UAV-06. Sistema Aéreo de Vigilância Florestal e Detecção de Fogos SAVD UNIVERSIDADE DA BEIRA INTERIOR PROJECTO DE AERONAVES I /2007

Transcrição

1 UNIVERSIDADE DA BEIRA INTERIOR PROJECTO DE AERONAVES I /2007 Sistema Aéreo de Vigilância Florestal e Detecção de Fogos SAVD UAV-06 Descrição do Projecto

2 ÍNDICE 1. INTRODUÇÃO REQUISITOS Missão Desempenho Motorização Asas Fuselagem Empenagens Trem de Aterragem Carga Útil Peso e Centragem Comandos e Sistemas Normas TAREFAS Configuração Aerodinâmica e Estabilidade Propulsão e Desempenho Sistemas Estrutura e Materiais Calendário de Tarefas Realização do Trabalho AVALIAÇÃO Teste Apresentação Relatório Exame Classificação BIBLIOGRAFIA Livro de Texto Livros de Projecto Outros Livros de Interesse PVG-3680/

3 1. INTRODUÇÃO A actividade aérea internacional tem recorrido, nos últimos anos e em crescente escala, aos veículos aéreos não tripulados (UAV - Unmanned Aerial Vehicle) para missões de vários tipos, como por exemplo: fotografia aérea, reconhecimento militar, investigação de fenómenos atmosféricos em grande altitude, comunicação rádio, vigilância de incêndios, desenvolvimento de tecnologia, etc.. Apesar da tecnologia envolvida, os UAVs, não sendo tripulados, possuem dimensões mais reduzidas do que os tripulados, tornando a sua operação mais flexível e mais económica. A crescente capacidade de automação e comunicação e a evolução dos materiais disponíveis tem permitido a operação destas aeronaves a distâncias e altitudes cada vez maiores tornando o seu potencial igual, ou mesmo superior, a outras aeronaves que necessitam de transportar a bordo os sistemas de apoio à tripulação. Para missões de vigilância a curta distância, o investimento necessário para o desenvolvimento e operação de um UAV é comparativamente inferior aos equivalentes tripulados, pelo que a sua utilização nessas tarefas resulta num custo/benefício muito mais apelativo. O sector dos UAVs é o único sector da indústria aeroespacial com um crescimento significativo nos últimos 20 anos, com uma taxa média de crescimento de mais de 14% ao ano. A área dos UAVs está em grande desenvolvimento sendo em muitos casos geradora de conceitos e tecnologias para as aeronaves tripuladas. Actualmente, a maior parte dos UAVs em operação têm aplicações militares. O uso de UAVs em aplicações civis está, no entanto, a crescer rapidamente a par da criação de legislação adequada. Portugal necessita de entrar nesta área de grande valor acrescentado, por forma a ser mais autónomo no desenvolvimento de meios de base tecnológica essenciais à sustentabilidade dos seus recursos e ao crescimento económico regional e nacional, a empregar os seus meios humanos especializados e a ser um exportador competitivo de tecnologia de ponta. Portugal também tem necessidade do uso dos UAVs em várias áreas de actuação. A vigilância da mancha florestal, que nos últimos anos tem sucumbindo aos fogos, é um exemplo importante. A aplicação de sistemas de vigilância aérea não tripulados permite um elevado grau de operacionalidade e disponibilidade nas tarefas desta natureza e é uma forma complementar para os meios de vigilância terrestre e de monitorização via satélite já existentes. Nos últimos anos a propulsão eléctrica para aeronaves tem tido um grande desenvolvimento e uma grande adesão. A sua aplicação vai desde os aeromodelos, passando pelos UAVs e chegando aos motoplanadores. Como as baterias têm uma densidade energética limitada, resultando em voos de pequena duração, a utilização de células fotovoltaicas para carregamento das baterias é uma opção interessante que já tem sido explorada. A propulsão convencional com motor alternativo permite voos de maior duração e com a ajuda de um alternador acoplado ao motor as baterias que fornecem energia aos sistemas de bordo podem ser recarregadas em voo. Para evitar consumo de gasolina para produção de energia eléctrica a incorporação de células fotovoltaicas na aeronave pode fornecer parte da energia eléctrica necessária a bordo. No seguimento de uma candidatura para o desenvolvimento de um UAV de vigilância florestal e detecção de fogos submetida pela UBI no âmbito do Programa de Apoios do Fundo Florestal Permanente, pretende-se fazer o projecto conceptual desse veículo por forma a que possa responder com eficácia às necessidades dos serviços de prevenção e combate de incêndios. Assim, deseja-se um UAV equipado com um motor a gasolina com uma autonomia de voo elevada. O veículo tem que apresentar uma baixa potência requerida pelo que é necessário optimizar a estrutura e a aerodinâmica por forma a poder voar-se o máximo de tempo possível com pouco combustível. A simplicidade e rapidez de construção e a simplicidade de manutenção e reparação são essenciais neste UAV para manter o nível de PVG-3680/

4 operacionalidade elevado. Pode avaliar-se a utilização do SkyGu@rdian como plataforma base para este projecto, com as devidas alterações. Esta descrição do projecto apresenta os requisitos a que o avião deve responder, em termos de missão, configuração, desempenho, sistemas, materiais e normas de projecto. Também são descritas 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 resulte um bom avião. 2. REQUISITOS Os requisitos para esta aeronave 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 Missão O UAV-06 deve ser projectado para realizar 1 tarefa principal. O veículo deve ter uma autonomia de pelo menos 6 horas em voo de cruzeiro lento, transportando uma carga útil compreendendo câmaras, equipamento de comunicação e pilotagem automática. Também deve ser capaz de voar até 2000 m de altitude. A figura abaixo mostra a área de vigilânica onde serão realizados os ensaios do sistema. PVG-3680/

5 A aeronave irá descrever uma trajectória em circuito fechado passando pelos vértices do triângulo (Covilhã-Gardunha-Silvares) onde descarregará vídeo e fotografia da alta resolução para torres retransmissoras com o sistema WiMAX. A figura abaixo ilustra as duas formas de comunicação pretendidas: rádio para dados de missão/pilotagem e WiMAX para transmissão de imagem de alta definição. A tabela abaixo resume o perfil da missão pretendido Desempenho Fase Duração [min] Potência [%] Altitude inicial [m] Altitude final [m] Aquecimento e rolagem Corrida descolagem * Subida Voo lento 360 * Rolagem Reservas * Resultado da análise da missão. O veículo deve demonstrar as seguintes prestações (ISA International Standard Atmosphere): Velocidade de cruzeiro velocidade de potência mínima - 61 a 108 km/h (17 a 30 m/s) Velocidade de perda (igual ou inferior) 50 km/h (14 m/s) Tempo de subida até aos 200 m (igual ou inferior) 1 min PVG-3680/

6 Corrida de descolagem (igual ou inferior) Corrida de aterragem (igual ou inferior) Alcance no cruzeiro (igual ou superior) Autonomia no cruzeiro (igual ou superior) 50 m 50 m 360 km 6 h 2.3. Motorização Vai ser usado um motor a gasolina de baixa cilindrada com uma potência nominal de 2400W a 3750W. Os motores Fuji parecem adequados a esta aplicação. O hélice deve ser escolhido de acordo com o desempenho do motor e o desempenho requerido para a aeronave Asas As asas devem ter um projecto aerodinâmico e estrutural cuidado para que a eficiência da aeronave seja elevada e permitir, assim, realizar a missão desejada. As asas devem ser destacáveis da fuselagem para transporte e arrumação. A estrutura deve ser projectada em materiais compósitos, balsa e/ou contraplacado de pinho e conter embutidos no extradorso os painéis solares para carregamento das baterias em voo. Para que a construção da asa seja simples, esta deve ter uma forma rectangular ou trapezoidal. Deve valorizar-se a escolha de um perfil eficiente, mas espesso para que o peso seja baixo, em detrimento de uma forma de asa complexa Fuselagem A fuselagem deve ser esbelta e leve, mas possuir o espaço necessário para transportar os sistemas e a carga útil. O maior volume é, em princípio, ocupado pelas baterias e câmaras. Deve ser definido um espaço para aplicar uma câmara de pilotagem que tenha o seu campo de visão para a frente desobstruído. A fuselagem deve utilizar na sua estrutura os mesmos materiais da asa. O acesso ao equipamento, tanto para substituição como para manutenção deve ser rápido e simples. Deve avaliar-se a hipótese de criar uma fuselagem modular, com secções isoladas: uma para o motor, outra para o equipamento de vigilância e uma terceira para o equipamento de pilotagem, comunicação e sistema eléctrico Empenagens As empenagens devem ser pequenas mas efectivas. Elas devem utilizar na sua estrutura os mesmos materiais da asa e deve ajuisar-se a necessidade de serem desmontáveis para transporte e arrumação Trem de Aterragem Devido à elevada eficiência aerodinâmica e à baixa massa, necessárias para que a potência requerida seja baixa, deve avaliar-se a hipótese de o trem ser descartável após a descolagem. A aterragem seria feita, assim, sobre a barriga da aeronave. Outra possibilidade pode ser o lançamento através de uma rampa pneumática, por exemplo Carga Útil PVG-3680/

7 Todos os componentes electrónicos e eléctricos devem ser alojados no compartimento da fuselagem reservado para o efeito. A carga útil é composta pelas seguintes câmaras de vigilância e pela placa controladora: - Câmara digital IR com objectiva, FireWire IEEE 1394 (Região Infravermelho); - Câmara digital VIS com objectiva, FireWire IEEE 1394 (Região Visível); - Board de computador com dois processadores a 3.4 GHz, 4 Gb RAM, controlador e disco SATA de 300 Gb, interfaces FireWire, USB, RS232C e Centronic, carta gráfica VGA, leitor de DVD s e CD s Peso e Centragem O passeio do CG (centro de gravidade) deve ser tal que não imponha qualquer limite de operação. O peso máximo à descolagem da aeronave deve ser mantido o mais baixo possível (não deve ultrapassar 25 kgf) Comandos e Sistemas Todos os sistemas da aeronave devem ser eléctricos e/ou mecânicos, actuados por servos e/ou micro-servos. A pilotagem é feita à distância por um emissor rádio e um receptor a bordo. Deve ser instalada uma câmara para pilotagem que envie em tempo real as imagens para o solo. Como já mencionado, o sistema eléctrico e o sistema propulsivo devem ser alimentados por baterias e painéis solares. O sistema de comunicação inclui: - Módulo rádio 9XTend OEM RF 900MHz e acessórios; - PDA com tecnologia móvel WiMax incorporada e antena amplificadora se necessário; - Webcam para PDA. O sistema de pilotagem automática inclui: - Sistemas de aquisição de dados (acelerómetros, giroscópios, GPS/GLONASS, magnetómetro, altímetro, anemómetro, sensor de temperatura); - MicroPilot MP2028 System; - Servo-actuadores e acessórios; - Câmara óptica de baixa resolução para pilotagem; - Transponder. O sistema eléctrico inclui: - Motor de arranque e controlador; - Conversores AC/DC se necessário; - Reguladores de tensão; - Baterias; - Células fotovoltaicas; Normas PVG-3680/

8 As normas de projecto a utilizar, no que respeita ao dimensionamento da estrutura, são as JAR-VLA. Os factores de carga de operação são, em princípio, +5 e -3, mas devem ser verificados com o diagrama n-v. Todo o trabalho desenvolvido deve ter como objectivo principal a segurança. 3. TAREFAS Existem várias tarefas no projecto que devem ser realizadas segundo o calendário abaixo. Todos estes aspectos dependem uns dos outros, pelo que tem que haver uma interrelação e actualização entre eles. O projecto é um processo iterativo em que a perfeição não é possível nem necessária, mas deve haver um esforço para que o resultado tenha algum grau de optimização. Os cálculos podem ser realizados com a ajuda de folhas de cálculo. Os desenhos devem ser, preferencialmente, realizados no software de CAD CATIA V5 da Dassault/IBM Configuração A configuração do veículo deve ser escolhida de forma a permitir que os requisitos sejam completamente satisfeitos. Esta tarefa é de extrema importância porque deve integrar todas as necessidades das outras partes do projecto numa configuração viável. Deve ser realizado um estudo tridimensional preliminar de todos os elementos principais e integrá-los na estrutura. Devem ser feitos desenhos 3D em CAD da aeronave completa Aerodinâmica e Estabilidade O estudo aerodinâmico deve incidir na escolha dos perfis, geometria das superfícies sustentadoras, carenagens, determinação das características aerodinâmicas (C L, C D e C M ), bem como garantir que as escolhas feitas no projecto não afectem negativamente a aerodinâmica. Também é necessário realizar um estudo preliminar de estabilidade e controlo. O projecto aerodinâmico deve privilegiar a definição da geometria da asa. As asas devem ser optimizadas para a situação de cruzeiro especificada na missão Propulsão e Desempenho O sistema propulsivo (motor, hélice e sistema de combustível) deve ser escolhido e dimensionado de acordo com os requisitos apresentados. Deve ser feita uma estimativa do desempenho (velocidades, tempos, consumos, etc.). A missão deve ser verificada para dias de Verão típicos em Portugal Sistemas Deve ser feito o estudo do trem de aterragem, do sistema de controlo, da câmara de pilotagem e do sistema eléctrico. Este estudo, para além da selecção dos componentes deve incluir a definição da posição dos componentes na aeronave. Componentes comercializados devem ser escolhidos, preferencialmente, para acelerar o processo de projecto e de construção. É necessário realizar uma base de dados com fornecedores, características de funcionamento, massas e preços dos componentes adoptados. PVG-3680/

9 3.5. Estrutura e Materiais O tipo de estrutura e os materiais para as diferentes partes da aeronave devem ser escolhidos adequadamente tendo em atenção a configuração. O dimensinamento estrutural preliminar da asa deve ser realizado. Deve ser feita uma base de dados de materiais com fornecedores, características físicas, características mecânicas e preços. Deve ser realizado um estudo do processo de fabricação a usar, bem como estimativas do peso e centragem e do custo final da aeronave Calendário de Tarefas O quadro abaixo apresenta o calendário de tarefas do projecto que deve, na medida do possível, ser cumprido. Mês Set. Outubro Novembro Dezembro Janeiro Fev. Tarefa \ Semana Aulas Teóricas Configuração Aerodinâmica/Estabilidade Propulsão/Desempenho Sistemas Estrutura e Materiais Legenda: Teste Apresentação Relatório Exames Aulas teóricas Trabalho a desenvolver durante o semestre Semanas sem aulas Momentos de Avaliação 3.7. Realização do Trabalho O trabalho do projecto é realizado em grupos de 4 a 5 alunos. Este projecto requer bastante dedicação para ser terminado dentro do prazo. Aluno Nº Grupo Tarefa 01 Rubis Gaspar A rubisgaspar@sapo.pt Configuração 02 Ana Costa A costanamar@yahoo.com.br Aerodinâmica 03 Silvânia Lopes A sylopes@hotmail.com Propulsão 04 Denilson Ribeiro A a15542@ubi.pt Sistemas 05 Flávio Melo A f.melo@gmx.ch Estruturas 06 João Correia B jpscorreia@gmail.com Configuração 07 Jorge Simão B simao.jorge@gmail.com Aerodinâmica 08 André Fanqueiro B andrefanqueiro@gmail.com Propulsão 09 Hugo Palma B hugopalma@gmail.com Sistemas 10 Osvaldo Castro B aerovaldo@yahoo.com.br Estruturas 11 Miguel Morais C moraismig@gmail.com Configuração 12 Luís Pinto C luisguzzy@gmail.com Aerodinâmica 13 Toni Brás 8854 C tonibraz@gmail.com Propulsão 14 Luís Lopes C aeropombal@yahoo.com Sistemas 15 Ana Alves C ana1536@gmail.com Estrutura PVG-3680/

10 16 Pedro Soares D pmbsoares@gmail.com Configuração 17 Nuno Miranda D aeromuro@gmail.com Aerodinâmica 18 Lereno de Sousa D Lereno_sousa@hotmail.com Propulsão 19 Ângelo Claro D Sistemas 20 Fernando Neves D pereiraneves@yahoo.com Estruturas 21 Édi Andrade E edi_andrade@hotmail.com 22 Ângela Gonçalves E angelaaero@hotmail.com 23 Edite E 4. AVALIAÇÃO A avaliação é baseada num teste, numa apresentação e num relatório Teste O teste abrange as matérias teóricas expostas e discutidas nas aulas até ao dia da sua realização (08 de Janeiro de 2007 semana 17). O teste é dividido em duas partes; a primeira sem consulta e a segunda com consulta Apresentação No final do semestre realiza-se uma apresentação (16 de Janeiro de 2007 semana 18). Na apresentação, quando o projecto estiver praticamente concluído, cada grupo (todos os elementos têm que intervir) deve mostrar aos outros que o seu projecto cumpre os requisitos, descrevendo os passos que levaram ao resultado final. Esta apresentação tem uma duração de 30 min por grupo, no máximo, e pode ser feita com a ajuda de um poster Relatório Cada grupo deve redigir um relatório onde incluirá todos os passos relevantes no projecto da aeronave, compreendendo a configuração, as decisões tomadas, os cálculos, os resultados, etc.. Devem ser também incluídos todos os esboços e desenhos necessários para a compreensão do projecto, bem como as três vistas da aeronave. O número de páginas do relatório não deve exceder as 50, usando um tamanho de letra 12 e espaçamento entre linhas simples. O relatório deve ser entregue no dia da apresentação Exame Não exite um exame escrito mas, caso a nota do período lectivo seja negativa ou se deseje fazer melhoria, deve ser entregue um novo relatório de projecto nos períodos de exames, nas semanas 20 e Classificação A admissão a Exame requer uma nota no período lectivo igual ou superior a 6. A classificação do período lectivo é F=0,2T+0,2A+0,6R e a aprovação é com F Frequência (F=0,2T+0,2A+0,6R) 100 PVG-3680/

11 T Teste A Apresentação R Relatório Exame do Período 1 (E=0,5F+0,5R1) 100 R1 Relatório Exame do Período 2 (E=0,5F+0,5R2) 100 R2 Relatório Exame de Época Especial (E=0,5F+0,5R3) 100 R3 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. Alguma informação pode ser encontrada na internet Livro de Texto 01. Raymer, D. P., Aircraft Design: A Conceptual Approach - 3rd edition, AIAA Education Series, Livros de Projecto 02. Barros, C., Introdução ao Projecto de Aeronaves Volumes 1 & 2, CEA/UFMG, Brandt, S. A., Stiles, R. J., Bertin, J. J., Whitford, R., Introduction to Aeronautics: A Design Perspective, AIAA Education Series, Corke, T. C., Design of Aircraft, Pearson Education, Inc., Howe, D., Aircraft Conceptual Design Synthesis, Professional Engineering Publishing, Jenkinson, L. R., Simpkin, P., Rhodes, D., Civil Jet Aircraft Design, Arnold, Pazmany, L., Light Airplane Design, Pazmany Aircraft Corporation 08. Roskam, J., Airplane Design Volumes I to VIII, The University of Kansas, Stinton, D., The Design of the Aeroplane, Blackwell Science, Torenbeek E., Synthesis of Subsonic Airplane Design, Delft University Press, Outros Livros de Interesse 11. Abbot & Doenhoff, Theory of Wing Sections, Dover Publications Inc, Barnaby Wainfan, Airfoil Selection Understanding and Choosing Arfoils for Light Aircraft, Barnes W. McCormick, Aerodynamics, Aeronautics and Flight Mechanics 2nd edition, John Wiley & Sons Inc, Bernard Etkin, Lloyd Duff Reid, Dynamics of Flight, Stability and Control 3rd edition, John Wiley & Sins Inc., 1996 PVG-3680/

12 15. Bill Clarke, The Cessna 172 2nd edition, Tab Books, Darrol Stinton, Flying Qualities and Flight Testing of the Airplane, AIAA Education Series, David A. Lombardo, Aircraft Systems Understanding Your Airplane, Tab Books, Euroavia, Future Trainer Concept, Geoff Jones, Building and Flying Your Own Plane, Patrick Stephens Limited, Ian Moir & Allan Seabridge, Aircraft Systems, Longman Scientific & Technical, Jane s All the World Aircraft, JAR-23, Joint Aviation Requirements for Normal, Utility, Aerobatic and Commuter Category Aeroplanes, JAA, JAR-27, Joint Aviation Requirements for Small Rotorcraft, JAA, JAR-VLA, Joint Aviation Requirements for Very Light Aeroplanes, JAA, Ladislao Pazmany, Landing Gear Design for Light Aircraft Volumes I & II, Pazmany Aircraft Corporation, John Cutler, Understanding Aircraft Structures, Blackwell Science, Martín Cuesta Alvarez, Vuelo con Motor Alternativo, Paraninfo, Robert C. Nelson, Flight Stability and Automatic Control, McGraw-Hill, S. Hoerner, Fluid Dynamic Drag, Hoerner Fluid Dynamics, S. Hoerner, Fluid Dynamic Lift, Hoerner Fluid Dynamics 31. Stelio Frati, L Aliante, Editore Ulrico Hoepli, Milano, 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, 1992 PVG-3680/