aeronaves de projecto conceptual no estudos...
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Estudos Paramétricos no
Projecto Conceptualde
Aeronaves
Estudos Paramétricos no
Projecto Conceptualde
Aeronaves
Pedro V. Gamboa
Departamento de Ciências Aeroespaciais
Universidade da Beira Interior
Pro
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Aer
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1. Introdução
2. Estudos Paramétricos
3. Apresentação dos Estudos
4. Optimização Multi-variável e Multi-disciplinar
5. Exemplo
6. Conclusão
1. Introdução
2. Estudos Paramétricos
3. Apresentação dos Estudos
4. Optimização Multi-variável e Multi-disciplinar
5. Exemplo
6. Conclusão
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ConteúdoConteúdoE
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1. Introdução1. Introdução
• O processo de projecto é iterativo numa área definida por requisitos rígidos;
• Este processo é satisfatório para obter a configuração inicial;
• O resultado é muito dependente dos parâmetros que definem a aeronave;
• Os estudos paramétricos permitem compreender a influência dos vários parâmetros no resultado final;
• Os estudos computacionais são importantes e obrigatórios devido àextensão dos cálculos;
• É necessária experiência para definir correctamente as interacções entre os vários parâmetros e as várias disciplinas.
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2. Estudos Paramétricos2. Estudos Paramétricos
• Os estudos paramétricos fornecem as respostas às perguntas “E se...?”;
• A selecção e execução adequadas dos estudos é tão importante como uma configuração boa ou análise correcta para que a aeronave “óptima” possa emergir.
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2.1. Objectivos dos estudos paramétricos2.1. Objectivos dos estudos paramétricos
• Determinação de combinações de parâmetros do projecto que satisfaçam os requisitos operacionais especificados;
• Cálculo dos valores para os parâmetros de configuração mencionados acima que resultam na função objectivo mais favorável (por exemplo, peso de descolagem ou custo de operação);
• Estudos de sensibilidade para avaliar os efeitos de pequenas mudanças na forma ou geometria, propriedades dos materiais, coeficiente de arrasto, etc.;
• Análise de missão/desempenho e estudos de compromisso para investigar o efeito de variações nos requisitos de desempenho;
• Verificação do efeito de certos constrangimentos tecnológicos em termos de prejuízos no peso e no custo.
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2.2. Categorias de estudos2.2. Categorias de estudos
• Estudos de projecto;
• Estudos de requisitos;
• Sensibilidades de crescimento.
Estudos de projecto Estudos de requisitos Sensibilidades de crescimento
T/W e W/S Alcance/carga útil/passageiros Peso vazioA, Λ Tempo de espera CD0 e KCDwave
t/c, λ Velocidade CLmaxForma e arqueamento do perfil Taxa de volta, PS, nmax Tracção e sfc instaladosSistemas de alta sustentação Comprimento da pista Preço do combustívelEsbeltez da fuselagem Tempo de subidaDiâmetro do hélice Nível de assinatura de radarMateriais PreçoConfiguração
tipo de caudaenflechamento variávelnúmero e tipo de motorcaracterísticas de manutençãodisposição dos passageiros
Tecnologias avançadas
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2.3. Procedimento dos estudos2.3. Procedimento dos estudos
• Variar os parâmetros de projecto significa projectar muitos aviões diferentes.
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3. Apresentação dos Estudos3. Apresentação dos Estudos
• Existem muitos parâmetros que podem ser investigados;
• Para manter o estudo tratável é preferível variar uma ou duas variáveis de cada vez;
• O tipo de estudo a usar deve ser escolhido com base nos aspectos que influenciam mais o projecto em questão.
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3.1. Estudos de dimensionamento3.1. Estudos de dimensionamento
• T/W vs W/S
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3.2. Estudos de nove pontos3.2. Estudos de nove pontos
• “Carpet plot”
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3.3. Estudos de variável única3.3. Estudos de variável únicaP
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4. Optimização Multi-variável4. Optimização Multi-variável
e Multi-disciplinare Multi-disciplinar• O volume computacional envolvido em estudos paramétricos excede
facilmente a capacidade de cálculo manual e a de grande parte dos programas de computador existentes;
• Para optimizar verdadeiramente uma aeronave devem ser incluídos dezenas de parâmetros nos estudos;
• A optimização multi-variável é uma ferramenta poderosa para melhorar o projecto. Usa-se, por exemplo, o gráfico de dimensionamento repetidamente e as diferenças finitas;
• A optimização multi-disciplinar do projecto, MDO, permite criar modelos matemáticos a partir de disciplinas diferentes. Usa-se, por exemplo, o método das diferenças finitas e algorítmos genéticos.
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5. Exemplo5. Exemplo
Função:Avião ligeiro de observação.
• Requisitos
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Desempenho:Operação em pistas de 250 m (nível do mar e condições ISA);Velocidade de perda 83 km/h;Velocidade de cruzeiro 200 km/h;Velocidade de vigilância 140 km/h;Razão de subida ao nível do mar 4 m/s.
Missão:Vigilância de 5 horas a 300 km da base com reservas para 2 horas de vigilância;Manobras durante 15 minutos;Transporte de 2 tripulantes (86 kg cada) e 40 kg de bagagem.
• Equações para determinação do combustível para a missãoP
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Fase da missão Wi/Wi-1
Aquecimento, rolagem e descolagem 0,990 Subida 1,0065-0,0324M com M≥ 0,1
Cruzeiro ( ) RSW
VK
SWCV
gC D
P
P
e
+−
20
22
2 ρ
ρη
Espera ( ) ES
W
V
K2
SW2
CVC 0D3
P
P
e
+−
ρ
ρ
η Manobras t
W
PC1
P
P ∆−η
Descida 0,998 Aterragem e rolagem 0,998
• Equações de constrangimento de desempenhoP
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Requisito Expressão
Vel. perdamaxL
2S CV5,0
S
W ρ=
Descolagem ( )
+
+−+
= µµ
ρρη2LLD
TOLLP
KCCCS
W
gs
2
C2
44,1
S
W
C
2,1
W
P0
maxmax
Razão de subida( )
++=
S
W
V
K2
SW2
CVRC
1
W
P 0D3
P ρρ
η
Vel. cruzeiro( )
+=
S
W
V
K2
SW2
CV1
W
P 0D3
P ρρ
η
AlcanceK
CV5,0
S
W 0D2ρ=
AutonomiaK
C3V5,0
S
W 0D2ρ=
Aterragem ( )
+−+
−= 2
LLD2
L
L KCCC15,1
C2
tg
hs
2
g
S
W0
max µµ
γρ
• Gráfico de dimensionamento
5
7
9
11
13
15
17
19
21
23
25
0 200 400 600 800 1000 1200
W/S [N /m 2]
P/W
[W
/N]
W TO = 5800 N
W TO = 6300 N
W TO = 6800 N
W TO = 7300 N
Perda
Descolagem
Razão de Subida
Ve locidade deCruzeiro
Alcance
Au tonomia
Ate rragem
Enve lope
Motor dispon ível
Ponto Projecto
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Comprimento total 5,86 mAltura total 1,98 mEnvergadura 9,99 mÁrea da asa 9,76 m2
Alongamento 10,00Peso de descolagem 5871 NCarga útil 2 tripulantes (86 kg cada) + 40 kg de bagagemPeso vazio 3148 NAlcance máximo em cruzeiro 1460 kmDistância de descolagem 235 mDistância de aterragem 150 m
• Avião ligeiro de observaçãoP
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• Efeito de A e Λc/4 em WTO (motor fixo)
5700
5750
5800
5850
5900
5950
6000
6050
6100
0 1 2 3 4 5 6
WT
O [
N]
A = 8,0 A = 10,0 A = 12,0
Lc/4 = -5 ,0 Lc/4 = 0,0 Lc/4 = 5,0
Pon to Pro jecto
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• Efeito de t/c e λ em WTO (motor fixo)
5700
5750
5800
5850
5900
5950
6000
6050
6100
0 1 2 3 4 5 6
WT
O [
N]
t/c = 15,0 t/c = 18,0 t/c = 21 ,0
l = 0 ,50 l = 0,60 l = 0,70
Ponto Projecto
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• Estudo do efeito do alongamento (motor fixo)
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
6 7 8 9 10 11 12 13 14
Alon gamen to , A
Va
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[%
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S W F W E
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• Estudo do efeito da distância de cruzeiro (motor fixo)
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
0 100 200 300 400 500 600 700
Distânc ia de c ruzeiro [km ]
Va
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[%
]
sTO W F W E
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• Efeito da altitude para pista de dimensão constante (motor fixo)
-10
-5
0
5
10
15
20
25
30
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
Altitude [m]
Va
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[%
]
W E W F sTO sL S
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• Estudo de motor elástico
-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
10
12
14
1,00 1 ,10 1,20 1 ,30 1,40 1,50 1,60
Escala do mo tor
Va
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[%
]
S W F tcrz
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• Influência da variação do CD0
- 4
- 3
- 2
- 1
0
1
2
- 6 - 4 - 2 0 2 4 6 8 1 0 1 2
V a r i a ç ã o n o C D 0 [ % ]
Va
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arâ
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[%
]
s T O R C V C s L R
- 4
- 2
0
2
4
6
- 6 - 4 - 2 0 2 4 6 8 1 0 1 2
V a r i a ç ã o n o C D 0 [ % ]
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6. Conclusão6. Conclusão
• A compreensão da influência dos vários parâmetros de projecto requer a aplicação dos estudos paramétricos;
• Os cálculos complexos inerentes a estes estudos exigem a necessidade de ferramentas computacionais;
• A experiência permite um estudo mais objectivo e realista;
• A aeronave óptima só é alcançada com o uso cuidado e sistemático dos estudos paramétricos;
• Tudo influencia tudo o resto, mesmo os métodos usados.
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