Universidade do Estado de Santa Catarina Centro de Ciências Tecnológicas Projeto AeroDesign Equipe ALBATROZ Nº 34 Antonio Eduardo Paulino de Matos Danilo Yamazaki Maggi Justo Eduardo Eugênio Schmitt Elyan Carlos Machado Marcos Antunes Klemz Matheus Giaretta Cansian Sandro Vieira Wiggers Sérgio Antônio Foppa Thiago Ruan Rosa Ulysses Goulart da Silva Vítor do Amaral Portilho Wagner Felipe Vogel Wyllian Ficagna dos Santos Yone Eccel Mizubuti Prof. Orientador: Fernando Humel Lafratta Joinville, SC. Julho de 2010.
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Universidade do Estado de Santa Catarina
Centro de Ciências Tecnológicas
Projeto AeroDesign
Equipe ALBATROZ Nº 34
Antonio Eduardo Paulino de Matos Danilo Yamazaki Maggi Justo
Eduardo Eugênio Schmitt Elyan Carlos Machado Marcos Antunes Klemz
Sumário 1 LISTA DE FIGURAS ..................................................................................................................................... 5
2 LISTA DE TABELAS ..................................................................................................................................... 6
7.2 Variação do empuxo com a velocidade de algumas hélices comerciais .......................................... 21
7.3 Rendimento de algumas hélices comerciais ..................................................................................... 21
7.4 Seleção da hélice................................................................................................................................ 22
7.5 Tração Disponível x Tração Requerida (em função da velocidade) ................................................. 22
7.6 Potência Requerida x Potência Disponível (em função da velocidade) ........................................... 23
7.7 Voo de planeio ................................................................................................................................... 23
7.8 Razão de subida ................................................................................................................................. 25
7.9 Determinação do comprimento da pista de pouso da aeronave .................................................... 26
7.10 Determinação do comprimento da pista necessária para o pouso da aeronave considerando a
velocidade estol no pouso ............................................................................................................................. 26
7.11 Raio mínimo ....................................................................................................................................... 27
7.12 Velocidade Mínima (No raio mínimo) ............................................................................................... 27
7.13 Fator de carga (n) ............................................................................................................................... 27
7.14 Ângulo máximo de inclinação da aeronave ...................................................................................... 27
8.1 Diagrama V x n ................................................................................................................................... 28
8.7 Rodas e Pneus .................................................................................................................................... 35
9 ESTIMATIVA DE PESO ............................................................................................................................. 36
10 PROJETO ELÉTRICO ................................................................................................................................. 37
10.1 Diagrama elétrico de ligação entre servos, bateria e receptor ........................................................ 37
10.2 Dimensionamento do fio ................................................................................................................... 38
Figura 1 - Comparação entre o perfil real e o perfil parametrizado. .................................................................... 8
Figura 2 - Curva de Pareto para os Casos Rodados. ........................................................................................... 10
Figura 3 - Comparação entre o Perfil Otimizado e o Selig 1223, Cl x alpha e Cd x alpha. ............................... 11
Figura 4 - Gráfico CLxCD dos Componentes .................................................................................................... 14
Figura 5 - Curva Polar do Avião ........................................................................................................................ 14
Figura 6 - Passeio do CG. ................................................................................................................................... 15
Figura 7 - Posicionamento da Empenagem Vertical. ......................................................................................... 15
Figura 8 - Contribuição da Asa em Função do Ângulo de Ataque. .................................................................... 16
Figura 9 – Contribuição da Empenagem Horizontal .......................................................................................... 16
Figura 10 - Fatores de Correção Relacionados com a Dimensão da Fuselagem ................................................ 17
Figura 11 - Variação do Ângulo de Escoamento Local em Função do Ângulo de Ataque para Diferentes Formas de Fuselagem. ........................................................................................................................................ 17
Figura 12 - Contribuição da Fuselagem para Diferentes Ângulos de Ataque .................................................... 18
Figura 13 - Gráfico Cm x Alpha ........................................................................................................................ 18
Figura 14 - Coeficiente de Momento x Beta ...................................................................................................... 19
Figura 15 - Gráfico de Deflexão x Ângulo de Ataque. ...................................................................................... 20
Figura 16 - Empuxo Estático das Hélices........................................................................................................... 21
Figura 17 - Empuxo Dinâmico das Hélices. ....................................................................................................... 21
Figura 18 - Estático das Hélices. ........................................................................................................................ 22
Figura 19 - Tração Disponível e Tração Requerida x Velocidade. .................................................................... 22
Figura 20 - Potência Requerida x Potência Disponível (em Função da Velocidade) ......................................... 23
Figura 21 - Configuração para Ângulo de Planeio. ............................................................................................ 24
Figura 22 - Polar de Planeio. .............................................................................................................................. 25
Figura 23 - Razão de subida x Velocidade Horizontal. ...................................................................................... 25
Figura 24 - Análise do comprimento de pista no pouso. .................................................................................... 26
Figura 25 - Análise de Pouso na Velocidade de Estol. ....................................................................................... 27
Figura 26 - Diagrama V x n ................................................................................................................................ 28
Figura 27 - Modelo Adotado para o Cálculo da Longarina ................................................................................ 29
Figura 28 - Cálculo da Secção da Longarina...................................................................................................... 29
Figura 29 - Simulação Longarina: Tensão Maxima e Deslocamento Maximo .................................................. 30
Figura 30 - Teste da Longarina .......................................................................................................................... 30
Figura 31 - Modelo Adotado para Dimensionamento do Tubo de Cauda. ......................................................... 31
Figura 32 - Deslocamento e Distribuição de Tensão no Tubo de Cauda. .......................................................... 32
Figura 33 - Teste do Tubo de Cauda .................................................................................................................. 32
Figura 34 - Simulação do Trem de Pouso .......................................................................................................... 33
Figura 35 - Teste do Trem de Pouso Principal. .................................................................................................. 34
Figura 36 - Simulação da Bequilha .................................................................................................................... 35
Figura 37 - Simulação da Roda .......................................................................................................................... 35
Figura 38 - Diagrama de Ligação elétrica .......................................................................................................... 37
Figura 39 - Foto da instalção do receptor, bateria e voltwatch na fuselagem. ................................................... 37
Figura 40 - Foto do Posicionamento do servo na Asa e Antena no Leme ......................................................... 38
Figura 41 - Seleção de fios AWG ...................................................................................................................... 38
2 LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Pontos de Controle .............................................................................................................................. 9
Tabela 2 - Função Objetiva e Restrições para Otimização. ................................................................................ 10
Tabela 3 - Valores de Comprimento, Envergadura do Profundor e Altura do Avião. ....................................... 11
Tabela 4 - Dados Geométricos da Asa Projetada ............................................................................................... 12
Tabela 5 - Análise de Condições de Planeio. ..................................................................................................... 24
Tabela 6 - Comprimento máximo de pouso. ...................................................................................................... 26
Tabela 7 - Comprimento máximo de Pouso na Velocidade de Estol. ................................................................ 27
Tabela 8 - Propriedades dos Materiais Utilizados na Longarina. ....................................................................... 28
Tabela 9 - Tensão máxima e deslocamento máximo. ......................................................................................... 30
Tabela 10 - Esforços no engaste do Tubo de Cauda. ......................................................................................... 31
Tabela 11 - Deslocamento e Tensão máxima no Tubo de Cauda. ..................................................................... 32
Tabela 12 - Esforços Atuantes no Trem de Pouso para Casos Críticos. ............................................................ 33
Tabela 13 - Tensão e Deformação no Trem de Pouso Principal ........................................................................ 33
Tabela 14 - Esforços Atuantes na Bequilha ....................................................................................................... 34
Tabela 15 - Propriedades do Aço ASTM A 227 Utilizado na Bequilha. ........................................................... 34
Tabela 16 - Tensão e Deformação na Bequilha. ................................................................................................. 35
Tabela 17 - Propriedades da Liga de Alumínio 2011. ........................................................................................ 35
Tabela 18 - Estimativa de Peso .......................................................................................................................... 36
3 INTRODUÇÃO A equipe Albatroz voltou em 2009 a participar da competição SAE BRASIL AeroDesign
após dois anos afastados. Com uma equipe renovada a competição serviu para agregar conhecimento
e experiência apesar da não validação do vôo. Desta forma determinou-se como objetivo principal
desenvolver uma aeronave competitiva. Neste trabalho consta o projeto e análise de uma aeronave
dentro das especificações do regulamento, desde sua concepção e desenvolvimento, soluções de
engenharia adotadas, bem como verificações experimentais.
4 CONCEPÇÃO DA AERONAVE
A concepção da aeronave partiu da escolha do número de asas. Devido a observação histórica,
buscando uma maior eficiência e ainda a facilidade de construção, optou-se pelo modelo monoplano.
A configuração de asa alta foi adotada devido a uma melhor relação L/D e uma maior estabilidade
lateral do avião[7]. Escolheu-se uma asa planiforme com extremos trapezoidais devido ao fato de
uma asa com esta projeção vertical conseguir atingir uma eficiência relativa de até 98% [6],
aproximando-se bastante da eficiência de uma asa com planiforme elíptica, porém com maior
facilidade de construção.
A aeronave possui motor com configuração tratora. O compartimento de carga possui abertura
superior para facilitar o acesso a carga e acelerar a retirada da mesma. A configuração adotada do
trem de pouso foi triciclo devido a maior estabilidade no controle da direção, menor risco da hélice
tocar o solo na aterragem, boa aceleração na decolagem.
5 AERODINÂMICA
A seção apresentada a seguir visa justificar, através de embasamento teórico e das técnicas de
construção dominadas pela equipe, as escolhas aerodinâmicas efetuadas para o Albatroz 2010.
5.1 Otimização do Perfil
Um dos principais objetivos de um projeto aerodinâmico é melhorar a eficiência da aeronave
projetada, principalmente a razão entre a sustentação e o arrasto. Com este intuito a equipe Albatroz
buscou não utilizar um perfil comumente adotado pelas outras equipes durante a competição, mas
sim, buscar a otimização de um perfil, aumentando assim o desempenho da aeronave.
Para tal, a equipe desenvolveu um código de programação no software Scilab e contou com o
auxílio do Xfoil para realização das análises dos perfis, a cada vez que a geometria era atualizada.
Segundo [2], é possível realizar a parametrização geométrica de um perfil dependendo da
função matemática que é escolhida para representar o mesmo, não sendo todas as funções que servem
para todos os perfis. Ele divide a classificação em três categorias: função polinomial, função senoidal
utilizados para gerar a geometria e outros métodos.
A equipe Albatroz buscou implementar alguns métodos conhecidos para parametrização de
perfis. Os principais métodos utilizados foram Bezier, Parsec e B-spline, entretanto as tentativas não
tiveram muito sucesso. Aprofundando-se um pouco mais na teoria, descobriu-se que era necessário
considerar vários fatores na escolha do método de parametrização. E encontramos um ponto crítico,
ou busca-se utilizar uma parametrização que consiga gerar um maior número de perfis ou escolhe-se
um método que consiga representar com maior fidelidade o perfil.
Como a idéia da equipe era apenas otimizar o perfil Selig 1223 que era um perfil conhecido
da equipe e muito utilizado na competição e visto o fracasso com os outros métodos, a
parametrização baseou-se em um método geométrico. No qual, as coordenadas x e y dos pontos de
controle eram informadas e o programa realizava uma aproximação polinomial de sexto grau para a
superfície superior e a inferior do perfil, tendo como resultado uma melhor fidelidade do perfil. A
figura 1 representa o perfil real e a parametrização realizada inicialmente para o Selig 1223.
Figura 1 - Comparação entre o perfil real e o perfil parametrizado.
Foram escolhidos pontos de controle espaçados igualmente entre si, tanto na superfície
superior, quanto na superfície inferior. Os pontos de controle e os seus valores mínimos e máximos,
conhecidos como restrições laterais, estão apresentados na tabela 1.
O bordo de ataque era atualizado segundo o novo ponto de controle mais próximo do bordo
de ataque, relacionando a sua variação em relação ao perfil Selig 1223, com o ponto do bordo de
ataque também em relação ao perfil. Ou seja, uma regra de três simples (equação 1).
(Eq 1)
Como comentado anteriormente, os valores de CL e CD eram encontrados com auxílio do
código de análise de escoamento Xfoil. Durante a análise no software os valores destes coeficientes
eram encontrados para os ângulos de inclinação de 0o e 10º. Visto que com isto é possível analisar a
inclinação da curva CL x CD do perfil e não ocorria o risco do perfil ser apenas otimizado para certo
ângulo de inclinação, o que poderia causar uma diminuição do ângulo de estol ou até do coeficiente
de sustentação máxima do perfil.
Para otimização do perfil foi escolhido método dos algoritmos genéticos devido a sua
robustez em encontrar a localização do ótimo global. Deste modo, permitindo com maior facilidade a
verificação dos melhores perfis encontrados e cabendo a equipe decidir qual a melhor opção, através
da análise da curva de Pareto.
Tabela 1 - Pontos de Controle
Valores
mínimos de x Valores de x
Valores
Máximos de x
Valores
mínimos de y Valores de y
Valores
Máximos de y
0,9007 0,9098 0,9188 0,0357 0,0476 0,0595
0,7994 0,8075 0,8155 0,0514 0,0686 0,0857
0,7033 0,7104 0,7176 0,0726 0,0968 0,1210
0,5958 0,6018 0,6078 0,0760 0,1013 0,1267
0,4864 0,4914 0,4963 0,0839 0,1119 0,1399
0,4132 0,4174 0,4216 0,0935 0,1246 0,1558
0,3132 0,3164 0,3195 0,0955 0,1273 0,1591
0,1971 0,1991 0,2011 0,0877 0,1169 0,1462
0,1040 0,1051 0,1061 0,0706 0,0941 0,1176
0,0517 0,0522 0,0528 0,0503 0,0671 0,0839
0,0049 0,0050 0,0050 0,0162 0,0215 0,0269
0,0015 0,0016 0,0016 0,0081 0,0108 0,0135
0,0005 0,0005 0,0005 0,0013 0,0018 0,0022
0,0004 0,0004 0,0004 -0,0042 -0,0056 -0,0070
0,0026 0,0026 0,0027 -0,0084 -0,0112 -0,0140
0,0078 0,0079 0,0080 -0,0107 -0,0143 -0,0178
0,0170 0,0172 0,0173 -0,0125 -0,0166 -0,0208
0,0297 0,0300 0,0303 -0,0116 -0,0155 -0,0194
0,0650 0,0657 0,0664 -0,0096 -0,0128 -0,0160
0,1111 0,1123 0,1134 -0,0072 -0,0095 -0,0119
0,2006 0,2027 0,2047 0,0043 0,0057 0,0071
0,3146 0,3178 0,3209 0,0203 0,0271 0,0339
0,4007 0,4047 0,4088 0,0309 0,0412 0,0515
0,4950 0,5000 0,5050 0,0364 0,0486 0,0607
0,5871 0,5930 0,5989 0,0472 0,0630 0,0787
0,6826 0,6895 0,6964 0,0465 0,0619 0,0774
0,8124 0,8207 0,8289 0,0354 0,0472 0,0589
0,9111 0,9203 0,9295 0,0237 0,0317 0,0396
Para melhor escolha da solução otimizada é muito importante estar atento para função
objetiva escolhida e também para as restrições. A função objetiva e as restrições para o problema
implementado estão apresentadas na tabela 2.
Tabela 2 - Função Objetiva e Restrições para Otimização.
Aterragem com cauda baixa Força lateral (eixo y)[N] 13,36
Força vertical [N] 120,66 Ângulo máximo adotado
para pouso[°] 30
Força horizontal [N] 0
Figura 34 - Simulação do Trem de Pouso
Tabela 13 - Tensão e Deformação no Trem de Pouso Principal
Tensão máxima [MPa] 266,11
Deslocamento máximo [mm] 0,6089
Para verificação da funcionalidade efetuou-se o teste do trem de pouso principal de maneira
a reproduzir as velocidades, horizontal e vertical, na hora do pouso para a condição crítica encontrada
de pouso em uma só roda. O esquema para o teste é demonstrado na figura 35 e a altura de ensaio foi
H=0,82m. Foram efetuados 10 testes, e o trem de pouso resistiu permanecendo intacto, levando a
conclusão de que ele resistiria a uma elevada quantidade de pousos.
Figura 35 - Teste do Trem de Pouso Principal.
8.6 Bequilha
O dimensionamento da bequilha foi efetuado considerando-se a condição de pouso nivelado.
Os esforços calculados para essa situação, segundo [18] e [15], estão demonstrados na tabela 14.
Tabela 14 - Esforços Atuantes na Bequilha
Força vertical [N] 95,09
Força horizontal [N] 23,77
Como ponto de partida do projeto definiu-se o uso de uma mola de torção devido a alta
absorção de impacto e a facilidade de fixação. O material utilizado foi aço ASTM A 227 e as
propriedades estão na tabela 15. Efetuou-se o dimensionamento através do método proposto em [19]
obtendo-se um diâmetro de arame d = 4 mm.
Tabela 15 - Propriedades do Aço ASTM A 227 Utilizado na Bequilha.
Material Limite de resistência
a tração [Mpa]
Módulo de
elasticidade [Gpa]
Densidade
[kg/m³]
AÇO ASTM A 227 1050 210 8050
Posteriormente similou-se a bequilha.. A simulação é exibida na figura 36 e a tensão e
deslocamento máximos são demonstrados na tabela 16. Após a construção a bequilha foi testada
estaticamente e resistiu aos esforços calculados.
Figura 36 - Simulação da Bequilha
Tabela 16 - Tensão e Deformação na Bequilha.
Tensão máxima [MPa] 718,76
Deslocamento máximo [mm] 29,872
8.7 Rodas e Pneus
As rodas foram usinadas em alumínio liga 2011, as propriedades são demonstradas na tabela
17. Os pneus utilizados são de espuma para aumentar a absorção de impactos, principalmente no
momento do pouso. A roda foi simulada com os esforços máximos encontrados no projeto e é
demonstrada na figura 37, a tensão máxima encontrada é 3,39[MPa]. Os deslocamentos são
desprezíveis por isso não são evidenciados.
Tabela 17 - Propriedades da Liga de Alumínio 2011.
Material Limite de resistência
a tração [MPa]
Módulo de
elasticidade [GPa]
Densidade
[kg/m³]
Liga de alumínio 2011 169 72,5 2820
Figura 37 - Simulação da Roda
9 ESTIMATIVA DE PESO Para determinar o peso final do avião foram utilizados os volumes determinados pela
modelagem, multiplicando-os pelas densidades dos materiais usados. O peso de elementos como
motor e servos foram retirados do Manual do Fabricante e pesados para garantir a especificação:
Tabela 18 - Estimativa de Peso
PARTE MATERIAL DENSIDADE
[kg/m³]
VOLUME
[m³]
PESO
[g]
Longarina (2x)
Dyvinicel 100 0,0010240 204,0
Composto Fibra +
Resina 1820 0,0000262 94,0
Tubo de cauda Composto Fibra +
Resina Dados do Fabricante 85,1
Leme Chapa de balsa 140 0,0002171 30,4
Perfil de balsa 140 0,0006593 92,3
Profundor Chapa de balsa 140 0,0004700 65,8
Perfil de balsa 140 0,0008121 113,7
Fuselagem Aluminio 2820 0,0001004 283,1
Trem de Pouso Principal
Composto Fibra +
Resina 1820 0,0000520 94,7
Chapa de balsa 140 0,0004371 61,2
Bequilha Suporte de Plastico Dados do Fabricante 17,2
Aço Mola 8050 0,0000121 97,3
Roda
Cubo de Alumínio 2820 0,0000120 33,8
Espuma Dados do Fabricante 25,6
Eixo (3x) 8050 0,0000050 40,5
Rolamento (4x) Dados do Fabricante 15,6
Asa
Perfis de balsa 140 0,0035507 435,0
Varetas de
Compensado 520 0,0009856 453,0
Chapas de balsa 140 0,0021857 306
Motor - Dados do Fabricante 687,6
Suporte do Motor - Dados do Fabricante 112,3
Hélice - Dados do Fabricante 29,4
Servos+extensões+fixação (6x) - Dados do Fabricante 192
Volt-Watch - Dados do Fabricante 4,5
Receptor - Dados do Fabricante 41,3
Tanque - Dados do Fabricante 53,2
Parafuso+Porca M8 (4x) - Dados do Fabricante 122,8
Parafuso+Porca M4 (13x) - Dados do Fabricante 59,8
Parafuso+Porca M3 (8x) - Dados do Fabricante 28
PESO TOTAL VAZIO DO AVIÃO: 3852,8
10 PROJETO ELÉTRICO 10.1 Diagrama elétrico de ligação entre servos, bateria e receptor O diagrama de ligação elétrica utilizado na aeronave, esta representado na figura 38
mostrando a ligação entre os servos, a bateria e o receptor e indicando o comprimento das extensões utilizadas.
Figura 38 - Diagrama de Ligação elétrica
Figura 39 - Foto da instalação do receptor, bateria e voltwatch na fuselagem.
Figura 40 - Foto do Posicionamento do servo na Asa e Antena no Leme
O Posicionamento da antena, fixada no leme garante a não interferência eletromagnética. 10.2 Dimensionamento do fio Cada servo utiliza fios com comprimentos relatados na figura 38. Os servos utilizados são do
tipo indutivo, para se obter a resistência dos mesmos, utilizou-se um multímetro, confirmando que a resistência dos servos seria desprezível se comparada a resistência dos fios. Calculou-se portanto a resistência equivalente dos fios a partir dos valores conhecidos de voltagem e corrente da bateria utilizada. Através da associação de resistores em paralelo obteve-se a resistência por metro dos mesmos Req=0,0627ohm/m.
Optou-se com o auxilio da tabela apresentada na figura 41 [10] pelo uso do fio AWG22, um pouco maior para garantir o funcionamento.
Figura 41 - Seleção de fios AWG.
11 REFERÊNCIAS BILBIOGRÁFICAS
[1] DA ROSA, E., “Introdução ao Projeto Aeronáutico: Uma contribuição á Competição SAE
Brasil Aerodesign.” UFSC, Florianópolis, 2005.
[2] PEHLIVANOGLU, M., Representation method effects on vibrational genetic algorithm in
2D airfoil design, 2009.
[3] PULLIN, D., “Apostila de Aerodinâmica do Avião”, UFMG, Belo Horizonte, 1976.