Departamento de Ciências Aeroespaciais
PROJECTO DE AERONAVES I - 3680
2004/2005
“Wing-In-Ground Effect”
WIG-2004
Descrição do Projecto
ÍNDICE
1.
INTRODUÇÃO... 32.
REQUISITOS... 32.1.
Missão... 32.2.
Desempenho ... 32.3.
Propulsão ... 42.4.
Trem de Aterragem... 42.5.
Habitáculo... 42.6.
Passageiros... 42.7.
Peso e Centragem ... 42.8.
Materiais ... 42.9.
Comandos e Sistemas ... 42.10.
Operação ... 52.11.
Custos ... 52.12.
Normas... 52.13.
Resumo ... 53.
TAREFAS ... 63.1.
Configuração ... 63.2.
Aerodinâmica... 63.3.
Hidrodinâmica ... 63.4.
Desempenho ... 63.5.
Sistemas ... 63.6.
Estrutura e Materiais... 63.7.
Calendário de Tarefas ... 73.8.
Realização do Trabalho ... 74.
AVALIAÇÃO ... 74.1.
Teste ... 74.2.
Apresentação ... 84.3.
Relatório ... 84.4.
Exame ... 84.5.
Classificação... 85.
BIBLIOGRAFIA... 85.1.
Livro de Texto ... 95.2.
Livros de Projecto... 95.3.
Outros Livros de Interesse ... 91.
INTRODUÇÃO
Pretende-se projectar um veículo WIG (Wing-in-Ground Effect) com capacidade para 12 lugares incluindo a tripulação de 2 e para operar sobre o mar, fazendo ligações entre portos que normalmente são ligados por barcos. Como requisitos fundamentais, este veículo deverá permitir a obtenção de um desempenho igual ou superior ao do FS-8 mas recorrendo a uma concepção simples e eficiente que permita a sua comercialização por um preço final verdadeiramente concorrencial. Deve considerar-se a simplicidade de construção e de manutenção para manter os custos de operação baixos.
Deve ser feita uma pesquisa sobre WIGs existentes para adoptar uma configuração eficiente.
Esta descrição do projecto apresenta os requisitos a que a aeronave deverá responder, em termos de missão, desempenho, sistemas e materiais. Também são descritas 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 resulte umbom projecto.
2.
REQUISITOS
Os requisitos para este veículo são apresentados abaixo. Não pode haver qualquer modificação nos requisitos sem consulta do docente nem acordo de todos os grupos envolvidos no projecto.
2.1.
MissãoO WIG-2004 deve ser projectado para realizar 1 tarefa principal. O veículo deve ter um alcance de pelo menos 740 km (400 mn) em voo de cruzeiro, transportando 2 tripulantes e 10 passageiros deslocando-se a uma velocidade média de pelo menos 159 km/h (86 nós).
Fase Duração
[min] Potência[%] Obs. Aquecimento e rolagem 10 50 Descolagem * 100 Cruzeiro 280 75 Aterragem * ralenti Rolagem 5 50 Reservas 10 100
* Resultado da análise da missão.
2.2.
DesempenhoO veículo deve demonstrar as seguintes prestações (ISA – International Standard
Atmosphere):
Velocidade de cruzeiro (igual ou superior) 159 km/h (86 nós)
Velocidade de descolagem (igual ou inferior) 102 km/h (55 nós)
Altura da onda na descolagem (igual ou superior) 0,5 m
2.3.
PropulsãoDeve ser escolhido um motor de combustão interna (talvez um motor automóvel) com potência igual ou inferior a 336 kW (450 hp), tendo em conta o custo de aquisição e operação, bem como a potência específica e o consumo específico. O consumo em cruzeiro deve ser igual ou inferior a 60 l/h. O(s) hélice(s) pode(m) ser de passo fixo, passo variável ou velocidade constante, devendo a escolha ser ponderada cuidadosamente.
Para a deslocação na água deve ser escolhido um tipo de propulsão que permita uma velocidade de 11 km/h (6 nós).
2.4.
Trem de AterragemPretende-se que o WIG-2004 seja anfíbio, pelo que o trem de aterragem tem que ser retráctil. Este deve ser construído em aço, alumínio ou compósito.
2.5.
HabitáculoO habitáculo deve alojar 2 tripulantes, lado a lado, com estatura entre 1,60 m e 1,90 m. O comando deve ser duplo e a visibilidade deve ser boa. Os instrumentos de voo, navegação e comunicação, motor e indicação deverão ser duplicados conforme necessário. O veículo deve ser capaz de operar à noite.
2.6.
PassageirosA cabina de passageiros deve ter capaciadade para 10 pessoas em duas filas. Deve haver espaço para bagagem juntos dos passageiros e/ou num compartimento apropriado.
2.7.
Peso e CentragemO passeio do CG (centro de gravidade) deverá ser tal que acomode uma variação de 10 % CMA (corda média aerodinâmica) sem que haja limites de operação. O peso vazio do veículo não pode exceder os 3000 kgf.
2.8.
MateriaisDeve dar-se preferência aos compósitos de fibra-de-vidro e/ou fibra-de-carbono com matriz epoxídica na construção da estrutura principal do avião, podendo, no entanto, e caso justifique, usar-se madeira, aço, alumínio e tela. O principal objectivo é manter simplicidade na manutenção e reparação, bem como peso e custos baixos.
2.9.
Comandos e SistemasOs comandos do veículo devem ser mecânicos e, preferencialmente, de accionamento manual directo, com excepção do trem de aterragem que pode ser eléctrico ou hidráulico.
Deve considerar-se, assim, a existência de um sistema hidráulico/eléctrico para accionamento do mecanismo de retracção do trem e de travagem e de um sistema eléctrico para os instrumentos, luzes e ignição, quando relevante.
Deve, também, ser considerado um sistema de ventilação do habitáculo e cabina dos passageiros.
2.10.
OperaçãoO WIG-2004 deve poder voar em cruzeiro sem a acção do piloto, deve possuir um piloto automático, apresentar uma transição suave da água para o ar e ser capaz de operar em ventos de 46 km/h (25 nós).
Como já mencionado o veículo deve ser anfíbio para se deslocar para um cais e deve ser capaz de aceder a uma grande variedade de docas flutuantes.
O ruído produzido no cruzeiro não deve exceder os 75 dBA a 100 m.
2.11.
CustosO preço comercial de um veículo de série não deve ultrapassar os 600.000 €, tendo em conta uma produção de mais de 100 unidades nos dois primeiros anos e um protótipo para avaliação e certificação.
O custo de peças de manutenção não deve exceder 7,20 €/h de voo.
2.12.
NormasO projecto deve seguir os capítulos da IMO (International Maritime Organization) podendo haver um complemento das JAR-23 ou FAR-23. O WIG-2004, dentro das categorias de WIG da IMO, insere-se no tipo B. Todo o trabalho desenvolvido deve ter como objectivo principal a segurança.
2.13.
ResumoA tabela abaixo resume os principais requisitos.
Requisito Obs.
Número de passageiros 10
Peso vazio 3000 kgf Igual ou inferiror
Alcance 740 km Igual ou superior
Velocidade de cruzeiro 159 km/h Igual ou superior
Consumo de combustível 60 l/h Igual ou inferior
Altura de onda - descolagem 0,5 m Igual o superior
Altura de onda - cruseiro 2 m Igual ou superior
Velocidade de descolagem 102 km/h Igual ou inferior
Velocidade de rolamento 11 km/h
Potência de motor 336 kW Igual ou inferior
Tipo IMO B
Ruído 75 dBA Igual ou inferior
Estabilidade Voo sem mãos, piloto automático e operação em ventos de 46 km/h
Requisitos IMO todos Cumprir ou exceder
3.
TAREFAS
Existem várias tarefas no projecto que devem ser realizadas segundo o calendário abaixo. Todos estes aspectos dependem uns dos outros, pelo que tem que haver uma inter-relação e actualização entre eles.
Os cálculos podem ser realizados com a ajuda de folhas de cálculo. Os desenhos podem ser realizados no no software de CAD CATIA V5 da Dassault/IBM, no AutoCAD da Autodesk, no AeroCAD da DarCorporation ou noutro adquado, sendo o primeiro preferível e mais flexível em desenhos 3D.
3.1.
ConfiguraçãoA configuração do veículo deve ser escolhida de forma a permitir que os requisitos sejam completamente satisfeitos. Esta tarefa é de estrema importância porque deve integrar todas as necessidades das outras partes do projecto numa configuração viável. Deve ser realizado um estudo tridimensional preliminar de todos os elementos principais e integrá-los na estrutura.
3.2.
AerodinâmicaO estudo aerodinâmico deve incidir na escolha dos perfis, geometria das superfícies sustentadoras, carenagens, determinação das características aerodinâmicas (CL, CD e CM),
bem como garantir que as escolhas feitas no projecto não afectem negativamente a aerodinâmica. Também é necessário realizar um estudo preliminar de estabilidade e controlo tendo, obviamente, em atenção o efeito de solo.
3.3.
HidrodinâmicaO projecto da fuselagem/casco e das asas tem que ter em conta a operação na água e a transição da água para o ar.
3.4.
DesempenhoO sistema propulsivo (motor e sistema de alimentação) deve ser escolhido de acordo com os requisitos apresentados. Deve ser feita uma estimativa do desempenho (velocidades, tempos, consumos, etc.).
3.5.
SistemasDeve ser feito o estudo do trem de aterragem e do sistema de controlo. Para o habitáculo é necessário escolher a disposição dos pilotos e verificar a ergonomia e a visibilidade. Também deve ser feito um estudo da cabina de passageiros.
3.6.
Estrutura e MateriaisO tipo de estrutura e os materiais para as diferentes partes da aeronave devem ser escolhidos adequadamente tendo em atenção a configuração adoptada. Devem ser realizadas estimativas do peso e centragem e do custo final da aeronave.
3.7.
Calendário de TarefasO quadro abaixo apresenta o calendário de tarefas do projecto que deve, na medida do possível, ser cumprido.
Mês Setembro Outubro Novembro Dezembro Janeiro Fev.
Tarefa \ Semana 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 Aulas Teóricas Configuração Aerodinâmica Hidrodinâmica Desempenho Sistemas Estrutura e Materiais Teste Apresentação Relatório
Legenda: Aulas teóricas
Trabalho a desenvolver durante o semestre Semanas sem aulas
Momentos de Avaliação
3.8.
Realização do TrabalhoO trabalho do projecto é realizado em grupos de 4 a 5 alunos. Este projecto requer bastante dedicação para ser terminado dentro do prazo.
Aluno Nº Grupo E-mail Telefone
01 João Fialho 11541 A joaofialhoaero@hotmail.com 91 90 17 042 02 João Duarte 11559 A aeroj@hotmail.com 91 85 50 373 03 Rui Dias 11913 A aero_dias@hotmail.com 93 52 32 631 04 Daniel Vaz 12303 C nhekipa@hotmail.com 93 33 76 833 05 Jorge Simão 12309 D arzt@netvisao.pt 91 83 19 887 06 António Mendes 12597 D almmendes@zmail.pt 91 77 11 575 07 Rui Cavaco 12666 C rmlcavaco@sapo.pt 93 37 50 305 08 Nuno Costa 12699 C nunonavais@hotmail.com 96 65 60 831 09 Diogo Zuluaga 12813 B Diogo_Zuluaga@hotmail.com 91 638 4026 10 Élvio Costa 13012 B elviocosta@hotmail.com 96 42 84 692 11 Luís Martins 13017 C luismart@portugalmail.pt 96 48 79 305 12 Pedro Costa 13057 C masterfafe@yahoo.com 96 47 09 486 13 Vitor Caçador 13110 B VITOR.CASSADOR@hotmail.com 91 79 15 003 14 Yuri Sales 13158 B yurisalles@hotmail.com 96 90 07 504 15 Mário Manuel 13318 B Mario_RenatoManuel557@hotmail.com 96 45 92 254
4.
AVALIAÇÃO
A avaliação é feita baseada num teste, numa apresentação e num relatório.
O teste abrange as matérias teóricas expostas e discutidas nas aulas até ao dia da sua realização (7 de Janeiro de 2005 – semana 16). O teste é de consulta.
4.2.
ApresentaçãoNo final do semestre realiza-se uma apresentação (14 de Janeiro de 2005 – semana 17). Na apresentação, quando o projecto estiver praticamente concluído, cada grupo (todos os elementos têm que intervir) deve mostrar aos outros que o seu projecto cumpre os requisitos, descrevendo os passos que levaram ao resultado final. Esta apresentação tem uma duração de 30 min, no máximo, por grupo e pode ser feita com a ajuda de um poster.
4.3.
RelatórioCada grupo deve redigir um relatório onde incluirá todos os passos relevantes no projecto da aeronave, incluindo configuração, decisões tomadas, cálculos, resultados, etc.. Devem ser também incluídos todos os esboços e desenhos necessários para a compreensão do projecto, bem como as três vistas da aeronave. O número de páginas do relatório não deve exceder as 50, usando um tamanho de letra 12 e espaçamento entre linhas simples. O relatório deve ser entregue no dia do exame.
4.4.
ExameNão exite um exame escrito mas deve ser entregue o relatório de projecto (na Época Normal) ou uma melhoria do relatório (na Época de Recurso e/ou na Época Especial).
4.5.
ClassificaçãoA admissão a Exame (classificação de “frequência”) requer a participação nas duas primeiras componentes de avaliação (teste e apresentação). A nota final é E=0,2T+0,2A+0,6R e a aprovação é com E>10. Cada momento de avaliação é resumido abaixo.
1. Frequência (F=0,5T+0,5A) 100
T Teste 07-01-2005 50
A Apresentação 14-01-2005 50
2. Exame de Época Normal (E=0,4F+0,6R1) 100
R1 Relatório 04-02-2005 60
3. Exame de Época de Recurso (E=0, 4F +0,6R2) 100
R2 Relatório 11-02-2005 60
4. Exame de Época Especial (E=0, 4F +0,6R3) 100
R3 Relatório 09-09-2005 60
Abaixo estão listados alguns livros que podem ser consultados para a realização deste projecto. Muita informação pode ser encontrada, também, na internet.
5.1.
Livro de Texto01. Raymer, D. P., Aircraft Design: A Conceptual Approach - 3rd edition, AIAA Education Series, 1999
5.2.
Livros de Projecto02. Barros, C., Introdução ao Projecto de Aeronaves – Volumes 1 & 2, CEA/UFMG, 1979 03. Brandt, S. A., Stiles, R. J., Bertin, J. J., Whitford, R., Introduction to Aeronautics: A
Design Perspective, AIAA Education Series, 1997
04. Corke, T. C., Design of Aircraft, Pearson Education, Inc., 2003
05. Howe, D., Aircraft Conceptual Design Synthesis, Professional Engineering Publishing, 2000
06. Jenkinson, L. R., Simpkin, P., Rhodes, D., Civil Jet Aircraft Design, Arnold, 1999 07. Pazmany, L., Light Airplane Design, Pazmany Aircraft Corporation
08. Roskam, J., Airplane Design – Volumes I to VIII, The University of Kansas, 1990 09. Stinton, D., The Design of the Aeroplane, Blackwell Science, 1983
10. Torenbeek E., Synthesis of Subsonic Airplane Design, Delft University Press, 1982
5.3.
Outros Livros de Interesse11. Abbot & Doenhoff, Theory of Wing Sections, Dover Publications Inc, 1959
12. Barnaby Wainfan, Airfoil Selection – Understanding and Choosing Arfoils for Light
Aircraft, 1988
13. Barnes W. McCormick, Aerodynamics, Aeronautics and Flight Mechanics – 2nd edition, John Wiley & Sons Inc, 1995
14. Bernard Etkin, Lloyd Duff Reid, Dynamics of Flight, Stability and Control – 3rd edition, John Wiley & Sins Inc., 1996
15. Bill Clarke, The Cessna 172 – 2nd edition, Tab Books, 1993
16. Darrol Stinton, Flying Qualities and Flight Testing of the Airplane, AIAA Education Series, 1996
17. David A. Lombardo, Aircraft Systems –Understanding Your Airplane, Tab Books, 1988 18. Euroavia, Future Trainer Concept, 1999
19. Geoff Jones, Building and Flying Your Own Plane, Patrick Stephens Limited, 1992 20. Ian Moir & Allan Seabridge, Aircraft Systems, Longman Scientific & Technical, 1992 21. Jane’s All the World Aircraft, 1995
22. JAR-23, Joint Aviation Requirements for Normal, Utility, Aerobatic and Commuter
Category Aeroplanes, JAA, 1994
23. JAR-27, Joint Aviation Requirements for Small Rotorcraft, JAA, 1993
24. JAR-VLA, Joint Aviation Requirements for Very Light Aeroplanes, JAA, 1990
25. Ladislao Pazmany, Landing Gear Design for Light Aircraft – Volumes I & II, Pazmany Aircraft Corporation, 1986
26. John Cutler, Understanding Aircraft Structures, Blackwell Science, 1999 27. Martín Cuesta Alvarez, Vuelo con Motor Alternativo, Paraninfo, 1981
28. Robert C. Nelson, Flight Stability and Automatic Control, McGraw-Hill, 1989 29. S. Hoerner, Fluid Dynamic Drag, Hoerner Fluid Dynamics, 1965
31. Stelio Frati, L’Aliante, Editore Ulrico Hoepli, Milano, 1946
32. Ted L. Lomax, Structural Loads Analysis for Commercial Transport Aircraft – Theory
and Practice, AIAA Education Series, 1996
33. The Metals Black Book – Volume 1 – Ferrous Metals, Casti Publishing Inc, 1995 34. The Metals Red Book – Volume 2 – Nonferrous Metals, Casti Publishing Inc, 1995
35. T. H. G. Megson, Aircraft Structures for Engineering Students – 2nd edition, Edward Arnold, 1990
36. Tony Bingelis, Firewall Forward – Engine Installation Methods, EAA Aviation Foundation, 1992
37. Tony Bingelis, Sportplane Construction Techniques – A Builder’s Handbook, EAA Aviation Foundation, 1992
38. Tony Bingelis, The Sportplane Builder – Aircraft Construction Methods, EAA Aviation Foundation, 1992
