UAV-01 OLHARAPO (Parte IV) UAV-02 (Parte IV) UAV-06 SAVD (Parte II)

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1 UNIVERSIDADE DA BEIRA INTERIOR PROJECTO DE AERONAVES II /2006 UAV-01 OLHARAPO (Parte IV) UAV-02 SKYGU@RDIAN (Parte IV) UAV-06 SAVD (Parte II) Descrição do Projecto Parte V

2 ÍNDICE 1. INTRODUÇÃO REQUISITOS Olharapo SkyGu@rdian SAVD Normas MASSAS Massas do Olharapo Massas do SkyGu@rdian Massas do SAVD MOTORIZAÇÃO DO SKYGU@RDIAN Motor Hélice TAREFAS Olharapo Refrigeração e Ensaio do Motor SkyGu@rdian Instalação do Motor Alternativo na Cauda Instalação do Motor Alternativo no Nariz Trem de Aterragem Convencional Trem de Aterragem Tricíclo Reparação de Componentes SAVD Projecto Estrutural da Asa Modelo do Perfil da Asa Modelo do Flape da Asa Sistema Propulsivo Híbrido Tarefas Individuais Calendário de Trabalhos Cooperação Relatório AVALIAÇÃO BIBLIOGRAFIA... 10

3 1. INTRODUÇÃO Nos últimos anos, o Departamento de Ciências Aeroespaciais da Universidade da Beira Interior tem realizado variadas actividades no âmbito do desenvolvimento de aeronaves não tripuladas, 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 três aeronaves. No seguimento de trabalhos de projecto conceptual, trabalhos de projecto detalhado e ensaios realizados nos anos lectivos de 2000/2001 a 2005/2006 sobre o UAV Olharapo pretende-se continuar com o desenvolvimento da aeronave através da implementação e ensaio de um sistema de refrigeração do motor e caracterização do sistema propulsivo. No final deste trabalho pretende-se que o protótipo do Olharapo esteja pronto a realizar os 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 2005/2006 sobre o UAV SkyGU@rdian pretende-se continuar com o desenvolvimento do sistema propulsivo a gasolina, implementar algumas alterações estruturais e proceder a algumas reparações. No final deste trabalho pretende-se ter o protótipo do SkyGu@rdian equipado com o sistema propulsivo a gasolina e pronto a realizar os voos de ensaio. Por último, no seguimento de trabalhos de projecto conceptual realizados no primeiro semestre do ano lectivo de 2006/2007 o UAV SAVD pretende-se realizar o projecto detalhado da asa e ensaiar o seu perfil e flape em túnel de vento. No final deste trabalho pretende-se que a asa do SAVD esteja completamente definida em temos de geometria estrutura, mecanismos e sistemas. 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 Existe uma deficiência de refrigeração do motor eléctrico que tem que ser estudada e corrigida. Esta deficiência deve-se, por um lado, ao facto de o motor estar dentro da fuselagem e, por outro, à elevada intensidade de corrente (próxima da máxima) que o motor requer. Este trabalho passa pela pesquisa de um motor com dimensões idênticas ao do existente, mas que funcione com uma intensidade de corrente mais baixa em relação ao seu limite, para uma tensão de alimentação igual. Outro aspecto, é desenvolver ductos de refrigeração adequados e caracterizar o desempenho do sistema propulsivo. O trabalho no Olharapo consiste na seguinte tarefa: a) Refrigeração e Ensaio do Motor

4 2.2. O sistema propulsivo do está projectado mas é necessário implementálo e ensaiá-lo antes de o instalar no protótipo da aeronave. O motor a usar é alternativo a gasolina com cerca de 3,2 hp às 9500 rpm (segundo o fabricante). Segundo a concepção da aeronave o sistema propulsivo 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-de-carbono/epoxy que precisa de ser construído. Após a montagem e ensaio do sistema, este será instalado no protótipo do UAV. Serão, também, realizadas alterações para instalear este mesmo motor no nariz da aeronave com acoplamento directo do hélice ao motor. Existem algumas deficiências estruturais que serão corrigidas, tanto a nível de projecto como de implementação. As principais são a falta de resistência da empenagem vertical em caso de uma aterragem mais forte, a excessiva rigidez da perna do trem principal e a falta de elasticidade do trem de cauda. Em resultado de ensaios de voo anteriores alguns componentes ficaram danificados, pelo que algumas técnicas de reparação em compósito serão usadas para colocar esses componentes novamente operacionais. Serão realizados trabalhos no actual trem de aterragem convencional e outro trem completamente novo, do tipo tricíclo, vai ser desenvolvido. Outro aspecto a considerar é a excessiva autoridade do comando de profundidade que será corrigida através do redimensionamento dos guinhóis dos lemes de profundidade. O trabalho no SkyGu@rdian inclui as seguintes tarefas: a) Instalação do Motor Alternativo na Cauda b) Instalação do Motor Alternativo no Nariz c) Trem de Aterragem Convenvional d) Trem de Aterragem Tricíclo e) Reparação de Componentes 2.3. SAVD Este novo UAV, que está na sua fase inicial de desenvolvimento e que vai usar alguns conceitos inovadores a nível da propulsão e da aerodinâmica, necessita de muito trabalho para a sua definição completa. Os trabalhos iniciais vão incidir na definição estrutural e aerodinâmica da asa e na definição do sistema propulsivo híbrido. Serão desenvolvidos modelos aerodinâmicos da asa com um novo perfil e tipo de flape para posterior ensaio em túnel de vento. A estrutura da asa será definida e os métodos construtivos a usar na sua fabricação serão testados. A componente eléctrica do sistema propulsivo será implementada sobre o modelo do perfil e ensaiada em túnel de vento. O trabalho no SAVD inclui as seguintes tarefas: a) Projecto Estrutural da Asa b) Modelo do Perfil da Asa c) Modelo do Flape da Asa d) Sistema Propulsivo Híbrido 2.4. Normas As normas de projecto a utilizar, no que respeita ao dimensionamento da estrutura,

5 serão as JAR-VLA. Todo o trabalho desenvolvido deve ter como objectivo principal a segurança. 3. MASSAS 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 14,1 kg 1,8 kg A tabela abaixo mostra as massas (kg) descriminadas dos componentes do avião. Componente Massa % MTOM Fuselagem 3,180 20,25 Asa direita 2,499 15,92 Asa esquerda 2,406 15,32 Enpenagem direita 0,430 2,74 Enpenagem esquerda 0,420 2,68 Enpenagem vertical 0,220 1,40

6 Trem principal 0,730 4,65 Trem de cauda 0,000 0,00 Estrutura 9,885 62,96 Sistema propulsivo 3,610 22,99 Controlos de Voo 0,590 3,76 Sistemas e Equipamento 4,200 26,75 Massa vazio 14,085 89,71 Massa vazio operacional (OEM) 14,085 89,71 Carga 1,000 6,37 Baterias 0,615 3,92 Massa máxima à descolagem (MTOM) 15, , Massas do SAVD Massa máxima na descolagem (protótipo) Massa da asa Massa do sistema propulsivo 25,0 kg 3,8 kg 5,8 kg 4. MOTORIZAÇÃO DO SKYGU@RDIAN 4.1. Motor Tipo Potência Moki 24HD 3,2 hp às 9500 rpm 4.2. Hélice Tipo Diâmetro x passo bipá de passo fixo 16 x10 e 18 x8 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 Refrigeração e Ensaio do Motor

7 1) Projecto dos ductos de refrigeração do motor 2) Implementação dos ductos de refrigeração do motor 3) Ensaio do sistema propulsivo 4) Procura de um motor eléctrico mais adequado 5) Projecto de alterações para o novo motor 6) Pesagem e comparação com os requisitos 7) Montagem da aeronave 8) Desenhos 9) Relatório 5.2. SkyGu@rdian 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 Instalação do Motor Alternativo no Nariz 1) Projecto de alteração do nariz da aeronave 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 Trem de Aterragem Convencional 1) Reparação do trem de aterragem principal 2) Projecto da fixação do trem à fuselagem 3) Reparação da empenagem vertical 4) Projecto e fabricação do trem de cauda 5) Elementos de comando 6) Instalação do trem e da empenagem vertical na fuselagem 7) Ensaio dos novos componentes 8) Pesagem e comparação com os requisitos 9) Desenhos 10) Relatório Trem de Aterragem Tricíclo 1) Projecto do trem do nariz 2) Projecto da fixação do trem do nariz à fuselagem

8 3) Fabricação do trem tem do nariz 4) Projecto do trem principal 5) Projecto da fixação do trem principal à fuselagem 6) Fabricação do trem principal e alteração da fuselagem 7) Elementos de comando 8) Instalação do trem na fuselagem 9) Ensaio dos novos componentes 10) Pesagem e comparação com os requisitos 11) Desenhos 12) Relatório Reparação de Componentes 1) Reparação da fuselagem 2) Reparação da asa 3) Reparação da empenagem em V 4) Reparação da empenagem vertical com estrutura reforçada 5) Projecto e fabricação de componentes para apoio e fixação do sistema propulsivo 6) Projecto e fabricação de componentes para apoio do trem de aterragem 7) Ensaio dos novos componentes 8) Elementos de comando 9) Pesagem e comparação com os requisitos 10) Montagem da aeronave 11) Desenhos 12) Relatório 5.3. SAVD Projecto Estrutural da Asa 1) Determinação das cargas aplicadas na asa 2) Definição da estrutura e materiais 3) Dimensionamento estrutural da asa (parte central) incluindo fixação à fuselagem e apoios dos motores 4) Desenhos detalhados em CATIA 5) Desenhos de fabricação 6) Estimativa de peso e comparação com os requisitos 7) Ajuda na fabricação dos modelos para túnel 8) Relatório Modelo do Perfil da Asa 1) Projecto dos moldes e processo de fabrico 2) Fabricação do modelo macho 3) Fixações para a balança do túnel de vento 4) Fabricação dos moldes fêmea 5) Fabricação do modelo estruturalmente fiel para ensaio no túnel 6) Desenhos 7) Relatório Modelo do Flape da Asa 1) Projecto dos moldes e processo de fabrico 2) Fabricação do modelo macho

9 3) Fixações e elementos de comando 4) Fabricação dos moldes fêmea 5) Fabricação do modelo estruturalmente fiel para ensaio no túnel 6) Desenhos 7) Relatório Sistema Propulsivo Híbrido 1) Refinamento do projecto do sistema propulsivo 2) Definição dos requisitos energéticos (gasolina e baterias) 3) Projecto da fixação do motor eléctrico à asa 4) Fabricação do apoio do motor eléctrico 5) Instalação do motor eléctrico no modelo do túnel de vento 6) Ensaios do sistema 7) Desenhos 8) 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 Refrigeração e Ensaio do Motor Pedro Soares Instalação do Motor Alternativo na Cauda Flávio Melo Instalação do Motor Alternativo no Nariz Ana Costa Trem de Aterragem Convencional Lereno de Sousa Trem de Aterragem Tricíclo Denilson Ribeiro Reparação de Componentes André Fanqueiro a 3.1. Projecto Estrutural da Asa Osvaldo Chemane b 3.1. Projecto Estrutural da Asa Silvânia Lopes Modelo do Perfil da Asa Ângela Gonçalves Modelo do Flape da Asa Édi Andrade Sistema Propulsivo Híbrido Ângelo Claro 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: Aulas teóricas

10 5.6. Cooperação 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 27 de Junho de 2007 (primeira chamada) ou 4 de Julho de 2007 (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 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, 1993

11 03. 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 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,1992

12 40. 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