Projeto conceptual de uma aeronave pequena de baixo custo para aplicação em controlo cooperativo

ACADEMIA DA FORÇA AÉREA P oje o Concep ual de uma Ae ona e Pequena de Baixo Cus o pa a Aplicações em Con olo Coope a i o Ra ael Augus o da Cos a Sil a Aspi an e a O icial - Aluno / Pilo o-A iado 139418-F Disse ação pa a a ob enção do G au de Mes e em Ae onáu ica Mili a , Especialidade de Pilo o-A iado Jú i P esiden e: B igadei o-Gene al/EngAe Paulo Alexand e En adas Sal ada O ien ado : Majo /EngAe Luís Filipe da Sil a Félix Coo ien ado : Capi ão/EngEl Tiago Miguel Mon ei o de Oli ei a Vogal: Majo /EngAe João Ví o Aguia Viei a Cae ano Sin a, maio de 2020 ACADEMIA DA FORÇA AÉREA P oje o Concep ual de uma Ae ona e Pequena de Baixo Cus o pa a Aplicações em Con olo Coope a i o Ra ael Augus o da Cos a Sil a Aspi an e a O icial - Aluno / Pilo o-A iado 139418-F Disse ação pa a a ob enção do G au de Mes e em Ae onáu ica Mili a , Especialidade de Pilo o-A iado Jú i P esiden e: B igadei o-Gene al/EngAe Paulo Alexand e En adas Sal ada O ien ado : Majo /EngAe Luís Filipe da Sil a Félix Coo ien ado : Capi ão/EngEl Tiago Miguel Mon ei o de Oli ei a Vogal: Majo /EngAe João Ví o Aguia Viei a Cae ano Sin a, maio de 2020 “Legacy? Wha is a legacy? I ’s plan ing seeds in a ga den you ne e ge o see.” - Hamil on Musical iii Ag adecimen os A ealização e conc e ização des e p oje o oi pa a mim uma e apa supe ada e não se ia possí el sem um conjun o de en idades e pessoas que me apoia am seja a a és da disponibilização de meios ma e iais, do seu p óp io empo ou da sua paciência nas ases mais complicadas. Gos a ia de ag adece : À Academia da Fo ça Aé ea po me p opo ciona es a opo unidade e os meios necessá ios pa a o desen ol imen o des a ideia que, de ou a o ma, não passa ia de uma ideia. A odos os conhecimen os e i ências que me o ma am não só a ní el p o issional, que me deu a conhece , en e ou as, o sen ido de esponsabilidade mas ambém a ní el pessoal, o nando-me, a cada dia, melho do que e a no an e io . Ao meu o ien ado , Majo Engenhei o Ae onáu ico Luís Félix, pelo empo dedicado a es e p oje o, po odas as ezes que me encaminhou e apoiou com o in ui o de a ingi o obje i o inal não menosp ezando a esc i a ex ensi a de udo o que acon ecia em e mos p á icos. Os conhecimen os que me ansmi iu o am ulc ais ao sucesso des e p oje o e com ce eza le á-los-ei comigo pa a o u u o. Ao meu coo ien ado , Capi ão Engenhei o Ele o écnico Tiago Oli ei a, que assim que es e e disponí el se mos ou p on o a ajuda na pa e elé ica do meu modelo, as suas alências o am essenciais pa a a conc e ização do ensaio em oo assim como a análise dos dados ob idos do mesmo. Ao Majo Engenhei o Ae onáu ico João Cae ano pela disponibilidade em assumi os comandos do modelo nos ensaios em oo. Ao Capi ão Engenhei o Ele o écnico Gonçalo C uz pelos conhecimen os que me ansmi iu aquando a ausência, po mo i os p o issionais, do meu coo ien ado . A sua expe iência e conhecimen o ajuda am-me a o ganiza as ideias que a é en ão pa eciam espalhadas. Ao Cen o de In es igação da Academia da Fo ça Aé ea e a odos os que dele azem pa e salien ando o Sa gen o-Ajudan e OPRDET Paulo Mendes pela sua incansá el disponibilidade e ajuda na cons ução do modelo de únel e do modelo inal, assim como os seus conhecimen os p á icos de ae omodelismo. Ao Tenen e Engenhei o Ae onáu ico Vasco F anco pelos pa ece es e e isões ei as ao longo de odo o p ocesso, assim como a ajuda na comp eensão de ce os e mos o a do meu espaço de con o o. i Ao Al e es Engenhei o Ae onáu ico Luís Eusébio po odos os conhecimen os passados em elação à u ilização da Imp esso a 3D e disponibilidade dispos a. À na a3 po me elemb a em cons an emen e que a ida é pa a se i ida com mui a mo i ação, po odos os momen os pa ilhados e “engenha ias a mais” que ajuda am a da um passo em en e. À minha amília da Fo ça Aé ea, os meus cama adas de Cu so, os DISTINTOS, a ocês en ego o meu abalho e dedico odo es e p oje o pois é o nosso espí i o, cons uído desde o p imei o ins an e, que nos ambiciona a chega mais longe, a coloca as nossos obje i os bem al o, a “Voa Além do Comum dos Mo ais”. Um ag adecimen o especial aos DEMÓNIOS po pa ilha em comigo o dia-a-dia e aze em com que udo seja mais simples, que o nosso à on ade, animação e inspi ação nunca des aneça seja em e a ou no a , mas essencialmen e no a . À minha amília de sangue, aos meus pais Cla a e Rui e ainda à minha i mã, Lúcia, po e em, desde semp e, sido o meu apoio, as pessoas que me segui iam po onde osse, aconselhando com as suas opiniões mas deixando-me escolhe o meu caminho. Ob igado po se em o meu ampa o, po me ou i em quando p eciso e me mos a em o ou o lado da moeda, mesmo que es a es eja so e ada em dú idas e indecisões. Po im mas não menos impo an e, um ag adecimen o mui o especial à minha namo ada, Ca a ina Gand a, po se um pila essencial à minha ida e me mos a odos os dias o que é lu a po aquilo que gos amos e conside amos que ale a pena. Resumo Tendo como obje i o p incipal a busca po uma es u u a capaz de sa is aze as necessidades p e is as pa a o desen ol imen o do con olo coope a i o, in eg ado no plano de In es igação e Desen ol imen o do Cen o de In es igação da Academia da Fo ça Aé ea, encon a-se na p esen e disse ação um modelo de ae ona e p opos o e alidado. Após se em salien ados os equisi os essenciais ao sis ema de con olo coope a i o, é ap esen ado um ipo de a qui e u a do qual se des acam os sis emas de oo associados à mesma. Des e modo, após dimensiona o co po onde es a ão p esen es os sis emas, op a-se po um design es u u al de asa oado a, em espuma, com uma caixa cen al ab icada a a és de manu a u a adi i a. A a és de uma compa ação com ou os modelos idên icos e mé odos analí icos pa a alo es de ca ga ala e powe loading, desen ol e-se um modelo compu acional da ae ona e inal, jus i icando os pe is ala es a u iliza na sua elabo ação. O modelo inal desen ol ido é ca a e izado po um design de asa oado a, com peso à descolagem de 1,2 kg e uma en e gadu a de 1 m. Es e modelo é alidado a a és de uma e amen a compu acional, execu ando-se uma ca a e ização ae odinâmica e uma análise de es abilidade. Pos e io men e, é desen ol ido um modelo à escala de 1/1,25 pa a se u ilizado no únel ae odinâmico. Os dados ob idos são compa ados com a simulação compu acional, alidando a ae ona e segundo es e mé odo. Finalmen e, é desen ol ido um p o ó ipo eal do modelo sujei ando-o a ensaios em oo po o ma a se alidado a a és de um mé odo p á ico. Es a disse ação sa is az assim a necessidade da es u u a p opondo uma ae ona e de cons ução ápida, baixo cus o e capaz de esponde às necessidades de um con olo coope a i o, alidada segundo uma análise eó ica, compu acional com base no XFLR5, expe imen al a a és do únel ae odinâmico e p á ica a a és de ensaios em oo. Pala as cha e: asa oado a, con olo coope a i o, design concep ual, únel ae odinâmico, manu a u a adi i a i ii Abs ac This pape p esen s a alida ed ai c a s uc u e capable o sa is ying he demands o swa m obo ics, in eg a ed on he ideas o he In es iga ion and De elopmen plan o he Po uguese Ai Fo ce Academy Resea ch Cen e. Once he necessi ies o a swa m obo ics sys em a e p esen ed, associa ed o a speci ic elec ic s uc u e, he ligh sys ems able o ul il he pu pose a e e ealed. A e being capable o sizing and modeling he body whe e all hese sys ems will be alloca ed, he lying wing design is in o de . This wing is made wi h oam on he majo i y o i s s uc u e, and he main cen al body equi es an addi i e manu ac u ing p ocess. Compa ing wi h o he small sized ai c a and analy ic me hods o calcula e he alues o wing and powe loading, a inal compu a ional model is de eloped jus i ying he ai oils used on i s design. The inal p ojec is a lying wing wi h a ake-o weigh o 1,2 kg and a wingspan o 1 m. I is alida ed h ough a compu e ae odynamic ool analyzing i s beha io conce ning i s ae odynamics and s abili y. A e wa ds, a scale model om 1/1,25 is c ea ed in o de o be used on he wind unnel. Da a om hese es s is compa ed wi h he compu e ae odynamic ool alida ing he ai c a h oughou his me hod. Subsequen ly a eal size p o o ype is exposed o ligh es s alida ing once again he p ojec . This being said, he inal objec i e is achie ed, sugges ing an ai c a , heo e ically alida ed and ein o ced wi h wind unnel and ligh es s, as -cons uc ed, low budge and able o answe he equi emen s o a swa m obo ics sys em. Key-wo ds: lying wing, swa m obo ics, concep ual design, ae odynamic unnel, addi i e manu ac u ing xi Figu a 36 - Coe icien e de Momen o de Rolamen o - XFLR5 ....................................................55 Figu a 37 - Modelo com Ele ons a 15º de De lexão ..................................................................56 Figu a 38 - Coe icien e de Momen o de Picada com 20% da Asa como Aile on ........................56 Figu a 39 - Modelo Final em SolidWo ks com Componen es ...................................................57 Figu a 40 - Componen es do Co po Cen al .............................................................................62 Figu a 41 - Imp essão 3D Modelo Ensaiado em Túnel Ae odinâmico .......................................63 Figu a 42 - Co po Cen al Modelo Ensaiado em Túnel Ae odinâmico .......................................63 Figu a 43 - Máquina de Co e do CIAFA ...................................................................................64 Figu a 44 - Fon e de Alimen ação Máquina de Co e ................................................................64 Figu a 45 - Modelo Túnel Ae odinâmico Real s Modulação 3D ...............................................65 Figu a 46 - Modelo Final ...........................................................................................................66 Figu a 47 - Sis ema de Eixos do Túnel Ae odinâmico ...............................................................67 Figu a 48 - Modelo Inse ido no Túnel Ae odinâmico .................................................................68 Figu a 49 - Cen o Fuselado no Túnel Ae odinâmico ................................................................69 Figu a 50 - Bloco e Supo e Túnel Ae odinâmico ......................................................................69 Figu a 51 - Coe icien e de Sus en ação - Túnel Ae odinâmico .................................................71 Figu a 52 - CL s CD- Túnel Ae odinâmico .................................................................................71 Figu a 53 - CL CD s α - Túnel Ae odinâmico ..................................................................................72 Figu a 54 - Pa âme o CL32 CD s α – Túnel Ae odinâmico ................................................................73 Figu a 55 - Coe icien e de Momen o de Picada - Túnel Ae odinâmico ......................................74 Figu a 56 - Coe icien e de Momen o de Picada Reduzido - Túnel Ae odinâmico ......................75 Figu a 57 - Coe icien e de Momen o de Picada - Túnel Ae odinâmico ......................................76 Figu a 58 - Coe icien e de Momen o de Guinada - Túnel Ae odinâmico ...................................77 Figu a 59 - Coe icien e de Momen o de Rolamen o - Túnel Ae odinâmico ...............................78 Figu a 60 - Plano de Voo ..........................................................................................................82 Figu a 61 - Modelo Final ...........................................................................................................82 Figu a 62 - Modo de Lançamen o do Modelo e Regis o da T aje ó ia do Úl imo Voo ................84 Figu a 63 - Velocidade GPS do Modelo ....................................................................................86 Figu a 64 - Comandos de Th o le ao Longo do Tempo ............................................................87 Figu a 65 - Consumo Acumulado de Co en e de Desca ga da Ba e ia ....................................87 Figu a 66 - Ângulo de Rolamen o do Modelo ............................................................................89 Figu a A-1 - Componen es do Sis ema Elé ico Vis a de Topo e de Re agua da ..................A-3 Figu a B-1 -Componen es do Co po Cen al com Supo es ...................................................B-1 x Índice de Tabelas Tabela 1 - Sín ese de Massa e Dimensões dos Equipamen os .............................................. 26 Tabela 2 - Analy ic Hie a chy P ocess ..................................................................................... 32 Tabela 3 - Sín ese Modelos de Re e ência .............................................................................. 36 Tabela 4 - Powe Loading Máxima Velocidade Ho izon al ...................................................... 37 Tabela 5 - Powe Loading Máxima Razão de Subida .............................................................. 38 Tabela 6 - Valo es da Análise em XFLR5 pa a os 4 Pe is Au o Es á eis .............................. 42 Tabela 7 - Valo es de Re e ência do Modelo Final .................................................................. 44 Tabela 8 - Resumo de Análise Ae odinâmica do Modelo em XFLR5 - Sus en ação Fixa ...... 49 Tabela 9 - Resumo de Análise Ae odinâmica do Modelo em XFLR5 - Velocidade Fixa ......... 49 Tabela 10 - Especi icações Modelo Ensaiado em Túnel Ae odinâmico .................................. 61 Tabela 11 - Dados de Imp essão 3D ....................................................................................... 62 Tabela 12 - Sín ese dos Sis emas de Segu ança .................................................................... 81 Tabela 13 - Au onomia da P imei a Ba e ia - P imei o e Segundo Voos ................................. 85 Tabela 14 - Au onomia da Segunda Ba e ia - Te cei o Voo .................................................... 85 Tabela B-1 - Especi icações Imp esso a 3D ..........................................................................B-1 x i x ii Lis a de Ab e ia u as 2D Duas dimensões 3D T ês dimensões AC Cen o Ae odinâmico AGL Abo e G ound Le el AHP Analy ic Hie a chy P ocess AR Aspec Ra io ASL Abo e Sea Le el BEC Ba e y Elimina o Ci cui CAD Compu e Aided Design CG Cen o de G a idade CIAFA Cen o de In es igação da Academia da Fo ça Aé ea CNC Máquinas de Comando Numé ico EPP Expanded Polyp opylene EPS Expanded Polys y ene FPV Fi s Pe son View GCS G ound Con ol S a ion GPS Global Posi ion Sys em I&D In es igação e Desen ol imen o IMU Ine ial Measu emen Uni LiPo Ly hium Polyme LOS Line o Sigh MAC Mean Ae odynamic Cho d MAV Mic o Ai Vehicle ME Ma gem Es á ica NATO No h A lan ic T ea y O ganiza ion NP Pon o Neu o PITVANT P oje o de In es igação e Tecnologia em Veículos Aé eos Não T ipulados PLA Polyac ic Acid PMB Powe Managemen Boa d PPM Pulse Posi ion Modula ion x iii PWM Pulse Wid h Modula ion RC Radio Con olled RPM Ro ações Po Minu o STL S e eoli og aphy UAS Unmanned Ae ial Sys em UAV Unmanned Ae ial Vehicle XPS Ex uded Polys y ene xix Lis a de Símbolos Símbolos com le as g egas 𝜌𝜌 0 Densidade do a ao ní el médio das águas do ma 𝛼𝛼 Ângulo de a aque 𝜃𝜃 Ângulo de subida 𝜆𝜆 A ilamen o 𝜇𝜇 Viscosidade dinâmica do luido 𝜈𝜈 Viscosidade cinemá ica do luido 𝜌𝜌 Densidade do a 𝜂𝜂 𝑝𝑝 E iciência do hélice Símbolos com le as omanas � 𝐿𝐿 𝐷𝐷�𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 Valo de e iciência ae odinâmica máxima 𝑐𝑐 𝑛𝑛 Co da média na secção n � 𝐿𝐿 𝐷𝐷� E iciência ae odinâmica 𝑥𝑥 𝑛𝑛 Dis ância da co da média ao bo do de a aque 𝑦𝑦� 𝑛𝑛 Posição da co da média ao longo da en e gadu a 𝐶𝐶 𝐷𝐷0 Coe icien e de esis ência pa asi a 𝐶𝐶 𝐷𝐷𝑖𝑖 Coe icien e de esis ência induzida 𝐶𝐶 𝐿𝐿𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 Coe icien e de sus en ação máximo 𝐶𝐶 𝐷𝐷 Coe icien e de esis ência ae odinâmica 𝐶𝐶 𝑙𝑙 Coe icien e de momen o de olamen o 𝐶𝐶 𝐿𝐿 Coe icien e de sus en ação 𝐶𝐶 𝑚𝑚 Coe icien e de momen o de picada 𝐶𝐶 𝑛𝑛 Coe icien e de momen o de guinada 𝑐𝑐 𝑛𝑛 Co da em n (início da secção) 𝑐𝑐 𝑛𝑛+1 Co da em n+1 ( im da secção) 𝑐𝑐 𝑟𝑟 Co da na aiz da asa 𝑐𝑐 𝑡𝑡 Co da na pon a da asa 𝑐𝑐 Co da média da asa xx 𝑃𝑃 Po ência ao eio 𝑃𝑃 𝑟𝑟 Po ência necessá ia 𝑆𝑆 𝑛𝑛 Á ea da secção n 𝑇𝑇 𝑟𝑟 Impulso necessá io 𝑉𝑉 𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 Velocidade máxima 𝑉𝑉 𝑦𝑦 Velocidade de subida 𝑊𝑊 𝑃𝑃 Powe loading 𝑊𝑊 𝑆𝑆 Ca ga ala 𝑋𝑋 𝐶𝐶𝐶𝐶 Dis ância do cen o de g a idade ao bo do de a aque 𝑥𝑥 𝑛𝑛 Dis ância de n (início da secção) ao bo do de a aque 𝑥𝑥 𝑛𝑛+1 Dis ância de n+1 ( im da secção) ao bo do de a aque 𝑋𝑋 𝑁𝑁𝑁𝑁 Dis ância do pon o neu o ao bo do de a aque 𝑦𝑦 𝑛𝑛 Dis ância de n (início da secção) ao cen o ao longo da en e gadu a 𝑦𝑦 𝑛𝑛+1 Dis ância de n+1 ( im da secção) ao cen o ao longo da en e gadu a 𝑏𝑏 En e gadu a da asa 𝐷𝐷 Resis ência ae odinâmica 𝑒𝑒 Fa o de Oswald 𝐿𝐿 Sus en ação 𝑅𝑅 Cons an e do a 𝑅𝑅𝑒𝑒 Núme o de Reynolds 𝑆𝑆 Á ea ala 𝑊𝑊 Peso 𝑘𝑘 Fa o do Coe icien e de Resis ência Induzido pela Sus en ação 1 Capí ulo 1 1 In odução 1.1 Mo i ação A c escen e impo ância dos Unmanned Ae ial Vehicles (UAV) nos a uais con ex os ope acionais e a sua, nunca an es is a, a iedade de ambien es possí eis de se em u ilizados, le a a que seja necessá ia uma con igu ação de baixo cus o e e icien e des e ipo de meios (Edi e al., 2008). A u ilização eco en e des es eículos, p incipalmen e de asa ixa ou o a i a, az com que en usias as cons uam os seus p óp ios modelos, de ido ao ac o da sua manu a u a ap esen a um cus o in e io à comp a de um sis ema simila , p oduzido em áb ica. O p ocesso de manu a u a engloba o p oje o do sis ema, es es de desempenho ae odinâmico e a aliação dos equisi os mecânicos e elé icos que sa is açam as necessidades do u ilizado . Além disso, eque , ainda, es es em oo que a aliem o desempenho global do eículo, an o em oo manual1 como em oo au ónomo2 (Se iawan e al., 2018). Os sis emas au ónomos de eículos não ipulados êm p o ocado bas an e in e esse den o de odo o ipo de meios como o espaço, o céu, o ma e a e a, não sendo exclusi os e podendo a ua en e si, is o que conquis am esul ados posi i os em abalhos epe i i os, pe igosos e de ob enção de in o mação em ambien es hos is e emo os (Schoenwald, 2000). Os eículos au ónomos, não necessi ando de um con olo di e o po pa e de um se humano, isam sa is aze necessidades ope acionais como de onação de munição, na egação pa a ob enção de in o mação, econhecimen o mili a , anspo e de bens, en e ou os (Schoenwald, 2000). O sis ema de missão coope a i o, ambém denominado de swa m obo ics, é uma abo dagem ao design de um egime compos o po um g ande núme o de obôs simples, au ónomos e com con olo descen alizado inspi ada num âmbi o biológico (Sahin, 2005). Cada um des es elemen os de e oma decisões baseadas nas lei u as 1 Voo con olado po um ope ado . 2 Voo p é-p og amado e con olado pelo pilo o au omá ico. 2 dos senso es e em coo denação com os ou os. Es e ipo de sis ema pode aze g andes an agens quando compa ado com o con olo adicional (con olo au ónomo sem in e conexão), al como a lexibilidade, obus ez con a alhas, complemen a idade e capacidade de expansão ine en e (Sahin, 2005). O in e esse nes e p og ama po pa e do Cen o de In es igação da Academia da Fo ça Aé ea (CIAFA) emon a ao P oje o de In es igação e Tecnologia em Veículos Aé eos Não T ipulados (PITVANT) onde um dos obje i os p opos os se ia o con olo coope a i o de ae ona es não ipuladas, endo em conside ação a ealização de uma de e minada missão. Tendo sido um dos obje i os da e cei a ase do p oje o ap esen ado (Sousa Rod igues, 2009), a u ilidade do con olo coope a i o man ém-se in e essan e e a ual. O con olo coope a i o pode se en endido, do pon o de is a mili a , como um mé odo ino ado de u ilização de á ias pla a o mas, com capacidades he e ogéneas, que consigam dis ibui a necessidade de senso es, essenciais à missão p e endida, po odas elas. Es as pla a o mas são, assim, necessa iamen e ba a as e de meno po e compa a i amen e à u ilização de apenas um eículo pa a oda a missão, não necessi ando pa a o seu ab ico, da expe iência acumulada de uma indús ia ae onáu ica (Sousa Rod igues, 2009). Numa p imei a ase, em que se p e ende desen ol e as es a égias de coope ação, os equisi os de ca ga máxima da ae ona e em missão são baixos e, como al, é necessá io desen ol e uma es u u a que enha em conside ação o sis ema de con olo coope a i o, e que sa is aça os equisi os do con ex o do mundo a ual, sendo de ácil manu a u a, de baixo cus o e de u ilização comum. Es e desen ol imen o su ge com uma impo ância i al pa a a condução de a i idades de In es igação e Desen ol imen o (I&D) do CIAFA na á ea do con olo coope a i o. 1.2 Obje i os e Me odologia Numa á ea que se encon a numa e olução cons an e e com bas an e con eúdo já desen ol ido e disponí el, sem qualque ipo de es ições, es a disse ação de mes ado p opõe alida um eículo aé eo, c iada a a és de p ocessos simples, ápidos e não dispendiosos, que sa is aça, em p imei a ins ância, os equisi os do con olo coope a i o. 3 Es es equisi os passam po e um sis ema cons i uído po um pilo o au omá ico, um compu ado de bo do e uma pla a o ma de con olo de posição (como é o caso do Global Posi ion Sys em - GPS). Con udo, p e ê-se, ambém, o cump imen o de obje i os secundá ios como: • Cus o eduzido da es u u a; • Fácil ope ação do modelo, u ilizando pla a o mas in ui i as; • U ilização de equipamen o mínimo de con olo e comunicação en e o modelo e a G ound Con ol S a ion (GCS). A alidação do modelo acon ece não só em e mos eó icos, baseando-se em dou ina e mos ando um possí el esul ado inal, mas ambém em e mos p á icos, eco endo a es es em únel ae odinâmico e ensaios em oo. O modelo é sujei o a es udos compu acionais que comp o am a sua iabilidade, aquando da sua cons ução. A necessidade de alida o modelo em únel ae odinâmico c ia a ca ência de um p o ó ipo à escala de 1/1,25, po o ma a pode se u ilizado nesse mesmo únel. É ainda ab icado um modelo à escala eal com o in ui o de o subme e a ensaios em oo, analisando os dados e i ados desses mesmo ensaios. O p ocesso e mina com a pla a o ma p opos a alidada e com capacidade pa a se um meio de desen ol imen o do con olo coope a i o pa a o CIAFA. 1.3 Ou line da Disse ação A p esen e disse ação es á o ganizada em se e capí ulos p incipais, que dis inguem as se e ases do p oje o e conceção do concei o de ae ona e p opos o ao sis ema de con olo coope a i o. Após se ocada a es u u ação e con ex ualização do p oje o, o segundo capí ulo ap esen a um con ex o eó ico da p oblemá ica salien ando concei os básicos, essenciais pa a a comp eensão do p oje o, expondo alguns modelos que o am omados como e e ência e as opções de ma e iais de cons ução iá eis de se em u ilizados. Seguidamen e, o e cei o capí ulo mos a, a ní el elé ico, oda a a qui e u a que sa is az as capacidades necessá ias pa a cump i o obje i o do p oje o, concluindo com os sis emas essenciais pa a o oo. O capí ulo qua o, po sua ez, explica o desen ol imen o do p ocesso de design concep ual da ae ona e, p opondo um modelo inal alidado a a és de 10 (TOPMODEL, 2017). Em oposição aos modelos p e iamen e e e idos, os componen es ele ónicos des e UAV encon am-se dispe sos ao longo de zonas especí icas das asas, sendo que, apenas o mo o se localiza na zona on al do co po cen al (TOPMODEL, 2017). DATAHawk S anda d Es e modelo de asa oado a, lançado à mão, em um peso de 2,15 kg e uma en e gadu a de 1,164 m no seu modelo S anda d (Ques UAV L d, s.d.). É maio i a iamen e u ilizado pa a mapeamen o de e i ó io, an o na á ea da cons ução, como no se o de minas (Ques UAV L d, s.d.). Con a com duas ba e ias de 11,1 V e 4000 mAh que alimen am um mo o B ushless de 360 W endo ainda uma á ea ala de 47 dm2 (Ques UAV L d, s.d.). À semelhança dos ou os modelos, es e UAV esgua da os seus componen es ele ónicos no co po cen al e o sis ema p opulsi o encon a-se na e agua da, como se pode iden i ica na Figu a 7. Figu a 6 - Bulli EVO (Modellbau Lindinge , s.d.) Figu a 7 - Da aHAWK S anda d (Ques UAV L d, s.d.) 11 Sonicmodell AR. WING Com uma es u u a em EPP, à semelhança do modelo Pa o Disco, e e o ço em ib a de ca bono, como se de e a na Figu a 8, es e modelo de asa oado a con a com uma en e gadu a de 0,9 m e um peso máximo de 0,430 kg (ge p , 2019). É p opulsionado po um mo o B ushless de 2300 K na e agua da da ae ona e e alimen ado po uma ba e ia de 4000 mAh, localizada no co po cen al, jun amen e com os es an es componen es ele ónicos (ge p , 2019). Es e modelo con a com uma á ea ala de 19 dm2, endo uma co da média de 0,208 m. Ma e iais e P ocessos de Fab ico No meio ae onáu ico, a cons ução le e e esis en e é essencial à boa ope ação das ae ona es. A esis ência necessá ia pa a a cons ução de uma ae ona e é de e minada pelo seu ipo de missão, is o se impossí el pa a um único eículo aé eo ope a com as ca a e ís icas necessá ias pa a odo o ipo de missões (U.S. Depa men o T anspo , 2012). Exis em á ios ma e iais disponí eis pa a a cons ução de ae ona es de pequeno po e, como a que se p e ende nes e p oje o. En e os ma e iais possí eis, des acam-se seis que são compa ados segundo a massa especí ica, mé odos de manu a u a, manipulação dos mesmos e p eço-base associado. Expanded Polys y ene - EPS O Polies i eno é um ma e ial e moplás ico e, como al, podem des aca -se ca a e ís icas gené icas como a maleabilidade, a esis ência a a iações de empe a u a e a esis ência a quedas. Den o des a cole ânea de ma e iais, podemos salien a o Polies i eno Expandido (EPS), comumen e denominado de es e o i e, que, Figu a 8 - Sonicmodell AR. WING (ge p , 2019) 12 pelo seu mé odo de ab ico, em uma baixa massa especí ica com alo es en e 9 a 25 kg/m3 (Fib osom, 2018). Es e ma e ial pe mi e uma g ande p ecisão e e sa ilidade, uma ez que di e en es massas especí icas e espessu as possibili am adequa o ma e ial ao obje i o (Fib osom, 2018). O EPS pode se abalhado a a és do co e com io quen e, co e mecânico ou placa moldada (Ti one, 2014). É de e e i que o p imei o mé odo se e ela como o mais in e essan e, de ido ao ac o de o CIAFA possui os meios necessá ios pa a abalha o EPS a a és de máquinas de comando numé ico (CNC), de co e de io quen e ou de maquinação po esado a. Os alo es de comp a des e ipo de ma e iais, a a és da emp esa So ecnisol, po exemplo, ão desde os 0,5 aos 16 eu os po me o quad ado, dependendo do amanho das placas e da espessu a das mesmas (Fib osom, 2018). Ex uded Polys y ene – XPS As placas de XPS, ambém denominada de espuma, êm um ele ado a o de comp essibilidade, is o que as suas células de políme os são 100% echadas, e conseguem se acilmen e co adas e moldadas às necessidades do u ilizado (Remak, s.d.). A sua o ma ígida con e e-lhe uma esis ência ele ada à abso ção de água, bem como boas capacidades ísicas e é micas (Remak, s.d.). Es e ipo de ma e ial pode e alo es de massa especí ica que a iam en e 28 e 45 kg/m3 (Remak, s.d.). O cus o des e ma e ial é semelhan e aos alo es ap esen ados pa a o EPS. Kapa Line O Kapa Line dis ingue-se dos an e io es pelas suas camadas de olha de ca ão b anco que cob em a supe ície supe io e in e io da espuma. Es as camadas p opo cionam um ní el de igidez que con as a com a sua le eza, o nando es e ma e ial uma opção iá el na c iação de passepa ou , aming e ou o ipo de abalhos c ia i os (Kohlschein, 2017). Um g ande a o de in e esse nes e ipo de ma e ial é a sua acilidade de manuseamen o e capacidade com que pode se abalhado, is o que an o o co e como o edimensionamen o podem se ei os com u ensílios simples, al como bis u is. O seu p eço a ia, à semelhança dos an e io es, de aco do com a sua espessu a, po ém, uma placa de 5 mm des e ma e ial pode 13 cus a ce ca de 8 eu os po me o quad ado (AKI, 2020). A sua massa especí ica a ia, ambém, consoan e a espessu a das placas disponibilizadas e, pa a uma placa de 5 mm, pode á onda o alo de 47 kg/m3 (3A Composi es GmbH, 2011). Polyac ic Acid - PLA O políme o PLA4 é cons i uído po moléculas de ácido lá ico, de o igem biológica e de on es na u ais e eciclá eis. Ap esen a p op iedades químicas, como a sua conside á el igidez e p ocessabilidade e moplás ica, e p op iedades biológicas, como a sua biodeg abilidade (Camine o e al., 2019, p. 2). Es e ma e ial é mui o u ilizado em p ocessos de manu a u a adi i a, ambém denominada de imp essão a ês dimensões (3D), que consis e na ep odução ísica de um modelo digi al que pode se c iado a a és de qualque ipo de so wa e de Compu e Aided Design (CAD) ou a é mesmo a a és de scanne s 3D. Após es e p ocedimen o, o so wa e de imp essão (como é o caso do Ul imake Cu a 4.4) con e e o ichei o em á ias camadas, aduzindo-o num documen o de lei u a acessí el pa a a imp esso a 3D (Indus y, 2017). A u ilização da imp essão 3D demons a e an agens como: o encu amen o do ciclo de p odução u ilizando poucas e amen as pa a a manu a u a; o ecu so a menos ma e ial; a edução do empo en e o design e o desen ol imen o do p odu o; e ainda o aumen o da complexidade e de alhe que, a a és de p ocessos de manu a u a adicionais, se o nam di íceis ou a é impossí eis de a ingi (dos San os, 2016, p. 3). A massa especí ica do PLA, na maio ia das suas manu a u as, é de 1240 kg/m3 quando se encon a no seu es ado na u al, não es ando mis u ado com ou os ma e iais como me al ou madei a (Emiliano, 2019). 4 do inglês Polylac ic Acid, é um dos mais comuns bioplás icos u ilizados a ualmen e, com aplicações p á icas p omisso as desde o ab ico de copos de plás ico na indús ia alimen a , passando pela indús ia au omó el e endo a é aplicações na saúde, como é o caso da manu a u a de componen es in eg an es de implan es médicos (Camine o e al., 2019; Ken Giang, s.d.). 14 Madei a Balsa A balsa é um ma e ial celula na u al com ácios de igidez/peso e o ça/peso no á eis e ca a e ís icas de abso ção de ene gia excelen es (Da Sil a & Ky iakides, 2007). Es as qualidades p o êm da sua mic oes u u a, baseada em longas e inas es u u as celula es (Da Sil a & Ky iakides, 2007). A sua mic oes u u a complexa con e e a es e ma e ial esul ados de aniso opia em p op iedades mecânicas segundo as di eções axiais, angenciais e adiais. É, po an o, de e as esis en e na sua di eção axial. Toda ia, nas di eções angenciais e adiais a sua aqueza é no á el (Da Sil a & Ky iakides, 2007). A sua massa especí ica média, quando se encon a seco, é de ce ca de 150 kg/m3 e o seu p eço a ia consoan e a espessu a da placa, con udo, uma placa de 3 mm pode cus a ce ca de 23 eu os po me o quad ado (AKI, s.d.; E. Meie , 2015). Compósi o São conside ados compósi os odos os ma e iais que oco am na u almen e ou ei os pelo homem, que sejam cons i uídos po dois ou mais ma e iais com p op iedades químicas e ísicas signi ica i amen e dis in as, man endo-se sepa ados numa es u u a única (Hu, 2012). Podem se ca ego izados em dois ipos p incipais, sendo o p imei o os compósi os es u u ais, com p op iedades mecânicas no á eis e, o segundo, os compósi os uncionais com dis inção nas p op iedades ísicas, químicas e ele oquímicas (Hu, 2012). Es e ipo de ma e ial em sido u ilizado numa g ande a iedade de equipamen os e p odu os, desde na es espaciais a componen es de ae ona e passando po ma e iais biomédicos e a é mesmo ba e ias (Hu, 2012). Os ma e iais compósi os eque em especi icações mui o p óp ias no que oca ao seu manuseamen o e manu a u a, conside ada algo demo ada, assim como necessi am de ma e ial que se ap esen a como bas an e dispendioso, em compa ação com os sup amencionados. Apesa des as alências se encon a em no CIAFA, es e ma e ial não se ap esen a in e essan e pa a o sucesso des e p oje o, pelas azões sup aci adas. 15 Capí ulo 3 3 Sis emas de Voo A qui e u a do Sis ema Sendo o p opósi o p incipal des e p oje o a elabo ação de uma es u u a que habili e o es udo do con olo coope a i o, iden i ica-se a necessidade de uma a qui e u a de sis ema capaz de da espos a a es a p oblemá ica. Tendo po base o a igo “Design and De elopmen o an Inexpensi e Aqua ic Swa m Robo ics Sys em” (Cos a e al., 2016), e em conco dância com um dos seus au o es, oi possí el iden i ica , pa a o sis ema, as seguin es necessidades: • O sis ema de e e a capacidade de comunica com uma GCS assim como com ou as ae ona es, pa ilhando in o mações de es ado e, se aplicá el, de sis emas de senso es ins alados a bo do. • O sis ema de e se capaz de execu a um oo au ónomo, cump indo com planos de oo p é-p og amados ou seguindo e e ências de con olo ge adas em empo eal, como posição, al i ude e elocidade, p o enien es an o di e amen e da GCS, como de o inas ca egadas a bo do pa a esse e ei o. As espos as des as o inas dependem dos dados p o enien es de on es in e nas, comos os senso es de bo do, ou ex e nas, como é o caso de ou as ae ona es. • O sis ema de e ainda, po uma ques ão de edundância e necessidade de con igu ação inicial de oo, habili a o con olo manual da aje ó ia da ae ona e. Es es equisi os são, de o ma ge al, comuns às p incipais es bed de con olo colabo a i o e e enciadas na li e a u a (Kamine e al., 2004; McLain & Bea d, 2004; Pe ei a e al., 2013; Schmi le e al., 2018). De o ma a sa is aze es es equisi os oi iden i icada a a qui e u a base desc i a na Figu a 9, a a és de um diag ama de blocos. No e-se que a a qui e u a p opos a, apenas iden i ica uma es u u a de componen es base, que cump e com os equisi os iden i icados, sem impo uma de e minada solução no amewo k de so wa e de comando e con olo, ou no sis ema de comunicações. Mi ch Campion, P akash Rangana han e Saleh Fa uque ap esen am no a igo “UAV swa m communica ion and 16 con ol a chi ec u es: a e iew” (2019) uma e isão de alhada de cada uma dessas soluções em pa icula . As ês ligações ep esen adas na Figu a 9 demons am as ês di eções de comunicação com o ex e io que a ae ona e de e possui . A p imei a ligação habili a o modelo da comunicação en e a GCS e a ae ona e a a és dos espe i os ádios de eleme ia. Es e unciona a a és de um p o ocolo MAVLink5, capaci ando, em p imei a ins ância, o en io de in o mações de pa âme os de oo como a posição ela i a, al i ude, elocidade e localização ia GPS do modelo, sendo ainda capaz de en ia pa âme os de ene gia ao longo do oo, pa a uma GCS, de o ma imedia a. No sen ido in e so, pe mi e ao ope ado da GCS en ia comandos de e e ência pa a o modelo, como planos de oo de inidos, al i udes p e endidas ou a é posições especí icas no deco e do oo. A segunda ligação es abelece-se, a a és de uma equência ádio, en e o con olo emo o, p é-p og amado, e o modelo. A in o mação é en iada di e amen e pa a o ece o ádio (RC IN) que, a a és de um codi icado Pulse Posi ion Modula ion (PPM) en ia a in o mação de cada canal pa a o pilo o au omá ico. Es e, po sua ez, ecebe a in o mação e esponde em con o midade. Es a ligação capaci a um pilo o de con ola manualmen e a aje ó ia do modelo a pa i de um ádio comando. A e cei a ligação es abelece-se en e o pilo o au omá ico e o compu ado de bo do. Es e pe mi e o p ocessamen o de in o mações de senso es de bo do, como é 5 Um p o ocolo de mensagens le e, u ilizado na comunicação com d ones e en e componen es do mesmo (D onecode P ojec , s.d.). Figu a 9 - A qui e u a do Sis ema 17 o caso dos senso es in eg ados no pilo o au omá ico ou câma as associadas ao modelo, p oduzindo uma espos a au omá ica segundo algo i mos p é-de inidos. O componen e em ques ão pe mi e ainda a comunicação com os ou os modelos a a és de uma ede sem ios e o en io de comandos pa a o pilo o au omá ico que con ola, po sua ez, os es an es componen es do modelo. A a és des as ês ligações, o na-se possí el possui á ias ae ona es, a oa em simul âneo e a comunica en e si, com capacidade de p ocessamen o su icien e pa a se em conside adas au ónomas, co espondendo ao obje i o do con olo coope a i o. Componen es do Sis ema Es a secção ap esen a de o ma de alhada os componen es selecionados pa a a implemen ação da a qui e u a an e io men e desc i a. Na base da seleção dos componen es expos os de seguida, p ocu ou-se sob e udo conside a a u ilização de componen es já exis en es em s ock nos labo a ó ios do CIAFA, iden i icando, quando al o conside ado pe inen e, uma e en ual al e na i a. Pilo o Au omá ico O Pixhawk é um p oje o de ha dwa e que p ocu a p o idencia um pilo o au omá ico com disponibilidade imedia a, ele ada qualidade e baixo cus o, endo sido c iado pa a in es igações académicas, laze ou comunidades de desen ol imen o (Au e ion, s.d.). Um dos modelos ísicos possí el de se u ilizado é o Pixhawk 4, que ap esen a as dimensões de 44x84x12 mm e uma massa de 15,8 g. Inclui um ece o de GPS (ublox Neo-M8N GPS/GLONASS ecei e ), um ba óme o (MS5611), dois conjun os Ine ial Measu emen Uni (IMU), ICM-20689 e BMI055, cons i uídos, cada um, po um acele óme o iaxial e um gi oscópio de ês eixos, e eque uma ensão elé ica en e 4,75 e 5,25 V (Lo enz Meie , 2018a). De no a que, de ido ao oco da sua conceção se des ina a in es igações de ca iz académicas, es e sis ema con a com uma comunidade bas an e desen ol ida e abe a ao público, o que se e ela pe inen e e ú il pa a o sucesso des e p oje o. 18 Vis o que as dimensões do componen e são um a o c ucial pa a o p esen e p oje o, o na-se ideal a u ilização do pilo o au omá ico Pixhawk 4 Mini, ap esen ado na Figu a 10, que con e e a mesma uncionalidade do modelo an e io , di e indo apenas nas dimensões e cone o es do disposi i o. Es e no o disposi i o pode se ob ido pelo mesmo p eço e mos a-se como a opção ideal pa a o p oje o e e ido (Lo enz Meie , 2018b). Na comp a des e modelo pode se incluído um conjun o de componen es do mesmo ab ican e como o espe i o módulo GPS e a Powe Managemen Boa d (PMB). Na e en ualidade de se que e eduzi o amanho do modelo, pode se ido em conside ação o Kes el Au opilo , um pilo o au omá ico, a ualmen e ab icado pela emp esa Lockheed Ma in (Lockheed Ma in Co po a ion, 2017). Es e modelo consegue i a pa ido do seu amanho eduzido, sem sac i ica , de o ma alguma, as suas capacidades, in eg ando odos os senso es de oo e in e aces de comunicação numa pla a o ma ex emamen e pequena, compa á el com o amanho de uma moeda (Lockheed Ma in Co po a ion, 2017). Figu a 10 - Pixhawk 4 Mini (PX4 De Team, 2019) 19 Módulo GPS O módulo GPS p esen e na Figu a 11, associado ao pilo o au omá ico Pixhawk 4 Mini, é o Ubox Neo-M8N e inclui, no seu in e io , o magne óme o IST8310 (Holyb o, 2018). Compu ado de Bo do Rela i amen e ao compu ado de bo do a se u ilizado nes e p oje o, podem se conside ados á ios modelos como o NVIDIA TX2, o Od oid XU4 ou a é o In e l Edison (D oneblog, 2017). Con udo, a capacidade de p ocessamen o necessá ia pa a o desen ol imen o do con olo coope a i o, a acilidade de acesso ao componen e e a u ilização em sis emas semelhan es ao p e endido, como no a igo “Design and De elopmen o na Inexpensi e Aqua ic Swa m Robo ics Sys em” (Cos a e al., 2016), le ou à escolha do Raspbe y Pi 3 Model B+. O Raspbe y Pi é um compu ado de baixo cus o, de dimensões simila es às de um ca ão de c édi o, que se liga a um moni o ou TV, con olá el com um a o e eclado comuns. Es e disposi i o pe mi e ap ende a p og ama em linguagens como Sc a ch e Py hon. Pa a além disso, o Raspbe y Pi em a capacidade de in e agi com o mundo ex e io , podendo se u ilizado pa a á ios p oje os, desde máquinas de música, a de e o es de pessoas ou a é es ações me eo ológicas (Raspbe y Pi, s.d.). Figu a 11 - Módulo GPS 26 In e ligação en e Componen es As conexões que sa is azem as necessidades do sis ema encon am-se desc i as no esquema do Anexo A, onde são ap esen ados, ambém, os espe i os Pin Ou s do pilo o au omá ico, is o se es e o elemen o que unciona como elo de ligação en e os componen es e e idos. É ainda ap esen ada uma demons ação das conexões ei as no modelo inal. Dimensionamen o do Sis ema A Tabela 1 sin e iza a massa de odos os componen es, o seu consumo quando aplicá el, o seu cus o e as dimensões dos elemen os cujas p opo ções se ap esen am como essenciais pa a o dimensionamen o do modelo. A ba e ia conside ada no desen ol imen o do p oje o oi a Lion Powe , is o se a que se encon a a ualmen e disponí el no CIAFA. Tabela 1 - Sín ese de Massa e Dimensões dos Equipamen os SISTEMA DIMENSÕES (MM) MASSA (G) CONSUMO (A) CUSTO (€) PX4 MINI (LORENZ MEIER, 2018B) 38x55x15,5 37,8 * 200 GPS (HOLYBRO, 2018) 50 (diâme o) 31 * PMB N/A 36 * RASPBERRY PI (RASPBERRY PI, S.D.) 85x56x17 41 0,95 35 MOTOR + HÉLICE N/A 78 ** 10 VARIADOR N/A 39 ** 13 BATERIA (GEARBEST, S.D.) 138x37x27 270 N/A 20 SERVO (NETTIGO, S.D.) N/A 9 0,550 4 RC IN N/A 7 * N/A TELEMETRIA N/A 29 * 20 Os alo es de consumo ma cados com um as e isco (*) não se encon am de alhados na bibliog a ia dos espe i os sis emas. Assim sendo, op ou-se como alo 27 de consumo o al des es componen es, suge ido segundo a expe iência adqui ida dos elemen os do CIAFA, 1 A, como e e ido no pon o 4.6. O alo de consumo ma cado com dois as e iscos (**) depende das ca a e ís icas da ae ona e inal. Des e modo, es e alo ai se apenas es imado na secção 4.6. Os alo es de cus o ap esen ados esul am de uma média dos alo es encon ados pa a a comp a des es p odu os on-line. 28 29 Capí ulo 4 4 Design Concep ual Es e capí ulo e a a o p ocesso de desen ol imen o do modelo, jus i ica as opções omadas e ap esen a a ae ona e inal jun amen e com a análise dos alo es compu acionais de ae odinâmica e es abilidade da mesma. Velocidades Reque idas Pa a além dos componen es e e idos, conside ou-se ainda, como equisi os ope acionais, que es a ae ona e ope asse com uma elocidade de c uzei o de 15 m/s e uma elocidade de pe da abaixo dos 9 m/s. É ainda de e e i que es as conside ações su gi am de uma análise conjun a de alo es pad ão dos modelos de e e ência e alguns es es ealizados a a és do p og ama XFLR5, endo po base modelos como o e e ido no pon o 4.5.2. Conside ando o p ocesso de cons ução de uma ae ona e um p ocesso i e a i o, de e-se e em con a que os alo es inais do p oje o podem se al e ados, po o ma a cump i odos os equisi os do sis ema de con olo coope a i o. Seleção de Con igu ação Pa a de e mina o ipo de design es u u al da ae ona e, oi u ilizado o mé odo Analy ic Hie a chy P ocess (AHP) desen ol ido po Thomas Saa y (2008). O mé odo em ques ão demons ou-se bem sucedido no design concep ual de ae ona es (Fe ei a, 2019; F anco, 2018; Mo ei a e al., 2013). Aplicado nes e con ex o, o AHP p essupõe a compa ação de á ias con igu ações de ae ona es, a a és da a ibuição de ponde ações a cada pa âme o a aliado. A compa ação é ei a com base num a ibu o ixo, que se á de e minado consoan e o c i é io em ques ão. Os pa âme os a aliados, conside ando o p opósi o do p oje o, o am: Complexidade de Cons ução e Cus o Conside ando que o p opósi o des e p oje o é um UAV de ápida cons ução e baixo cus o, a ibuiu-se um peso de 30% a es e pa âme o. Es ando os pa âme os complexidade de cons ução e cus o in e ligados, numa elação di e amen e p opo cional, op ou-se pela ag egação dos dois, num único. 30 Tendo em con a os modelos ap esen ados, de e minou-se que a cons ução de uma única supe ície de sus en ação se ia co ada com o alo de 10 , a cons ução de duas supe ícies de sus en ação e ia a co ação de 7,5 e a cons ução de ês supe ícies de sus en ação se ia co ada com 5 . Dis inguiu-se, ainda, o modelo V- ail do con encional is o que o p imei o é de cons ução mais simples que a con igu ação con encional e, consequen emen e, meno cus o, oi-lhe a ibuído uma co ação de 8,5. Massa Sendo que a massa dos equipamen os pa a o con olo e missão já es á de inida, é a a iação da massa es u u al que az aumen a ou diminui a massa o al da ae ona e. Como o obje i o do p oje o p e ê uma ae ona e pequena, é ele an e op a po soluções le es. Pa a além dis o, é necessá io e em con a que, quan o mais le e o a es u u a, meno se á o impulso necessá io (𝑇𝑇𝑟𝑟) pa a sus en a a si uação de oo e a espe i a po ência necessá ia (𝑃𝑃𝑟𝑟). Es a di e ença acon ece, p incipalmen e, a baixas elocidades (nomeadamen e nas que se enquad am den o do concei o des e p oje o). A Figu a 21 mos a que, pa a as mesmas condições de oo, e pa a a mesma ae ona e, con o me alo es desc i os em Ai plane Da a, a a iação do seu peso, ep esen ado po W, em lbs, az com que a cu a da po ência necessá ia a ie. Assim, pa a um peso maio , es a cu a ap esen a alo es mais ele ados de po ência eque ida. Um exemplo des a di e ença, p ende-se na compa ação do alo mínimo Figu a 21 - E ei o da Massa em 𝑃𝑃𝑟𝑟 (Hu J ., 1965) 31 de po ência eque ida que, pa a a ae ona e com peso supe io , é maio e oco e a elocidade supe io . Foi a ibuído ao c i é io massa uma conside ação de 30% e es abelecido que odas as es u u as, pa a além da Asa Voado a, se iam co adas de 7,5 e que a es u u a mais le e, is o é, a Asa Voado a, se ia co ada de 10. Qualidade de Voo – Es abilidade e Con olo Es e pa âme o engloba dois ní eis di e en es, mas que se elacionam de o ma di e amen e p opo cional: a es abilidade e o con olo. Uma ez que não se conside am ca a e ís icas de ex ema ele ância pa a o sucesso do p oje o, es e pa âme o ap esen a uma signi icância de 10%. Nes e pa âme o alo iza-se a es abilidade es á ica e dinâmica e o con olo independen e pa a cada eixo (p o undidade, p anchamen o e di eção) de cada con igu ação. Assim sendo, a designs es u u ais que p essupõem con olo independen e dos ês eixos e mais es á eis, oi a ibuída a co ação de 10 e a designs com con olo independen e de dois eixos e menos es á eis oi a ibuída uma co ação de 7,5. Facilidade de Lançamen o Manual Uma ez que a ae ona e a desen ol e em como obje i o p incipal in es iga e desen ol e mé odos de con olo coope a i o, p e ê-se uma u ilização de á ios modelos idên icos em simul âneo. Des e modo, o seu p ocesso de lançamen o, pa a além de manual, de e á se simples e ápido. Sendo que es e pa âme o assume, nes e sen ido, alguma ele ância, oi-lhe a ibuído um peso de 30%. O c i é io a alia a capacidade da es u u a em con ola a picada e o p anchamen o, aquando do seu lançamen o. Assim, modelos com o con olo de p o undidade mui o p óximo do cen o de g a idade (como é o caso da Asa Voado a), êm meno con olo de picada. Des e modo, o modelo de Asa Voado a assume o alo de 7, em con apa ida os modelos Con encional e Cana d ap esen am o alo de 10 e os es an es de 8. 32 Tabela 2 - Analy ic Hie a chy P ocess Pa âme o Peso V-Tail Con encional Cana d T ês Supe ícies Asa Voado a Complexidade de Cons ução e Cus o 30% 8,50 7,50 7,50 5,00 10,00 Massa 30% 7,50 7,50 7,50 7,50 10,00 Qualidade de Voo 10% 10,00 10,00 10,00 10,00 7,50 Facilidade de Lançamen o Manual 30% 8,00 10,00 10,00 8,00 7,00 To al 100% 8,20 8,50 8,50 7,15 8,85 A Tabela 2 ap esen a uma sín ese do sup amencionado, po o ma a compa a o alo inal des a a aliação, concluindo assim que o modelo a se u ilizado pa a o desen ol imen o des e p oje o se á o de Asa Voado a. Pon o de P oje o Tendo em conside ação que o design es u u al de asa oado a em apenas duas supe ícies de con olo, se ão necessá ios dois se o-mo o es pa a e e ua o con olo do modelo. Assim sendo, e u ilizando os dados desc i os na Tabela 1, a massa o al dos componen es ele ónicos é de ce ca de 0,6 kg. Conside ando, segundo p opos a dos elemen os do CIAFA, de i ado da sua expe iência com es e ipo de modelos, que a es u u a i á assumi a mesma massa, a inge-se o alo de massa o al da ae ona e de ce ca de 1,2 kg. 33 A es u u a, apesa de simples, e á um co po cen al mais e o çado pa a ins alação dos componen es ele ónicos, ao qual es a á acoplado o es o da asa oado a. Assim sendo, pa a e ei os de compa ação com o p opósi o do p oje o, o am u ilizados apenas os modelos com design es u u al de asa oado a nomeadamen e: Pa o Disco, AR. Wing, Skywalke X8, Bulli E o e DATAHawk S anda d. Re o çando alguns equisi os de oo, em-se como elocidade c uzei o 15 m/s, e como elocidade de pe da 9 m/s. Conside a-se, ambém, o alo de coe icien e de sus en ação máximo (𝐶𝐶𝐿𝐿 𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚) e o alo de coe icien e de esis ência pa asi a (𝐶𝐶𝐷𝐷0) de 0,9 e 0,008 espe i amen e, alo es es es que esul a am de um balanço de á ias expe iências compu acionais no p og ama XFLR5, como as e e idas nas secções 4.4 e 4.5.2 des a disse ação e po úl imo, um alongamen o (AR6) en e 2,5 e 3,5 pa a oa a uma al i ude c uzei o de 1000 . Po o ma a undamen a , eo icamen e, o pon o de desen ol imen o do p oje o, o am a aliados os pa âme os de ca ga ala e powe loading. Es es pa âme os o am calculados de o ma analí ica, endo em conside ação os equisi os do p oje o. No caso da ca ga ala , os alo es ob idos o am compa ados com a média dos modelos de e e ência pe inen es. Ca ga Ala Analí ica A ca ga ala é ob ida a a és da elação en e o peso da ae ona e e a á ea ala da mesma. Com o in ui o de espei a os equisi os ope acionais, p ocedeu-se à a aliação da ca ga ala pa a a elocidade de pe da e a ca ga ala pa a máxima au onomia, a a és das equações 4.1 e 4.2 (Co da, 2017). 4.3.1.1 Velocidade de Pe da 𝑊𝑊 𝑆𝑆= 1 2𝜌𝜌𝑉𝑉𝑆𝑆2𝐶𝐶𝐿𝐿𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 (4.1) 6 Do inglês Aspec Ra io. 34 4.3.1.2 Máxima Au onomia 𝑊𝑊 𝑆𝑆=1 2𝜌𝜌𝑉𝑉2�3𝐶𝐶𝐷𝐷0 𝑘𝑘 (4.2) Sendo: 𝑊𝑊 = peso da ae ona e 𝑆𝑆 = á ea ala 𝜌𝜌 = massa especí ica do a à al i ude de c uzei o 𝑉𝑉𝑆𝑆 = elocidade de pe da 𝑉𝑉 = elocidade c uzei o Fo am u ilizados, pa a o cálculo da ca ga ala pa a a condição de elocidade de pe da, os seguin es alo es: massa especí ica do a a uma al i ude de 1000 , (304,5 m) de 1,19 kg/m3; elocidade de pe da de 9 m/s e coe icien e de sus en ação máximo de 0,9. A a és da equação 4.1 ob e e-se o alo de ca ga ala pa a a elocidade de pe da de ap oximadamen e 43,38 N/m2. Pa a máxima au onomia conside ou-se, pa a além dos alo es já e e idos, o alo de k, ob ido a a és da equação 4.3 (Rayme , 1992). 𝑘𝑘= 1 𝜋𝜋𝜋𝜋𝑅𝑅ℯ (4.3) 𝜋𝜋≈3,1415 𝜋𝜋𝑅𝑅 = alongamen o ℯ = a o de Oswald 𝜋𝜋𝑅𝑅= 𝑏𝑏2 𝑆𝑆 (4.4) 𝑏𝑏 = en e gadu a da asa O a o de Oswald pode se es imado a a és da equação 4.5 is o que, apesa de o modelo se a a de uma asa oado a, es ima-se a u ilização de um ângulo de en lechamen o de ce ca de 23º (meno que 30º) p e is os segundo a compa ação dos modelos de e e ência sup amencionados (Böhnke e al., 2011). ℯ= 1,78 (1−0,045𝜋𝜋𝑅𝑅0,68)−0,64 (4.5) 35 Tendo em conside ação os modelos de e e ência u ilizados, os mais ap op iados pa a o obje i o do p oje o são os sup amencionados: Bulli E o e Da aHawk S anda d. Compa a i amen e aos es an es, e pa a um peso p óximo do p e endido, es es êm uma en e gadu a meno e uma co da maio , esul ando num alongamen o meno . Des a o ma, a a és de um p ocesso i e a i o, ca a e ís ico de um p oje o concep ual de ae ona es, e u ilizando as simulações compu acionais ei as, nes a ase do p oje o oi es imada uma asa com 1 m de en e gadu a e co da média de 0,4 m. Pa a es a asa, ob ém-se um alongamen o de 2,5, um a o de Oswald de ap oximadamen e 0,991 (con o me a equação 4.5) e um pa âme o k de 0,129. Assim, pa a máxima au onomia, o alo de ca ga ala ob ido segundo a equação 4.2 é ap oximadamen e 57,85 N/m2. Ca ga Ala Modelos de Re e ência Reco endo às imagens disponí eis dos modelos de e e ência e endo em conside ação as limi ações e os e os associados a es e mé odo, oi possí el de e mina a en e gadu a e o comp imen o das co das máxima e mínima de cada modelo e po conseguin e, a ingi a co da média e calcula a á ea ala segundo as ó mulas 4.6 e 4.7 (Johnson, 2003). É ainda de e e i que os modelos ap esen am en lechamen o pelo que a u ilização da segunda ó mula em um e o associado. 𝑐𝑐�= 𝑐𝑐 𝑟𝑟 + 𝑐𝑐 𝑡𝑡 2 (4.6) 𝑆𝑆=𝑏𝑏 × 𝑐𝑐 (4.7) Conside ando: 𝑐𝑐 = co da média 𝑐𝑐𝑟𝑟 = co da na aiz da asa 𝑐𝑐𝑡𝑡 = co da na pon a da asa A a és dos dados ob idos, é possí el calcula o alo de ca ga ala médio dos modelos de e e ência. 42 • coe icien e de sus en ação ele ado a ês meios sob e coe icien e de esis ência (𝐶𝐶𝐿𝐿32 𝐶𝐶𝐷𝐷) e sus ângulo de a aque (𝛼𝛼), pa âme o associado à po ência mínima necessá ia pa a o oo de ní el, com o obje i o de de e mina o seu alo máximo e espe i o ângulo de a aque. Na Tabela 6 ap esen am-se os alo es máximos de cada pa âme o, assim como o espe i o ângulo de a aque. Tabela 6 - Valo es da Análise em XFLR5 pa a os 4 Pe is Au o Es á eis Pe is 𝐶𝐶𝐿𝐿 𝑚𝑚𝑎𝑎𝑥𝑥 𝛼𝛼 𝑝𝑝𝑒𝑒𝑟𝑟𝑝𝑝𝑎𝑎 𝐶𝐶𝐿𝐿 𝐶𝐶𝐷𝐷 𝑚𝑚𝑎𝑎𝑥𝑥 𝛼𝛼 𝑝𝑝𝑎𝑎𝑟𝑟𝑎𝑎 𝐶𝐶𝐿𝐿 𝐶𝐶𝐷𝐷 𝑚𝑚𝑎𝑎𝑥𝑥 𝐶𝐶𝐿𝐿 3 2 𝐶𝐶𝐷𝐷 𝑚𝑚𝑎𝑎𝑥𝑥 𝛼𝛼 𝑝𝑝𝑎𝑎𝑟𝑟𝑎𝑎 𝐶𝐶𝐿𝐿 3 2 𝐶𝐶𝐷𝐷 𝑚𝑚𝑎𝑎𝑥𝑥 MH60 1,23 12º 78,39 6º 73,26 8º MH61 1,01 10º 79,41 6º 68,91 6º MH62 1,13 11º 75,50 6º 67,38 7º MH64 1,06 10º 74,80 5º 64,70 7º A a és da Figu a 23 é possí el deduzi que os pe is ap esen am um compo amen o bas an e simila a é ao ângulo de a aque de ce ca de 6º, onde se começam a no a di e enças acen uadas. O pe il MH60 acaba po a ingi alo es de 𝐶𝐶𝐿𝐿 mais ele ados e um ângulo de a aque de pe da (ângulo co esponden e ao 𝐶𝐶𝐿𝐿𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚) mais ele ado (12º), em compa ação com os ou os pe is. -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 -10 -5 0 5 10 15 20 MH60 MH61 MH62 MH64 𝑪𝑪𝑳𝑳 𝜶𝜶[º] Figu a 23 - Coe icien e de sus en ação s al a pa a Re=400000 - Pe is Ala es 43 Na Figu a 24 é possí el cons a a que o pe il MH60 comp eende alo es mais ele ados de e iciência ae odinâmica, du an e um in e alo maio . Apesa da e iciência ae odinâmica máxima mais ele ada se a ingida pelo pe il MH61, es e não é ep esen a i o do compo amen o global po pa e des e pe il, uma ez que decai apidamen e após o pico. Assim, pode dize -se que o pe il MH60 é o que ap esen a, numa pe spe i a global, maio es alo es de e iciência ae odinâmica �𝐿𝐿𝐷𝐷�. A Figu a 25 ap esen a o pa âme o 𝐶𝐶𝐿𝐿32 𝐶𝐶𝐷𝐷 associado à po ência necessá ia pa a oo de ní el. A au onomia máxima de uma ae ona e com sis ema p opulsi o elé ico a hélice, alimen ado po ba e ias, ob ém-se quando es e pa âme o é máximo (Heppe le, 2012). É o pe il MH60 que ap esen a no amen e o alo mais ele ado des e pa âme o, su gindo a 8º de ângulo de a aque. Figu a 24 - 𝑪𝑪𝑳𝑳 𝑪𝑪𝑫𝑫 s al a pa a Re=400000 - Pe is Ala es -40 -20 0 20 40 60 80 100 -10 -5 0 5 10 15 20 MH60 MH61 MH62 MH64 𝜶𝜶[º] 𝑪𝑪𝑳𝑳 𝑪𝑪𝑫𝑫 -40 -20 0 20 40 60 80 -10 -5 0 5 10 15 20 MH60 MH61 MH62 MH64 𝑪𝑪𝑳𝑳𝟑𝟑𝟐𝟐 𝑪𝑪𝑫𝑫 𝜶𝜶[º] Figu a 25 - Pa âme o 𝑪𝑪𝑳𝑳𝟑𝟑𝟐𝟐 𝑪𝑪𝑫𝑫 s al a Re=400000 - Pe is Ala es 44 Po odas es as azões, o pe il a u iliza na conceção des e p oje o se á o MH60. O design es u u al da ae ona e p e ê, à semelhança dos modelos ap esen ados, um co po cen al com os componen es ele ónicos. Des e modo oi ainda necessá io encon a um pe il ala que osse espesso o su icien e, capaz de cump i os equisi os de espaço ocupado po es es componen es. O pe il ado ado oi o NACA 0018, um pe il simé ico e com alo máximo de espessu a de 18% da co da. Es e pe il su giu po p opos a do CIAFA, is o se um pe il simé ico e simples. Modelo Final Dimensões em XFLR5 Inicialmen e, o modelo oi desenhado e analisado no p og ama XFLR5 com as especi icações e e idas na Tabela 7. O alo de O se ap esen ado e e e-se à dis ância da co da da secção ao eixo do bo do de a aque do cen o do modelo. Tabela 7 - Valo es de Re e ência do Modelo Final Dis ância ao Cen o (mm) Co da (mm) O se (mm) Pe il Ala 0,0 445 0 NACA 0018 94 425 20 NACA 0018 188 400 58 MH60 10,08% 500 300 248 MH60 10,08% Es e modelo é cons i uído po 3 secções de cada lado da asa, em que a p imei a des as cons i ui pa e do co po cen al, a segunda o local de ansição do pe il ala NACA 0018 pa a o pe il au o es á el, e a e cei a o componen e p incipal da asa e esponsá el pela o ça de sus en ação, onde se localizam as supe ícies de con olo. Assim, o modelo ap esen ado em um AR de 2,65, com á ea ala ap oximada de 0,38 m2, ao que co esponde um alo de ca ga ala , conside ando a acele ação g a í ica de 9,81 m/s2, de 30,98 N/m2, como de e minado no Pon o de P oje o. 45 A Figu a 26 mos a o modelo desen ol ido, em que é possí el iden i ica a a iação de pe is ala es ao longo da asa e a lecha. O en lechamen o ap esen a-se como um a o essencial pa a o con olo de p o undidade da ae ona e e pa a a melho ia da sua es abilidade. Nes e caso, op ou- se po uma lecha de 23º, ob ida de uma ponde ação dos modelos u ilizados como e e ência. O a ilamen o, con udo, su ge com um p opósi o me amen e es é ico. Análise em XFLR5 - Ae odinâmica Numa p imei a abo dagem, o modelo oi simulado pa a condições de sus en ação ixa (com o peso de inido), com elocidade a iá el, com a iação de ângulo de a aque en e -5º e 20º, em inc emen os de 1º. A asa oi modelada em painéis 3D iscosos. Quan o à análise a a és de painéis 3D, é ainda de e e i que o p og ama se baseia numa in e polação a 2 dimensões (2D) da esis ência iscosa, a pa i da sus en ação local da asa, azendo com que a es ima i a de esis ência iscosa seja in e p e ada, no máximo, como uma o dem de g andeza. Pa a além disso, o modelo de ansição do egime lamina pa a o u bulen o não con empla e ei os de luxo de a c uzado, o que p o oca uma subes imação dos alo es de esis ência o al e uma sob es imação de ou os alo es de desempenho (Depe ois, 2019). Ainda assim, a a aliação oi ei a po o ma a que o modelo de escoamen o osse o mais p óximo possí el do eal. Figu a 26 - Modelo da Ae ona e em XFLR5 46 Nes a p imei a abo dagem, pa a os alo es de elocidade ho izon al (𝑉𝑉) e o ça necessá ia (𝑇𝑇𝑟𝑟) ap esen a-se a Figu a 27. Na Figu a 27 pode obse a -se a a iação da o ça necessá ia em unção da elocidade de oo, sendo que o alo de impulso mínimo necessá io pa a o oo des a ae ona e co esponde a uma elocidade de ap oximadamen e 15,24 m/s. Numa segunda ase, oi u ilizado o alo mínimo da ap eciação ei a, a a és de sus en ação ixa, pa a a simulação em condições de elocidade ixa (15 m/s). Conside ou-se ambém o peso de inido e a iação de ângulo de a aque, à semelhança da an e io , en e -5º e 20º, em inc emen os de 1º. Nes a segunda simulação o am analisados os coe icien es de sus en ação, esis ência e momen o de picada, guinada e olamen o. A Figu a 28 mos a a elação en e o coe icien e de sus en ação 𝐶𝐶𝐿𝐿 e o alo de ângulo de a aque 𝛼𝛼 do modelo eal segundo o p og ama XFLR5. A linha de endência ep esen ada nes a igu a elaciona os dois pa âme os a a és da equação 𝑦𝑦 = 0,0522𝑥𝑥 + 0,0277. Assim, pode a i ma -se que a axa de a iação do coe icien e de sus en ação com o ângulo de a aque é de 0,0522. 0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20 1.40 1.60 1.80 0 5 10 15 20 25 𝑻𝑻𝒓𝒓[N] 𝑽𝑽[m/s] Figu a 27 - Impulso Necessá io - XFLR5 47 O coe icien e de sus en ação máximo é 1,04, oco endo pa a o ângulo de a aque de 20º. É de salien a que, de ido às limi ações do p og ama XFLR5 em escoamen os com ângulos de a aque ele ados, nomeadamen e, na iden i icação da sepa ação do escoamen o, o alo de coe icien e máximo e espe i o ângulo de a aque são apenas indica i os. A Figu a 29 mos a a elação en e o coe icien e de esis ência 𝐶𝐶𝐷𝐷 e o coe icien e de sus en ação 𝐶𝐶𝐿𝐿. O alo mínimo des a elação co esponde a um coe icien e de esis ência de ap oximadamen e 0,008 (𝐶𝐶𝐷𝐷0). y = 0.0522x + 0.0277 -0.60 -0.40 -0.20 0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20 -10 -5 0 5 10 15 20 25 𝑪𝑪𝑳𝑳 𝜶𝜶[º] Figu a 28 - Coe icien e de Sus en ação - XFLR5 -0.60 -0.40 -0.20 0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20 0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14 0.16 𝑪𝑪𝑳𝑳 𝑪𝑪𝑫𝑫 Figu a 29 - 𝑪𝑪𝑳𝑳 s 𝑪𝑪𝑫𝑫 - XFLR5 48 A Figu a 30, po sua ez, mos a a elação en e a e iciência ae odinâmica 𝐿𝐿𝐷𝐷, di e amen e p opo cional à elação en e os coe icien es de sus en ação e de esis ência do modelo, e o seu ângulo de a aque. A e iciência ae odinâmica máxima oco e a um 𝛼𝛼 de 4º e co esponde a 16,57. A Figu a 31 ap esen a a elação en e o pa âme o 𝐶𝐶𝐿𝐿32 𝐶𝐶𝐷𝐷 e o ângulo 𝛼𝛼. A a és da análise des e g á ico é possí el a i ma que o alo de máxima au onomia do modelo oco e a um ângulo de a aque de 7,5º. Pa a es e ângulo, o 𝐶𝐶𝐿𝐿 equi ale a ap oximadamen e 0,432. -20.00 -15.00 -10.00 -5.00 0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 -10 -5 0 5 10 15 20 25 𝑪𝑪𝑳𝑳 𝑪𝑪𝑫𝑫 𝜶𝜶[º] Figu a 30 - E iciência Ae odinâmica - XFLR5 0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 9.00 10.00 -5 0 5 10 15 20 25 𝑪𝑪𝑳𝑳𝟑𝟑𝟐𝟐 𝑪𝑪𝑫𝑫 𝜶𝜶[º] Figu a 31 - Pa âme o 𝑪𝑪𝑳𝑳𝟑𝟑𝟐𝟐 𝑪𝑪𝑫𝑫 s 𝛼𝛼 - XFLR5 49 Em e mos ae odinâmicos, a análise compu acional des e modelo pode se sin e izada des acando os alo es de in e esse p esen es na Tabela 8 e Tabela 9, sendo que a p imei a sin e iza a simulação a sus en ação ixa e a segunda a simulação a elocidade ixa. Tabela 8 - Resumo de Análise Ae odinâmica do Modelo em XFLR5 - Sus en ação Fixa 𝑇𝑇𝑟𝑟𝑚𝑚𝑠𝑠𝑠𝑠 [N] 𝑉𝑉𝑚𝑚 𝑝𝑝𝑎𝑎𝑟𝑟𝑎𝑎 𝑇𝑇𝑟𝑟 𝑚𝑚𝑠𝑠𝑠𝑠 [m/s] 0,72 15,24 Tabela 9 - Resumo de Análise Ae odinâmica do Modelo em XFLR5 - Velocidade Fixa 𝐶𝐶𝐿𝐿𝑚𝑚𝑎𝑎𝑥𝑥 𝛼𝛼 𝑝𝑝𝑎𝑎𝑟𝑟𝑎𝑎 𝐶𝐶𝐿𝐿 𝑚𝑚𝑎𝑎𝑥𝑥 𝐶𝐶𝐿𝐿 𝐶𝐶𝐷𝐷 𝑚𝑚𝑎𝑎𝑥𝑥 𝛼𝛼 𝑝𝑝𝑎𝑎𝑟𝑟𝑎𝑎 𝐶𝐶𝑙𝑙 𝐶𝐶𝐷𝐷 𝑚𝑚𝑎𝑎𝑥𝑥 𝐶𝐶𝐿𝐿 3 2 𝐶𝐶𝐷𝐷𝑚𝑚𝑎𝑎𝑥𝑥 𝛼𝛼 𝑝𝑝𝑎𝑎𝑟𝑟𝑎𝑎 𝐶𝐶𝐿𝐿 3 2 𝐶𝐶𝐷𝐷𝑚𝑚𝑎𝑎𝑥𝑥 𝐶𝐶𝐷𝐷0 1,04 20º 16,57 4º 9,40 7,5º 0,008 Análise em XFLR5 – Es abilidade A análise de es abilidade omou em conside ação a localização do pon o neu o9 (NP), po o ma a se de e minado o cen o de g a idade (CG) do modelo. No caso de uma asa oado a, o NP é coinciden e com o cen o ae odinâmico 10 (AC) e localiza-se ap oximadamen e a 25% da co da média ae odinâmica11 (MAC), que é possí el calcula a a és da equação 4.14 (Vogel anz, 2016). 𝑀𝑀𝜋𝜋𝐶𝐶=2 𝑆𝑆�𝑐𝑐2𝑝𝑝𝑦𝑦 𝑏𝑏 2 0 (4.14) Sendo: 𝑐𝑐 = co da da secção Vis o que es e modelo se di ide em 3 secções de cada lado da asa, oi u ilizada a exp essão 4.15, aplicá el a asas com o ma em apézio, pa a de e mina , pa a cada secção, o alo da co da média (Vogel anz, 2016). 9 Do inglês Neu al Poin . 10 Do Inglês Ae odynamic Cen e , ep esen a o local onde o coe icien e de momen o é cons an e, não a iando com o ângulo de a aque (N. Hall, 2015). 11 Do inglês Mean Ae odynamic Cho d. 50 𝑐𝑐𝑛𝑛= 2 3×𝑐𝑐𝑛𝑛×� 1 + 𝜆𝜆+𝜆𝜆2 1 + 𝜆𝜆� (4.15) Sendo: 𝑐𝑐𝑛𝑛= co da média na secção n 𝑐𝑐𝑛𝑛= co da em n (início da secção) λ= a ilamen o 𝜆𝜆= 𝑐𝑐 𝑛𝑛+1 𝑐𝑐𝑛𝑛 (4.16) Sendo: 𝑐𝑐𝑛𝑛+1= co da em n+1 ( im da secção) A MAC pode en ão se calculada a a és da equação 4.17 (Vogel anz, 2016). 𝑀𝑀𝜋𝜋𝐶𝐶= ∑ 𝑐𝑐  𝑠𝑠 ×𝑆𝑆 𝑛𝑛𝑛𝑛=1,3 ∑𝑆𝑆𝑛𝑛𝑛𝑛=1,3 (4.17) É ainda possí el de e mina a localização exa a des a co da quan o à dis ância ao cen o ao longo da en e gadu a (y) e dis ância ao bo do de a aque (x), a a és das equações 4.18 e 4.19 espe i amen e. 𝑌𝑌𝑀𝑀𝑀𝑀𝐶𝐶= ∑𝑦𝑦� 𝑛𝑛 ×𝑆𝑆 𝑠𝑠𝑠𝑠=1,3 ∑𝑆𝑆𝑠𝑠𝑠𝑠=1,3 (4.18) 𝑋𝑋𝑀𝑀𝑀𝑀𝐶𝐶= ∑𝑥𝑥� 𝑛𝑛 ×𝑆𝑆 𝑠𝑠𝑠𝑠=1,3 ∑𝑆𝑆𝑠𝑠𝑠𝑠=1,3 (4.19) Sendo que a posição de cn em cada secção pode se de e minada segundo as equações 4.20 e 4.21 (Vogel anz, 2016). 𝑦𝑦�𝑛𝑛=𝑦𝑦𝑛𝑛+(𝑦𝑦𝑛𝑛+1−𝑦𝑦𝑛𝑛)×� 1 + 2𝜆𝜆 3 + 3𝜆𝜆� (4.20) 𝑥𝑥𝑛𝑛=𝑥𝑥𝑛𝑛+(𝑥𝑥𝑛𝑛+1−𝑥𝑥𝑛𝑛)×� 1 + 2𝜆𝜆 3+3𝜆𝜆� (4.21) É ainda de salien a que a á ea de cada secção pode se calculada a a és da equação 4.22. 𝑆𝑆𝑛𝑛= 𝑐𝑐 𝑠𝑠+1 +𝑐𝑐 𝑠𝑠 2×�𝑦𝑦𝑠𝑠+1 −𝑦𝑦𝑠𝑠� (4.22) Des a o ma, o alo de MAC co esponde à co da do modelo a uma dis ância de ce ca de 0,234 m do cen o (𝑌𝑌𝑀𝑀𝑀𝑀𝐶𝐶), que, pa a o modelo ap esen ado, é de 0,383 m. 51 Ainda de e e i que a MAC localiza-se a uma dis ância do bo do de a aque de 0,096 m (𝑋𝑋𝑀𝑀𝑀𝑀𝐶𝐶). Vis o que é possí el de e mina uma ap oximação da posição de AC em ce ca de 25% do alo da MAC, no cen o do modelo, a dis ância do AC ao bo do de a aque é de ap oximadamen e 0,192 m. A Figu a 32 ep esen a odos os pon os sup aci ados e a sua posição em elação ao modelo, es imando ainda uma possí el posição de CG. To na-se necessá io e e i que o NP localiza-se no mesmo pon o que o AC, uma ez que a ae ona e em ques ão ap esen a uma única supe ície de sus en ação simé ica. Rela i amen e aos dados de es abilidade do modelo, es es su gi am das simulações ealizadas pa a ob e os coe icien es de momen o de picada 𝐶𝐶𝑚𝑚, guinada 𝐶𝐶𝑛𝑛 e olamen o 𝐶𝐶𝑙𝑙 sendo que o p imei o oi medido pa a a a iação de 𝛼𝛼 e os seguin es pa a a a iação de ângulo de guinada (𝛽𝛽). Ao analisa os dados ob idos a a és da análise de es abilidade, e endo em especial a enção ao coe icien e de momen o de picada, é possí el deduzi que a ap oximação ei a pelo mé odo analí ico, que es ima a posição do pon o neu o a 25% da MAC, não se aplica pa a es e modelo, is o que a de i ada do coe icien e de momen o de picada em o no do NP (de inido, nes e caso is o que coincide com o AC, como o pon o em que o momen o de picada não a ia com o ângulo de a aque) de 0,192 m, ap esen a um alo de 0,0016 como mos a a Figu a 33. Assim, oi compa ado o NP ob ido a a és do mé odo expe imen al (XFLR5) e o calculado pelo mé odo analí ico. Figu a 32 - Asa Voado a e Respe i os Pon os de In e esse (Mülle , s.d.) 58 dispo os ele ónicos como desejado e dis ibui o seu peso. Es e con olo em bas an e ele ância no que conce ne o lançamen o manual do modelo. Nes e pon o é possí el es ima a posição do CG, em SolidWo ks e com uma es ima i a de massa da es u u a do modelo, a uma dis ância de ap oximadamen e 0,106 m do bo do de a aque, co espondendo a um alo de NP de 20%. Au onomia de Voo Es imada Po o ma a es ima , com algum g au de con iança, o consumo o al e deduzi uma au onomia máxima, a e iguou-se o consumo de cada componen e elé ico, eco endo à in o mação disponí el na bibliog a ia e à expe iência do CIAFA. Sendo que o g upo p opulsão unciona como um odo ( a iado , mo o e hélice), oi emp egue uma pla a o ma on-line, comumen e u ilizada pa a dimensiona o mo o pa a um ipo de ae ona e, denominada de p opCalc14 no cálculo dos consumos es imados pa a es e modelo. Conside ou-se, nes a es ima i a, a massa o al da ae ona e de 1,20 kg, uma á ea ala de 38 dm2, uma al i ude de oo de 1000 Abo e Sea Le el (ASL), a uma empe a u a de 25 ºC e uma p essão QNH15 de 1013 hPa. A ba e ia de 3 células u ilizada con a com uma capacidade de 4200 mAh e uma desca ga máxima de 85% da mesma, is o se a mais p óxima da ap esen ada p e iamen e. En ou, ainda, em linha de con a, o mo o SunnySky A2212-1400, com peso e desempenho idên ico ao mo o da ae ona e Volan ex Range 757-4, e uma hélice GemFan com 0,203 m de diâme o e 0,102 m de pi ch e uma elocidade de c uzei o de 54 km/h, co espondendo a 15 m/s. Segundo dados do p óp io simulado , a p ecisão dos alo es ob idos é de ce ca de 15%. Con udo, con e e uma ap oximação do consumo espe ado pa a o oo eal do modelo. A a és dos esul ados ob idos pode, en ão, salien a -se um consumo, po pa e do g upo p opulso , de 17450 mA no seu egime máximo de RPM e de 11750 mA no seu pon o de máxima e iciência, eco endo a uma po ência máxima de 194,1 W de en ada e 152,6 W de saída, pe azendo uma e iciência o al (po pa e do g upo p opulso ) de 78,6 %. 14 Es a e amen a oi c iada pela Solu ions o All Ma kus Mülle e é uma das opções disponí eis no si e h ps://www.ecalc.ch/. 15 U ilizada como p essão ao ní el do ma . 59 A a és dos dados ob idos na análise ae odinâmica da ae ona e em XFLR5 é possí el es ima a po ência ao eio (P) pa a uma azão de subida de 2,6 m/s, como suge ido no Pon o de P oje o, segundo a equação 4.24. 𝑃𝑃= 𝑇𝑇 𝑟𝑟 𝑉𝑉 𝜂𝜂𝑝𝑝 (4.24) Numa a i ude de subida uni o me (sem qualque ipo de acele ação) as equações de mo imen o ca a e izam-se da seguin e o ma: 𝐿𝐿=𝑊𝑊𝑐𝑐𝐹𝐹𝑠𝑠𝜃𝜃 (4.25) 𝑇𝑇𝑟𝑟=𝐷𝐷+𝑊𝑊𝑠𝑠𝑒𝑒𝑠𝑠𝜃𝜃 (4.26) Sendo: 𝐿𝐿= o ça de sus en ação 𝐷𝐷= o ça de esis ência Conside ando uma subida a 15 m/s, co esponden e a 10º de ângulo θ, em- se, como alo de L, 11,59 N. 𝐶𝐶𝐿𝐿= 2𝐿𝐿 𝜌𝜌0𝑉𝑉2𝑆𝑆 (4.27) Tendo como alo de densidade ao ní el médio das águas do ma 1,225 kg/m3, e a a és da equação 4.27, é possí el ob e um alo de coe icien e de sus en ação de ap oximadamen e 0,221. Reco endo a uma in e polação linea , segundo os alo es do g á ico da Figu a 29, a inge-se um alo de 𝐶𝐶𝐷𝐷 de 0,0138. Segundo a equação 4.26 o alo de impulso necessá io, pa a uma subida a 15 m/s e 10º de 𝜃𝜃, é de 2,77 N o que co esponde a uma 𝑃𝑃𝑟𝑟 de 41,50 W. U ilizando o alo de e iciência do g upo p opulso de 78,6%, a po ência ao eio é de ap oximadamen e 53 W. Assim, pode dize -se que, eo icamen e, es e mo o em po ência su icien e pa a sa is aze os equisi os do modelo inal ap esen ado. Pa a o compu ado de bo do, Raspbe y Pi 3, p e ê-se um consumo máximo de 980 mA (5,1 W), que podem se o necidos a a és de uma ligação di e a à saída de eleme ia, como ep esen ado no Anexo A, ou pode ainda conside a -se a opção de cone a a um dos canais Pulse Wid h Modula ion (PWM) do pilo o au omá ico, po o ma a consumi ene gia a a és do a iado (Raspbe y Pi D amble, s.d.). 60 Rela i amen e aos se os, is o que o seu consumo a ia consoan e a necessidade de u ilização dos mesmos, conside a-se uma in ensidade média de co en e consumida de 550 mA ao longo de um oo (Ne igo, s.d.). Tendo em con a que o am u ilizados, nes e p oje o, dois se o-mo o es, a co en e média consumida se á de 1100 mA. No que conce ne os es an es componen es é es imado, como e e ido na Tabela 1 e segundo a expe iência de u ilização des e ipo de ele ónicos no CIAFA, um consumo o al de 1000 mA. Assim, o alo da au onomia p e is a pa a es e modelo, se á calculado a a és da equação 4.28. 𝜋𝜋𝐴𝐴𝑡𝑡𝐹𝐹𝑠𝑠𝐹𝐹𝑚𝑚𝑠𝑠𝑎𝑎 [ℎ] = 𝐶𝐶𝑎𝑎𝑝𝑝𝑎𝑎𝑐𝑐𝑠𝑠𝑝𝑝𝑎𝑎𝑝𝑝𝑒𝑒 𝑝𝑝𝑎𝑎 𝐵𝐵𝑎𝑎𝑡𝑡𝑒𝑒𝑟𝑟𝑠𝑠𝑎𝑎 [𝑚𝑚𝜋𝜋ℎ] 𝐶𝐶𝐹𝐹𝑟𝑟𝑟𝑟𝑒𝑒𝑠𝑠𝑡𝑡𝑒𝑒 𝐶𝐶𝐹𝐹𝑠𝑠𝑠𝑠𝐴𝐴𝑚𝑚𝑠𝑠𝑝𝑝𝑎𝑎 𝑝𝑝𝑒𝑒𝑙𝑙𝐹𝐹𝑠𝑠 𝐶𝐶𝐹𝐹𝑚𝑚𝑝𝑝𝐹𝐹𝑠𝑠𝑒𝑒𝑠𝑠𝑡𝑡𝑒𝑒𝑠𝑠 [𝑚𝑚𝜋𝜋] (4.28) A en ando que, po mo i os de segu ança, se de e e i a a desca ga o al da ba e ia, conside ou-se uma ma gem de segu ança de 15% na au onomia es imada, co espondendo a um alo de ca ga ú il de 3570 mAh. Reco endo ao alo de co en e ípica o al dos componen es de 14830 mA, e a a és da equação 4.28, ob ém-se uma au onomia de ap oximadamen e 14 minu os de oo. Op ando po calcula a au onomia pa a um egime de consumo máximo do g upo p opulso (RPM máximas), em-se uma co en e de consumo de 20530 mA, co espondendo a uma au onomia de ap oximadamen e 10 minu os. Po odas es as azões, pode es ima -se que o modelo inal, com odos os componen es uncionais, e á uma au onomia de oo en e 10 a 14 minu os. Con udo, na e en ualidade de se possí el a u ilização da ba e ia Zeee Powe , o consumo de 85% da mesma equi ale a uma au onomia de pelo menos 17 minu os, no caso do consumo ípico, e 12 minu os no egime de maio es o ço, endo em conside ação o aumen o de massa de 80 g. 61 Capí ulo 5 5 Validação do Modelo O mé odo u ilizado pa a a cons ução do modelo a ensaia no únel ae odinâmico alida o p ocedimen o pa a o p o ó ipo inal, adap ando apenas as medidas e o núme o e ipo de peças cons i uin es do co po cen al, de cada ae ona e. O modelo p epa ado especi icamen e pa a o únel ae odinâmico oi adap ado do modelo eal à escala de 1/1,25, com o in ui o de eduzi a en e gadu a da ae ona e. Des a o ma, é possí el diminui o g au de ince eza p o ocado po a o es ex e nos nas ex emidades da á ea de ope ação do únel ae odinâmico. A escala e e ida az com que es e modelo enha, como especi icações es u u ais, as e e idas na Tabela 10. Tabela 10 - Especi icações Modelo Ensaiado em Túnel Ae odinâmico Conceção dos Modelos Nes a secção são desc i as as ases de conceção do modelo inal e do modelo ensaiado em únel ae odinâmico, alidando o p ocesso de cons ução a a és do modelo a ensaia no únel. Manu a u a Adi i a Após se desenhado em SolidWo ks, os componen es do co po cen al o am sal os numa ep esen ação iangula , a a és da con e são dos ichei os pa a um o ma o S e eoli og aphy (STL). A p ecisão dos documen os é de inida a iando o des io e o ângulo dos iângulos que cons i uem as pa es. Dis ância ao Cen o (mm) Co da (mm) O se (mm) Pe il Ala 0,0 356,0 0,0 NACA 0018 75,0 340,0 16,0 NACA 0018 150,0 320,0 46,7 MH60 10,08% 400,0 240,0 198,7 MH60 10,08% 62 Os componen es o am p oduzidos na imp esso a B2X300 da emp esa BeeVe yC ea i e. Den o de odas as ca a e ís icas que es a imp esso a ap esen a são de salien a , no âmbi o des e p oje o, o seu olume de imp essão de 300x200x300 mm e a sua capacidade de esolução en e 50 e 300 mic ons (BEEVERYCREATIVE, s.d.). Fo am es adas di e en es con igu ações de imp essão, de o ma a que o esul ado ob ido osse o mais p óximo do desejado possí el. As especi icações inais es ão de inidas no Anexo B, esul ando dos conhecimen os adqui idos e da expe iência desen ol ida a longo des e p oje o. Pa a o modelo inal, a caixa cen al oi di idida em ês pa es, como ep esen ado na Figu a 40. É de salien a que os componen es p esen es nes a igu a se encon am sem supo es, con udo, a imp essão des es elemen os oi ei a como suge e o Anexo B. Os componen es e e idos êm uma massa inal (sem supo es) e um empo de p odução es imado como e e ido na Tabela 11. Tabela 11 - Dados de Imp essão 3D Componen e Massa (sem supo es) Tempo de P odução Bo do de A aque 73 g 8h55m Peça Cen al 203 g 15h06m Tampa 92 g 11h18m O co po cen al do modelo ensaiado em únel ae odinâmico oi adap ado com o in ui o de pode se u ilizado pa a acopla o p o ó ipo ao únel ae odinâmico. Des a o ma, o componen e oi di idido em duas pa es, sendo a p imei a o co po cen al, onde se localiza o pon o de ixação do modelo, e a segunda o bo do de a aque. Figu a 40 - Componen es do Co po Cen al 63 Concluiu-se que as duas pa es do co po cen al de em se p oduzidas sepa adamen e, com o obje i o de melho a a qualidade de imp essão, o ien ando os dois componen es como suge em a Figu a 41, e i ada do so wa e Ul imake Cu a .4.4 e ob endo os esul ados como mos a a Figu a 42. Co e em io quen e Rela i amen e aos segmen os em espuma, o mé odo de cons ução consis e na u ilização da máquina de co e disponí el no CIAFA, ep esen ada na Figu a 43. Es a máquina oi adap ada e melho ada ao longo do p oje o, po o ma a ob e esul ados mais p óximos do idealizado sendo que a segunda secção (mudança de pe il ala de NACA 0018 pa a MH60) eque um desempenho conside á el po pa e do apa elho de ido aos seus ângulos acen uados. Figu a 41 - Imp essão 3D Modelo Ensaiado em Túnel Ae odinâmico Figu a 42 - Co po Cen al Modelo Ensaiado em Túnel Ae odinâmico 64 No CIAFA, é u ilizado o so wa e GMFC PRO16 pa a p epa a as ins uções de uncionamen o da máquina de co e de io quen e. Nes e p og ama são inse idas odas as in o mações, po secção do modelo, à semelhança das ep esen adas na Tabela 7, pa a o modelo inal, e Tabela 10, pa a o modelo do únel ae odinâmico. A con igu ação do ma e ial u ilizado oi adap ada com o in ui o de eduzi , ou elimina po comple o, e os de p odução associados ao co e do ma e ial, uma ez que no p o ó ipo inal é necessá io mon a componen es em espuma com a caixa cen al ob ida po manu a u a adi i a. O co e é ei o eco endo a uma on e de alimen ação necessá ia pa a aquece o io. Es a on e pe mi e egula a ensão de saída e ajus a a in ensidade de co en e em unção do ci cui o, que nes e caso co esponde ao io de co e. A on e de alimen ação u ilizada oi a demons ada na Figu a 44 e a in ensidade de co en e ao qual oi sujei o o io, du an e os co es, oi, como ep esen a a igu a, de 2,65 A. 16 GMFC P o é um p og ama de u ilização especí ica no co e de espuma pa a ab ico de asas, uselagens ou ou o ipo de o mas (GMFC, s.d.). Figu a 43 - Máquina de Co e do CIAFA Figu a 44 - Fon e de Alimen ação Máquina de Co e 65 Colagem Pa a a mon agem do p o ó ipo inal, os componen es em espuma e os imp essos em PLA são colados com esina epóxi SR1500 com um endu ecedo SD2505 (Sicomin Epoxy Sys ems, 2014) e mis u ados com mic o ballons17 que pe mi em uma maio maleabilidade na colagem e e o çam ainda o pon o do modelo onde es a acon ece. A mon agem comple a é alidada segundo o modelo a ensaia no únel ae odinâmico sendo que na Figu a 45 é possí el compa a o modelo a ensaia no únel manu a u ado com o modelo p e is o em SolidWo ks. Modelo Final O modelo inal con ou com um e o ço em balsa no pon o de colagem do GPS, nas ex emidades da ae ona e, ao longo da asa e da supe ície de con olo, e no pon o de colagem en e a componen e em espuma do co po cen al e a secção seguin e. A bancada do mo o oi ambém e o çada em balsa com o in ui o de ga an i esis ência a ib ações. A es u u a an e io à caixa cen al oi desgas ada, c iando en adas de a , com o p opósi o de esul a num aumen o da e iciência do hélice. Finalmen e, oi ei a uma pe u ação na ampa do co po cen al, po o ma a coloca a 17Mic o ballons são um ipo de es e as ocas, mic oscópicas, u ilizadas como adi i o em á ios ma e iais com o in ui o de al e a as suas ca a e ís icas (3M, 2007). Figu a 45 - Modelo Túnel Ae odinâmico Real s Modulação 3D 66 an ena do sis ema de eleme ia o a da caixa, e duas pe u ações na zona in e io do co po cen al, habili ando o lançamen o manual do modelo. Todas es as modi icações podem se de e adas no modelo inal ep esen ado na Figu a 46. Tempo de P odução e Cus o da Es u u a O co e a io quen e da es u u a ei a em XPS em uma du ação de ce ca de duas ho as, u ilizando um me o de comp imen o da placa do espe i o ma e ial. A manu a u a adi i a, da qual esul a o co po cen al, necessi a de ce ca de um dia e meio pa a a sua execução. Con udo, é possí el, ao longo do p imei o dia, após o co e dos componen es em XPS, e e ua a colagem das duas meias asas e do co po cen al. A cons ução da bancada do mo o , o acoplamen o do co po cen al em PLA e a espe i a junção com a po ção em XPS de e se ei a no segundo dia. O e cei o e qua o dias des inam-se à colagem de cada uma das meias asas. Po sua ez, no quin o dia de em se ins alados os ele ons e mon ado odo o sis ema ele ónico do modelo. Assim, pode es ima -se um empo de p odução de ce ca de cinco dias. No en an o, no que conce ne a manu a u a em massa, o empo de p odução é limi ado pela manu a u a adi i a, uma ez que podem se colados á ios modelos em simul âneo. Rela i amen e ao cus o associado a es a es u u a, é possí el a i ma que o mesmo é de e as eduzido, quando compa ado com o alo dos ele ónicos, is o que se pode es ima um alo 5 ezes in e io en e o cus o da es u u a e o cus o do Figu a 46 - Modelo Final 67 conjun o do pilo o au omá ico. A a és de um balanço do me cado on-line, es ima-se um consumo máximo de 35 € de PLA e 5 € de XPS. P ocedimen o Expe imen al De o ma a ob e condições de semelhança dinâmica, a elocidade do escoamen o pa a o ensaio expe imen al no únel ae odinâmico, encon a-se a pa i da igualdade dos núme os de Reynolds pa a as duas si uações dis in as, como demons a a equação 5.1. 𝑅𝑅𝑒𝑒 𝑚𝑚𝐹𝐹𝑝𝑝𝑒𝑒𝑙𝑙𝐹𝐹 𝑟𝑟𝑒𝑒𝑎𝑎𝑙𝑙 =𝑅𝑅𝑒𝑒 𝑚𝑚𝐹𝐹𝑝𝑝𝑒𝑒𝑙𝑙𝐹𝐹 𝑡𝑡ú𝑠𝑠𝑒𝑒𝑙𝑙 (5.1) Conside ando o mesmo alo pa a a iscosidade cinemá ica pa a as duas si uações, sendo que é bas an e p óximo, e u ilizando as equações 4.13 e 5.1, é possí el deduzi a equação 5.2 que elaciona as elocidades e as espe i as co das ae odinâmicas. 𝑉𝑉 𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑙𝑙𝑚𝑚 𝑟𝑟𝑚𝑚𝑚𝑚𝑙𝑙 ×𝑀𝑀𝜋𝜋𝐶𝐶 𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑙𝑙𝑚𝑚 𝑟𝑟𝑚𝑚𝑚𝑚𝑙𝑙 =𝑉𝑉 𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑙𝑙𝑚𝑚 𝑡𝑡ú𝑛𝑛𝑚𝑚𝑙𝑙 ×𝑀𝑀𝜋𝜋𝐶𝐶 𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑙𝑙𝑚𝑚 𝑡𝑡ú𝑛𝑛𝑚𝑚𝑙𝑙 (5.2) Pa a uma elocidade de c uzei o da ae ona e inal de 15 m/s, a análise do modelo do únel ae odinâmico de e se ei a a uma elocidade de 18,77 m/s, is o que o alo de MAC do modelo eduzido é de 0,306 m, calculado segundo a equação 4.14. O modelo de es e oi a aliado no únel ae odinâmico do CIAFA a a és da medição de o ças e momen os ei a pela balança do mesmo, segundo o sis ema de eixos e e ido na Figu a 47. Figu a 47 - Sis ema de Eixos do Túnel Ae odinâmico 74 a ap oximadamen e 0,145 m pa a o modelo do únel ae odinâmico. Conside ando que a de i ada do coe icien e de momen o de picada, pa a es es alo es, co esponde a 0,0003 e -0,0006, espe i amen e, é possí el deduzi que a ap oximação ei a pelos mé odos e e idos não se aplica. Des e modo, oi compa ado o NP ob ido a a és dos dois mé odos expe imen ais (XFLR5 e únel ae odinâmico) e o mé odo analí ico. Rela i amen e à análise ei a em únel ae odinâmico, é possí el deduzi o coe icien e de momen o de picada pa a á ias posições possí eis do CG. Es e oi es ado pa a 0,145 m, 0,144 m, 0,150 m e 0,154 m de dis ância ao bo do de a aque. Conside ando que a sepa ação do escoamen o in luencia a medição do momen o a ângulos de a aque ele ados e ângulos de a aque diminu os, o g á ico da Figu a 55 oi eduzido po o ma a analisa os espe i os alo es en e 0º e 15º de α. -0.06 -0.05 -0.04 -0.03 -0.02 -0.01 0 0.01 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 0,154 0,150 0,144 0,145 𝑪𝑪𝒎𝒎 𝜶𝜶[º] m m m m Figu a 55 - Coe icien e de Momen o de Picada - Túnel Ae odinâmico 75 O alo do NP pa a o modelo e e ido, a a és da análise das linhas de endência e espe i as equações, na Figu a 56, se á de 0,150 m, ao qual equi ale a linha de endência em que a de i ada do coe icien e de momen o de picada po al a é mais p óxima do alo nulo, co espondendo a −5 × 𝑒𝑒−05. Tomando po p incípio, que as ap oximações ei as em únel ae odinâmico assemelham-se ao egime de oo eal da ae ona e, é possí el de e mina que o NP a se conside ado na análise des e modelo de e se localizado a uma dis ância de 0,150 m do bo do de a aque, na aiz da asa, ou seja, ap oximadamen e 23,83% da MAC do modelo de únel. Assim, o CG do modelo de únel ae odinâmico pode a ia de uma dis ância ao bo do de a aque en e 0,134 m e 0,088 m, o que equi ale a uma ME de ap oximadamen e 5% e 20%, espe i amen e. Op ou-se po coloca o cen o de g a idade a 0,088 m do bo do de a aque com uma ma gem es á ica de 20%. Re o çando os alo es pa a o modelo eal, es es co espondem a 0,383 m pa a o alo de MAC, 0,188 m pa a o alo de NP e 0,110 m pa a o alo de CG, sendo que es es dois úl imos se e e em à dis ância ao bo do de a aque. y = 0.0003x - 0.0107 y = -5E-05x - 0.0123 y = -0.0007x - 0.015 y = -0.0006x - 0.0146 -0.03 -0.025 -0.02 -0.015 -0.01 -0.005 0 0 5 10 15 20 0,154 0,150 0,144 0,145 𝑪𝑪𝒎𝒎 𝜶𝜶[º] m m m m Figu a 56 - Coe icien e de Momen o de Picada Reduzido - Túnel Ae odinâmico 76 A Figu a 57 mos a a a iação do coe icien e de momen o de picada (𝐶𝐶𝑚𝑚), calculado em o no do alo de CG ao longo do ângulo de a aque. Nes a igu a é possí el iden i ica uma linha de endência cuja de i ada de coe icien e de momen o de picada 𝜕𝜕𝐶𝐶𝑚𝑚𝐶𝐶𝐶𝐶 𝜕𝜕𝛼𝛼 co esponde a um alo de -0,0069. Es e alo su ge como ce ca de 1,5 ezes in e io ao es imado compu acionalmen e na Figu a 34. Os dados disponibilizados pela balança do únel ae odinâmico são e e en es ao eixo do únel, is o é, ao e e ua um es e cuja a a iação se dá ao longo do ângulo 𝛽𝛽, os alo es ob idos não são ela i amen e ao e e encial do modelo mas sim segundo o eixo ep esen ado na Figu a 47. Assim sendo, oi u ilizada uma ma iz de o ação po o ma a ans o ma os alo es dos coe icien es de momen o de olamen o e de guinada ob idos, segundo o e e encial de es abilidade do modelo. Inicialmen e oi ei a uma o ação pa a o ângulo 𝛽𝛽 u ilizando a ma iz A. 𝜋𝜋=� 𝑐𝑐𝐹𝐹𝑠𝑠𝛽𝛽 −𝑠𝑠𝑒𝑒𝑠𝑠𝛽𝛽 0 𝑠𝑠𝑒𝑒𝑠𝑠𝛽𝛽 𝑐𝑐𝐹𝐹𝑠𝑠𝛽𝛽 0 0 0 1� (5.3) Pos e io men e oi execu ada uma o ação pa a o ângulo 𝛼𝛼 a a és da ma iz B. 𝐵𝐵=�𝑐𝑐𝐹𝐹𝑠𝑠𝛼𝛼 0−𝑠𝑠𝑒𝑒𝑠𝑠𝛼𝛼 0 1 0 𝑠𝑠𝑒𝑒𝑠𝑠𝛼𝛼 0𝑐𝑐𝐹𝐹𝑠𝑠𝛼𝛼� (5.4) De uma o ma gené ica, é en ão possí el anspo os alo es ob idos segundo o eixo idimensional do sis ema, pelo únel ae odinâmico, pa a o eixo de es abilidade do modelo u ilizando a ma iz 5.5. y = -0.0069x - 0.0409 -0.25 -0.2 -0.15 -0.1 -0.05 0 0.05 0.1 -20.00 -15.00 -10.00 -5.00 0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 𝑪𝑪𝒎𝒎 𝜶𝜶[º] Figu a 57 - Coe icien e de Momen o de Picada - Túnel Ae odinâmico 77 𝐵𝐵×𝜋𝜋=� 𝑐𝑐𝐹𝐹𝑠𝑠𝛽𝛽×𝑐𝑐𝐹𝐹𝑠𝑠𝛼𝛼 −𝑠𝑠𝑒𝑒𝑠𝑠𝛽𝛽×𝑐𝑐𝐹𝐹𝑠𝑠𝛼𝛼 −𝑠𝑠𝑒𝑒𝑠𝑠𝛼𝛼 𝑠𝑠𝑒𝑒𝑠𝑠𝛽𝛽𝑐𝑐𝐹𝐹𝑠𝑠𝛽𝛽 0 𝑐𝑐𝐹𝐹𝑠𝑠𝛽𝛽×𝑠𝑠𝑒𝑒𝑠𝑠𝛼𝛼 −𝑠𝑠𝑒𝑒𝑠𝑠𝛽𝛽×𝑠𝑠𝑒𝑒𝑠𝑠𝛼𝛼 𝑐𝑐𝐹𝐹𝑠𝑠𝛼𝛼� (5.5) Conside ando que se p e ende ob e os alo es de coe icien e de momen o de guinada e olamen o, es a ma iz de e se u ilizada em mul iplicação com o e o �𝐶𝐶𝑙𝑙 𝐶𝐶𝑚𝑚 𝐶𝐶𝑛𝑛� is o que, segundo o sis ema de eixos u ilizado: • o 𝐶𝐶𝑙𝑙 co esponde ao coe icien e de momen o em 𝑥𝑥; • o 𝐶𝐶𝑚𝑚 co esponde ao coe icien e de momen o em 𝑦𝑦; • o 𝐶𝐶𝑛𝑛 co esponde ao coe icien e de momen o em 𝑧𝑧. Apesa de e em sido ei os dois es es dis in os ela i amen e à a iação do ângulo 𝛽𝛽, es es su gi am com o mesmo in ui o: o de a alia a es abilidade em elação ao momen o de guinada e de olamen o da ae ona e. Toda ia, o aumen o de ângulo de a aque (de 4º pa a 15º) e idencia duas si uações de oo dis in as, pe mi indo e i ica se a espos a da ae ona e se man ém ao longo do oo e se o ângulo de a aque ele ado em alguma in luência na es abilidade la e al e di ecional do modelo. A Figu a 58 mos a a elação en e o coe icien e de momen o de guinada em unção de 𝛽𝛽 pa a ângulos de a aque de 4º e 15º. O alo das de i adas dos coe icien es de momen o de guinada segundo 𝛽𝛽, pa a 4º ou 15º, é de 0,0002. Em compa ação com a análise p e is a no pon o 4.5.3 espe a a-se um aumen o da es abilidade, com o aumen o do ângulo de a aque, o que não oco eu no únel ae odinâmico. y = 0.0002x + 0.0009 y = 0.0002x + 0.0031 -0.0040 -0.0020 0.0000 0.0020 0.0040 0.0060 0.0080 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 al a 4º al a 15º 𝑪𝑪𝒏𝒏 𝜷𝜷[º] 𝛼𝛼=4º 𝛼𝛼= 15º Figu a 58 - Coe icien e de Momen o de Guinada - Túnel Ae odinâmico 78 Não obs an e ao e e ido, os alo es ob idos podem se compa ados com os compu acionais sendo que pa a 𝛼𝛼 de 4º o alo é igual ao p e is o e pa a 𝛼𝛼 de 15º é 10,5 ezes in e io ao p e is o. Conside ando que o alo do coe icien e de momen o de guinada é posi i o, es a ae ona e ap esen a es abilidade es á ica di ecional. A Figu a 59 ep esen a a elação en e o coe icien e de momen o de olamen o e o ângulo de a iação 𝛽𝛽 pa a os ângulos de a aque de 4º e 15º. A de i ada de es abilidade la e al é in luenciada posi i amen e com o inc emen o do ângulo de a aque, is o que es e enómeno aumen a a axa de a iação da a iá el co esponden e. Compa ando com os alo es p e is os, pa a 𝛼𝛼 de 4º o módulo do alo do ensaio em únel a ia em 1,4 ezes ao espe ado e pa a 𝛼𝛼 de 15º oi 1,65 ezes in e io ao p e is o. Con udo o aumen o de es abilidade com o ângulo de a aque acon eceu numa p opo ção semelhan e ao espe ado, sendo que o p e is o e a de 2,92 ezes e o ob ido oi 2,56 ezes. A análise de es abilidade à qual se pode sujei a o modelo, no únel ae odinâmico, é me amen e es á ica, à semelhança da que oi execu ada no pon o 4.5.3 a a és do p og ama XFLR5. Des a o ma, os dados do únel analisados e compa ados com os compu acionais, mos am que a ae ona e cump e com os equisi os p opos os, sendo conside ada es á el nos ês eixos de o ação. Pa a além dis o, é ainda de e e i que o alo da elocidade de c uzei o oi adap ada pa a 13,11 m/s e que a elocidade de pe da, endo em con a as limi ações dos es es ealizados, es ima-se que acon eça a uma elocidade de 8 m/s. É ainda ele an e menciona que o alo da po ência necessá ia pa a uma azão de subida de 2,60 m/s, a uma elocidade de 13,11 m/s, é de 40,16 W. Figu a 59 - Coe icien e de Momen o de Rolamen o - Túnel Ae odinâmico y = -0.0023x + 0.0038 y = -0.0009x + 0.0036 -0.060 -0.040 -0.020 0.000 0.020 0.040 0.060 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 al a 15º al a 4º 𝑪𝑪𝒍𝒍 𝜷𝜷[º] 𝛼𝛼=15º 𝛼𝛼= 4º 79 Capí ulo 6 6 P og amação do Modelo e Ensaios em Voo Nes e capí ulo desc e e-se a p og amação do pilo o au omá ico e os ensaios em oo com o p o ó ipo inal. É de salien a que, a massa do modelo inal, medida p e iamen e ao oo, sem o compu ado de bo do, é de ce ca de 1,5 kg is o que es e incluiu um e o ço em i a adesi a (ce ca de 200 g) e duas de i as, em balsa, na pon a das asas. Con igu ação do Pilo o Au omá ico O i mwa e ins alado no Pixhawk 4 Mini oi a e são es á el 1.10.1 lançada po Lo enz Meie (2020). Pa a al, oi u ilizado, como GCS, o so wa e QG oundCon ol. A con igu ação inicial do pilo o au omá ico p essupôs a seleção das ca a e ís icas de ai ame de Gene ic Flying Wing. Es a p e ê a conexão do se o do ele on esque do ao canal 1, di ei o ao canal 2 e do a iado ao canal 4, como mos a o esquema elé ico do Anexo A (PX4 De Team, 2020a). Seguidamen e, p ocedeu-se à calib ação do ádio comando, pa a al oi necessá io conec a os cinco p imei os canais do ece o RC ao PPM Encode , como mos a o esquema do Anexo A. O RC oi con igu ado segundo o modo 2 que elaciona o s ick da esque da com h o le e guinada e o s ick da di ei a com olamen o e picada. Vis o que es e modelo não em con olo de guinada, a conexão associada pode se , se necessá io, pos e io men e desligada. To nou-se ainda imp escindí el escolhe um con olado pa a o canal cinco, des acado como sele o de modos de oo. Nes e modelo de ádio comando, op ou-se pelo sele o E. Os modos de oo u ilizados no deco e dos ensaios o am os de manual e es abilização. O p imei o modo p essupõe o con olo di e o das supe ícies da ae ona e a a és de inpu s do pilo o. O segundo modo, po sua ez, é semiau omá ico, pelo que o pilo o au omá ico man ém o oo de ní el e as in o mações do con olo emo o p ocessam-se como con olo de ângulo (pa a o p anchamen o e picada) e axa de a iação (pa a o caso do h o le) (PX4 De Team, 2020d). 80 Ul e io men e, a calib ação dos senso es oi ealizada, sendo que es a eque ia o senso de bússola, gi oscópio, acele óme o e de elocidade do a . Po o ma a se possí el a ança es e pon o, sem a necessidade de con igu a um senso de elocidade do a , is o não es a p e is a a sua u ilização, o nou-se necessá io al e a o pa âme o FW_ARSP_MODE pa a o alo de 1 (desa i ado). Sis emas de Segu ança Após se em con igu ados os modos de oo manual (com o sele o mais p óximo do pilo o) e es abilização (com o sele o em qualque ou a posição), o am de inidos os sis emas de segu ança pa a o oo. Es es sis emas su gem essencialmen e da necessidade de sal agua da o espaço aé eo a se u ilizado is o que es e se localiza num espaço com a i idade aé ea mili a . Fo am es abelecidos os seguin es sis emas de segu ança: • A pe da de conexão RC po 0,5 segundos a i a o modo de e o no ( e u n mode) do pilo o au omá ico. Es e oi con igu ado pa a conduzi a ae ona e a aze loi e (cí culo em ol a de um pon o de inido com um aio, elocidade ou u n- a e especí ico), localizado no ally poin du an e 120 segundos e, na ci cuns ância de não se possí el ees abelece a comunicação, o modelo p ocede pa a a a e agem p og amada no planeamen o da missão; • Os ní eis de ba e ia de 35%, 7% e 5% emi em um a iso a a és da GCS; • A pe da de comunicação de eleme ia não p o oca qualque ipo de e ei o is o que o egis o do oo es á p og amado pa a se ei o no p óp io pilo o au omá ico. É de salien a que, na e en ualidade de se pe de a conexão de eleme ia, a in o mação ela i a ao consumo de ba e ia passa a es a indisponí el, pelo que a con inuação des a condição de e se p ocedida de uma a e agem manual; • A u u a da edação geog á ica es abelecida a a és de um cilind o de 300 m de aio (cen ado no local do lançamen o) e 300 m de al i ude (conside ando a posição de descolagem como e e ência) a i a o modo de e o no es abelecido como o e e ido an e io men e; • A pe da de sinal GPS, caso o modelo consiga ob e uma es ima i a de al i ude, encaminha o pilo o au omá ico a en a em modo de al i ude 81 (al i ude mode). Na e en ualidade de al não oco e , o modelo eco e ao modo de es abilização. Pa a con igu a es e pon o oi necessá io con igu a o pa âme o COM_POSTCL_NAVL como 0. • 2 segundos após a a e agem se iden i icada pelo pilo o au omá ico, o modelo p ocede ao desa me do mo o e dos se os, impossibili ando o seu mo imen o, a é que sejam no amen e a i ados, po ques ões de segu ança. A Tabela 12 ep esen a uma sín ese do e e ido an e io men e. Tabela 12 - Sín ese dos Sis emas de Segu ança COMPONENTE AÇÃO CONSIDERAÇÕES BATERIA AVISO 5%, 7%, 35% RC MODO RETORNO Após 0,5 segundos sem conexão, loi e ally poin po 120 s, a e agem con o me missão TELEMETRIA N/A N/A GEOFENCE MODO RETORNO Cilind o de 300 m de aio po 300 m de al u a GPS MODO ALTITUDE MODO ESTABILIZAÇÃO N/A Plano de Voo O plano de oo au ónomo, ep esen ado na Figu a 60, p e ê um lançamen o, um pon o de descolagem, um pon o de loi e po empo inde inido (delimi ado com um aio de 50 m e uma al i ude de 20 m) co esponden e ao pon o 3, e uma a e agem de inida com um ângulo de descida de ce ca de 12º. Foi ainda colocado um ally poin jun o da zona de a e agem, a uma al i ude de 20 m, com o obje i o de ma ca o pon o cen al de loi e em caso de a i ação do modo de e o no. Ainda que o p opósi o da p o a de concei o es eja associado à a aliação da condição ge al do modelo em oo, 82 dado que a pla a o ma descola num modo semiau omá ico, oi necessá io p ocede às con igu ações de segu ança e e idas an e io men e. Ensaios em Voo P é- oo P e iamen e à ealização dos ensaios em oo, e com o in ui o de ob e maio es abilidade di ecional na ae ona e, o am coladas, nas pon as da asa, duas de i as com design semelhan e ao modelo de asa oado a p esen e no CIAFA. O modelo oi ainda e o çado com i a adesi a nas zonas de maio impac o e sensibilidade, como é possí el iden i ica na Figu a 61. Figu a 61 - Modelo Final 3 Figu a 60 - Plano de Voo 83 Foi ainda analisado o CG do modelo inal a a és do mé odo p á ico do pêndulo, açando uma linha e a desde o pon o de suspensão do modelo (em cada pon a da asa) a é ao cen o. O pon o de in e seção das e as ma ca o CG. P eceden emen e a cada oo ealiza am-se es es de con olo, e i icando, em modo manual, o con olo en e RC e modelo; em modo es abilização, a compensação au omá ica po pa e do modelo; e, po im, o con olo de acele ação en e o RC e a espos a do mo o . É de salien a , nes e úl imo pon o, que os lançamen os o am e e uados com o mo o em o ação is o que o empo de espos a do mesmo, ao pa i sem mo imen o, não e a su icien e pa a a p opulsão necessá ia no momen o do lançamen o. Ensaios em Voo No deco e dos oos não oi possí el ins au a o egime o almen e au ónomo de ido ao ac o de que a p imei a expe iência com o modo de missão p o ocou uma a e agem o çada. Pa a além disso, as condições de oo, a al a de ba e ias ca egadas, o empo limi ado pa a a ealização dos oos e a inexpe iência com a pla a o ma le ou à al a de con iança pa a es e modo. É ainda de e e i que o i mwa e ca egado no pilo o au omá ico não p e ê um modo de Au o une, ao con á io de ou os como o A duplane, pelo que a con igu ação dos ganhos dos con olado es do modelo de e se ei a manualmen e (A duPilo De Team, 2019b, 2019a; PX4 De Team, 2020c). Rela i amen e ao modo manual, is o que es e anspo a a esponsabilidade o al da compensação do modelo pa a o pilo o, op ou-se po não eco e à sua u ilização, uma ez que o momen o de ansição en e modos se e ela a c í ico pa a a segu ança de oo. Des e modo, após o lançamen o manual, ep esen ado à esque da na Figu a 62, a ae ona e ealizou alguns ci cui os, como mos a a aje ó ia do modelo na Figu a 62, com o in ui o de egis a as p op iedades do oo em linha de oo, com 180º de des asamen o. 90 de alhadamen e es e pon o, assim como con igu a de modo mais minucioso os con olado es sup amencionados. De modo a pode conclui a con igu ação pa a oo o almen e au omá ico (sem qualque ipo de inpu s de ádio comando) ecomenda-se a con igu ação, no plano de oo, do modo Al i ude Hold pa a ajus e dos pa âme os de con olo de oo do eixo longi udinal. No e-se que nes e caso, o pilo o au omá ico i á comanda a de lexão das supe ícies de oo, de modo a segui uma dada e e ência de al i ude. Caso a ae ona e ap esen e um compo amen o es á el, após ajus e dos con olado es, pode á se es ado o modo o almen e au omá ico de oo. 91 Capí ulo 7 7 Conclusões Es a disse ação ap esen a o p oje o, alidação, cons ução e demons ação p elimina de oo de um eículo aé eo, desen ol ido a a és de p ocessos simples, ápidos e não dispendiosos. O abalho desen ol ido isa con ibui pa a a implemen ação de uma ae ona e que sa is aça, em p imei a ins ância, os equisi os de a qui e u a pa a ensaios de con olo coope a i o no âmbi o das a i idades de I&D do CIAFA. Des a o ma, a p esen e disse ação expõe um modelo de ae ona e p opos o e alidado segundo uma análise eó ica, compu acional com base no XFLR5, expe imen al a a és do únel ae odinâmico e p á ica a a és dos ensaios em oo, in eg ado no plano de I&D do CIAFA. O modelo inal possui um componen e cen al, de maio esis ência, pa a ins alação dos equipamen os ele ónicos, po sua ez mais dispendiosos, u ilizando p ocessos de manu a u a adi i a de baixo cus o e de pouca especialização e engloba ainda uma es u u a de peso eduzido em XPS. É possí el conclui que o cus o de cons ução é signi ica i amen e eduzido, ce ca de 40 €, quando compa ado com o cus o dos componen es ele ónicos e e idos, is o que, segundo um es udo ge al do me cado on-line, o alo es imado pa a o cus o dos componen es é de ce ca de 306 €. Assim, es ima-se um cus o o al do modelo ap oximado de 350 €. A es ima i a de empo de p odução do modelo inal, conside ando o empo de colagem dos componen es, é de ce ca de cinco dias. Po sua ez, is o que o maio empo de pa alisação se comp eende no pe íodo de colagens, é possí el ab ica á ias ae ona es em simul âneo, sendo que a única limi ação es á elacionada com o p ocesso de manu a u a adi i a. Po odas es as azões, e idencia-se que os obje i os p opos os pa a es a disse ação o am cump idos. Do modelo inal eó ico podem salien a -se as seguin es ca a e ís icas: • En e gadu a: 1 m • MAC: 0,383 m • Pe is: au o es á el MH60 e NACA 0018 • AR: 2,65 92 • Á ea ala : 0,38 m2 • Ca ga ala : 30,98 N/m2 • Peso à descolagem: 1,2 kg • Velocidade de c uzei o: 13,11 m/s • Velocidade de pe da: 8 m/s • Au onomia de oo es imada: supe io a 10 minu os Vis o que a es u u a engloba um co po cen al ei o po manu a u a adi i a, a sua manipulação, a a és de qualque ipo de so wa e CAD, o e ece g andes an agens, conside ando que pode á se adap ado aos equisi os dos p óximos p oje os. Es es de em, u u amen e, inclui no desenho 3D do co po cen al, as pe u ações ei as du an e a cons ução do modelo inal, an o pa a o manuseio e lançamen o do modelo, como pa a a an ena do sis ema de eleme ia. Rela i amen e ao modo au ónomo do modelo, se á necessá io conclui o ajus e dos con olado es do pilo o au omá ico, em condições me eo ológicas a o á eis, omando como pon o de pa ida os pa âme os aplicados nes e p oje o, pa a o olamen o. Quan o ao ajus e da picada do modelo, de e se u ilizado o modo de al i ude, po o ma a comp eende e adap a os con olado es no modo longi udinal do modelo. Após conclusão da con igu ação de oo au omá ico, de e á se ins alado o compu ado de bo do Raspbe y Pi 3 Model B+, de aco do com a a qui e u a indicada nes a disse ação, adap ando os senso es necessá ios pa a u u os es udos na á ea de con olo coope a i o. É ainda de salien a a necessidade de adqui i e ins ala , logo que possí el, um senso de elocidade a , pa a ca a e ização do modelo em ensaios em oo e, pos e io men e, con olo da pla a o ma. De e ambém se conside ado um senso ou mé odo de moni o ização das RPM do mo o , sendo que es e equisi o se á exclusi o pa a ca a e ização do modelo em ensaios em oo. Tendo em con a os p oje os a desen ol e , de e conside a -se o possí el ap imo amen o do modelo po o ma a ob e melho es alo es de au onomia, uma adap ação do g upo p opulso de modo a i a o maio pa ido do design es u u al de asa oado a, a expe imen ação de no as con igu ações de imp essão po o ma a eduzi o peso do componen e cen al, man endo a igidez desejada e o empo de imp essão, ou a é uma diminuição do amanho do modelo, ado ando as al e na i as p opos as. 93 Bibliog a ia 3A Composi es GmbH. (2011). Kapa line P oduc Da ashee . 08, 2. 3M. (2007). 3M TM Glass Bubbles K Se ies S Se ies. Ae oVi onmen . (2019a). RAVEN® RQ-11B. h ps://doi.o g/10.1016/B978-0-323- 55512-8.00048-X Ae oVi onmen . (2019b). UAS: RQ-11B Ra en®. h ps://www.a inc.com/uas/ iew/ a en Ai Fo ce Technology. (n.d.). Wasp AE Small Unmanned Ai c a Sys em. 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Re ie ed Ma ch 20, 2020, om h ps://www. aspbe ypi.o g/documen a ion/ha dwa e/ aspbe ypi/mechanical/ pi _MECH_3bplus.pd Raspbe y Pi. (n.d.-d). Wha is a Raspbe y Pi? Re ie ed Sep embe 10, 2019, om h ps://www. aspbe ypi.o g/help/wha - is-a- aspbe y-pi/ B-1 Anexo B – Guia de Cons ução do Modelo Final Especi icações Imp esso a 3D Espessu a da Pa ede 0,8 mm Al u a da Linha 0,2 mm In ill – ipo T iângulos In ill % 10 Tabela B-1 - Especi icações Imp esso a 3D Figu a B-1 -Componen es do Co po Cen al com Supo es C-1 Anexo C – Ensaio de E o 𝜶𝜶 [º] 𝑪𝑪𝒎𝒎 𝑪𝑪 𝒎𝒎 b aço 𝑪𝑪𝑫𝑫 𝑪𝑪𝑫𝑫 b aço -15 -0,0262 -0,0717 -0,1524 -0,0827 -14 -0,0337 -0,0698 -0,1408 -0,0811 -13 -0,0418 -0,0704 -0,1305 -0,0809 -12 -0,0486 -0,0704 -0,1210 -0,0799 -11 -0,0549 -0,0710 -0,1118 -0,0797 -10 -0,0592 -0,0710 -0,1061 -0,0795 -9 -0,0648 -0,0710 -0,1019 -0,0785 -8 -0,0698 -0,0710 -0,0988 -0,0785 -7 -0,0736 -0,0704 -0,0958 -0,0776 -6 -0,0785 -0,0704 -0,0935 -0,0770 -5 -0,0829 -0,0698 -0,0916 -0,0764 -4 -0,0867 -0,0698 -0,0901 -0,0762 -3 -0,0898 -0,0704 -0,0881 -0,0766 -2 -0,0941 -0,0704 -0,0874 -0,0762 -1 -0,0985 -0,0698 -0,0872 -0,0756 0 -0,1016 -0,0691 -0,0866 -0,0752 1 -0,1054 -0,0704 -0,0878 -0,0756 2 -0,1103 -0,0698 -0,0891 -0,0754 3 -0,1128 -0,0685 -0,0901 -0,0750 4 -0,1178 -0,0691 -0,0927 -0,0752 5 -0,1203 -0,0691 -0,0946 -0,0758 6 -0,1247 -0,0678 -0,0977 -0,0750 7 -0,1290 -0,0698 -0,1011 -0,0762 8 -0,1328 -0,0685 -0,1051 -0,0760 9 -0,1378 -0,0678 -0,1099 -0,0758 10 -0,1434 -0,0678 -0,1151 -0,0762 11 -0,1471 -0,0691 -0,1200 -0,0768 12 -0,1521 -0,0685 -0,1263 -0,0772 13 -0,1571 -0,0698 -0,1328 -0,0784 14 -0,1621 -0,0691 -0,1399 -0,0782 15 -0,1677 -0,0698 -0,1473 -0,0789 16 -0,1727 -0,0698 -0,1557 -0,0793 17 -0,1777 -0,0698 -0,1639 -0,0801 18 -0,1833 -0,0704 -0,1732 -0,0809 19 -0,1920 -0,0698 -0,1845 -0,0815 20 -0,2032 -0,0698 -0,1982 -0,0823 21 -0,2132 -0,0698 -0,2129 -0,0831 D-1 Anexo D – Ensaios Túnel Ae odinâmico Valo es do Ensaio - Va iação de Al a S 0,24 m2 𝜷𝜷 = 0 T 289,75 K V 18,77 m/s R 287,00 J/K.kg P essão 1022,40 hPa MAC 0,31 m 𝜌𝜌 1,23 kg/m3 b 0,80 m Nº Ensaio 𝜶𝜶 [º] 𝑭𝑭 𝒙𝒙 [N] 𝑭𝑭 𝒚𝒚 [N] 𝑭𝑭 𝒛𝒛 [N] 𝑴𝑴 𝒙𝒙 [Nm] 𝑴𝑴 𝒀𝒀 [Nm] 𝑴𝑴 𝒛𝒛 [Nm] 1 -15,00 -7,99 -0,32 19,37 0,07 -0,42 0,03 2 -14,00 -7,38 -0,30 17,45 0,08 -0,54 0,03 3 -13,00 -6,84 -0,28 15,84 0,08 -0,67 0,04 4 -12,00 -6,34 -0,24 14,06 0,06 -0,78 0,04 5 -11,00 -5,86 -0,24 12,22 0,08 -0,88 0,04 6 -10,00 -5,56 -0,24 10,42 0,08 -0,95 0,04 7 -9,00 -5,34 -0,22 8,62 0,08 -1,04 0,04 8 -8,00 -5,18 -0,22 6,89 0,08 -1,12 0,04 9 -7,00 -5,02 -0,22 5,09 0,09 -1,18 0,04 10 -6,00 -4,90 -0,19 3,38 0,09 -1,26 0,04 11 -5,00 -4,80 -0,17 1,65 0,09 -1,33 0,04 12 -4,00 -4,72 -0,18 -0,10 0,11 -1,39 0,04 13 -3,00 -4,62 -0,21 -1,88 0,13 -1,44 0,04 14 -2,00 -4,58 -0,20 -3,63 0,14 -1,51 0,04 15 -1,00 -4,57 -0,19 -5,41 0,15 -1,58 0,04 16 0,00 -4,54 -0,17 -7,12 0,15 -1,63 0,04 17 1,00 -4,60 -0,17 -8,82 0,16 -1,69 0,04 18 2,00 -4,67 -0,14 -10,67 0,15 -1,77 0,04 19 3,00 -4,72 -0,14 -12,42 0,16 -1,81 0,04 20 4,00 -4,86 -0,12 -14,14 0,16 -1,89 0,05 21 5,00 -4,96 -0,13 -15,86 0,18 -1,93 0,04 22 6,00 -5,12 -0,14 -17,59 0,20 -2,00 0,04 23 7,00 -5,30 -0,15 -19,26 0,21 -2,07 0,03 24 8,00 -5,51 -0,13 -20,92 0,21 -2,13 0,03 25 9,00 -5,76 -0,14 -22,79 0,22 -2,21 0,03 26 10,00 -6,03 -0,10 -24,39 0,21 -2,30 0,03 27 11,00 -6,29 -0,12 -26,17 0,22 -2,36 0,02 28 12,00 -6,62 -0,15 -27,95 0,24 -2,44 0,02 29 13,00 -6,96 -0,15 -29,57 0,24 -2,52 0,02 30 14,00 -7,33 -0,12 -31,13 0,22 -2,60 0,02 31 15,00 -7,72 -0,15 -32,72 0,24 -2,69 0,02 D-2 32 16,00 -8,16 -0,17 -34,35 0,25 -2,77 0,02 33 17,00 -8,59 -0,15 -35,86 0,23 -2,85 0,02 34 18,00 -9,08 -0,16 -37,45 0,22 -2,94 0,01 35 19,00 -9,67 -0,18 -39,10 0,23 -3,08 0,01 36 20,00 -10,39 -0,17 -40,98 0,20 -3,26 0,01 37 21,00 -11,16 -0,19 -42,78 0,20 -3,42 0,01 𝜶𝜶 [º] 𝑪𝑪 𝑳𝑳 𝑪𝑪 𝑫𝑫 𝑪𝑪 𝒎𝒎 -15 -0,3696 0,0698 0,0520 -14 -0,3329 0,0597 0,0419 -13 -0,3022 0,0496 0,0339 -12 -0,2683 0,0410 0,0265 -11 -0,2332 0,0321 0,0202 -10 -0,1988 0,0266 0,0153 -9 -0,1645 0,0233 0,0091 -8 -0,1315 0,0203 0,0035 -7 -0,0971 0,0182 -0,0015 -6 -0,0645 0,0165 -0,0070 -5 -0,0315 0,0152 -0,0126 -4 0,0019 0,0139 -0,0169 -3 0,0359 0,0116 -0,0200 -2 0,0693 0,0112 -0,0249 -1 0,1032 0,0116 -0,0305 0 0,1358 0,0114 -0,0348 1 0,1683 0,0122 -0,0379 2 0,2036 0,0137 -0,0441 3 0,2370 0,0150 -0,0485 4 0,2698 0,0175 -0,0534 5 0,3026 0,0188 -0,0564 6 0,3356 0,0227 -0,0627 7 0,3675 0,0249 -0,0656 8 0,3991 0,0291 -0,0712 9 0,4348 0,0341 -0,0775 10 0,4654 0,0389 -0,0836 11 0,4993 0,0432 -0,0866 12 0,5333 0,0491 -0,0928 13 0,5642 0,0544 -0,0971 14 0,5939 0,0617 -0,1032 15 0,6243 0,0684 -0,1087 16 0,6554 0,0764 -0,1142 17 0,6842 0,0838 -0,1197 D-3 18 0,7145 0,0923 -0,1251 19 0,7460 0,1030 -0,1350 20 0,7819 0,1160 -0,1469 21 0,8162 0,1299 -0,1574 Valo es do Ensaio Com Ace o e Ro ação - Va iação de Be a S 0,24 m2 𝜶𝜶 = 4º T 289,95 K V 18,48 m/s R 287,00 J/K.kg P essão 1022,40 hPa MAC 0,31 m 𝜌𝜌 1,23 kg/m3 b 0,80 m Nº Ensaio 𝜷𝜷 [º] 𝑭𝑭 𝒙𝒙 [N] 𝑭𝑭 𝒚𝒚 [N] 𝑭𝑭 𝒛𝒛 [N] 𝑴𝑴 𝒙𝒙 [Nm] 𝑴𝑴 𝒀𝒀 [Nm] 𝑴𝑴 𝒛𝒛 [Nm] 1 20,00 -0,12 -0,90 -13,64 -0,53 -0,82 0,16 2 19,00 -0,11 -0,87 -13,68 -0,52 -1,83 0,16 3 18,00 -0,05 -0,83 -13,75 -0,49 -1,81 0,16 4 17,00 -0,04 -0,81 -13,82 -0,47 -1,81 0,16 5 16,00 -0,02 -0,76 -13,90 -0,45 -1,81 0,15 6 15,00 0,02 -0,71 -13,87 -0,43 -1,79 0,14 7 14,00 0,04 -0,65 -13,93 -0,41 -1,80 0,14 8 13,00 0,06 -0,62 -14,03 -0,37 -1,78 0,13 9 12,00 0,11 -0,58 -13,97 -0,34 -1,77 0,13 10 11,00 0,13 -0,55 -14,00 -0,31 -1,76 0,12 11 10,00 0,13 -0,53 -14,10 -0,27 -1,76 0,12 12 9,00 0,12 -0,46 -14,17 -0,25 -1,77 0,11 13 8,00 0,17 -0,42 -14,09 -0,22 -1,75 0,11 14 7,00 0,14 -0,41 -14,21 -0,16 -1,77 0,10 15 6,00 0,12 -0,38 -14,18 -0,12 -1,77 0,08 16 5,00 0,16 -0,38 -14,10 -0,07 -1,75 0,08 17 4,00 0,16 -0,35 -14,28 -0,03 -1,77 0,07 18 3,00 0,13 -0,29 -14,36 0,01 -1,78 0,06 19 2,00 0,12 -0,25 -14,36 0,05 -1,80 0,05 20 1,00 0,13 -0,22 -14,38 0,09 -1,79 0,05 21 0,00 0,12 -0,15 -14,34 0,12 -1,80 0,04 22 -1,00 0,11 -0,15 -14,46 0,18 -1,80 0,03 23 -2,00 0,13 -0,11 -14,42 0,21 -1,80 0,02 24 -3,00 0,08 -0,08 -14,43 0,26 -1,81 0,02 25 -4,00 0,06 -0,08 -14,48 0,32 -1,82 0,01 26 -5,00 0,06 -0,03 -14,40 0,35 -1,83 0,00 27 -6,00 0,06 -0,03 -14,50 0,40 -1,83 -0,01 28 -7,00 0,02 -0,04 -14,42 0,47 -1,83 -0,02 29 -8,00 0,01 0,02 -14,48 0,50 -1,85 -0,03 D-4 30 -9,00 0,01 0,03 -14,48 0,55 -1,85 -0,03 31 -10,00 -0,03 0,07 -14,47 0,59 -1,87 -0,04 32 -11,00 -0,04 0,11 -14,47 0,62 -1,87 -0,05 33 -12,00 -0,05 0,17 -14,57 0,65 -1,88 -0,05 34 -13,00 -0,10 0,22 -14,52 0,67 -1,90 -0,06 35 -14,00 -0,10 0,26 -14,47 0,70 -1,90 -0,07 36 -15,00 -0,12 0,30 -14,46 0,73 -1,91 -0,07 37 -16,00 -0,12 0,31 -14,32 0,75 -1,91 -0,08 38 -17,00 -0,13 0,35 -14,34 0,78 -1,91 -0,09 39 -18,00 -0,14 0,38 -14,29 0,79 -1,90 -0,09 40 -19,00 -0,17 0,41 -14,21 0,81 -1,91 -0,09 41 -20,00 -0,16 0,44 -14,14 0,82 -1,90 -0,10 Valo es do Ensaio Com Ace o e Ro ação - Va iação de Be a S 0,24 m2 𝜶𝜶 = 15º T 290,45 K V 18,67 m/s R 287,00 J/K.kg P essão 1022,00 hPa MAC 0,31 m 𝜌𝜌 1,23 kg/m3 b 0,80 m Nº Ensaio 𝜷𝜷 [º] 𝑭𝑭 𝒙𝒙 [N] 𝑭𝑭 𝒚𝒚 [N] 𝑭𝑭 𝒛𝒛 [N] 𝑴𝑴 𝒙𝒙 [Nm] 𝑴𝑴 𝒀𝒀 [Nm] 𝑴𝑴 𝒛𝒛 [Nm] 1 20,00 4,05 -0,80 -30,16 -1,64 -1,70 0,27 2 19,00 4,08 -0,79 -30,47 -1,58 -2,75 0,27 3 18,00 4,14 -0,73 -30,62 -1,52 -2,73 0,26 4 17,00 4,16 -0,68 -30,73 -1,45 -2,72 0,25 5 16,00 4,22 -0,64 -30,93 -1,38 -2,71 0,25 6 15,00 4,24 -0,59 -31,06 -1,31 -2,70 0,24 7 14,00 4,29 -0,50 -31,16 -1,25 -2,68 0,23 8 13,00 4,32 -0,43 -31,23 -1,18 -2,68 0,22 9 12,00 4,32 -0,38 -31,37 -1,08 -2,68 0,22 10 11,00 4,34 -0,33 -31,47 -0,98 -2,67 0,21 11 10,00 4,40 -0,26 -31,61 -0,90 -2,65 0,20 12 9,00 4,41 -0,21 -31,70 -0,80 -2,66 0,20 13 8,00 4,43 -0,12 -31,72 -0,71 -2,65 0,18 14 7,00 4,45 -0,05 -31,93 -0,60 -2,66 0,18 15 6,00 4,44 0,02 -31,88 -0,50 -2,66 0,17 16 5,00 4,43 0,08 -31,98 -0,39 -2,66 0,16 17 4,00 4,43 0,16 -32,00 -0,28 -2,66 0,15 18 3,00 4,43 0,20 -32,09 -0,16 -2,68 0,15 19 2,00 4,42 0,28 -32,04 -0,06 -2,67 0,14 20 1,00 4,39 0,33 -32,05 0,06 -2,69 0,14 D-5 21 0,00 4,43 0,41 -32,16 0,16 -2,69 0,13 22 -1,00 4,39 0,49 -31,95 0,26 -2,68 0,11 23 -2,00 4,38 0,53 -31,96 0,38 -2,68 0,11 24 -3,00 4,34 0,59 -31,80 0,48 -2,69 0,10 25 -4,00 4,36 0,67 -31,84 0,59 -2,68 0,09 26 -5,00 4,36 0,75 -31,86 0,69 -2,68 0,08 27 -6,00 4,33 0,78 -31,76 0,81 -2,68 0,08 28 -7,00 4,30 0,83 -31,69 0,91 -2,69 0,07 29 -8,00 4,25 0,89 -31,56 1,01 -2,70 0,06 30 -9,00 4,25 0,94 -31,51 1,12 -2,71 0,06 31 -10,00 4,23 0,95 -31,48 1,22 -2,70 0,05 32 -11,00 4,20 1,01 -31,32 1,31 -2,71 0,05 33 -12,00 4,17 1,06 -31,29 1,39 -2,73 0,04 34 -13,00 4,17 1,12 -31,25 1,48 -2,73 0,03 35 -14,00 4,10 1,12 -31,02 1,56 -2,74 0,04 36 -15,00 4,07 1,16 -30,93 1,64 -2,76 0,02 37 -16,00 4,01 1,21 -30,87 1,70 -2,78 0,01 38 -17,00 3,98 1,26 -30,65 1,76 -2,78 0,02 39 -18,00 3,95 1,29 -30,46 1,82 -2,77 0,00 40 -19,00 3,91 1,35 -30,32 1,88 -2,77 0,00 41 -20,00 3,89 1,40 -30,14 1,94 -2,78 -0,01 𝜶𝜶 = 4º 𝜶𝜶 = 15º 𝜷𝜷 [º] 𝑪𝑪 𝒏𝒏 𝑪𝑪 𝒍𝒍 𝑪𝑪 𝒏𝒏 𝑪𝑪 𝒍𝒍 20 -0,0131 0,0040 -0,0395 0,0064 19 -0,0127 0,0040 -0,0382 0,0065 18 -0,0121 0,0038 -0,0367 0,0062 17 -0,0116 0,0039 -0,0349 0,0062 16 -0,0112 0,0037 -0,0333 0,0061 15 -0,0106 0,0035 -0,0318 0,0058 14 -0,0101 0,0035 -0,0302 0,0057 13 -0,0092 0,0033 -0,0284 0,0054 12 -0,0083 0,0031 -0,0262 0,0052 11 -0,0076 0,0029 -0,0237 0,0051 10 -0,0067 0,0030 -0,0218 0,0049 9 -0,0062 0,0028 -0,0194 0,0048 8 -0,0053 0,0026 -0,0172 0,0044 7 -0,0040 0,0024 -0,0145 0,0044 D-6 6 -0,0030 0,0020 -0,0121 0,0040 5 -0,0016 0,0019 -0,0095 0,0040 4 -0,0006 0,0017 -0,0068 0,0037 3 0,0003 0,0015 -0,0040 0,0037 2 0,0013 0,0013 -0,0015 0,0033 1 0,0022 0,0011 0,0015 0,0034 0 0,0029 0,0009 0,0039 0,0031 -1 0,0043 0,0008 0,0063 0,0027 -2 0,0053 0,0006 0,0091 0,0027 -3 0,0064 0,0004 0,0117 0,0024 -4 0,0078 0,0003 0,0142 0,0023 -5 0,0085 0,0001 0,0167 0,0020 -6 0,0100 -0,0003 0,0196 0,0020 -7 0,0116 -0,0004 0,0220 0,0016 -8 0,0123 -0,0006 0,0245 0,0016 -9 0,0135 -0,0008 0,0270 0,0015 -10 0,0146 -0,0010 0,0296 0,0012 -11 0,0153 -0,0012 0,0316 0,0012 -12 0,0159 -0,0014 0,0336 0,0010 -13 0,0165 -0,0016 0,0358 0,0008 -14 0,0172 -0,0018 0,0378 0,0009 -15 0,0179 -0,0017 0,0396 0,0006 -16 0,0186 -0,0019 0,0412 0,0003 -17 0,0193 -0,0021 0,0426 0,0004 -18 0,0196 -0,0023 0,0441 0,0000 -19 0,0200 -0,0023 0,0455 -0,0001 -20 0,0203 -0,0025 0,0470 -0,0002