projeto de construção de um aeromodelo como auxílio nos estudos de

8/18/2019 Projeto de Construção de Um Aeromodelo Como Auxílio Nos Estudos De

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PROJETO DE CONSTRUÇÃO DE UM AEROMODELO COMO AUXÍLIO NOS ESTUDOS DEENGENHARIAS

Vinicius Souza Morais1 , Altamir Olivo Júnior

2 , Jorge Sakamoto Filho

3 , Roni Aparecido Amaral

4

1 UCDB – Universidade Católica Dom Bosco, Campo Grande / MS, Brasil, [email protected] UCDB – Universidade Católica Dom Bosco, Campo Grande / MS, Brasil, [email protected] UCDB – Universidade Católica Dom Bosco, Campo Grande / MS, Brasil, [email protected]

4 UCDB – Universidade Católica Dom Bosco, Campo Grande / MS, Brasil, [email protected]

Resumo: O Projeto ora apresentado visa a construção deuma aeronave cargueira rádio controlada que apresente umcompartimento de carga de dimensões específicas. Alémdisso, a aeronave ainda deve ser capaz de alçar vôo portando

a maior carga útil possível utilizando motor e combustíveis padronizados. Para tanto a metodologia utilizada para o projeto deverá possuir uma base sólida, bem como suasconsiderações, testes, cálculos e resultados obtidos. Assim, o

projeto provavelmente será dividido em quatro grandesáreas, entrelaçadas entre si: aerodinâmica; controle eestabilidade; desempenho; e estrutura, que serão

posteriormente analisadas individualmente em pormenores.Um projeto como esse propõe, entre outros, odesenvolvimento de novas propostas visando sempre àmelhoria e otimização de uma aeronave.

Palavras-Chave: Aeromodelo, Aplicações de Engenharia.

1. INTRODUÇÃO E PROPÓSITO

Com o desenvolvimento deste projeto a equipe buscaráaprimorar a qualidade das análises desenvolvidas a partir deobjetivos e necessidades previamente estabelecidas,

buscando o contínuo primor de ferramentas computacionaise técnicas construtivas desenvolvidas pela mesma. Deseja-setambém a otimização na correta seleção dos materiais para aconstrução, trazendo com isso a capacitação dos integrantesde acordo com um conjunto de regras, que em muito seassemelham ao que será encontrado pelos mesmos durantesua vida profissional no exercício da engenharia.

O objetivo principal é projetar, documentar e construir

um aeromodelo rádio controlado, apresentando dimensõesque a torne capaz de ser inserida em certo volumeutilizando-se de motor e combustível padronizados capaz deexecutar vôos padrão, o qual consiste em decolar em umadistância estabelecida, voar durante um tempo determinadosuportando uma carga estabelecida e pousar dentro doslimites laterais de uma pista.

Como objetivo secundário, deseja-se com esse projetocriar uma equipe multidisciplinar de competiçõesAeroDesign promovido pela SAE Brasil.

A partir do projeto e construção do aeromodelo rádiocontrolado com base na competição SAE AeroDesign,deseja-se viabilizar o projeto e construção da aeronave. Emse tratando do projeto do avião, uma análise criteriosa

deverá ser obedecida no intuito de buscar a melhorconfiguração possível para executar sua construção. Comrelação à construção propriamente dita, será dada prioridadeà seleção adequada dos materiais com melhor custo

benefício.Deseja-se estudar sob o ponto de vista da Engenharia

mecânica, a resistência dos materiais utilizados, bem comouma análise do conjunto montado. Uma análise relacionadaà mecânica dos fluidos deverá ser executada no intuito deobservar o escoamento ao redor do aeromodelo criado paracompetições.

2. LITERATURA

Os fluidos respeitam a conservação de massa, quantidadede movimento ou momentum linear e momentum angular,de energia, e de entropia. A conservação de quantidade demovimento é expressa pelas equações de Navier Stokes.Estas equações são deduzidas a partir de um balanço deforças/quantidade de movimento a um volume infinitesimalde fluido, também denominado de elemento representativode volume.

Atualmente, o estudo, análise e compreensão dafenomenologia da maior parte dos problemas em dinâmicade fluidos e em transferência de calor, como macro-áreasque compõem a dinâmica de fluidos, são desenvolvidasatravés da Modelagem Computacional.

Hoje em dia os modernos aviões usam um artifício para

driblar a formação de vórtices nas pontas das asas, como owinglet, um pequeno leme na extremidade da asa,

permitindo que pelo menos um metro e meio de asa sejaaproveitada na sustentação da aeronave, que é perdida paraos vórtices que se formam na sua ausência.

O vórtice ocorre quando o ar mais denso que flui abaixoda asa escapa para a parte superior menos densa,

prejudicando sua sustentação naquela ponta de asa. Vórticesno sentido horário surgem na ponta da asa esquerda, anti-horário na asa direita.

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http://dx.doi.org/10.5540/DINCON.2011.


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PROJETO DE CONSTRUÇÃO DE UM AEROMODELO COMO AUXÍLIO NOS ESTUDOS DE ENGENHARIASVinicius Souza Morais, Altamir Olivo Júnior, Jorge Sakamoto Filho, Roni Aparecido Amaral

Experiências recentes dão conta de que uma superfícieirregular da fuselagem, tipo "bola de golfe", com aquelessulcos em concha, tem mais fluidodinâmica do que a mesmasuperfície quando plana e polida. Este efeito se verifica comas asas das aves, onde a superfície apresenta um arrastomínimo, mesmo com a aparente irregularidade das penas.

A mecânica dos fluidos é a parte da física que estuda oefeito de forças em fluidos. Os fluidos em equilíbrio estático

são estudados pela hidrostática e os fluidos sujeitos a forçasexternas diferentes de zero são estudados pelahidrodinâmica.

2.1. As Forças da aerodinâmica da aviação

Existem quatro forças aerodinâmicas principais queagem em um avião quando o mesmo está em vôo, essasforças estão ilustradas na Figura 1 e descritas a seguir.

Fig. 1. Forças que agem em uma aeronave

2.1.1. Peso

O peso é uma força que é sempre dirigida para o centro

da terra: trata-se da força da gravidade. A magnitude destaforça depende de todas as partes do avião, mais a quantidadede combustível, mais toda a carga (pessoas, bagagens, etc.).O peso é gerado por todo o avião. Mas nós podemossimplesmente imaginá-la como se atuasse num único ponto,chamado centro de gravidade.

Em vôo, o avião gira sobre o centro de gravidade, e osentido da força do peso dirige-se sempre para o centro daterra. Durante um vôo, o peso do avião mudaconstantemente à medida que o avião consome combustível.A distribuição do peso e do centro de gravidade podetambém mudar, e por isso o piloto deve constantementeajustar os controles, ou transferir o combustível entre osdepósitos, para manter o avião equilibrado.

2.1.2. Sustentação

Para fazer um avião voar, deve ser gerado uma força para compensar o peso. Esta força é chamada sustentação eé gerada pelo movimento do avião através do ar. Asustentação é uma força aerodinâmica ("aero" significa ar, e" dinâmica" significa movimento). A sustentação é

perpendicular (em ângulo reto) à direção do escoamentoincidente (vento).

O escoamento incidente e o sentido/direção do vôo nãosão necessariamente os mesmos, sobretudo em manobras.Tal como acontece com o peso, cada parte do aviãocontribui para uma única força de sustentação, mas a maior

parte da sustentação do avião é gerada pelas asas.A sustentação do avião funciona como se atuasse num

único ponto, chamado centro de pressão. O centro de pressão é definido tal como o centro de gravidade, mas

usando a distribuição da pressão em torno de toda aaeronave, em lugar da distribuição do peso.No centro de

pressão atuam somente forças. Além do centro de pressão,outro ponto no aerofólio é de grande importância no projetode uma aeronave: o centro aerodinâmico.

Neste, além das forças, surge um momento chamadoMomento de Arfagem. O coeficiente de momento dearfagem não varia quando variamos o ângulo de ataque. Ocoeficiente de momento é um coeficiente adimensional quequalifica e quantifica se, para certo aerofólio, há ummomento picante ou cabrante sobre o engaste da asa. Estemomento é fundamental, por exemplo, na determinação dascargas aerodinâmicas para definição da estrutura e para o

projeto de sistemas de controle, como o profundor.

2.1.3. Arrasto

À medida que o avião se move através do ar, há umaoutra força aerodinâmica presente. O ar resiste aomovimento do avião, e esta força de resistência édenominada arrasto (ou atrito). Tal como a sustentação, hámuitos fatores que afetam a magnitude da força de arrasto,como a forma do avião, a viscosidade do ar e a velocidade.E tal como acontece com a sustentação, consideram-seusualmente todos os componentes individuais como seestivessem agregados num único valor de arrasto de todo oavião. O sentido da força de arrasto é sempre oposto aosentido do vôo, e o arrasto atua através do centro de pressão.

Quando um avião aumenta o ângulo de ataque, aumentatambém a sustentação; mas há uma geração de gradientes de

pressão adversos. À partir de um certo ângulo de ataque,estes gradientes de pressão adversos resultam nodescolamento da camada limite, cuja geração de vórtices devon Kárman caracteriza o fenômeno conhecido como estol.

No estol, perde-se sustentação, e o arrasto aumentasignificantemente. É por este fato que, na fase de decolagemde um aeromodelo, não se deve fazê-lo subir em ângulomuito acentuado.

2.1.4. Empuxo

Para superar o arrasto, a maioria de aviões tem algumtipo de propulsão para gerar uma força chamada empuxo. Aintensidade da força de empuxo depende de muitos fatoresassociados com o sistema de propulsão: O tipo de motor; Onúmero de motores; O ajuste da aceleração; A hélice.

O sentido da força de empuxo depende de como osmotores estão colocados no avião. Em alguns aviões (talcomo o Harrier) o sentido do impulso pode ser orientado

para ajudar o avião a descolar numa distância muito curta.Os motores mais conhecidos são os motores de explosão

(Ciclo Otto) e os motores a jato (Ciclo Brayton). Mas

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também se utilizam motores elétricos e motores de foguete.Os motores elétricos e de explosão atuam usualmente porintermédio de hélices. Os motores a jacto e de foguete atuam

pela força da reação.Um planador é um tipo especial de avião que não tem

nenhum motor. Alguma fonte externa da potência tem queser aplicada para iniciar o movimento. Os aviões de papelsão um exemplo óbvio, mas há muitos outros tipos de

planadores. Alguns planadores são pilotados e rebocados para o alto por outro avião, e a seguir são deixados livres para deslizar em distâncias longas antes de aterrar. Uma vezno alto, a energia cinética é responsável pelo impulso, masela para se manter gasta energia potencial.

No entanto os planadores recorrem também a outra fontede energia disponibilizada pela natureza: as correntes de ar

ascendente que fazem o planador ou avião ganhar energia potencial sem perda de energia cinética e assim se manteremmais tempo no ar sem uso de motores.

A Figura 2 mostra um perfil de forças que agem na asade um avião.

Fig. 2. Forças que agem na asa de uma aeronave

3. METODOLOGIA

Definir a configuração da aeronave faz com que amesma seja capaz de cumprir os requisitos especificados.

Para criação do grupo de pesquisa e inserção do mesmoem competições, há a necessidade de muito investimentoinicial, assim; buscar-se-á na fase inicial deste projeto aredução da aeronave à sua essência, da qual serãoidentificados os fatores primários que influenciam ascaracterísticas desejadas para a obtenção de uma aeronavecompetitiva: escolha do aerofólio, concepção da asa,concepção da empenagem vertical e horizontal e concepçãoda fuselagem além da aerodinâmica, estrutura, etc., a saber:

3.1. Estabilidade

Deve-se analisar a estabilidade da empenagem, de modoque esta apresente eficiência. Isto porque a empenagem é

projetada para que o aeromodelo retorne a sua condição deequilíbrio. Este equilíbrio, no qual se encontra o aeromodelodurante o vôo, pode ser perturbado por rajadas e ventos,fazendo com que a empenagem atue, estabilizando oaeromodelo e facilitando sua pilotagem quando sujeito aesses fenômenos.

Para que o avião seja estável, é preciso que ele apresenteuma margem estática positiva entre 5% e 10%, com o seu

ponto neutro localizado pouco atrás do centro de massa doavião, segundo Raymer (1999). Assim, para o cálculo damargem estática deste avião deve-se primeiramentedeterminar o seu ponto neutro, desprezando-se os efeitos do

motor de modo a garantir a estabilidade da aeronave emcaso de uma falha do mesmo.

3.2. Controle

A aeronave deve apresentar um bom controle dedecolagem e controle em manobra, além de não serexcessivamente estável, o que prejudicaria suas qualidadesem manobra. Quanto ao controle de decolagem deve-secalcular a localização do trem de pouso com relação aocentro de gravidade da aeronave de forma a possibilitar queo profundor tenha força suficiente para rotacionar aaeronave durante sua decolagem.

Já para o controle em manobra usando um fator de carga

constante, observa se pela experiência que o profundor temforça suficiente para manter o ângulo de incidência daaeronave constante, gerando um controle de manobraaceitável.

3.3. Desempenho

O desempenho da aeronave consiste na decolagemdentro de uma certa distância com a carga necessária econseguir fazer o vôo e pousar. Assim, o desempenho é oreflexo da concepção da aeronave, do conjunto moto-

propulsor, como também da parte aerodinâmica.O desempenho de uma aeronave é obtido a partir das

características aerodinâmicas com o objetivo de estimar

parâmetros para analisar com maior precisão a operação do projeto. Assim uma vez determinadas as característicasaerodinâmicas da aeronave, é possível a obtenção de alguns

parâmetros de desempenho da mesma, que são de grandeimportância para a especificação da operação adequada daaeronave.

Os dados provavelmente serão analisados de forma a seobter a maior carga útil levada pela aeronave semcomprometer outras características importantes das fases devôo do avião. Provavelmente os requisitos serão ponderadoscom base na regulamentação FAR 23.

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PROJETO DE CONSTRUÇÃO DE UM AEROMODELO COMO AUXÍLIO NOS ESTUDOS DE ENGENHARIASVinicius Souza Morais, Altamir Olivo Júnior, Jorge Sakamoto Filho, Roni Aparecido Amaral

3.4. Configuração da Aeronave

A partir da nova equipe a ser criada, para configuração básica da aeronave, será criado um monoplano, com a asalogo acima da fuselagem e com tubo de cauda comempenagem vertical convencional.

3.5. Distribuição de sustentação

A forma como a força de sustentação é distribuída sobreuma asa finita é uma das questões mais importantes para ocálculo de esforços sobre este componente. Esta distribuiçãodefinirá a silhueta das distribuições de esforços, bem como omomento fletor e o momento torçor.

O problema de resolver a forma desta distribuição foisolucionado por Ludwig Prandtl no início do século XX.Utilizar-se-á aqui o Método de Stender, o qual se baseia nahipótese de que a distribuição de cargas ao longo daenvergadura é proporcional às áreas de uma asa imaginária.Esta asa tem cordas que são média geométrica das cordasreais de uma asa elíptica de mesma área e envergadura.

3.6. Projeto Aerodinâmico

Com o desfecho da etapa conceitual do projeto, o setorde Aerodinâmica deverá ter em mãos as dimensões da asa eda empenagem horizontal (as geometrias deverão já estardefinidas anteriormente). O ponto crucial da análiseaerodinâmica é acertar o coeficiente de sustentação máximoda aeronave. No entanto, através de análises prévias eobservações anteriores, sabe-se que o uso do auxílio de umdispositivo hipersustentador pode ajudar a chegar ao valorideal. Se for o caso, o uso split-flap deverá ser usado pelasua simplicidade na construção e respectivo benefício.

3.7. Concepção da Asa

A asa de uma aeronave tem como função primária ageração de uma força que equilibra o peso da aeronave.Seguindo-se este raciocínio, a equipe deverá procurar umaconfiguração que minimize o arrasto total para uma dadasustentação e que atenda os requisitos estipuladosinicialmente.

3.8. Cargas na Fuselagem

O carregamento atuante na fuselagem provém das cargas produzidas pelas empenagens, motor, cargas de solo e ascargas de inércia do avião. O peso da carga útil será degrande importância para este tipo de fuselagem, pois estecontribuirá para suportar os esforços impostos pela asa. A

tração máxima do motor deverá ser analisada, assim como otorque limite. As cargas resultantes na fuselagem oriundasdas empenagens, do trem de pouso e da asa serãocalculadas.

3.9. Aeronave completa

Para a aeronave completa agregou-se a contribuição detodas as partes, iniciando-se pela obtenção dos coeficientesde sustentação e depois dos coeficientes de arrasto em

função dos ângulos de ataque, construindo-se assim as polares da aeronave.

Para o cálculo do coeficiente de sustentação da aeronave,o método descrito por Roskan deverá ser usado, somando-seas sustentações da asa com e sem dispositivo hiper-sustentador, do profundor e da fuselagem, e adotando-secomo referência a área alar.

No caso do coeficiente de arrasto, os coeficientes da asa

e das empenagens, junto com o arrasto da fuselagem, tremde pouso e motor deverão se determinados, pois são fatoresde extrema importância nesse tipo de aeromodelos.

Para o trem de pouso e motor, utilizar-se-á ametodologia de Nicolai (2002). Já para o arrasto dafuselagem, este deverá ser obtido a partir de Roskan,levando-se em conta o arrasto parasita e o induzido. Por fim,somam-se todos os arrastos e determina-se o coeficiente dearrasto da aeronave adotando-se como referência a área alar.

4. DISCUSSÃO E CONCLUSÃO

As áreas envolvidas no projeto não concentram apenas

na Engenharia Mecânica, também passa pelas EngenhariasMecatrônica, Computação e Engenharia Civil, além deMarketing e Publicidade / Propaganda, e é de interessecomum para toda comunidade científica. Maisespecificamente na construção, o enfoque principal é na áreade projetos, materiais e instrumentação (EngenhariaMecânica e Civil). Para a área de programação e controle daaeronave, dedicam-se a Engenharia Mecatrônica eComputação. Quando se trata na busca de patrocínio e ovisual da aeronave, os cursos de Marketing e Publicidade /Propaganda são requeridos.

O projeto deste protótipo foi visando uma praticidade eviabilidade, como já citado, de aplicabilidade na uniãoteoria-prática do ensino de engenharia em escolas de nívelsuperior no intuito de aplicar os conhecimentos obtidos emsala de aula os quais correspondem a aplicações de diversosmecanismos combinados de tal forma que definam ouresolvam determinados problemas aerodinâmicos.

AGRADECIMENTOS

À Comunidade UCDB em geral por disponibilizar o espaçoe viabilizar a construção do aeromodelo rádio-controlado

REFERÊNCIAS

[1]LI R OSKAM, J.(2000). Airplane design. Law- rence, DARcorporation.

[2]PUB MINISTÉRIO DA AERONÁUTICA, Departa-mento de Aviação Civil - Regulamento Bra- sileiro de Homologação Aeronáutica, RBHA 23.

[3]PUB NICOLAI, L. M. Estimating R/C Model Aerodyna- mics and Performance. Lockheed Martin AeronauticalCompany, 2002.

[4] RAYMER, Daniel P. Aircraft Design: A ConceptualApproach. 3. ed. Sylmar, Califórnia: AIAA EducationSeries, 1999.

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http://books.google.com.br/books?hl=pt-BR&lr=&id=ynN59AaNirkC&oi=fnd&pg=PR7&dq=%22Airplane+design%22&ots=N_lFYtrODT&sig=KrWyDrHxHK6U8XVe2u4Jmxykans#v=onepage&q=%22Airplane%20design%22&f=falsehttp://books.google.com.br/books?hl=pt-BR&lr=&id=ynN59AaNirkC&oi=fnd&pg=PR7&dq=%22Airplane+design%22&ots=N_lFYtrODT&sig=KrWyDrHxHK6U8XVe2u4Jmxykans#v=onepage&q=%22Airplane%20design%22&f=falsehttp://www2.anac.gov.br/biblioteca/rbac/RBAC%2023.pdfhttp://www2.anac.gov.br/biblioteca/rbac/RBAC%2023.pdfhttp://cot-linux.tech.uh.edu/~ratenio/aero_nicolai.doc.http://cot-linux.tech.uh.edu/~ratenio/aero_nicolai.doc.http://www2.anac.gov.br/biblioteca/rbac/RBAC%2023.pdfhttp://books.google.com.br/books?hl=pt-BR&lr=&id=ynN59AaNirkC&oi=fnd&pg=PR7&dq=%22Airplane+design%22&ots=N_lFYtrODT&sig=KrWyDrHxHK6U8XVe2u4Jmxykans#v=onepage&q=%22Airplane%20design%22&f=false

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