ESTUDO COMPARATIVO DA RESPOSTA DINÂMICA DE UMA AERONAVE RADIOCONTROLADA PARA COMPETIÇÃO

Resumo

A simulação computacional vem ganhando espaço nos projetos de engenharia, pois diminui a necessidade de testes físicos em protótipos – minimizando custos de projeto e tempo de implementação. O objetivo deste resumo é analisar matematicamente o comportamento dinâmico de uma aeronave radiocontrolada destinada à competição SAE AeroDesign Brasil em diversas situações de voo por meio da teoria de espaço de estados de controle moderno, utilizando as derivadas de primeira ordem de estabilidade e controle da aeronave. Para tanto, foi implementada em MATLAB a teoria de controle juntamente com as equações de estabilidade que regem o fenômeno da estabilidade dinâmica. Para realizar este estudo teve-se que caracterizar a geometria completa da aeronave, distribuição de massa da aeronave (peso, inércia nos três eixos, centro de gravidade da aeronave inteira, asa e empenagens), o envelope de velocidades, forças e momentos aerodinâmicos e derivadas adimensionais (derivadas em ordem do ângulo de ataque, ângulo de derrapagem e ângulo de rolagem, derivadas em ordem da variância de velocidade e derivadas das forças e efeitos de arfagem, guinada e rolagem). Com isto, foi possível analisar as respostas da aeronave para inputs do tipo degrau, impulso e rampa, a fim de caracterizar perturbações como rajadas, manobras e alijamento de carga (descarregamento de uma parte da carga durante o voo). Caracterizaram-se os modos de oscilação longitudinais (fugoide e curto período) e láteo-direcionais (rolagem, espiral e dutch roll) da aeronave por meio da resposta no domínio do tempo e análise do gráfico LGR – lugar geométrico das raízes dos polinômios característicos que regem cada modo oscilatório. Com estes dados classificou-se a qualidade de voo, através dos transitórios da resposta temporal e índices de desempenho como frequência de ressonância, grau de amortecimento, tempo de pico e tempo de acomodação de cada modo oscilatório em cada situação de voo (corrida de decolagem, subida, cruzeiro antes e após o alijamento de carga, mergulho, manobra e pouso). Ao fim deste processo foi possível comparar os resultados obtidos matematicamente com softwares comerciais como o XFLR5 e AVL, nos quais conseguiu-se validar em partes a metodologia desenvolvida, pois alguns modos obtiveram pequenas divergências. As rotinas foram adaptadas ao processo de concepção de design da aeronave – MDO, o qual também foi implementado em MATLAB. Com isso, consegue-se garantir a estabilidade dinâmica da aeronave já no projeto conceitual, o que diminui a probabilidade de modificações na geometria da aeronave na etapa de projeto detalhado.