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E stabilidade e Estabilidade e Controle C o n c e it o s e Aná álise sica Conceitos e An á á llise ise Bá B B ásica á á Lucas Rubiano de Souza Cruz Ma Maio io de de 2007 2007 20 07 Maio
Objetivo
Apresentar conceitos básicos de estabilidade e controle de aeronaves; Apresentar a relação destes conceitos com o projeto e a construção de aeromodelos para o Aerodesign.
T ó ópicos p icos
Estabilidade Estabilidade Estática Longitudinal Volume de Cauda da EH Balanceamento Estabilidade Estática Látero-Direcional Volume de Cauda da EV Diedro e Posição da Asa Estabilidade Dinâmica
Controle Controle na Decolagem Controle em Manobra Controle em Falha de Motor (OPEN) Volume de Controle
Estabilidade Estabilidade: Tendência de sempre retornar a uma situação de equilíbrio.
Equilíbrio Estável
Equilíbrio Instável
Equilíbrio Neutro
Est . Est á ática t ica Longitudinal
Tendência de retornar ao equilíbrio após uma perturbação;
Indica também a consonância da variação de velocidade e de ângulo de ataque em regime com o movimento inicial do avião.
Est . Est á ática t ica Longitudinal Equilíbrio sem estabilidade
EH/profundor a picar
Ponto Neutro
EH/profundor a cabrar
c.g. mais traseiro
Cm > 0 para CL = 0 dCm/dCL < 0
δe = 0 e iht = 0
Est . Est á ática t ica Longitudinal
Estabilidade Estática pode ser medida pela distância entre o centro de gravidade e o ponto neutro, a chamada Margem Estática Ponto Neutro c.g.
Centro Aerodinâmico (asa)
c/4
xc
(avião)
Hnc c
Margem estática
Est . Est á ática t ica Longitudinal
Margem estática: O M S A Manche fixo (profundor I fixo); N A R A Manche livre (“hinge moment” nulo); E C O P ! ! ! M D S - A E Para aeromodelos, margem estática manche O N G V O I R(servo-mecanismo N I fixo é mais adequada E S S N S H E O E fixo); mantém profundor U M I Q D A R R R T A E R R S B E P O M V U E E S L D
Est . Est á ática t ica Longitudinal
Margem Estática (manche fixo)
− H n
a1T ∂C M (1 − k ) − x = = − ν ht a1 ∂C L Margem estática Volume de cauda
Distância do ponto neutro ao c.a. da asa
Distância do c.g. ao c.a. da asa
Volume de Cauda EH Centro Aerodinâmico (EH)
Centro Aerodinâmico (asa)
lht
ν ht =
S HT l HT S W c
Ponto Neutro (avião)
Est . Est á ática t ica Longitudinal Asafuselagem Efeito da Empenagem Horizontal
Avião completo
Balanceamento
Ponto neutro não depende de c.g., porém margem estática depende; Mudanças de Balanceamento alteram a estabilidade!
CARGA ou EQUIPAMENTOS
A ” R I N G . I F . E C D O “ A D T O S Ã B A S I Ç O O Ã N P
c.g.
Estab . Est á át t. Lá tero tero - -Direcional D irecional
A estabilidade estática látero-direcional é avaliada em função de dois parâmetros adimensionais, C n β β β e C l β β β;
Cn
β V
Cl
Estab . Est á át t. Lá tero tero - -Direcional D irecional
Estabilidade direcional (C n β β β > 0) – aeronave aproa o vento sob rajada, contribui para estabilidade dinâmica e garante consonância entre movimento inicial e regime; Estabilidade lateral (C l β β β < 0) – comportamento convencional para controle em derrapagem; C l β < 0
C n β > 0
β V
Volume de Cauda EV
Principal contribuição para C n β β β é a força normal na empenagem vertical; Daí a importância do volume de cauda da empenagem vertical;
ν vt = C n β
lvt
β V
S vt lvt S wb
Diedro e Posi ç ção ão da Asa
Os principais fatores que afetam C l β β β são: Posição da asa (mais alta aumenta estabilidade); Diedro (maior aumenta estabilidade); Enflechamento (maior aumenta estabilidade); Empenagem (maior aumenta estabilidade);
Λ C l β < 0
β V
Γ
Est . Dinâmica Longitudinal
Período curto: Oscilação primariamente em velocidade de arfagem e ângulo de ataque; Velocidade e trajetória praticamente constantes; Movimento rápido, deve ser estável!
Est . Dinâmica Longitudinal
Fugóide: Oscilação primariamente em velocidade e trajetória (energia cinética e energia potencial); Ângulo de ataque praticamente constante; Movimento lento, mas amplo, em geral pouco amortecido, mas desejável estável;
Estab . Din . Lá tero tero - -Direcional D irecional
Modo de rolamento: inércia até atingir taxa de rolamento constante, é rápido e, em geral, estável;
Estab . Din . Lá tero tero - -Direcional D irecional
“Dutch-roll”: oscilação conjunta em guinada e rolamento. Dinâmica rápida, deve ser estável!
Estab . Din . Lá tero tero - -Direcional D irecional
Modo espiral: lentíssimo movimento em rolamento e guinada, em geral está próximo do neutro, ligeira instabilidade é tolerável; Instável Estável
Estabilidade Dinâmica
Em geral, características adequadas de estabilidade estática (longitudinal e láterodirecional) produzem características aceitáveis de estabilidade dinâmica para configurações convencionais!!!
Controle Controle: Capacidade de manobrar a aeronave para uma condição desejada ou mantê-la nesta condição.
! L E E D V Á D A T I O S L I E B R R A A E T I C S ! S D ! ! E A E U L T E J S D E O A R T R B S O P O S E N Ã E D C O N C O X P E
Controle na Decolagem
Aeronave deve ter controle suficiente para rotação em torno DO TREM DE POUSO na decolagem;
Controle em Manobra
Aeronave deve ser capaz de manobra com velocidade de arfagem constante (o que implica em fator de carga e ângulo de ataque constante);
α Delta profundor DeltaV na EH devido a q
V q
Controle em Falha de Motor
Leme suficiente para compensar momento do motor ainda em funcionamento (em solo) e derrapagem (no ar); Aileron suficiente para controlar rolamento; Ângulo de rolamento pode ser usado para diminuir derrapagem; φ
N E P O β V
Volume de controle
De forma semelhante à estabilidade, volume de controle pode ser usado como referência de capacidade de controle; ν elev =