UAV-01 OLHARAPO (Parte VIII) SKUNKWORKS (Parte III)

PROJECTO DE AERONAVES II - 7826

2010/2011

UAV-01 OLHARAPO (Parte VIII)

SKUNKWORKS (Parte III)

ÍNDICE

5.1.1. Fuselagem ... Error! Bookmark not defined. 5.1.2. Cauda e Sistema Propulsivo... Error! Bookmark not defined. 5.1.3. Motor Eléctrico ... 7

5.2. Skunkworks... 7

5.2.1. Asa e Empenagens ... Error! Bookmark not defined. 5.2.2. Fuselagem ... 8 5.3. Tarefas Individuais... 8 5.4. Calendário de Trabalhos ... 9 5.5. Cooperação... 9 5.6. Relatório... 9 6. AVALIAÇÃO... 9 7. BIBLIOGRAFIA ... 10

1.

INTRODUÇÃO

Nos últimos anos, o Departamento de Ciências Aeroespaciais (DCA) da Universidade da Beira Interior (UBI) tem realizado variadas actividades no âmbito do desenvolvimento de aeronaves não tripuladas (UAVs), ao nível da concepção, construção e ensaio de plataformas e ao nível de sistemas. Assim, para dar continuidade aos trabalhos anteriormente realizados nesta área, vão ser feitos trabalhos de projecto, implementação e ensaio em dois UAVs.

No seguimento de trabalhos de projecto conceptual, trabalhos de projecto detalhado e ensaios realizados nos anos lectivos de 2000/2001 a 2009/2010 sobre o UAV Olharapo pretende-se continuar com o desenvolvimento da aeronave através de alterações estruturais, ensaio do sistema propulsivo e reconstrução e ensaio do seu motor eléctrico. No final deste trabalho o protótipo do Olharapo deve estar pronto a receber o equipamento do piloto automático e a realizar voos de ensaio.

Também, no seguimento de trabalhos de projecto e desenvolvimento do aeromodelo Skunkworks, que participou na competição Air Cargo Challenge 2007, e que decorreram nos anos lectivos de 2006/2007 a 2007/2008, e de posterior evolução para UAV em 2009/2010, pretende-se construir um trem de aterragem e proceder a ensaios gerais da estrutura e dos sistemas. No final deste trabalho o protótipo do Skunkworks deve estar pronto a receber o equipamento do piloto automático e a realizar voos de ensaio.

Esta descrição do projecto apresenta as tarefas necessárias realizar durante o semestre bem como o plano de trabalhos a cumprir. Este projecto requer dedicação e trabalho contínuo para que os prazos sejam cumpridos e para que os resultados sejam satisfatórios. É essencial que os alunos sejam autónomos e desenvolvam capacidade para a resolução de problemas. A função do docente é ensinar, orientar e aconselhar e nunca fazer o trabalho pelo aluno. É necessário dedicação para além das aulas para que os projectos sejam realizados convenientemente.

2.

OBJECTIVOS DA UNIDADE CURRICULAR

Ter conhecimentos sobre o processo de concepção e de projecto de uma aeronave. Obter conhecimentos sobre normas para projecto de aeronaves. Desenvolver capacidades de decisão e compromisso num projecto multidisciplinar de equipa complexo. Aplicar conhecimentos obtidos noutras cadeiras do curso de uma forma integrada. Realizar o projecto detalhado de conjuntos de componentes estruturais e/ou sistemas. Usar o computador como ferramenta de desenho e de cálculo. Construir, integrar e ensaiar componentes de aeronaves de acordo com o projecto.

3.

REQUISITOS

Os requisitos para este projecto são apresentados abaixo e durante o decorrer do projecto devem ser respeitados. Possíveis alterações nos requisitos serão discutidas e acordadas pelo docente e por todos os elementos envolvidos no projecto.

Estão a desenvolver-se no DCA, no âmbito de outras disciplinas, sistemas de controlo autónomo para UAVs. Deseja-se que o Olharapo tenha espaço suficiente dentro da sua fuselagem para poder transportar este e outros equipamentos. Actualmente, existem duas versões do Olharapo: uma com o motor eléctrico a transmitir a potência ao hélice que se encontra no meio da fuselage, através de uma engrenagem e outra com o hélice na cauda ligado ao motor através de um veio de transmissão. Pretende-se, para a primeira versão, implementar um sistema propulsivo que tenha acoplamento directo reduzindo, assim, o seu peso e aumentando o seu rendimento. Para isso, em 2005 foi projectado e construído um motor eléctrico específico para os requisitos do Olharapo. Após ensaios preliminares verificou-se algum sobreaquecimento e por isso é necessário reconstruí-lo para corrigir este problema e ensaiá-lo.

Pretende-se que o UAV Olharapo seja uma plataforma para testar novos conceitos de asa e, para tal, a fixação da asa à fuselagem está concebida para poder receber asas diferentes. No âmbito de trabalhos de desenvolvimento de conceitos adaptativos (morphing) que têm sido realizados nos últimos quatro anos também estão a ser desenvolvidas duas asas novas: uma telescópica e outra com flapes contínuos. Modelos destas asas serão implementados para ensaio de funcionamento e de desempenho.

O trabalho no Olharapo consiste nas seguintes tarefas: a) Sistemas

b) Motor eléctrico c) Asa telescópica

d) Asa com flap contínuo

3.2.

Esta aeronave desenvolvida em 2006/2007 para o Air Cargo Challenge, tendo uma configuração não convenvional, é uma boa plataforma para validação da robustez de sistemas autónomos de controlo de voo. Um segundo protótipo com estrutura melhorada foi construído em 2009/2010. Assim, pretende-se equipar a aeronave com os sistemas de aquisição de dados e de controlo, com o sistema eléctrico e com um trem de aterragem. Estes sistemas serão ensaiados no solo e em voo.

O trabalho no Skunkworks inclui as seguintes tarefas: a) Sistemas

b) Trem de aterragem

3.3.

Pretende-se equipar as duas aeronaves com um sistema de controlo autónomo que permita adquirir dados em voo e que os envie para uma estação de solo através de telemetria. O sistema a instalar vai ser um ArduPilot Mega (http://diydrones.com/profiles/blogs/ardupilot-mega-home-page) que deverá ser integrado, programado e testado nas duas aeronaves. Com este sistema instalado será possível realizar ensaios em voo que permitam caracterizar o desempenho das aeronaves.

O trabalho no piloto automático inclui a seguinte tarefa: a) Piloto automático

3.4.

As normas de projecto a utilizar, no que respeita ao dimensionamento da estrutura, serão as JAR-VLA. Todo o trabalho desenvolvido deve ter como objectivo principal a segurança.

4.

MASSAS

4.1.

Massa máxima na descolagem (protótipo) 6,0 kg

Massa vazio 3,4 kg

Carga máxima 2,6 kg

A tabela abaixo mostra as massas (kg) descriminadas dos componentes do avião.

Componente Massa % MTOM

Fuselagem 0,937 15,73 Asa direita 0,542 9,10 Asa esquerda 0,545 9,15 Empenagem direita 0,130 2,18 Empenagem esquerda 0,131 2,20 Empenagem vertical 0,000 0,00 Trem principal 0,215 3,61 Trem de nariz 0,055 0,92 Estrutura 2,555 42,89 Sistema propulsivo 0,515 8,65 Controlos de Voo 0,332 5,57 Sistemas e Equipamento 0,847 14,22 Massa vazio 3,402 57,11

Massa vazio operacional (OEM) 3,402 57,11

Carga 1,300 21,82

Baterias 1,255 21,07

Massa máxima à descolagem (MTOM) 5,957 100,00

4.2.

Massa máxima na descolagem (protótipo) 5,0 kg

Massa vazio 2,0 kg

Carga máxima 3,0 kg

A tabela abaixo mostra as massas (kg) descriminadas dos componentes do avião.

Componente Massa % MTOM

Asa direita 0,400 8,00 Asa esquerda 0,400 8,00 Empenagem direita 0,150 3,00 Empenagem esquerda 0,150 3,00 Trem principal 0,200 4,00 Trem auxiliar 0,050 1,00 Estrutura 1,750 35,00 Sistema propulsivo 0,150 3,00 Controlos de Voo 0,100 2,00 Sistemas e Equipamento 0,250 5,00 Massa vazio 2,000 40,00

Massa vazio operacional (OEM) 2,000 40,00

Carga 2,300 46,00

Baterias 0,700 14,00

Massa máxima à descolagem (MTOM) 5,000 100,00

5.

MOTORIZAÇÃO

5.1.

Tipo eléctrico “brushless outrunner” Flyware PowerREX 430-700

Potência 22.2V – 55A

Hélice bipá de passo fixo de dimensões a escolher de 12”x8”, 13”x6”

5.2.

Tipo eléctrico “brushless outrunner” AXI 2820/10 GOLD LINE

Potência 11.1V – 43A

Hélice bipá de passo fixo de 12”x6”

6.

TAREFAS

Existem várias tarefas neste projecto que devem ser realizadas segundo o calendário apresentado. Todas as tarefas têm uma componente de concepção e aplicação, embora em diferente proporção.

Cada aluno tem que realizar determinada quantidade de trabalho, como indicado em seguida. O projecto é um processo iterativo em que a perfeição não é possível nem necessária. Os trabalhos serão discutidos em reuniões de projecto regulares onde o progresso será verificado e as tarefas a realizar serão definadas. Os trabalhos de Projecto de Aeronaves I, Projecto de Aeronaves II, Projecto I e Projecto II dos anos lectivos anteriores devem ser consultados.

6.1.

6.1.1. Sistemas

2) Identificação dos requisitos do sistema de vídeo em tempo real

3) Integração de um sistema de visualização em tempo real num computador portátil 4) Montagem do sistema de vídeo no Olharapo

5) Teste do sistema de vídeo no solo

6) Instalação dos sistemas de aquisição, comando e comunicação no Olharapo 7) Ensaios e verificações no solo

8) Ensaios em voo 9) Desenhos 10) Relatório

6.1.2. Motor Eléctrico

1) Verificação do projecto do motor 2) Projecto das alterações do motor 3) Fabricação do motor

4) Instalação do motor na aeronave e ensaio 5) Pesagem e comparação com os requisitos 6) Desenhos

7) Relatório

6.1.3. Asa Telescópica

1) Preparação da aeronave para receber a asa 2) Elementos de comando e de alimentação 3) Pesagem e comparação com os requisitos 4) Montagem na aeronave

5) Ensaios no solo 6) Desenhos 7) Relatório

6.1.4. Asa com Flap Contínuo

1) Concepção da asa (desenhos e dimensionamento) 2) Fabricação da asa

3) Preparação da aeronave para receber a asa 4) Elementos de comando

5) Ensaio dos novos componentes

6) Pesagem e comparação com os requisitos 7) Montagem da aeronave

8) Desenhos 9) Relatório

6.2.

6.2.1. Sistemas

1) Pesagem dos componentes da aeronave e determinação do centro de gravidade 2) Projecto de uma sonda de ângulo de ataque e de ângulo de guinada

3) Fabricação da sonda

4) Instalação da sonda no Skunworks

5) Ensaio e calibração da sonda em túnel de vento

6) Instalação dos sistemas de aquisição, comando e comunicação no Skunworks 7) Ensaios e verificações no solo

8) Ensaios em voo 9) Desenhos 10) Relatório

6.2.2. Trem de Aterragem

1) Verificação dos requisitos do trem

2) Concepção do trem (desenhos e dimensionamento) 3) Fabricação do trem principal e do trem do nariz 4) Instalação do trem na fuselagem

5) Elementos de comando

6) Ensaio dos novos componentes

7) Pesagem e comparação com os requisitos 8) Desenhos

9) Relatório

6.3.

6.3.1. Piloto Automático

1) Identificação dos requisitos para funcionamento do piloto automático 2) Montagem, programação, calibração e instalação do piloto automático 3) Instalação e ensaio da estação de solo

4) Programação do piloto automático para o Olharapo 5) Instalação do piloto automático no Olharapo 6) Ensaios do piloto automático no solo no Olharapo 7) Ensaios do piloto automático em voo no Olharapo 8) Repetição dos pontos 4) a 7) para o Skunkworks 9) Desenhos

10) Relatório

6.4.

A tabela seguinte mostra as tarefas individuais que deverão ser escolhidas na primeira semana do semestre.

Tarefa Responsável Nº Email

0 Coordenação Pedro Gamboa - pgamboa@ubi.pt 1 1.1. Sistemas Pedro Carvalho M4312 P912629874@hotmail.com 4 1.2. Motor Eléctrico

5 1.3. Asa Telescópica 6 1.4. Asa com Flap Contínuo

7 2.1. Sistemas Diana Vieira M4038 dianavieir@gmail.com 8 2.2. Trem de Aterragem - -

9 3.1. Piloto Automático Márcio Fernandes M4062 marciofpfernandes@hotmail.com

Daniel Pinto Pablo Garcia Lino Poggi Adrian Sancho E6939 E6941 E6947 E6949

6.5.

O quadro abaixo apresenta o calendário de tarefas do projecto que deverá, na medida do possível, ser cumprido.

Mês Fev. Março Abril Maio Junho Julho Tarefa \ Semana 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 A. Teóricas/Reunião Estrutura Sistemas Montagem Ensaios Relatório

Legenda: Aulas teóricas

Trabalho a desenvolver durante o semestre Semanas sem aulas

6.6.

Todos os trabalhos serão realizados em grupos de 2 alunos mas, devido à dependência existente entre as várias tarefas, a cooperação entre grupos é essencial. Cada elemento/grupo deverá planear o seu trabalho considerando as várias tarefas necessárias realizar e deverá proporcionar aos outros elementos/grupos toda a informação e ajuda necessárias para que todos os projectos sejam coerentes. Todas as tarefas requerem bastante trabalho para serem terminadas dentro do prazo.

6.7.

Cada grupo deverá redigir um relatório onde incluirá todos os passos relevantes do seu projecto, incluindo decisões tomadas, descrição do trabalho, esboços, cálculos, desenhos e fotografias. O relatório deverá ser entregue até ao dia do exame, dia 25 de Junho de 2011 (primeira chamada) ou 2 de Julho de 2011 (segunda chamada).

7.

AVALIAÇÃO

7.1.

A avaliação será baseada no trabalho ralizado ao longo do semestre (F) e no relatório final (R), onde será colocado grande ênfase no trabalho de equipa e nas decisões tomadas com vista à conclusão do trabalho.

Os pontos principais a ter em conta na avaliação do trabalho realizado são: • Planeamento do Projecto (cumprimento de prazos, fichas de trabalho, etc.);

• Organização das Actividades (trabalho, idéias, arrumação de material e ferramentas, limpeza, etc.);

• Projecto (idéias lógicas, conceitos viáveis, validação, optimização, etc.); • Construção e Montagem (planeamento, perfeição, preparação, etc.); • Colaboração (interacção intra e inter grupos);

• Cumprimento dos Objectivos (trabalho funcional dentro dos prazos); • Autonomia (trabalho autónomo, opções, riscos, etc.).

A admissão a Exame (classificação de “frequência”) requer a participação nos trabalhos do projecto e a conclusão da tarefa atribuída. A nota final é E=0,6F+0,4R e a aprovação é com E≥10. Cada momento de avaliação é resumido abaixo.

1. Frequência (F) Freq

F Trabalho do semestre 10-06-2011 60

2. Exame da Primeira Chamada (E=0,6F+0,4R) 100

R Relatório 25-06-2011 (14h30) 40

3. Exame da Segunda Chamada (E=0,6F+0,4R) 100

R Relatório 02-07-2011 (14h30) 40

4. Exame de Época Especial (E=0,6F+0,4R) 100

R Relatório ??-09-2011 (??h?0) 40

8.

BIBLIOGRAFIA

Abaixo estão listados alguns livros que podem ser consultados para a realização deste projecto. Os relatórios de projecto de anos anteriores também podem ser consultados mas tendo em atenção que a informação neles contida pode estar incorrecta. Muita informação pode ser encontrada na internet.

01. Abbot & Doenhoff, Theory of Wing Sections, Dover Publications Inc, 1959 02. AIAA Aerospace Design Engineers Guide – 3rd edition, AIAA, 1993

03. Barnes W. McCormick, Aerodynamics Aeronautics and Flight Mechanics – 2nd edition, John Wiley & Sons Inc, 1995

04. Bent McKinley, Aircraft Powerplants – 4th edition, McGraw-Hill, 1978 05. Bill Clarke, The Cessna 172 – 2nd edition, Tab Books, 1993

06. Bruce K. Donaldson, Analysis of Aircraft Structures – An Introduction, McGraw-Hill, 1993

07. Cláudio Barros, Introdução ao Projecto de Aeronaves – Volume 1 & 2, CEA/UFMG, 1979

08. Comprehensive Reference Guide to Airfoil Sections for Light Aircraft, Aviation Publications, 1982

09. Daniel P. Raymer, Aircraft Design: A Conceptual Approach, AIAA Education Series, 1989

10. Darrol Stinton, Flying Qualities and Flight Testing of the Airplane, AIAA Education Series, 1996

11. Darrol Stinton, The Design of the Aeroplane, Blackwell Science, 1983

12. David A. Lombardo, Aircraft Systems –Understanding Your Airplane, Tab Books, 1988 13. David J. Peery, J. J. Azar, Aircraft Structures – 2nd edition, McGraw-Hill Inc, 1982 14. Egbert Torenbeek, Synthesis of Subsonic Airplane Design, Delft University Press, 1982 15. E. H. J. Pallet, Aircraft Instruments & Integrated Systems, Longman Scientific &

Technical, 1992

17. Geoff Jones, Building and Flying Your Own Plane, Patrick Stephens Limited, 1992 18. Homebuilt Aircraft Sourcebook – 5th edition, AeroCrafter, 1998

19. Ian Moir & Allan Seabridge, Aircraft Systems, Longman Scientific & Technical, 1992 20. Jane’s All the World’s Aircraft, 1995

21. Jan Roskam, Airplane Design – Volumes I to VIII, The University of Kansas, 1990

22. Jan Roskam, Chuan-Taw Edward Lan, Airplane Aerodynamics and Performance, DARcorporation, 1997

23. JAR-23, Joint Aviation Requirements for Normal, Utility, Aerobatic and Commuter Category Aeroplanes, 1994

24. JAR-VLA, Joint Aviation Requirements for Very Light Aeroplanes, 1990 25. John Cutler, Estructuras del Avión, Paraninfo, 1989

26. Krisham K. Chawla, Composite Materials – 2nd edition, Springer, 1998

27. Ladislao Pazmany, Landing Gear Design for Light Aircraft – Volumes I & II, Pazmany Aircraft Corporation, 1986

28. Ladislao Pazmany, Light Airplane Design, Pazmany Aircraft Corporation, 1963. 29. Martín Cuesta Alvarez, Vuelo con Motor Alternativo, Paraninfo, 1981

30. Michael C. Y. Niu, Airframe Structural Design, Conmilit Press Ltd., 1988

31. Michael J. Kroes & Thomas W. Wild, Aircraft Powerplants – 7th edition, McGraw-Hill, 1995

32. Michael J. Kroes & William A. Watkins & Frank Delp, Aircraft Maintenance & Repair – 6th edition, Macmillan/McGraw-Hill, 1993

33. Robert C. Nelson, Flight Stability and Automatic Control, McGraw-Hill, 1989 34. Robert M. Rivello, Theory and Analysis of Flight Structures, McGraw-Hill, 1969 35. S. Hoerner, Fluid Dynamic Drag, Hoerner Fluid Dynamics, 1965

36. S. Hoerner, Fluid Dynamic Lift, Hoerner Fluid Dynamics

37. S. Laroze & J.-J. Barrau, Mécanique des Strucutures – Tome 1, Masson, 1991 38. S. Laroze, Mécanique des Structures – Tome 2 – Poutres, Eyrolles Masson ,1988

39. S. Laroze, Mécanique des Structures – Tome 3 – Thermique des Structures & Dynamique des Structures – 2ème edition, Masson ,1992

40. S. Laroze, Mécanique des Structures – Tome 4 – Calcul des Structures en Matérieux Composites, Eyrolles Masson ,1987

41. Stelio Frati, L’Aliante, Editore Ulrico Hoepli, Milano, 1946

42. Stephen P. Timoshenko, James M. Gere, Theory of Elastic Stability – 2nd edition, McGraw-Hill International Editions, 1961

43. Ted L. Lomax, Structural Loads Analysis for Commercial Transport Aircraft – Theory and Practice, AIAA Education Series, 1996

44. The Metals Black Book – Volume 1 – Ferrous Metals, Casti Publishing Inc, 1995 45. The Metals Red Book – Volume 2 – Nonferrous Metals, Casti Publishing Inc, 1995

46. T. H. G. Megson, Aircraft Structures for Engineering Students – 2nd edition, Edward Arnold, 1990

47. Tony Bingelis, Firewall Forward – Engine Installation Methods, EAA Aviation Foundation, 1992

48. Tony Bingelis, Sportplane Construction Techniques – A Builder’s Handbook, EAA Aviation Foundation, 1992

49. Tony Bingelis, The Sportplane Builder – Aircraft Construction Methods, EAA Aviation Foundation, 1992

50. W. A. Lees, Adhesives and the Engineer, Mechanical Engineering Publications Limited, 1989

51. Y. C. Fong, An Introduction to the Theory of Aeroelasticity, Dover Publications Inc, 1993