Cálculo de CG e Determinação do Layout Interno de uma aeronave Hipersônica, Trabalhos de Engenharia Aeroespacial

Baixe Cálculo de CG e Determinação do Layout Interno de uma aeronave Hipersônica e outras Trabalhos em PDF para Engenharia Aeroespacial, somente na Docsity! DETERMINAÇÃO DA CONFIGURAÇÃO INTERNA E ESTIMATIVA DE C.G. DO VEÍCULO HIPERSÔNICO EXPERIMENTAL 14- X Sergio A. Oliveira Neto1,1ºTen. Eng. Tiago Cavalcanti Rolim2, Msc. Eng. Lízia Oliveira Acosta Dias3 1 Univap / Aluno de Eng. Aeronáutica, Rua Pureza, 274 Jd Colonial, sergioaer@gmail.com 2 Intituto de Estudos Avançados / Lab. Aerotermodinâmica, Praça Mal. Eduardo Gomes 50 – Vila das Acácias, 12228-904 – São José dos Campos, SP, tiagorolim@ieav.cta.br 3Univap / Docente FEAU, Av. Shishima Hifumi 2911 – Urbanova, 12244-000 – São José dos Campos, SP, lizia@univap.br Resumo- Há muitos fatores importantes para a eficiência e segurança na operação de aeronaves. Entre eles está o controle de balanço e peso. O sistema de peso e balanço comumente empregado entre aeronaves consiste de três elementos de igual importância: o peso da aeronave, a manutenção dos registros de peso e balanço e a própria carga da aeronave. Uma imprecisão de qualquer um desses elementos anula o propósito de todo o sistema. Se houver erro nos registros de peso e balanço, os cálculos finais de carga não terão sentido [6]. O carregamento inadequado prejudica a eficiência de uma aeronave do ponto de vista da altitude, manobrabilidade, taxa de subida e velocidade. Os projetistas de uma aeronave têm configurado o máximo peso baseado na quantidade de sustentação que as asas e rotores podem prover sob as condições de operação que a aeronave se destina. A localização ideal do Centro de Gravidade (C.G.) deve ser determinada pelos projetistas de forma muito cuidadosa e o máximo desvio permitido desta localização específica deve ser calculado [6]. Este trabalho consiste no estudo de um layout interno ótimo para que seja possível a determinação do CG de uma aeronave hipersônica experimental, respeitando as características deste tipo de aeronave que está sendo desenvolvida no Instituto de Estudos Avançados da Força Aérea Brasileira (IEAv – CTA – FAB). Palavras-chave: Waverider, C.G., Balanceamento de Aeronaves, Hipersônico, Configuração Interna de Aeronaves. Área do Conhecimento: Engenharia Aeronáutica e Espaço Nomenclatura CG Centro de Gravidade Wn Peso do instrumento “n” W0 Peso total DATUMReferência de cálculo xn Posicionamento em “x” zn Posicionamento em “z” Centro de massa em “x” Centro de massa em “z” Cp Centro de pressão Introdução No presente artigo, descrevemos o estudo de um layout interno ótimo para que seja possível a determinação do CG de uma aeronave hipersônica experimental, respeitando as características deste tipo de aeronave que está sendo desenvolvida no Instituto de Estudos Avançados da Força Aérea Brasileira (IEAv – CTA – FAB). Este tipo de aeronave, um waverider, utiliza a própria onda de choque formada em seu intradorso para gerar sustentação e para comprimir o ar utilizado no sistema de propulsão supersônica (scramjet), assim garantindo a manutenção do processo de combustão supersônica que, com a expansão dos gases, proporciona uma alta aceleração [3].necessidade de centrar o peso, deixando o mais balanceado possivelpossível, assim sua perda de velocidade em vôo não seja reduzia.???? O centro de gravidade (CG) é um ponto sobre o qual o peso de uma aeronave é igualmente distribuído, ou seja, suspendendo esta aeronave deste ponto, ela estará perfeitamente balanceada ou em equilíbrio [5]. A localização do CG é crucial para, desta maneira propor estabilidade à aeronave, projeto das superfícies de controle e trem de pouso. Se o CG estiver afastado à diante do Cp, a superfície de controle não será apta para corrigir a aeronave e se, por sua vez, estiver afastado para trás do Cp, a aeronave se torna instável. O CG da aeronave muda, “passeia” durante o vôo com a queima de seu combustível, o trem de pouso estendido ou retraído. Deste modo, o projetista da aeronave deve ser muito cuidadoso quando alojar cada componente dentro da aeronave para manter sua estabilidade e controle por todas as condições da faixa de operação e estágios do vôo. Além disso, durante o desenvolvimento do projeto, é necessário fazer estimativas e/ou predições das forças aerodinâmicas e momentos que irão agir na aeronave, desta forma é possível fazer um estudo aprofundado das características das condições de vôo. Assim, há a necessidade de se obter quatro elementos que compõem estas características [1]: • Trajetória Cinemática; • Medidas de taxa de aceleração do corpo do veículo; • Propriedades de massa da aeronave incluindo a localização do c.g. nos três eixos, o momento de inércia nos três eixos e o produto da inércia. Metodologia A relação usada para computar o centro de gravidade de uma aeronave (CG) é, normalmente, muito simples. O que é muitas vezes difícil, é estimar os pesos de todos componentes principais e onde suas massas agem. Em geral, o CG é calculado através dos seguintes passos: 1. Selecionar um ponto do qual todas as dimensões são medidas, ou um DATUM. Normalmente, usa-se o nariz da aeronave e medimos todas as distâncias a partir dessa localização; 2. Estima-se o peso dos componentes principais (motor, estrutura da fuselagem, montagem da empenagem, trem de pouso, estrutura da asa, superfícies de controle, carga de combustível, pilotos (quando for o caso), passageiros (quando for o caso), carga útil, aviônicos, etc.) de forma mais precisa possível. Nos estágios iniciais de projeto, apenas podemos estimar o CG de forma grosseira, mas estas estimativas se tornam mais precisas quando os sistemas específicos e materiais são selecionados; 3. Estimar o centro de gravidade de cada componente e medir sua localização a partir do Datum. Mais uma vez, podemos ser forçados a usar aproximações grosseiras até o projeto se tornar mais estabelecido; 4. Somar todos os componentes para determinar o peso total da aeronave; 5. Computar o CG da aeronave inteira usando razões de peso (ex: peso do componente sobre o peso total) e somando os momentos criados por cada componente em relação o ponto Datum. A posição do CG ao longo da aeronave é computadao pela seguinte equação, onde Wn/W0 é o peso de cada componente dividido pelo peso total da aeronave e xn é a estimativa de CG daquele componente: 6. A equação acima nos dá a localização “X” do CG da aeronave. Se nós quisermos conhecer a localização “Z”, seguimos o mesmo procedimento. Então precisamos selecionar um novo ponto Datum, normalmente o chão e medir o centro de gravidade de cada componente desta localização. Nós podemos então, computar a altura do CG por esta equação: 7. Assumindo que a aeronave é simétrica, a localização – y do CG deve ser a centralina da aeronave (ou y = 0). Entretanto, existem alguns aviões assimétricos e o cálculo do CG pode ser desempenhado utilizando o mesmo método discutido anteriormente. Estes são os passos necessários para se determinar o Centro de Gravidade (CG) de uma aeronave. Para esta aplicação, os componentes principais da aeronave são seus sistemas e subsistemas dispostos internamente, tendo como referência a aeronave experimental de pesquisa, X-43A da NASA, veja figura 1: Figura 1 – X43A NASA. Extraído da Ref. [2]. Assim como no X-43 A, desenvolvido nos Estados Unidos da América pela Nasa, temos os seguintes sistemas internos para emprego neste tipo de aeronave [2]: • FMU – Flight Management Unit( Unidade de Gerenciamento de Vôo); • Bateria; • Sensores diversos; • Sistema de instrumentação; • Sistema de arrefecimento; 2