Professor Orientador: André Valdetaro Gomes Cavalieri Gustavo Oliveira Violato. Joaquim Neto Dias Alex Sandro Maia. Leandro Resende de Pádua Fernandes

Transcrição

1 Professor Orientador: André Valdetaro Gomes Cavalieri Gustavo Oliveira Violato Joaquim Neto Dias Alex Sandro Maia Leandro Resende de Pádua Fernandes Ney Rafael Secco Eduardo Rodrigues Poço Rodrigo Badia Piccinini Felipe Carvalho MartinsVitor Gabriel Kleine Flávio Luiz Cardoso

2 PROJETO CONCEITUAL 2

3 PROJETO CONCEITUAL PRÉ-PROJETO 1.1. Pré-Projeto Missão da aeronave 1.2. Metodologia de Projeto Restrições Transporte de Carga Maximizar pontuação Cumprir itens do regulamento Confiabilidade 3

4 PROJETO CONCEITUAL PRÉ-PROJETO 1.1. Pré-Projeto 1.2. Metodologia de Projeto Pontual 4

5 PROJETO CONCEITUAL METODOLOGIA DE PROJETO 1.1. Pré-Projeto Fluxograma: 1.2. Metodologia de Projeto 5

6 PROJETO CONCEITUAL 1.1. Pré-Projeto 1.2. Metodologia de Projeto Configuração inicial Estimativa da polar de arrasto Desempenho em subida e decolagem Estimativa da massa do avião 6 Carga útil pontuação

7 PROJETO CONCEITUAL 1.1. Pré-Projeto 1.2. Metodologia de Projeto 7

8 Pontual AERODINÂMICA 8

9 AERODINÂMICA PERFIL DAS ASAS 2.1.Perfil das Asas 2.2.Asas 2.3.Empenagem Horizontal 2.4.Empenagem Vertical 2.5.Fuselagem 2.6.Avião Completo Modificação do perfil Selig1223 Estrutura mais resistente. Menor peso estrutural. Melhora de características aerodinâmicas. Base para modificações: XFOIL Perfil 10% mais espesso: S1223HG 9 [1] SELIG, M. Et Al, Summary of Low-Speed Airfoil Data Vol. 1, 2,3. Soartech Publications, 1995

10 AERODINÂMICA PERFIL DAS ASAS 2,5 2 1,5 CL 2.1.Perfil das Asas 2.2.Asas 2.3.Empenagem Horizontal 2.4.Empenagem Vertical 2.5.Fuselagem 2.6.Avião Completo 1 S1223 experimental S1223HG experimental S1223 (Selig) 0, ,5 α (º)

11 AERODINÂMICA ASAS 2.1.Perfil das Asas 2.2.Asas 2.3.Empenagem Horizontal 2.4.Empenagem Vertical 2.5.Fuselagem 2.6.Avião Completo Biplano: Vlocal ø V Cl adimensionalizado por V não prediz estol. Vlocal>V ClVlocal < ClV Vlocal<V ClVlocal > Clv Códigos Vortex Lattice normalmente utilizados calculam ClV ; Solução: Programar um código Vortex Lattice. 11

12 AERODINÂMICA ASAS 2.1.Perfil das Asas 2.2.Asas 2.3.Empenagem Horizontal 2.4.Empenagem Vertical 2.5.Fuselagem 2.6.Avião Completo 0,4m 12

13 AERODINÂMICA ASAS 2.1.Perfil das Asas 2.2.Asas 2.3.Empenagem Horizontal 2.4.Empenagem Vertical 2.5.Fuselagem 2.6.Avião Completo Acerto das incidências Aumento corda aileron (estol) Escolha do afilamento 13

14 AERODINÂMICA EMPENAGEM HORIZONTAL 2.1.Perfil das Asas 2.2.Asas 2.3.Empenagem Horizontal 2.4.Empenagem Vertical 2.5.Fuselagem 2.6.Avião Completo Base para o projeto: CHT=0,4 Λ S (m2) A λ 0,198 4,5 0,45 c/4 (º) -16 Perfil RG14 invertido CLEH cumpre requisitos. 14

15 AERODINÂMICA EMPENAGEM VERTICAL 2.1.Perfil das Asas 2.2.Asas 2.3.Empenagem Horizontal 2.4.Empenagem Vertical 2.5.Fuselagem 2.6.Avião Completo 1 Tentativa: CVT Instabilidade em Espiral. Base de projeto: Critérios de qualidade de vôo. Perfil NACA 0014 Alojamento de servos: Menor arrasto; Maior funcionalidade. Λ S (m ) A λ 0,042 0,823 0,7 2 c/4 (º) 17,8 15

16 AERODINÂMICA FUSELAGEM 2.1.Perfil das Asas 2.2.Asas 2.3.Empenagem Horizontal 2.4.Empenagem Vertical 2.5.Fuselagem 2.6.Avião Completo Projetado para evitar descolamento* Diminuição da área frontal Passeio do CG com carregamento minimizado 16 * Hoerner, S.F., Aerodynamic Drag Practical Data, Otterbein Press

17 AERODINÂMICA AVIÃO COMPLETO 2.1.Perfil das Asas 2.2.Asas 2.3.Empenagem Horizontal 2.4.Empenagem Vertical 2.5.Fuselagem 2.6.Avião Completo 17

18 AERODINÂMICA AVIÃO COMPLETO - Cl x alfa 2 CL 1,5 1 0, ,2 C D 0,3 α (º) 20 - Polar de Arrasto 2 1,5 CL 2.1.Perfil das Asas 2.2.Asas 2.3.Empenagem Horizontal 2.4.Empenagem Vertical 2.5.Fuselagem 2.6.Avião Completo 1 0, ,1 0,4 18

19 CARGAS E ESTRUTURAS 19

20 CARGAS E ESTRUTURAS PROJETO ESTRUTURAL 3.1.Materiais 3.2. Envelope de Vôo 3.3.Asas 3.4.Empenagens 3.5.Fuselagem 3.6.Tail Boom 3.7.Junção das Asas 3.8.Trem de Pouso 3.9. Peso Final Leveza Confiabilidade na construção Resistência Projeto Estrutural Rigidez Estabilidade 20

21 CARGAS E ESTRUTURAS MATERIAIS 3.1.Materiais 3.2. Envelope de Vôo 3.3.Asas 3.4.Empenagens 3.5.Fuselagem 3.6.Tail Boom 3.7.Junção das Asas 3.8.Trem de Pouso 3.9. Peso Final Barra de Balsa Chapa de Balsa Fibra de Carbono Fibra de Vidro ρ (kg/m3) σut (MPa) 26 7, σuc (MPa) 15 4,2 - - τu (MPa) 3,1 0,73** - - Critério de falha Invariantes de Von Mises* Invariantes de Von Mises* Hoffman Hoffman * AICHER S & KLOCK W. Linear versus quadratic failure criteria for inplane 21 loaded wood based panels. ** Verificado em ensaio de torção pura.

22 CARGAS E ESTRUTURAS ENVELOPE DE VÔO 3.1.Materiais 3.2. Envelope de Vôo 3.3.Asas 3.4.Empenagens 3.5.Fuselagem 3.6.Tail Boom 3.7.Junção das Asas 3.8.Trem de Pouso 3.9. Peso Final Condição Última (nz=2,70) Condição Limite (nz=2,45) Condição última = 1,1 x Condição limite 22

23 CARGAS E ESTRUTURAS ASAS Esforços diminuem rapidamente para a ponta. Carregamentos diferentes em cada asa. 0,00 Momento Fletor (N.m) 3.1.Materiais 3.2. Envelope de Vôo 3.3.Asas 3.4.Empenagens 3.5.Fuselagem 3.6.Tail Boom 3.7.Junção das Asas 3.8.Trem de Pouso 3.9. Peso Final 0,25 0,50 0,75 1,00 1, y (m) Mx - Asa Superior Mx - Asa Inferior FZ na condição última (N) Asa inferior 211,2 Asa Superior 258,0 23

24 CARGAS E ESTRUTURAS ASAS 3.1.Materiais 3.2. Envelope de Vôo 3.3.Asas 3.4.Empenagens 3.5.Fuselagem 3.6.Tail Boom 3.7.Junção das Asas 3.8.Trem de Pouso 3.9. Peso Final Otimização da estrutura: Compressão: menor resistência. (balsa) Dimensões variáveis ao longo da envergadura. Diferenciadas. 24

25 CARGAS E ESTRUTURAS EMPENAGENS 3.1.Materiais 3.2. Envelope de Vôo 3.3.Asas 3.4.Empenagens 3.5.Fuselagem 3.6.Tail Boom 3.7.Junção das Asas 3.8.Trem de Pouso 3.9. Peso Final EH EV Cl 1,05 0,52 1,00 Mx (N.m) -4,87 1,01-0,42 Mz (N.m) 1,00 0,19 0,10 Sx (N) -5,14-0,87-1,78 Sz (N) 23,91-4,98 7,23 T (N.m) -0,73-0,73 0,14 (balsa) V=Vd=18m/s Esforços na raiz. (balsa) 25

26 CARGAS E ESTRUTURAS ANÁLISE ESTRUTURAL DAS ASAS E EMPENAGENS 3.1.Materiais 3.2. Envelope de Vôo 3.3.Asas 3.4.Empenagens 3.5.Fuselagem 3.6.Tail Boom 3.7.Junção das Asas 3.8.Trem de Pouso 3.9. Peso Final Material Cálculo de tensões e deslocamentos por teoria de viga de paredes finas. (Aircraft Structures. Megson, T.H.G.) Análise de falha pelo critério de variantes de Von Mises. Tensões Esforços Dimensões e posicionamento Resultados da análise de falha para seção da raiz. 26

27 CARGAS E ESTRUTURAS FUSELAGEM 3.1.Materiais 3.2. Envelope de Vôo 3.3.Asas 3.4.Empenagens 3.5.Fuselagem 3.6.Tail Boom 3.7.Junção das Asas 3.8.Trem de Pouso 3.9. Peso Final Cargas principais: Otimização: Alívio da estrutura: - Pouso (Aceleração 2g); - Esforços das empenagens; - Esforços do motor. Em solo, caixa de carga apoiada no trem de pouso principal. Em vôo, caixa de carga apoiada nas asas. 27

28 CARGAS E ESTRUTURAS TAIL BOOM 3.1.Materiais 3.2. Envelope de Vôo 3.3.Asas 3.4.Empenagens 3.5.Fuselagem 3.6.Tail Boom 3.7.Junção das Asas 3.8.Trem de Pouso 3.9. Peso Final Cargas oriundas das empenagens. Principal requisito: Rigidez. Ensaio de rigidez: Sanduíche de fibra de carbono e honeycomb. 28

29 CARGAS E ESTRUTURAS JUNÇÃO DAS ASAS 3.1.Materiais 3.2. Envelope de Vôo 3.3.Asas 3.4.Empenagens 3.5.Fuselagem 3.6.Tail Boom 3.7.Junção das Asas 3.8.Trem de Pouso 3.9. Peso Final Cargas: Carga lateral em curva; Carga de compressão em pouso; Carga de tração em vôo. Torção. Fibra de carbono unidirecional Espuma de PVC Análise em Nastran (elementos finitos). Alta rigidez e baixo peso. 29

30 CARGAS E ESTRUTURAS TREM DE POUSO PRINCIPAL 3.1.Materiais 3.2. Envelope de Vôo 3.3.Asas 3.4.Empenagens 3.5.Fuselagem 3.6.Tail Boom 3.7.Junção das Asas 3.8.Trem de Pouso 3.9. Peso Final Fatores de carga normal e horizontal: 2,0 e 0,7. Análise em Nastran com elementos de laminado. Índice de falha de Hoffman (Otimização limitada pela rigidez). Carga de pouso suportada por meia estrutura. TREM DE POUSO DO NARIZ Haste de aço com garfo de alumínio para prender a roda. Resistência comprovada por testes. 30

31 CARGAS E ESTRUTURAS PESO FINAL 3.1.Materiais 3.2. Envelope de Vôo 3.3.Asas 3.4.Empenagens 3.5.Fuselagem 3.6.Tail Boom 3.7.Junção das Asas 3.8.Trem de Pouso 3.9. Peso Final -Peso vazio = 4,589 kgf -Contribuição de cada componente do avião (kgf): 0,996 0,078 0,097 0,106 0,189 0,285 0,389 0,900 0,726 0,823 Tail Boom EV Trem de Pouso Fuselagem Asa Superior Parafusos EH Aviônicos Conjunto do Motor Asa Inferior 31

32 ESTABILIDADE 32

33 ESTABILIDADE ESTABILIDADE ESTÁTICA 4.1.Estabilidade Estática 4.2.Estabilidade Dinâmica 4.3.Qualidade de Vôo Fatores que indicam estabilidade e boa qualidade de vôo: Látero-direcional: Enflechamento (5,5 - c/4); Diedro (3,2 ). CA avião CG avião Longitudinal: Margem estática entre 10% e 16%; 33

34 ESTABILIDADE ESTABILIDADE DINÂMICA 4.1.Estabilidade Estática 4.2.Estabilidade Dinâmica 4.3.Qualidade de Vôo Estimativa dos momentos de inércia. Linearização das equações e cálculo auto-valores da matriz de estado. Derivadas de estabilidade (Vortex Lattice) Cálculo do fator de amortecimento e freqüência natural. Utilizada a Norma MIL (com adaptações). 34

35 ESTABILIDADE QUALIDADE DE VÔO LONGITUDINAL 4.1.Estabilidade Estática 4.2.Estabilidade Dinâmica 4.3.Qualidade de Vôo Período fugoidal Período curto z wn (rad/s) z fn (Hz) wn (rad/s) Subida 0,174 1,08 0,409 1,53 9,65 Cruzeiro 0,107 0,883 0,487 1,56 9,78 Nível 1 (ζ >0,04 ) Não tripulado, portanto pode ter freqüência natural maior. Segundo pesquisas, esse comportamento é desejável. Nível 2 * PETERS M.E.; ANDRISANO D. The determination of longitudinal flying qualities requirements for light weight unmanned aircraft. 35

36 ESTABILIDADE QUALIDADE DE VÔO LÁTERO-DIRECIONAL 4.1.Estabilidade Estática 4.2.Estabilidade Dinâmica 4.3.Qualidade de Vôo Nível 1 (t1/2 < 1,0s) Velocidade de subida z wn (rad/s) t1/2(s) Rolamento - - 0,204 Dutch roll 0,388 4,68 - Espiral ,2 Nível 1 (z>0,19; zwn>0,35 rad/s e wn>1 rad/s) Nível 1 (Estável) 36

37 CONTROLE 37

38 CONTROLE CONTROLE LONGITUDINAL 5.1.Controle Longitudinal 5.2.Controle LáteroDirecional Empenagem horizontal inteiramente móvel: CL máximo e mínimo com folga. Escolha acertada: Recuperação de mergulho. Vídeo (futuramente... à noite) 38

39 CONTROLE CONTROLE LÁTERO-DIRECIONAL 5.1.Controle Longitudinal 5.2.Controle LáteroDirecional Emp. Vert. (Cvt) Obrigatório diminuir EV Instabilidade em espiral. Controle Látero-direcional prejudicado. Solução: Aumento de Ailerons. Novo problema: Guinada adversa. Solução Final: Ensaios em vôo e uso de ailerons diferenciais. 39

40 CONTROLE CONTROLE LÁTERO-DIRECIONAL Análise de efetividade dos ailerons no XFOIL: Não há precipitação do estol. 2,5 Alfa max Alfa min Deflexão (º) ,0 1,5 Cl 5.1.Controle Longitudinal 5.2.Controle LáteroDirecional 1,0 0,5 0,0-5 0 alfa (º)

41 CONTROLE CONTROLE LÁTERO-DIRECIONAL 5.1.Controle Longitudinal 5.2.Controle LáteroDirecional Cálculo das derivadas de controle por Vortex Lattice e correção por resultados do XFOIL. Situação Limitante Deflexão Máxima* Ailerons Curva Nivelada 4,0 Leme Curva Nivelada 5,5 Subida -25,0 Profundor * Com relação à fuselagem. 41

42 CONTROLE CONTROLE LÁTERO-DIRECIONAL 5.1.Controle Longitudinal 5.2.Controle LáteroDirecional - Ensaio em túnel: 42

43 DESEMPENHO 43

44 DESEMPENHO DESEMPENHO: REQUISITOS Objetivo principal: Cálculo de desempenho para obtenção da carga total máxima na competição. Análise crítica do regulamento FAR 23 Mais Crítico 44 * Perda de pontos por carga útil não compensa a bonificação.

45 DESEMPENHO DESEMPENHO 20 São José dos Campos: ~20 C Decolagem Subida Cruzeiro Raio Mínimo Arremetida Pouso Ú til (Kg) Carga Altitude densidade (ISA) (m) 45

46 DESEMPENHO DESEMPENHO Previsão de Carga Útil Carga Útil (Kg) 13,9 13,8 13,7 13,6 13,4 13, Altitude Densidade (m) Carga Útil = 14,039-0,0004*(H) 46

47

48 DESEMPENHO DESEMPENHO FAR (4). 15 Restrição da decolagem Restrição da subida Ponto ótimo de decolagem (massa máxima) 14.5 Velocidade de decolagem(m/s) Carga total(kg)

49 DESEMPENHO DESEMPENHO Desempenho Pontual Altitude Densidade 600 m Propriedade: Valor: Velocidade de Stall: 10,9 m/s Velocidade de decolagem: 12,8 m/s Velocidade adequada para cruzeiro: 14,4 m/s Velocidade máxima de vôo (Limitada pelo Cl min): 16,8 m/s Razão de planeio (Alcance máximo): (-)6,575 Velocidade vertical em planeio (Alcance máximo): Distância para parada completa em pouso: Velocidade ao passar a marca de 122m no pouso: Raio mínimo de Curva Nivelada: 1,8 m/s 227,75 m 8,5 m/s 27 m 49

50 AERODINÂMICA ASAS Estol na região dos ailerons: 3 3 2,5 2,5 2 2 Cl V Cl Vlocal 1,5 1 1,5 1 Asa inferior Asa superior 0,5-1, ,75-0,5-0,25 Asa inferior 0,5 Cl estol perfil 0 Asa superior 0 0 y/(b/2) 0,25 0,5 0,75 1 1,25-1, ,75-0,5-0,25 0 y/(b/2) 0,25 0,5 0,75 1 0,7 0,6 Sustentação local adimensional e normalizada 0,5 0,4 0,3 0,2 Asa inferior Asa superior 0,1 Distribuição Elíptica 0-1, ,75-0,5-0,25 0 y/(b/2) 0,25 0,5 0,75 1 1, ,25

51 CONTROLE CONTROLE LÁTERO-DIRECIONAL Análise de efetividade dos ailerons no XFOIL: Não há precipitação do estol. 0,6 0,1 DCl 5.1.Controle Longitudinal 5.2.Controle LáteroDirecional , ,9 df (º) Teórico [5] Alfa=3º Alfa=6º Alfa=0º 51

52 CARGAS E ESTRUTURAS ASAS 0,00 Momento Fletor (N.m) 3.1.Materiais 3.2. Envelope de Vôo 3.3.Asas 3.4.Empenagens 3.5.Fuselagem 3.6.Tail Boom 3.7.Junção das Asas 3.8.Trem de Pouso 3.9. Peso Final 0,25 0,50 0,75 1,00 1, Mx - Asa Superior y (m) Mx - Asa Inferior Mz - Asa Superior Mz - Asa Inferior 52

53 CARGAS E ESTRUTURAS ASAS 0,00 0,25 0,50 0,75 1,00 1,25 Esforço Cortante (N) 3.1.Materiais 3.2. Envelope de Vôo 3.3.Asas 3.4.Empenagens 3.5.Fuselagem 3.6.Tail Boom 3.7.Junção das Asas 3.8.Trem de Pouso 3.9. Peso Final y (m) Sx - Asa Superior Sx - Asa Inferior Sz - Asa Superior Sz - Asa Inferior 53

54 CARGAS E ESTRUTURAS ASAS 0,00 Momento Torsor (N.m) 3.1.Materiais 3.2. Envelope de Vôo 3.3.Asas 3.4.Empenagens 3.5.Fuselagem 3.6.Tail Boom 3.7.Junção das Asas 3.8.Trem de Pouso 3.9. Peso Final 0,25 0,50 0,75 1,00 1, y (m) Asa Superior Asa Inferior 54