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SAE AeroDesign 2007 - Hovergama Team

O documento descreve o projeto conceitual de uma aeronave para transporte de carga, abordando tópicos como aerodinâmica, cargas e estruturas, estabilidade e desempenho. Inclui detalhes sobre a modificação do perfil das asas, o projeto estrutural das asas e empenagens considerando diferentes materiais, e a análise das cargas na fuselagem.

Incorporar apresentação

Gustavo Oliveira Violato Alex Sandro Maia Fernandes Eduardo Rodrigues Poço Felipe Carvalho Martins Flávio Luiz Cardoso Ribeiro Joaquim Neto Dias Leandro Resende de Pádua Ney Rafael Secco Rodrigo Badia Piccinini Vitor Gabriel Kleine Professor Orientador: André Valdetaro Gomes Cavalieri
PROJETO CONCEITUAL 1. Projeto Conceitual 2. Aerodinâmica 3. Cargas e Estruturas 4. Estabilidade 5. Controle 6. Desempenho
Missão da aeronave PROJETO CONCEITUAL PRÉ-PROJETO Transporte de Carga Maximizar pontuação Restrições Cumprir itens do regulamento Confiabilidade 1. Projeto Conceitual 1.1. Pré-Projeto 1.2. Metodologia de Projeto 2. Aerodinâmica 3. Cargas e Estruturas 4. Estabilidade 5. Controle 6. Desempenho
PRÉ-PROJETO PROJETO CONCEITUAL 1. Projeto Conceitual 1.1. Pré-Projeto 1.2. Metodologia de Projeto 2. Aerodinâmica 3. Cargas e Estruturas 4. Estabilidade 5. Controle 6. Desempenho Pontual
PROJETO CONCEITUAL METODOLOGIA DE PROJETO Fluxograma: 1. Projeto Conceitual 1.1. Pré-Projeto 1.2. Metodologia de Projeto 2. Aerodinâmica 3. Cargas e Estruturas 4. Estabilidade 5. Controle 6. Desempenho
PROJETO CONCEITUAL Configuração inicial Estimativa da polar de arrasto Desempenho em subida e decolagem Estimativa da massa do avião Carga útil – pontuação 1. Projeto Conceitual 1.1. Pré-Projeto 1.2. Metodologia de Projeto 2. Aerodinâmica 3. Cargas e Estruturas 4. Estabilidade 5. Controle 6. Desempenho
PROJETO CONCEITUAL 1. Projeto Conceitual 1.1. Pré-Projeto 1.2. Metodologia de Projeto 2. Aerodinâmica 3. Cargas e Estruturas 4. Estabilidade 5. Controle 6. Desempenho
AERODINÂMICA 1. Projeto Conceitual 2. Aerodinâmica 3. Cargas e Estruturas 4. Estabilidade 5. Controle 6. Desempenho Pontual
1. Projeto Conceitual 2. Aerodinâmica 2.1.Perfil das Asas 2.2.Asas 2.3.Empenagem Horizontal 2.4.Empenagem Vertical 2.5.Fuselagem 2.6.Avião Completo 3. Cargas e Estruturas 4. Estabilidade 5. Controle 6. Desempenho Modificação do perfil Selig1223 AERODINÂMICA PERFIL DAS ASAS Estrutura mais resistente. Menor peso estrutural. Melhora de características aerodinâmicas. Perfil 10% mais espesso: S1223HG [1] SELIG, M. Et Al, Summary of Low-Speed Airfoil Data Vol. 1, 2,3. Soartech Publications, 1995 Base para modificações: XFOIL
1. Projeto Conceitual 2. Aerodinâmica 2.1.Perfil das Asas 2.2.Asas 2.3.Empenagem Horizontal 2.4.Empenagem Vertical 2.5.Fuselagem 2.6.Avião Completo 3. Cargas e Estruturas 4. Estabilidade 5. Controle 6. Desempenho AERODINÂMICA PERFIL DAS ASAS
Biplano: V local V ∞ 1. Projeto Conceitual 2. Aerodinâmica 2.1.Perfil das Asas 2.2.Asas 2.3.Empenagem Horizontal 2.4.Empenagem Vertical 2.5.Fuselagem 2.6.Avião Completo 3. Cargas e Estruturas 4. Estabilidade 5. Controle 6. Desempenho AERODINÂMICA ASAS V local >V ∞ V local <V ∞ Cl Vlocal < Cl V∞ Cl Vlocal > Cl v ∞ Cl adimensionalizado por V∞ não prediz estol. Códigos Vortex Lattice normalmente utilizados calculam Cl V∞ ; Solução: Programar um código Vortex Lattice .
1. Projeto Conceitual 2. Aerodinâmica 2.1.Perfil das Asas 2.2.Asas 2.3.Empenagem Horizontal 2.4.Empenagem Vertical 2.5.Fuselagem 2.6.Avião Completo 3. Cargas e Estruturas 4. Estabilidade 5. Controle 6. Desempenho AERODINÂMICA ASAS 0,4m
1. Projeto Conceitual 2. Aerodinâmica 2.1.Perfil das Asas 2.2.Asas 2.3.Empenagem Horizontal 2.4.Empenagem Vertical 2.5.Fuselagem 2.6.Avião Completo 3. Cargas e Estruturas 4. Estabilidade 5. Controle 6. Desempenho AERODINÂMICA ASAS Acerto das incidências Aumento corda aileron (estol) Escolha do afilamento
Base para o projeto: C HT =0,4 1. Projeto Conceitual 2. Aerodinâmica 2.1.Perfil das Asas 2.2.Asas 2.3.Empenagem Horizontal 2.4.Empenagem Vertical 2.5.Fuselagem 2.6.Avião Completo 3. Cargas e Estruturas 4. Estabilidade 5. Controle 6. Desempenho AERODINÂMICA EMPENAGEM HORIZONTAL Perfil RG14 invertido CL EH cumpre requisitos. -16 0,45 4,5 0,198  c/4 (º)  A S (m 2 )
1° Tentativa: C VT 1. Projeto Conceitual 2. Aerodinâmica 2.1.Perfil das Asas 2.2.Asas 2.3.Empenagem Horizontal 2.4.Empenagem Vertical 2.5.Fuselagem 2.6.Avião Completo 3. Cargas e Estruturas 4. Estabilidade 5. Controle 6. Desempenho AERODINÂMICA EMPENAGEM VERTICAL Instabilidade em Espiral. Base de projeto: Critérios de qualidade de vôo. Perfil NACA 0014 Alojamento de servos: Menor arrasto; Maior funcionalidade. 17,8 0,7 0,823 0,042  c/4 (º)  A S (m 2 )
1. Projeto Conceitual 2. Aerodinâmica 2.1.Perfil das Asas 2.2.Asas 2.3.Empenagem Horizontal 2.4.Empenagem Vertical 2.5.Fuselagem 2.6.Avião Completo 3. Cargas e Estruturas 4. Estabilidade 5. Controle 6. Desempenho AERODINÂMICA FUSELAGEM Projetado para evitar descolamento* Passeio do CG com carregamento minimizado Diminuição da área frontal * Hoerner, S.F. , Aerodynamic Drag – Practical Data, Otterbein Press - 1951
1. Projeto Conceitual 2. Aerodinâmica 2.1.Perfil das Asas 2.2.Asas 2.3.Empenagem Horizontal 2.4.Empenagem Vertical 2.5.Fuselagem 2.6.Avião Completo 3. Cargas e Estruturas 4. Estabilidade 5. Controle 6. Desempenho AERODINÂMICA AVIÃO COMPLETO
1. Projeto Conceitual 2. Aerodinâmica 2.1.Perfil das Asas 2.2.Asas 2.3.Empenagem Horizontal 2.4.Empenagem Vertical 2.5.Fuselagem 2.6.Avião Completo 3. Cargas e Estruturas 4. Estabilidade 5. Controle 6. Desempenho AERODINÂMICA AVIÃO COMPLETO - Cl x alfa - Polar de Arrasto
CARGAS E ESTRUTURAS 1. Projeto Conceitual 2. Aerodinâmica 3. Cargas e Estruturas 4. Estabilidade 5. Controle 6. Desempenho
1. Projeto Conceitual 2. Aerodinâmica 3. Cargas e Estruturas 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 4. Estabilidade 5. Controle 6. Desempenho CARGAS E ESTRUTURAS PROJETO ESTRUTURAL Confiabilidade na construção Rigidez Estabilidade Resistência Leveza Projeto Estrutural
1. Projeto Conceitual 2. Aerodinâmica 3. Cargas e Estruturas 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 4. Estabilidade 5. Controle 6. Desempenho CARGAS E ESTRUTURAS MATERIAIS * AICHER S & KLOCK W. Linear versus quadratic failure criteria for inplane loaded wood based panels. ** Verificado em ensaio de torção pura. Hoffman Hoffman Invariantes de Von Mises* Invariantes de Von Mises* Critério de falha Fibra de Vidro Fibra de Carbono Chapa de Balsa Barra de Balsa - - 0,73** 3,1 τ u (MPa) - - 4,2 15 σ uc (MPa) 2415 4300 7,4 26 σ ut (MPa) 2110 1760 160 200 ρ (kg/m 3 )
1. Projeto Conceitual 2. Aerodinâmica 3. Cargas e Estruturas 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 4. Estabilidade 5. Controle 6. Desempenho CARGAS E ESTRUTURAS ENVELOPE DE VÔO Condição Limite (nz=2,45) Condição Última (nz=2,70) Condição última = 1,1 x Condição limite
1. Projeto Conceitual 2. Aerodinâmica 3. Cargas e Estruturas 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 4. Estabilidade 5. Controle 6. Desempenho CARGAS E ESTRUTURAS ASAS Esforços diminuem rapidamente para a ponta. Carregamentos diferentes em cada asa. 258,0 Asa Superior 211,2 Asa inferior F Z na condição última (N)
1. Projeto Conceitual 2. Aerodinâmica 3. Cargas e Estruturas 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 4. Estabilidade 5. Controle 6. Desempenho CARGAS E ESTRUTURAS ASAS Otimização da estrutura: Compressão: menor resistência. (balsa) Dimensões variáveis ao longo da envergadura. Estruturas Diferenciadas.
1. Projeto Conceitual 2. Aerodinâmica 3. Cargas e Estruturas 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 4. Estabilidade 5. Controle 6. Desempenho CARGAS E ESTRUTURAS EMPENAGENS V=Vd=18m/s Esforços na raiz. (balsa) (balsa) 0,14 -0,73 -0,73 T (N.m) 7,23 -4,98 23,91 Sz (N) -1,78 -0,87 -5,14 Sx (N) 0,10 0,19 1,00 Mz (N.m) -0,42 1,01 -4,87 Mx (N.m) 1,00 0,52 1,05 Cl EV EH
1. Projeto Conceitual 2. Aerodinâmica 3. Cargas e Estruturas 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 4. Estabilidade 5. Controle 6. Desempenho 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. CARGAS E ESTRUTURAS ANÁLISE ESTRUTURAL DAS ASAS E EMPENAGENS Resultados da análise de falha para seção da raiz. Material Dimensões e posicionamento Esforços Tensões
1. Projeto Conceitual 2. Aerodinâmica 3. Cargas e Estruturas 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 4. Estabilidade 5. Controle 6. Desempenho CARGAS E ESTRUTURAS FUSELAGEM Cargas principais: 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. Otimização: Alívio da estrutura:
Ensaio de rigidez: 1. Projeto Conceitual 2. Aerodinâmica 3. Cargas e Estruturas 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 4. Estabilidade 5. Controle 6. Desempenho CARGAS E ESTRUTURAS TAIL BOOM Cargas oriundas das empenagens. Sanduíche de fibra de carbono e honeycomb. Principal requisito: Rigidez.
1. Projeto Conceitual 2. Aerodinâmica 3. Cargas e Estruturas 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 4. Estabilidade 5. Controle 6. Desempenho Cargas: Carga lateral em curva; Carga de compressão em pouso; Carga de tração em vôo. Torção. Análise em Nastran (elementos finitos). CARGAS E ESTRUTURAS JUNÇÃO DAS ASAS Fibra de carbono unidirecional Espuma de PVC Alta rigidez e baixo peso.
1. Projeto Conceitual 2. Aerodinâmica 3. Cargas e Estruturas 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 4. Estabilidade 5. Controle 6. Desempenho Fatores de carga normal e horizontal: 2,0 e 0,7. CARGAS E ESTRUTURAS TREM DE POUSO PRINCIPAL TREM DE POUSO DO NARIZ Haste de aço com garfo de alumínio para prender a roda. Resistência comprovada por testes. Carga de pouso suportada por meia estrutura. Índice de falha de Hoffman (Otimização limitada pela rigidez). Análise em Nastran com elementos de laminado.
1. Projeto Conceitual 2. Aerodinâmica 3. Cargas e Estruturas 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 4. Estabilidade 5. Controle 6. Desempenho CARGAS E ESTRUTURAS PESO FINAL Peso vazio = 4,589 kgf Contribuição de cada componente do avião (kgf):
ESTABILIDADE 1. Projeto Conceitual 2. Aerodinâmica 3. Cargas e Estruturas 4. Estabilidade 5. Controle 6. Desempenho
1. Projeto Conceitual 2. Aerodinâmica 3. Cargas e Estruturas 4. Estabilidade 4.1.Estabilidade Estática 4.2.Estabilidade Dinâmica 4.3.Qualidade de Vôo 5. Controle 6. Desempenho ESTABILIDADE ESTABILIDADE ESTÁTICA Fatores que indicam estabilidade e boa qualidade de vôo: Látero-direcional : Longitudinal : Margem estática entre 10% e 16%; CG avião CA avião Enflechamento (5,5° - c/4); Diedro (3,2°).
1. Projeto Conceitual 2. Aerodinâmica 3. Cargas e Estruturas 4. Estabilidade 4.1.Estabilidade Estática 4.2.Estabilidade Dinâmica 4.3.Qualidade de Vôo 5. Controle 6. Desempenho ESTABILIDADE ESTABILIDADE DINÂMICA Linearização das equações e cálculo auto-valores da matriz de estado. Estimativa dos momentos de inércia. Utilizada a Norma MIL (com adaptações). Cálculo do fator de amortecimento e freqüência natural. Derivadas de estabilidade (Vortex Lattice)
1. Projeto Conceitual 2. Aerodinâmica 3. Cargas e Estruturas 4. Estabilidade 4.1.Estabilidade Estática 4.2.Estabilidade Dinâmica 4.3.Qualidade de Vôo 5. Controle 6. Desempenho ESTABILIDADE QUALIDADE DE VÔO LONGITUDINAL Nível 1  >0,04) Não tripulado, portanto pode ter freqüência natural maior. Segundo pesquisas, esse comportamento é desejável. * PETERS M.E.; ANDRISANO D. The determination of longitudinal flying qualities requirements for light weight unmanned aircraft. Nível 2 1,56 1,53 f n (Hz) 0,487 0,409 z Período curto 9,78 0,883 0,107 Cruzeiro 9,65 1,08 0,174 Subida w n (rad/s) w n (rad/s) z Período fugoidal
1. Projeto Conceitual 2. Aerodinâmica 3. Cargas e Estruturas 4. Estabilidade 4.1.Estabilidade Estática 4.2.Estabilidade Dinâmica 4.3.Qualidade de Vôo 5. Controle 6. Desempenho ESTABILIDADE QUALIDADE DE VÔO LÁTERO-DIRECIONAL Nível 1 (Estável) Nível 1 (t 1/2 < 1,0s) Nível 1 (z>0,19; zw n >0,35 rad/s e w n >1 rad/s) 19,2 - - Espiral - 4,68 0,388 Dutch roll 0,204 - - Rolamento t 1/2 (s) w n (rad/s) z Velocidade de subida
CONTROLE 1. Projeto Conceitual 2. Aerodinâmica 3. Cargas e Estruturas 4. Estabilidade 5. Controle 6. Desempenho
1. Projeto Conceitual 2. Aerodinâmica 3. Cargas e Estruturas 4. Estabilidade 5. Controle 5.1.Controle Longitudinal 5.2.Controle Látero-Direcional 6. Desempenho CONTROLE CONTROLE LONGITUDINAL Empenagem horizontal inteiramente móvel: CL máximo e mínimo com folga. Escolha acertada: Recuperação de mergulho. Vídeo (futuramente... à noite)
1. Projeto Conceitual 2. Aerodinâmica 3. Cargas e Estruturas 4. Estabilidade 5. Controle 5.1.Controle Longitudinal 5.2.Controle Látero-Direcional 6. Desempenho CONTROLE CONTROLE LÁTERO-DIRECIONAL Emp. Vert. (Cvt) Instabilidade em espiral. Obrigatório diminuir EV Controle Látero-direcional prejudicado. Solução: Aumento de Ailerons. Novo problema: Guinada adversa. Solução Final : Ensaios em vôo e uso de ailerons diferenciais.
1. Projeto Conceitual 2. Aerodinâmica 3. Cargas e Estruturas 4. Estabilidade 5. Controle 5.1.Controle Longitudinal 5.2.Controle Látero-Direcional 6. Desempenho CONTROLE CONTROLE LÁTERO-DIRECIONAL Análise de efetividade dos ailerons no XFOIL: Não há precipitação do estol.
1. Projeto Conceitual 2. Aerodinâmica 3. Cargas e Estruturas 4. Estabilidade 5. Controle 5.1.Controle Longitudinal 5.2.Controle Látero-Direcional 6. Desempenho CONTROLE CONTROLE LÁTERO-DIRECIONAL Cálculo das derivadas de controle por Vortex Lattice e correção por resultados do XFOIL. * Com relação à fuselagem. -25,0° Subida Profundor 5,5° Curva Nivelada Leme 4,0° Curva Nivelada Ailerons Deflexão Máxima* Situação Limitante
1. Projeto Conceitual 2. Aerodinâmica 3. Cargas e Estruturas 4. Estabilidade 5. Controle 5.1.Controle Longitudinal 5.2.Controle Látero-Direcional 6. Desempenho CONTROLE CONTROLE LÁTERO-DIRECIONAL - Ensaio em túnel:
DESEMPENHO 1. Projeto Conceitual 2. Aerodinâmica 3. Cargas e Estruturas 4. Estabilidade 5. Controle 6. Desempenho
DESEMPENHO DESEMPENHO: REQUISITOS Objetivo principal: Cálculo de desempenho para obtenção da carga total máxima na competição. Análise crítica do regulamento FAR 23 Mais Crítico * Perda de pontos por carga útil não compensa a bonificação. 1. Projeto Conceitual 2. Aerodinâmica 3. Cargas e Estruturas 4. Estabilidade 5. Controle 6. Desempenho
DESEMPENHO DESEMPENHO 1. Projeto Conceitual 2. Aerodinâmica 3. Cargas e Estruturas 4. Estabilidade 5. Controle 6. Desempenho São José dos Campos: ~20°C
DESEMPENHO DESEMPENHO 1. Projeto Conceitual 2. Aerodinâmica 3. Cargas e Estruturas 4. Estabilidade 5. Controle 6. Desempenho
 
1. Projeto Conceitual 2. Aerodinâmica 3. Cargas e Estruturas 4. Estabilidade 5. Controle 6. Desempenho DESEMPENHO DESEMPENHO FAR 23 - §23.51(4).
1. Projeto Conceitual 2. Aerodinâmica 3. Cargas e Estruturas 4. Estabilidade 5. Controle 6. Desempenho DESEMPENHO DESEMPENHO 27 m Raio mínimo de Curva Nivelada: 8,5 m/s Velocidade ao passar a marca de 122m no pouso: 227,75 m Distância para parada completa em pouso: 1,8 m/s Velocidade vertical em planeio (Alcance máximo): (-)6,575° Razão de planeio (Alcance máximo): 16,8 m/s Velocidade máxima de vôo (Limitada pelo Cl min): 14,4 m/s Velocidade adequada para cruzeiro: 12,8 m/s Velocidade de decolagem: 10,9 m/s Velocidade de Stall: Valor: Propriedade: Altitude Densidade 600 m Desempenho Pontual
1. Projeto Conceitual 2. Aerodinâmica 3. Cargas e Estruturas 4. Estabilidade 5. Controle 6. Desempenho AERODINÂMICA ASAS Estol na região dos ailerons:
1. Projeto Conceitual 2. Aerodinâmica 3. Cargas e Estruturas 4. Estabilidade 5. Controle 5.1.Controle Longitudinal 5.2.Controle Látero-Direcional 6. Desempenho CONTROLE CONTROLE LÁTERO-DIRECIONAL Análise de efetividade dos ailerons no XFOIL: Não há precipitação do estol.
1. Projeto Conceitual 2. Aerodinâmica 3. Cargas e Estruturas 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 4. Estabilidade 5. Controle 6. Desempenho CARGAS E ESTRUTURAS ASAS
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1. Projeto Conceitual 2. Aerodinâmica 3. Cargas e Estruturas 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 4. Estabilidade 5. Controle 6. Desempenho CARGAS E ESTRUTURAS ASAS

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  • 4.
    PRÉ-PROJETO PROJETO CONCEITUAL1. Projeto Conceitual 1.1. Pré-Projeto 1.2. Metodologia de Projeto 2. Aerodinâmica 3. Cargas e Estruturas 4. Estabilidade 5. Controle 6. Desempenho Pontual
  • 5.
    PROJETO CONCEITUAL METODOLOGIADE PROJETO Fluxograma: 1. Projeto Conceitual 1.1. Pré-Projeto 1.2. Metodologia de Projeto 2. Aerodinâmica 3. Cargas e Estruturas 4. Estabilidade 5. Controle 6. Desempenho
  • 6.
    PROJETO CONCEITUAL Configuraçãoinicial Estimativa da polar de arrasto Desempenho em subida e decolagem Estimativa da massa do avião Carga útil – pontuação 1. Projeto Conceitual 1.1. Pré-Projeto 1.2. Metodologia de Projeto 2. Aerodinâmica 3. Cargas e Estruturas 4. Estabilidade 5. Controle 6. Desempenho
  • 7.
    PROJETO CONCEITUAL 1.Projeto Conceitual 1.1. Pré-Projeto 1.2. Metodologia de Projeto 2. Aerodinâmica 3. Cargas e Estruturas 4. Estabilidade 5. Controle 6. Desempenho
  • 8.
    AERODINÂMICA 1. ProjetoConceitual 2. Aerodinâmica 3. Cargas e Estruturas 4. Estabilidade 5. Controle 6. Desempenho Pontual
  • 9.
    1. Projeto Conceitual2. Aerodinâmica 2.1.Perfil das Asas 2.2.Asas 2.3.Empenagem Horizontal 2.4.Empenagem Vertical 2.5.Fuselagem 2.6.Avião Completo 3. Cargas e Estruturas 4. Estabilidade 5. Controle 6. Desempenho Modificação do perfil Selig1223 AERODINÂMICA PERFIL DAS ASAS Estrutura mais resistente. Menor peso estrutural. Melhora de características aerodinâmicas. Perfil 10% mais espesso: S1223HG [1] SELIG, M. Et Al, Summary of Low-Speed Airfoil Data Vol. 1, 2,3. Soartech Publications, 1995 Base para modificações: XFOIL
  • 10.
    1. Projeto Conceitual2. Aerodinâmica 2.1.Perfil das Asas 2.2.Asas 2.3.Empenagem Horizontal 2.4.Empenagem Vertical 2.5.Fuselagem 2.6.Avião Completo 3. Cargas e Estruturas 4. Estabilidade 5. Controle 6. Desempenho AERODINÂMICA PERFIL DAS ASAS
  • 11.
    Biplano: V local V ∞ 1. Projeto Conceitual 2. Aerodinâmica 2.1.Perfil das Asas 2.2.Asas 2.3.Empenagem Horizontal 2.4.Empenagem Vertical 2.5.Fuselagem 2.6.Avião Completo 3. Cargas e Estruturas 4. Estabilidade 5. Controle 6. Desempenho AERODINÂMICA ASAS V local >V ∞ V local <V ∞ Cl Vlocal < Cl V∞ Cl Vlocal > Cl v ∞ Cl adimensionalizado por V∞ não prediz estol. Códigos Vortex Lattice normalmente utilizados calculam Cl V∞ ; Solução: Programar um código Vortex Lattice .
  • 12.
    1. Projeto Conceitual2. Aerodinâmica 2.1.Perfil das Asas 2.2.Asas 2.3.Empenagem Horizontal 2.4.Empenagem Vertical 2.5.Fuselagem 2.6.Avião Completo 3. Cargas e Estruturas 4. Estabilidade 5. Controle 6. Desempenho AERODINÂMICA ASAS 0,4m
  • 13.
    1. Projeto Conceitual2. Aerodinâmica 2.1.Perfil das Asas 2.2.Asas 2.3.Empenagem Horizontal 2.4.Empenagem Vertical 2.5.Fuselagem 2.6.Avião Completo 3. Cargas e Estruturas 4. Estabilidade 5. Controle 6. Desempenho AERODINÂMICA ASAS Acerto das incidências Aumento corda aileron (estol) Escolha do afilamento
  • 14.
    Base para oprojeto: C HT =0,4 1. Projeto Conceitual 2. Aerodinâmica 2.1.Perfil das Asas 2.2.Asas 2.3.Empenagem Horizontal 2.4.Empenagem Vertical 2.5.Fuselagem 2.6.Avião Completo 3. Cargas e Estruturas 4. Estabilidade 5. Controle 6. Desempenho AERODINÂMICA EMPENAGEM HORIZONTAL Perfil RG14 invertido CL EH cumpre requisitos. -16 0,45 4,5 0,198  c/4 (º)  A S (m 2 )
  • 15.
    1° Tentativa: CVT 1. Projeto Conceitual 2. Aerodinâmica 2.1.Perfil das Asas 2.2.Asas 2.3.Empenagem Horizontal 2.4.Empenagem Vertical 2.5.Fuselagem 2.6.Avião Completo 3. Cargas e Estruturas 4. Estabilidade 5. Controle 6. Desempenho AERODINÂMICA EMPENAGEM VERTICAL Instabilidade em Espiral. Base de projeto: Critérios de qualidade de vôo. Perfil NACA 0014 Alojamento de servos: Menor arrasto; Maior funcionalidade. 17,8 0,7 0,823 0,042  c/4 (º)  A S (m 2 )
  • 16.
    1. Projeto Conceitual2. Aerodinâmica 2.1.Perfil das Asas 2.2.Asas 2.3.Empenagem Horizontal 2.4.Empenagem Vertical 2.5.Fuselagem 2.6.Avião Completo 3. Cargas e Estruturas 4. Estabilidade 5. Controle 6. Desempenho AERODINÂMICA FUSELAGEM Projetado para evitar descolamento* Passeio do CG com carregamento minimizado Diminuição da área frontal * Hoerner, S.F. , Aerodynamic Drag – Practical Data, Otterbein Press - 1951
  • 17.
    1. Projeto Conceitual2. Aerodinâmica 2.1.Perfil das Asas 2.2.Asas 2.3.Empenagem Horizontal 2.4.Empenagem Vertical 2.5.Fuselagem 2.6.Avião Completo 3. Cargas e Estruturas 4. Estabilidade 5. Controle 6. Desempenho AERODINÂMICA AVIÃO COMPLETO
  • 18.
    1. Projeto Conceitual2. Aerodinâmica 2.1.Perfil das Asas 2.2.Asas 2.3.Empenagem Horizontal 2.4.Empenagem Vertical 2.5.Fuselagem 2.6.Avião Completo 3. Cargas e Estruturas 4. Estabilidade 5. Controle 6. Desempenho AERODINÂMICA AVIÃO COMPLETO - Cl x alfa - Polar de Arrasto
  • 19.
    CARGAS E ESTRUTURAS1. Projeto Conceitual 2. Aerodinâmica 3. Cargas e Estruturas 4. Estabilidade 5. Controle 6. Desempenho
  • 20.
    1. Projeto Conceitual2. Aerodinâmica 3. Cargas e Estruturas 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 4. Estabilidade 5. Controle 6. Desempenho CARGAS E ESTRUTURAS PROJETO ESTRUTURAL Confiabilidade na construção Rigidez Estabilidade Resistência Leveza Projeto Estrutural
  • 21.
    1. Projeto Conceitual2. Aerodinâmica 3. Cargas e Estruturas 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 4. Estabilidade 5. Controle 6. Desempenho CARGAS E ESTRUTURAS MATERIAIS * AICHER S & KLOCK W. Linear versus quadratic failure criteria for inplane loaded wood based panels. ** Verificado em ensaio de torção pura. Hoffman Hoffman Invariantes de Von Mises* Invariantes de Von Mises* Critério de falha Fibra de Vidro Fibra de Carbono Chapa de Balsa Barra de Balsa - - 0,73** 3,1 τ u (MPa) - - 4,2 15 σ uc (MPa) 2415 4300 7,4 26 σ ut (MPa) 2110 1760 160 200 ρ (kg/m 3 )
  • 22.
    1. Projeto Conceitual2. Aerodinâmica 3. Cargas e Estruturas 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 4. Estabilidade 5. Controle 6. Desempenho CARGAS E ESTRUTURAS ENVELOPE DE VÔO Condição Limite (nz=2,45) Condição Última (nz=2,70) Condição última = 1,1 x Condição limite
  • 23.
    1. Projeto Conceitual2. Aerodinâmica 3. Cargas e Estruturas 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 4. Estabilidade 5. Controle 6. Desempenho CARGAS E ESTRUTURAS ASAS Esforços diminuem rapidamente para a ponta. Carregamentos diferentes em cada asa. 258,0 Asa Superior 211,2 Asa inferior F Z na condição última (N)
  • 24.
    1. Projeto Conceitual2. Aerodinâmica 3. Cargas e Estruturas 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 4. Estabilidade 5. Controle 6. Desempenho CARGAS E ESTRUTURAS ASAS Otimização da estrutura: Compressão: menor resistência. (balsa) Dimensões variáveis ao longo da envergadura. Estruturas Diferenciadas.
  • 25.
    1. Projeto Conceitual2. Aerodinâmica 3. Cargas e Estruturas 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 4. Estabilidade 5. Controle 6. Desempenho CARGAS E ESTRUTURAS EMPENAGENS V=Vd=18m/s Esforços na raiz. (balsa) (balsa) 0,14 -0,73 -0,73 T (N.m) 7,23 -4,98 23,91 Sz (N) -1,78 -0,87 -5,14 Sx (N) 0,10 0,19 1,00 Mz (N.m) -0,42 1,01 -4,87 Mx (N.m) 1,00 0,52 1,05 Cl EV EH
  • 26.
    1. Projeto Conceitual2. Aerodinâmica 3. Cargas e Estruturas 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 4. Estabilidade 5. Controle 6. Desempenho 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. CARGAS E ESTRUTURAS ANÁLISE ESTRUTURAL DAS ASAS E EMPENAGENS Resultados da análise de falha para seção da raiz. Material Dimensões e posicionamento Esforços Tensões
  • 27.
    1. Projeto Conceitual2. Aerodinâmica 3. Cargas e Estruturas 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 4. Estabilidade 5. Controle 6. Desempenho CARGAS E ESTRUTURAS FUSELAGEM Cargas principais: 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. Otimização: Alívio da estrutura:
  • 28.
    Ensaio de rigidez:1. Projeto Conceitual 2. Aerodinâmica 3. Cargas e Estruturas 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 4. Estabilidade 5. Controle 6. Desempenho CARGAS E ESTRUTURAS TAIL BOOM Cargas oriundas das empenagens. Sanduíche de fibra de carbono e honeycomb. Principal requisito: Rigidez.
  • 29.
    1. Projeto Conceitual2. Aerodinâmica 3. Cargas e Estruturas 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 4. Estabilidade 5. Controle 6. Desempenho Cargas: Carga lateral em curva; Carga de compressão em pouso; Carga de tração em vôo. Torção. Análise em Nastran (elementos finitos). CARGAS E ESTRUTURAS JUNÇÃO DAS ASAS Fibra de carbono unidirecional Espuma de PVC Alta rigidez e baixo peso.
  • 30.
    1. Projeto Conceitual2. Aerodinâmica 3. Cargas e Estruturas 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 4. Estabilidade 5. Controle 6. Desempenho Fatores de carga normal e horizontal: 2,0 e 0,7. CARGAS E ESTRUTURAS TREM DE POUSO PRINCIPAL TREM DE POUSO DO NARIZ Haste de aço com garfo de alumínio para prender a roda. Resistência comprovada por testes. Carga de pouso suportada por meia estrutura. Índice de falha de Hoffman (Otimização limitada pela rigidez). Análise em Nastran com elementos de laminado.
  • 31.
    1. Projeto Conceitual2. Aerodinâmica 3. Cargas e Estruturas 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 4. Estabilidade 5. Controle 6. Desempenho CARGAS E ESTRUTURAS PESO FINAL Peso vazio = 4,589 kgf Contribuição de cada componente do avião (kgf):
  • 32.
    ESTABILIDADE 1. ProjetoConceitual 2. Aerodinâmica 3. Cargas e Estruturas 4. Estabilidade 5. Controle 6. Desempenho
  • 33.
    1. Projeto Conceitual2. Aerodinâmica 3. Cargas e Estruturas 4. Estabilidade 4.1.Estabilidade Estática 4.2.Estabilidade Dinâmica 4.3.Qualidade de Vôo 5. Controle 6. Desempenho ESTABILIDADE ESTABILIDADE ESTÁTICA Fatores que indicam estabilidade e boa qualidade de vôo: Látero-direcional : Longitudinal : Margem estática entre 10% e 16%; CG avião CA avião Enflechamento (5,5° - c/4); Diedro (3,2°).
  • 34.
    1. Projeto Conceitual2. Aerodinâmica 3. Cargas e Estruturas 4. Estabilidade 4.1.Estabilidade Estática 4.2.Estabilidade Dinâmica 4.3.Qualidade de Vôo 5. Controle 6. Desempenho ESTABILIDADE ESTABILIDADE DINÂMICA Linearização das equações e cálculo auto-valores da matriz de estado. Estimativa dos momentos de inércia. Utilizada a Norma MIL (com adaptações). Cálculo do fator de amortecimento e freqüência natural. Derivadas de estabilidade (Vortex Lattice)
  • 35.
    1. Projeto Conceitual2. Aerodinâmica 3. Cargas e Estruturas 4. Estabilidade 4.1.Estabilidade Estática 4.2.Estabilidade Dinâmica 4.3.Qualidade de Vôo 5. Controle 6. Desempenho ESTABILIDADE QUALIDADE DE VÔO LONGITUDINAL Nível 1  >0,04) Não tripulado, portanto pode ter freqüência natural maior. Segundo pesquisas, esse comportamento é desejável. * PETERS M.E.; ANDRISANO D. The determination of longitudinal flying qualities requirements for light weight unmanned aircraft. Nível 2 1,56 1,53 f n (Hz) 0,487 0,409 z Período curto 9,78 0,883 0,107 Cruzeiro 9,65 1,08 0,174 Subida w n (rad/s) w n (rad/s) z Período fugoidal
  • 36.
    1. Projeto Conceitual2. Aerodinâmica 3. Cargas e Estruturas 4. Estabilidade 4.1.Estabilidade Estática 4.2.Estabilidade Dinâmica 4.3.Qualidade de Vôo 5. Controle 6. Desempenho ESTABILIDADE QUALIDADE DE VÔO LÁTERO-DIRECIONAL Nível 1 (Estável) Nível 1 (t 1/2 < 1,0s) Nível 1 (z>0,19; zw n >0,35 rad/s e w n >1 rad/s) 19,2 - - Espiral - 4,68 0,388 Dutch roll 0,204 - - Rolamento t 1/2 (s) w n (rad/s) z Velocidade de subida
  • 37.
    CONTROLE 1. ProjetoConceitual 2. Aerodinâmica 3. Cargas e Estruturas 4. Estabilidade 5. Controle 6. Desempenho
  • 38.
    1. Projeto Conceitual2. Aerodinâmica 3. Cargas e Estruturas 4. Estabilidade 5. Controle 5.1.Controle Longitudinal 5.2.Controle Látero-Direcional 6. Desempenho CONTROLE CONTROLE LONGITUDINAL Empenagem horizontal inteiramente móvel: CL máximo e mínimo com folga. Escolha acertada: Recuperação de mergulho. Vídeo (futuramente... à noite)
  • 39.
    1. Projeto Conceitual2. Aerodinâmica 3. Cargas e Estruturas 4. Estabilidade 5. Controle 5.1.Controle Longitudinal 5.2.Controle Látero-Direcional 6. Desempenho CONTROLE CONTROLE LÁTERO-DIRECIONAL Emp. Vert. (Cvt) Instabilidade em espiral. Obrigatório diminuir EV Controle Látero-direcional prejudicado. Solução: Aumento de Ailerons. Novo problema: Guinada adversa. Solução Final : Ensaios em vôo e uso de ailerons diferenciais.
  • 40.
    1. Projeto Conceitual2. Aerodinâmica 3. Cargas e Estruturas 4. Estabilidade 5. Controle 5.1.Controle Longitudinal 5.2.Controle Látero-Direcional 6. Desempenho CONTROLE CONTROLE LÁTERO-DIRECIONAL Análise de efetividade dos ailerons no XFOIL: Não há precipitação do estol.
  • 41.
    1. Projeto Conceitual2. Aerodinâmica 3. Cargas e Estruturas 4. Estabilidade 5. Controle 5.1.Controle Longitudinal 5.2.Controle Látero-Direcional 6. Desempenho CONTROLE CONTROLE LÁTERO-DIRECIONAL Cálculo das derivadas de controle por Vortex Lattice e correção por resultados do XFOIL. * Com relação à fuselagem. -25,0° Subida Profundor 5,5° Curva Nivelada Leme 4,0° Curva Nivelada Ailerons Deflexão Máxima* Situação Limitante
  • 42.
    1. Projeto Conceitual2. Aerodinâmica 3. Cargas e Estruturas 4. Estabilidade 5. Controle 5.1.Controle Longitudinal 5.2.Controle Látero-Direcional 6. Desempenho CONTROLE CONTROLE LÁTERO-DIRECIONAL - Ensaio em túnel:
  • 43.
    DESEMPENHO 1. ProjetoConceitual 2. Aerodinâmica 3. Cargas e Estruturas 4. Estabilidade 5. Controle 6. Desempenho
  • 44.
    DESEMPENHO DESEMPENHO: REQUISITOSObjetivo principal: Cálculo de desempenho para obtenção da carga total máxima na competição. Análise crítica do regulamento FAR 23 Mais Crítico * Perda de pontos por carga útil não compensa a bonificação. 1. Projeto Conceitual 2. Aerodinâmica 3. Cargas e Estruturas 4. Estabilidade 5. Controle 6. Desempenho
  • 45.
    DESEMPENHO DESEMPENHO 1.Projeto Conceitual 2. Aerodinâmica 3. Cargas e Estruturas 4. Estabilidade 5. Controle 6. Desempenho São José dos Campos: ~20°C
  • 46.
    DESEMPENHO DESEMPENHO 1.Projeto Conceitual 2. Aerodinâmica 3. Cargas e Estruturas 4. Estabilidade 5. Controle 6. Desempenho
  • 47.
  • 48.
    1. Projeto Conceitual2. Aerodinâmica 3. Cargas e Estruturas 4. Estabilidade 5. Controle 6. Desempenho DESEMPENHO DESEMPENHO FAR 23 - §23.51(4).
  • 49.
    1. Projeto Conceitual2. Aerodinâmica 3. Cargas e Estruturas 4. Estabilidade 5. Controle 6. Desempenho DESEMPENHO DESEMPENHO 27 m Raio mínimo de Curva Nivelada: 8,5 m/s Velocidade ao passar a marca de 122m no pouso: 227,75 m Distância para parada completa em pouso: 1,8 m/s Velocidade vertical em planeio (Alcance máximo): (-)6,575° Razão de planeio (Alcance máximo): 16,8 m/s Velocidade máxima de vôo (Limitada pelo Cl min): 14,4 m/s Velocidade adequada para cruzeiro: 12,8 m/s Velocidade de decolagem: 10,9 m/s Velocidade de Stall: Valor: Propriedade: Altitude Densidade 600 m Desempenho Pontual
  • 50.
    1. Projeto Conceitual2. Aerodinâmica 3. Cargas e Estruturas 4. Estabilidade 5. Controle 6. Desempenho AERODINÂMICA ASAS Estol na região dos ailerons:
  • 51.
    1. Projeto Conceitual2. Aerodinâmica 3. Cargas e Estruturas 4. Estabilidade 5. Controle 5.1.Controle Longitudinal 5.2.Controle Látero-Direcional 6. Desempenho CONTROLE CONTROLE LÁTERO-DIRECIONAL Análise de efetividade dos ailerons no XFOIL: Não há precipitação do estol.
  • 52.
    1. Projeto Conceitual2. Aerodinâmica 3. Cargas e Estruturas 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 4. Estabilidade 5. Controle 6. Desempenho CARGAS E ESTRUTURAS ASAS
  • 53.
    1. Projeto Conceitual2. Aerodinâmica 3. Cargas e Estruturas 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 4. Estabilidade 5. Controle 6. Desempenho CARGAS E ESTRUTURAS ASAS
  • 54.
    1. Projeto Conceitual2. Aerodinâmica 3. Cargas e Estruturas 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 4. Estabilidade 5. Controle 6. Desempenho CARGAS E ESTRUTURAS ASAS