicado de forma simples: seleciona-se no equipamento a freqüência da onda a ser enviada como sinal ao servo motor que deve ser alimentado com uma voltagem máxima de 6V. Para cada freqüência gerada, o servo motor e, consequentemente, a empenagem horizontal assumem uma determinada posição. Porém, o funcionamento do equipamento mencionado deixou a desejar e um outro será montado para executar essa função. Os experimentos realizados não usaram o servo motor e o posicionamento da empenagem horizontal foi feito manualmente. 4. EXPERIMENTOS E RESULTADOS 4.1. Obtenção experimental do momento de inércia Mesmo já tendo calculado o momento de inércia através da massa e da posição dos componentes do modelo, é interessante ter também uma forma experimental de obtenção, pois assim o operador pode medir o momento de inércia para as configurações por ele desejada na hora do experimento. Para tal, foi aplicado um momento constante ao modelo e seu movimento de rotação depende diretamente do momento de inércia. Então esse movimento foi comparado com equações a fim de se obter o valor desejado. Além dos valores obtidos para o momento de inércia variarem bastante entre si, nenhum se aproximou satisfatoriamente do valor calculado anteriormente. Assim, esse método para obtenção experimental do momento de inércia não serviu de nada para em nosso projeto. Talvez com outro modelamento matemático ou até mesmo com outra forma de condução do experimento, a obtenção do momento de inércia se torne possível Simulação da oscilação longitudinal de aeronaves e análise qualitativa Os experimentos foram feitos combinando-se três fatores: posição do CG (três possibilidades), tamanho da empenagem (duas possibilidades) e velocidade do escoamento (em torno de 4m/s, 7m/s e 10m/s três possibilidades). Para cada configuração possível o modelo foi posto em vôo e seu movimento foi lido pelo computador. Para realização dos experimentos, dois tipos de condições iniciais forma usados. Na primeira, o modelo foi mantido em um ângulo inicial e solto dessa posição com velocidade angular igual a 0. E na segunda foi realizada uma perturbação a fim de tirar o modelo de sua posição de equilíbrio. A repetitividade dos dados colhidos não foi boa. Isso ocorreu principalmente devido à falta de padronização das condições iniciais e também a influência do atrito no sistema de medição. A carenagem ainda não estava pronta durante a realização desse experimento, portanto o modelo estava sujeito a forças de arrasto elevadas bem como ao descolamento do escoamento em várias regiões. A primeira comparação que pôde ser feita está relacionada à diferença entre as empenagens pequena e grande. Em uma mesma velocidade, com o CG em sua posição central o movimento do modelo foi gravado para diferentes tamanhos de empenagem (veja a figura 5). Para podermos comparar as curvas obtidas, os dados foram normalizados, dividindo-se os valores de ângulo pelo ângulo inicial. O comportamento das curvas normalizadas é bastante parecido, porém é visível que com a empenagem grande o movimento do modelo é mais amortecido, tanto em amplitude quanto em período. Isso ocorre porque as forças responsáveis pelo amortecimento do movimento são de caráter aerodinâmico. Uma vez que a empenagem menor gera forças menores, o amortecimento passa a agir mais lentamente. A diminuição do tamanho da empenagem horizontal desloca o centro aerodinâmico do modelo mais para frente, aproximando-se mais da linha de ¼ da corda da asa. Se o centro de gravidade estiver atrás da linha de ¼ da corda da asa, ao diminuindo-se o tamanho da empenagem, corre-se o risco de deixar o CG atrás do centro aerodinâmico. Essa posição relativa entre o CG e o centro aerodinâmico é suficiente para gerar instabilidade no movimento do modelo. Essa situação pode ser simulada e está ilustrada nas próximas figuras.

5 α/ 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0-0,2-0,4-0,6-0,8 V = 9,5 m/s = 0,36 rad - emp grande = 0,38 rad - emp grande = 0,40 rad - emp pequena = 0,36 rad - emp pequena -1,0-0,5 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 tempo (s) Figura 5: Comparação do movimento normalizado do modelo com empenagens grande e pequena V = 7,4 m/s 0,5 dα/dt positivo em t=0 0,4 dα/dt positivo em t=0 dα/dt negativo em t=0 0,3 dα/dt negativo em t=0 0,2 α (rad) 0,1 0,0-0,1-0,2-0,3-0,4-0,5 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 tempo (s) Figura 6: Movimento do modelo a 7,4 m/s com empenagem grande e posição traseira do CG α (rad) V = 4,4 m/s 0,5 dθ/dt positivo em t=0 0,4 dθ/dt positivo em t=0 0,3 dθ/dt negativo em t=0 0,2 0,1 0,0-0,1-0,2-0,3-0,4-0,5-0,6-0,5 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 tempo (s) Figura 7: Movimento do modelo a 4,4 m/s com empenagem pequena e posição traseira do CG

6 Apesar do movimento descrito na figura 6 apresentar várias possibilidades de ângulos finais de equilíbrio, ele pode ser classificado como estável. Isso só ocorreu por causa da influência do atrito que não foi vencido pelo torque gerado pela sustentação. Esse torque é pequeno devido à proximidade do centro aerodinâmico à linha de ¼ da corda da asa, ou seja, devido ao pequeno braço do torque. Na figura 7 pode-se ver o modelo se apresentou instável mesmo para velocidades pequenas. Para ângulos de ataque positivos o atrito impediu que o ângulo de ataque divergisse. Porém, para ângulos de ataque negativos, o movimento foi divergente, sendo acelerado até a posição extrema inferior (aproximadamente -0,5 rad). Comparando as figuras 6 e 7 pode-se ver que, para uma mesma posição do CG, a mudança do tamanho da empenagem pode acarretar na instabilidade do modelo. Enquanto o modelo se mostrou estável com a empenagem grande e posição traseira do CG (figura 6), a mudança para a empenagem pequena deixou o modelo instável (figura 7). 5. CONSIDERAÇÕES FINAIS Apesar de uma pequena parte teórica ter sido abordada, o enfoque dessa iniciação científica foi a parte de projeto: desde a concepção até o detalhamento, desenho das peças e elaboração de experimentos. Embora o experimento para obtenção do momento de inércia não ter dado certo, sua execução serviu para deixar clara a necessidade de uma metodologia experimental mais confiável e uma medida de ângulo que interfira menos no movimento do modelo. Já o experimento de simulação de oscilação de aeronaves teve um caráter mais qualitativo e diversas observações puderam ser feitas a partir da análise do movimento do modelo. Foi mostrada com clareza a importância de configurações como posição do CG e tamanho da empenagem em um projeto de um avião. Caso esses fatores não sejam levados em consideração, o avião produzido será inseguro ou apresentará uma qualidade de vôo ruim, podendo gerar até situações de acidente. Uma análise quantitativa de comparação dos gráficos com modelos matemáticos, ainda não foi possível, pois é necessária a obtenção das derivadas de estabilidade do modelo que ainda será realizada. Apesar de estar quase tudo construído e alguns experimentos já poderem ser realizados, o sistema ainda está em período de testes para que se possa explorar todas as suas possibilidades da melhor forma. A principal dificuldade encontrada durante a iniciação científica foi a conciliação concepçãoconstrução e prática-teoria. As idéias apresentadas para a construção do modelo e do suporte nem sempre podiam ser colocadas em prática ou, quando colocadas, não funcionavam como esperado. Além disso, pode-se constatar que as equações teóricas muitas vezes não são obedecidas nos bancos de ensaio, tanto por dificuldade na condução dos experimentos (que devem estar bem elaborados) como por interferências de fatores inicialmente desprezados. AGRADECIMENTOS Vale aqui agradecer a toda a equipe do laboratório Prof. Feng do ITA que esteve sempre disposta a ajudar quando necessário, em especial ao técnico Mario Correa responsável pela construção dos aparatos. Deve-se agradecer à empresa Cenic pelo auxílio prestado na construção do modelo e também pelo incentivo dado aos projetos desenvolvidos por alunos do ita e, finalmente, ao CNPq pela oportunidade oferecida aos bolsistas. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] Paglione, P.; Zanardi, M.C.; Estabilidade e Controle de Aeronaves, Curso de MVO-03 Instituo Tecnológico de Aeronáutica, Departamento de Mecânica do Vôo e Orbital; [2] Berks, Plint and Partners; Flight Demonstration Wind Tunnel; S.D.