DIMENSIONAMENTO DOS PARÂMETROS DE ESTABILIDADE E CONTROLE
PARA VEÍCULO AÉREO NÃO TRIPULADO
RAPHAEL FORGEARINI PINHEIRO ([email protected]) / Engenharia Mecânica/UFSM, Santa Maria
- RS
LUCAS RIZZARDI SALDANHA ([email protected]) / Engenharia Mecânica/UFSM, Santa Maria - RS
LUIS MICHIELIN ([email protected]) / Engenharia Mecânica/UFSM, Santa Maria - RS
ISAÍAS MORTARI ([email protected]) / Engenharia Mecânica/UFSM, Santa Maria - RS
UPIRAGIBE VINICIUS PINHEIRO ([email protected]) / Engenharia de Controle e Automação/UFSM,
Santa Maria - RS
ORIENTADOR: GILMAR FERNANDO VOGEL ([email protected]) / Colégio Técnico Industrial/UFSM,
Santa Maria - RS
Palavras-Chave:
VEÍCULO AÉREO NÃO TRIPULADO; ESTABILIDADE; CONTROLE; CENTRO DE GRAVIDADE.
Este trabalho apresenta o dimensionamento dos parâmetros de estabilidade e controle de um Veículo Aéreo
Não Tripulado (VANT) projetado pela Equipe Carancho Aerodesign, do Departamento de Engenharia
Mecânica da Universidade Federal de Santa Maria (UFSM). A configuração de projeto dessa aeronave deve
ser capaz de atender a requisitos como confiabilidade e desempenho definidos pelo regulamento da
competição nacional de aerodesign da SAE Brasil.
Na sede da equipe, localizada junto ao Centro de Tecnologia (CT) da UFSM, são realizados as simulações e
testes para definir os parâmetros do projeto de estabilidade e controle dessa aeronave. Feito isso, são
coletados dados para o dimensionamento dos parâmetros, através da análise iterativa, utilizando algoritmo
estruturado aplicado no software de engenharia Mathacd® e é baseada em valores de peso e posição do
centro de gravidade de cada peça entre outras variáveis de projeto, estimados pela equipe através de
modelagem 3D e teste em protótipos. Após a definição dos parâmetros, construi-se um protótipo, com o
mesmo material da aeronave a ser fabricada e foram realizados sucessivos voos, de modo a testar a
confiabilidade dos parâmetros de estabilidade e controle do projeto, se alguma alteração nesse parâmetros
seja necessária, reinicia-se o processo iterativo no algoritmo, com tais alterações, e novos testes são
realziados, até obter-se uma aeronave com configurações de projeto estáveis.
O diagrama V-n é utilizado para, definir os limites de vôo, apresentando os fatores de carga para as
velocidades dentro do envelope de vôo. O fator de carga máximo foi arbitrado sendo igual a 2. Para a
construção desse diagrama, as velocidades estruturais, tais como velocidade de cruzeiro, de mergulho, de
estol e de manobra de devem ser definidas (ISCOLD,2001). Além das condições normais de vôo, devem ser
consideradas as situações de vôo com rajada. As rajadas aumentam a sustentação da asa e o fator de
carga. Da mesma forma, de modo que a aeronave venha a possuir os índices de desempenho desejáveis,
esta deve ser capaz de manter vôo nivelado em diferentes velocidades do seu envelope de vôo, logo a
análise de trim, segundo metodologia prosposta por Raymer (1992), sobre os dados da configuração final,
demonstrou graficamente que os coeficientes de sustentação da asa e do estabilizador horizontal são tais,
que o coeficiente de sustentação total da aeronave é suficientemente grande para que o vôo nivelado com
carga máxima seja possível e que o coeficiente de momento em torno do cg seja igual a zero.
Segundo Raymer (1992) e Roskam (1991) para a aeronave apresentar estabilidade longitudinal alterações
no ângulo de ataque devem fazer com que a configuração seja capaz de produzir momentos contrários a tal
alteração. Para tanto, a posição do centro de gravidade (cg) deve ser anterior à posição do ponto neutro, ou
seja, a aeronave deve possuir uma margem estática positiva. Para Raymer (1992) quanto maior for à
margem estática menos controlável longitudinalmente a aeronave será, pois para que alterações no ângulo
de ataque sejam realizadas maiores forças devem ser exercidas pelo estabilizador horizontal. Devido a esta
íntima relação entre a estabilidade e o controle da aeronave optou-se por usar um sistema iterativo de
dimensionamento do estabilizador horizontal. Este sistema é baseado em um dimensionamento inicial do
estabilizador utilizando o método dos coeficientes de volume apresentado na obra de Raymer (1992).
Os valores iniciais são estimados para a distância entre a asa e o estabilizador e para o coeficiente de
volume e em seguida são determinados a área de estabilizador e a posição do ponto neutro. Unindo estes
dados a uma margem estática desejada é possível saber a posição do centro de gravidade da aeronave.
Como o regulamento impõe que a posição longitudinal do centro de gravidade da aeronave coincida com a
posição longitudinal do centro geométrico do compartimento de carga e com a posição exigida pela margem
estática, deve-se definir que o motor faça às vezes de lastro.
Utiliza-se uma faixa de valores para a margem estática entre 0,05 e 0,1 (RAYMER, 1992). Os valores do
coeficiente de volume (entre 0,2 a 0,6) e da distância entre o centro aerodinâmico da asa e o do estabilizador
horizontal são baseados em aeronaves similares. Já a distância entre os centros aerodinâmicos da asa e do
estabilizador a é baseada em valores utilizados pela equipe em competições anteriores, logo esse valor
inicialmente é igual a um terço da envergadura da asa variando crescentemente até o limite dimensional
imposto pelo regulamento. Se os valores máximos forem ultrapassados iteração reinicia, com uma massa
menor associada à configuração e os testes são novamente realizados, repetindo-se o processo até que a
massa seja menor que 9 kg. Destarte, é possível afirmar que as configurações avaliadas pela equipe são
estáveis e apresentam as características de estabilidade e controle longitudinal necessárias.
REFERÊNCIAS:
ROSA, Edilson; Introdução ao Projeto Aeronáutico; Florianópolis; Editora UFSC; 2006.
ISCOLD, Paulo Henrique; Introdução às Cargas nas Aeronaves; Belo Horizonte; Editora UFMG; 2001.
RAYMER, Daniel P. ; Aircraft design: A conceptual approach; Washington, D. C.; AIAA; 1992.
ROSKAM, Jam; Airplane Design Part VII: Determination of Stability, Control and Performance Caractheristics:
FAR and Military Requirements; Ottawa, Kansas; University of Kansas; 1991.