Desempenho Aerodinâmico de um Aeromodelo: O DC-6B

Fonte: José Roberto Moreto e Xiaofeng Liu, Departamento de Engenharia Aeroespacial, Universidade Estadual de San Diego, San Diego, CA

O túnel de vento de baixa velocidade é uma ferramenta valiosa para estudar características aerodinâmicas das aeronaves e avaliar o desempenho e estabilidade das aeronaves. Utilizando um modelo de escala de uma aeronave DC-6B que tem uma cauda removível e um equilíbrio de força aerodinâmica externa de 6 componentes, podemos medir o coeficiente de elevação(C_L),coeficiente de arrasto(C_D),coeficiente de momento de arremesso(C_M),e coeficiente de momento de guinada(C_N)do avião modelo com e sem sua cauda e avaliar o efeito da cauda sobre a eficiência aerodinâmica, estabilidade longitudinal e estabilidade direcional.

Nesta demonstração, características aerodinâmicas do avião e desempenho e estabilidade de voo são analisados utilizando o método de medição do equilíbrio de força aerodinâmica. Este método é amplamente utilizado em indústrias aeroespaciais e laboratórios de pesquisa para desenvolvimento de aeronaves e foguetes. Aqui, um modelo de avião DC-6B é analisado em diferentes condições de fluxo e configurações, e seu comportamento é analisado quando é submetido a alterações repentinas.

Para avaliar as características aerodinâmicas, é importante determinar como os coeficientes aerodinâmicos mudam em relação à atitude do avião, ou seja, o ângulo de ataque, ângulo de guinada e ângulo de rolo, para uma determinada condição de voo. O equilíbrio da força aerodinâmica é um método amplamente utilizado para medir diretamente as forças e momentos experimentados por um modelo. A partir das forças e momentos medidos, bem como a temperatura do fluxo de ar, pressão estática e pressão total, os coeficientes aerodinâmicos podem ser obtidos para vários ângulos de ataque e guinada.

É possível obter as características aerodinâmicas de um objeto em grande escala testando um modelo de pequena escala, desde que a condição de similaridade dinâmica seja atendida e as correções apropriadas sejam aplicadas. No caso de um fluxo constante incompressível, o parâmetro de similaridade relevante é o número de Reynolds baseado em um comprimento de referência adequado.

Para um avião de baixa velocidade, como o DC-6B, as características aerodinâmicas podem ser medidas em um túnel de vento pequeno e de baixa velocidade, uma vez que é possível igualar o número de Reynolds para as mesmas condições de voo. Nessas condições, pode-se obter a dependência de arrastar e levantar no ângulo de ataque, α. Essa dependência do alfa pode ser usada para avaliar o desempenho do avião.

Uma vez medidos os coeficientes aerodinâmicos para várias condições e configurações, por exemplo, utilizando duas geometrias de cauda diferentes, podem ser encontrados os derivados de estabilidade(dC_M/dα, dC_N/dβ),inclinação de elevação(dC_L/dα),coeficiente máximo de elevação, relação elevação máxima para arrasto e outras características aerodinâmicas. A partir desses coeficientes aerodinâmicos, o efeito de modificação ou escolhas de design na estabilidade e desempenho do avião pode ser determinado.

Os derivados de estabilidade indicam se a aeronave está estável ou instável. Por exemplo, se o ângulo de ataque da aeronave aumentar repentinamente devido a uma rajada de vento, a resposta da aeronave caracteriza sua estabilidade. Se o ângulo de ataque continuar aumentando indefinidamente, diz-se que a aeronave é instável. No entanto, se o ângulo de ataque voltar ao seu valor inicial, a atitude antes da rajada, a aeronave é considerada estável. O mesmo se aplica à estabilidade direcional; se a tendência da aeronave é retornar ao seu ângulo inicial de guinada após uma mudança repentina, a aeronave é considerada 1500.000.

Nesta demonstração, será introduzido o equilíbrio da força aerodinâmica para medição de força e momento em um túnel de vento. Para remover as contribuições dos suportes e do peso do modelo, o equilíbrio será atrido para garantir que os resultados finais sobre a força aerodinâmica e os momentos sejam apenas devidos à aeronave. Além disso, esta demonstração ilustra o efeito de uma cauda em um projeto convencional de avião e sua importância na estabilidade longitudinal e lateral da aeronave.

A configuração do modelo DC-6B no equilíbrio de força aerodinâmica é exibida abaixo.

Figura 1. Modelo DC-6B montado. A) Modelo DC-6B dentro da seção de teste do túnel de vento de baixa velocidade com um equilíbrio aerodinâmico externo. B) Modelo DC-6B montado no saldo por três pontos articulados. Há também um motor de controle de ângulo de guinada, motor de controle de campo e um nível eletrônico para calibrar o ângulo de campo.

Figura 2. Painel de controle do túnel de vento de baixa velocidade. O ângulo de arremesso e o ângulo de guinada podem ser controlados eletronicamente a partir do painel durante os testes com o túnel de vento funcionando.

1. Calibração da configuração

1. Bloqueie o equilíbrio externo no painel de controle do túnel de vento.
2. Instale os suportes no equilíbrio aerodinâmico conforme ilustrado na Figura 1. Os suportes estão aparafusados.
3. Ajuste o ângulo da guinada a zero, ajustando o botão no motor da guinada e ajuste o ângulo de arremesso para zero usando o motor de arremesso. O ângulo de tom deve ser calibrado usando um nível eletrônico. As medidas são feitas pela primeira vez em diferentes ângulos com apenas os suportes no lugar, e nenhum modelo de avião. Isso permite que os efeitos dos suportes do avião sejam subtraídos.
4. Ligue o computador e o sistema de aquisição de força de equilíbrio externo. É necessário ligar o sistema pelo menos 30 minutos antes dos testes.
5. Abra o software de controle de medição.
6. Regisso da pressão e temperatura. Certifique-se de corrigir a pressão barométrica usando a temperatura local e a gravidade local.
7. Verifique se a seção de teste e o túnel de vento estão livres de detritos e solte as peças e feche as portas da seção de teste.
8. Desbloqueie o equilíbrio externo e afina a velocidade do túnel de vento para zero.
9. Ligue o túnel de vento e o sistema de resfriamento do túnel de vento.
10. Regissão as forças de equilíbrio e os momentos.
11. Coloque a pressão dinâmica em 7 polegadas H₂O, e registe as forças de equilíbrio e os momentos.
12. Use o controle da guinada para definir o ângulo da guinada para 5°. Ajuste a pressão dinâmica para 7 polegadas H₂O, se necessário.
13. Regissão as forças de equilíbrio e os momentos. Mude o ângulo de guinada para 10°. Ajuste a pressão dinâmica para 7 polegadas H₂O, se necessário.
14. Regissão as forças de equilíbrio e os momentos.
15. Desligue o túnel de vento e bloqueie o equilíbrio externo.
16. Instale o modelo DC-6B com a cauda.
17. Calibrar o ângulo do indicador de ataque e arremesso. Calibrar o ângulo de arremesso antes do teste usando um nível eletrônico.
18. Desbloqueie o equilíbrio externo.
19. Defina o ângulo de ataque pressionando o nariz para cima ou para baixo no painel de controle Figura 2. Ângulos de ataque para testes α = -6°, -4°, -2°, 0°, 2°, 4°, 6°, 8°, 10°.
20. Regissão as forças de equilíbrio e os momentos.
21. Repita as etapas 1.19 para 1.20, aumentando gradualmente o ângulo de ataque até que todos os pontos de teste estejam completos.
22. Retorne o ângulo de ataque, α, a zero e afina o ângulo de guinada. Ângulos de guinada para testes β = 0°, 5°, 10°.
23. Regissão as forças de equilíbrio e os momentos.
24. Repetir as etapas 1.22 para 1.23 aumentando gradualmente o ângulo da guinada até que todos os pontos de teste estejam completos.
25. Bloqueie o equilíbrio externo e remova a cauda do modelo DC-6B. Instale o cone traseiro e repita as etapas 1.19 para 1.24.
26. Quando todos os dados foram coletados, desligue o sistema de resfriamento do túnel de vento, bloqueie o equilíbrio externo e desligue o túnel de vento.

2. Testes a velocidades de vento não-zero

1. Verifique se a seção de teste e o túnel de vento estão livres de detritos e afrouxar peças e, em seguida, feche as portas da seção de teste.
2. Definir ângulo de arremesso para zero.
3. Desbloqueie o equilíbrio externo.
4. Defina o mostrador de velocidade do túnel de vento para zero e ligue o túnel de vento e o sistema de resfriamento do vento.
5. Regissão as forças de equilíbrio e os momentos.
6. Coloque pressão dinâmica em 7 polegadas H₂O.
7. Definir ângulo de ataque, começando com α = -6°. Ângulos de ataque para testes α = -6°, -4°, -2°, 0°, 2°, 4°, 6°, 8°, 10°.
8. Ajuste a pressão dinâmica para 7 polegadas H2O, se necessário, e regise as forças e momentos de equilíbrio.
9. Repetir passos 2.7 - 2.8 aumentando gradualmente o ângulo de ataque até que todos os pontos de teste sejam executados.
10. Devolva o ângulo de ataque para zero e afina o ângulo de guinada. Os seguintes ângulos de guinada devem ser testados β = 0°, 5°, 10°.
11. Ajuste a pressão dinâmica para 7 polegadas H2O, se necessário, e regise as forças e momentos de equilíbrio.
12. Repetir as etapas 2.10 - 2.11 aumentando gradualmente o ângulo da guinada até que todos os pontos de teste sejam executados.
13. Diminua lentamente a velocidade de ar para zero e, em seguida, bloqueie o equilíbrio externo.
14. Remova o cone de cauda do modelo DC-6B e instale a cauda completa.
15. Repita as etapas 2.7 a 2.12.
16. Quando todos os dados foram coletados, desligue o sistema de resfriamento do túnel de vento, bloqueie o equilíbrio externo e desligue o túnel de vento.

Nesta demonstração, foram medidas as características de desempenho e estabilidade de um modelo DC-6B em duas configurações. Em uma configuração, uma cauda convencional de avião foi anexada ao modelo (cauda-on), e na segunda configuração, a cauda foi removida e substituída por um cone (tail-off). Para cada configuração, foi determinada a variação do coeficiente de elevação e coeficiente de arrasto com ângulo de ataque (Figura 3). Também foi investigada a variação no coeficiente de momento de arremesso e coeficiente de momento de guinada em relação ao ângulo de ataque e beta (Figura 4).

Os resultados mostram os efeitos aerodinâmicos da cauda. Na Figura 3, embora a cauda aumente o levantamento máximo e o arrasto, no geral a cauda diminui o desempenho aerodinâmico. Quando a cauda está desligada, o modelo é longitudinalmente e direcionalmente instável (Figura 4). Portanto, a cauda do avião é necessária para alcançar a estabilidade, mesmo que possa resultar em redução do desempenho da aeronave.

Figura 3. Curvas de avaliação de desempenho para configurações de tail-on e tail-off. A) Coeficiente de elevação vs α; B) Coeficiente de arrasto vs α; C) Arrastar polar; e D) L/D vs α. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 4. Curvas de avaliação de desempenho para configurações de cauda e cauda fora. A) Coeficiente de momento de pitch vs α; B) Coeficiente de momento yaw vs β. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Testar um modelo de pequena escala usando um equilíbrio aerodinâmico em um túnel de vento permite a determinação das principais características aerodinâmicas de uma aeronave. Um equilíbrio de 6 componentes mede três componentes de força, forças de elevação, arrasto e laterais, e três momentos componentes, momentos de arremesso, guinada e rolo.

Quando a semelhança dinâmica entre o objeto em escala total e o modelo é alcançada, por exemplo, o número de Reynolds é o mesmo para o caso de fluxo constante incompressível, então os coeficientes aerodinâmicos obtidos usando o modelo de pequena escala são aplicáveis ao objeto em grande escala e características aerodinâmicas, como desempenho e estabilidade estática, podem ser determinados.

Medições de força e momentos por um equilíbrio externo em um túnel de vento têm várias aplicações. Este método é amplamente utilizado na indústria aeroespacial; no entanto, tem sido aplicado com sucesso em pesquisa e desenvolvimento em muitas áreas, por exemplo, em engenharia naval, indústrias automotivas e engenharia civil.

Existem várias aplicações em engenharia naval. Por exemplo, barcos a vela e barcos de corrida são significativamente afetados pelas forças aerodinâmicas, e seu efeito sobre o navio precisa ser considerado para otimizar o desempenho. Para o design de navios de baixa velocidade, as forças aerodinâmicas devem ser consideradas para reduzir o consumo de combustível e melhorar o desempenho geral.

Outra indústria que se beneficia dos testes de túnel de vento é a indústria automotiva. O teste do túnel de vento é usado para determinar as forças de arrasto, forças laterais e momentos vividos por um carro. Esta é agora uma prática padrão para o desenvolvimento de carros novos, uma vez que essa técnica leva a projetos mais competitivos e eficientes.

Os testes do túnel de vento para medições de força não se restringem à otimização de desempenho. Na moderna indústria de engenharia civil, os testes de túnel de vento são usados para aumentar a segurança. Há arranha-céus altos e finos que estão sujeitos a fortes rajadas de vento. Essas rajadas de vento geram altas cargas que precisam ser contabilizadas no projeto da construção para evitar o colapso do edifício. Isso também se aplica às pontes, que devem ser testadas em túneis de vento para garantir a segurança.

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