Sonho 2700 | Um conto sem cauda

Aqueles que ainda não o fizeram podem querer ler a primeira parte desta série e continuar com este artigo - Ed.

Nesta segunda parte da jornada, guiarei você pelos principais desafios do projeto aerodinâmico de um planador sem cauda. Hoje em dia, várias ferramentas de cálculo estão disponíveis para o hobby e — com algum esforço — é possível fazer uma validação preliminar de um conceito, minimizando o risco de um acidente em um voo inaugural. Hoje, as ferramentas de Dinâmica de Fluidos Computacional (CFD) são muito mais fáceis de usar, e uma estação de trabalho doméstica pode fornecer resultados qualitativos utilizáveis. No entanto, isso requer muito tempo e dedicação. Passei noites intermináveis ​​atualizando meu conhecimento sobre CFD e ajustando os modelos de cálculo, mas isso valeu a pena quando você pode ver seu design 'voando' em um ambiente virtual.

Otimização do design da asa no XFLR5

A maior parte do design aerodinâmico da asa foi feito usando XFLR5 (consulte Recursos abaixo). Esta é uma ferramenta maravilhosa para experimentar diferentes configurações e fazer comparações. Minha primeira tentativa de design concentrou-se em chegar o mais próximo possível de uma distribuição de elevação elíptica, pois queria otimizar a eficiência. Nessa configuração, as asas foram colocadas nas pontas das asas, para otimizar ainda mais a asa e dar estabilidade lateral.

A escolha do perfil da seção da asa exigiu muitas iterações. A decisão precisa ser baseada em vários fatores: deve ser um bom trecho para baixo Número de Reynolds (que para este projeto está variando de 50.000 a 400.000), deve ter um máximo decente C l , e um baixo coeficiente de momento ( C m ) . Um C m mais alto exigirá uma torção de asa mais alta para alcançar a estabilidade desejada. O Número de Reynolds (Re) é adimensional e pode ser descrito como a razão entre as forças de inércia e as forças viscosas. Quanto menor o Re, maior é o efeito viscoso do ar. Baixo Re geralmente leva a maior risco de fluxos separados e bolhas laminares. Isso pode produzir características aerodinâmicas ruins.

A escolha final foi para um trecho desenvolvido por Thorsten Lutz, o TL-54 . Esta seção da asa oferece um bom máximo C l , um C d bastante baixo e baixo coeficiente de momento de sustentação zero ( C m0 ).

O XFLR5 foi usado extensivamente nesta fase para otimizar a torção da asa e a forma do plano. Esta ferramenta permite testar várias configurações e fazer comparações, alterando vários parâmetros. Não entrarei em todos os detalhes dos cálculos do XFLR5 , pois isso já foi publicado no RCSD legado em vários artigos excelentes. Todos os parâmetros aerodinâmicos foram otimizados, incluindo um cálculo grosseiro de estabilidade.

Nesta fase, fiquei bastante satisfeito com o desenho da asa e estava pronto para iniciar os desenhos de construção.

A distribuição de elevação em forma de sino

Quando estava quase congelando o design, fiquei sabendo de Albion Bowers e de seus experimentos com o Prandtl-DProjeto. Em poucas palavras, os estudos da Albion estão demonstrando que, para uma determinada carga útil, a distribuição de sustentação que dá o menor arrasto induzido e o menor peso estrutural é a em forma de sino. E, para não ser negligenciado, esta distribuição de sustentação dá a vantagem de um movimento coordenado de rolagem e guinada, resolvendo um dos maiores problemas que sempre tivemos em asas voadoras, o acoplamento adverso rolagem/guinada. Para explicar melhor, uma entrada de rolagem do aileron para a esquerda produzirá inicialmente um momento de guinada para a direita, tornando a manobra de curva um tanto descoordenada. Fiquei tão empolgado com este estudo que decidi modificar minha asa de acordo e tentar. Com algumas sugestões vindas de Albion Bowers, algum apoio vindo de Marko Stamenovic, o grupo Horten Flying Wing Believers no Facebook (consulte Recursospara obter links para todos eles) e novamente uma longa série de simulações XFLR5 , saí com meu projeto final de asa!

Na foto abaixo, você pode ver a evolução do design.

E esta é a distribuição de elevação local que obtive em condições compensadas:

Apaixonei-me por esse desenho, por várias razões:

• Não há mais razão para implementar winglets. Eles são muito bonitos, mas sua localização nas pontas das asas gera cargas pesadas na asa e aumenta o risco de vibração.
• Aletas verticais localizadas onde o núcleo roll-up do vórtice downwash é encontrado. Teoricamente, uma asa voadora com BSLD não precisa de aletas para estabilidade. No entanto, se você deseja uma boa quantidade de controle lateral, precisa de algum tipo de leme em algum lugar. Não é realmente obrigatório para um modelo RC em escala, mas se seu objetivo é construir um em escala real, pense na autoridade de controle de guinada durante decolagens e aterrissagens.
• As pontas das asas são descarregadas e isso permite uma estrutura de asa mais leve.

Outra característica especial que eu queria experimentar são os flaps neutros de inclinação: se a extensão dos flaps estiver posicionada corretamente contra o ponto neutro da asa (NP), devemos ser capazes de obter nenhum momento de inclinação quando os flaps são estendidos.

Otimização do projeto da cápsula da fuselagem

Como você pode perceber no primeiro artigo, a seção transversal da fuselagem é bastante grande, se comparada ao que seria realmente necessário para um modelo rádio-controlado. Isso vem do fato de que eu queria acomodar um piloto real no avião em escala real, mantendo também espaço suficiente para o motor elétrico e baterias, trem retrátil e vários acessórios. Portanto, decidi desenhar o fusível em escala real e depois reduzi-lo para o modelo em escala 1:5.

Com a perspectiva de um planador em grande escala, mais requisitos precisam ser levados em consideração:

• Interseção da longarina da asa com a fuselagem: você precisa de espaço suficiente para acomodar as pernas do piloto, longarina da asa e sistemas de controle
• As pontas das asas devem estar altas o suficiente no solo, para não tocar o solo durante as decolagens e pousos (lembre-se que temos uma asa enflechada)
• Fuselagem a ser simplificada considerando o ângulo de compensação da asa, para minimizar as separações de fluxo
• A junção fuselagem/asa deve ser otimizada para reduzir o arrasto de interferência e novamente a separação potencial
• A visibilidade do piloto não deve ser fortemente limitada pela asa
• Espaço suficiente para as engrenagens retráteis
• Sendo um planador de motor elétrico, precisamos de espaço para o compartimento da bateria

Durante o desenvolvimento, pude rodar algumas simulações CFD, que me permitiram otimizar a fusão da asa com a fuselagem. Ao executá-lo em uma estação de trabalho doméstica, você não pode esperar milagres, mas mesmo assim foi muito interessante destacar algumas possíveis falhas de design.

Quando se trata de arrasto aerodinâmico, um dos piores inimigos vem dos gradientes de pressão adversos. Você geralmente não tem problemas até que o fluxo de ar em uma superfície esteja acelerando: isso produz um fluxo estável e potencialmente laminar. Nesta maquete, considerando uma velocidade de compensação de cerca de 10 m/s, obtemos Re = 300.000 na fuselagem. Para um Re tão baixo e se o acabamento da superfície for liso o suficiente, é provável que ocorra fluxo laminar, o que é bom, mas ao mesmo tempo há um risco maior de obter uma bolha de separação laminar, o que é ruim. Por outro lado, um número Re maior produzirá menos problemas de separação, mas provavelmente um fluxo turbulento.

No Dream 2700 , parece que temos um possível problema de separação na parte de trás da fuselagem. Deixe-me explicar a física com a ajuda de algumas imagens:

Na área destacada em azul, a velocidade do fluxo é próxima de zero, e isso é um claro sinal de separação do fluxo, destacado também pelo fluxo caótico naquela região. Isso se deve à má recuperação de pressão, causada pela mudança abrupta da seção transversal naquela área. Além disso, como pode ser visto na próxima foto, a asa está produzindo um forte fluxo energético, de cima para baixo e de fora para dentro. A forte curvatura na parte inferior da fuselagem cria um baixo fluxo de energia com poucas possibilidades de mantê-la presa à superfície. Praticamente eu projetei um 'gerador de vórtice difusor' perfeito. Uma das razões prende-se com a necessidade de posicionar a hélice longe do solo durante a descolagem e aterragem: esta é a principal razão pela qual a curvatura do fusível é muito suave na parte superior e muito pronunciada na parte inferior.

Infelizmente, esses resultados só ficaram disponíveis depois que a fuselagem já havia sido fabricada, então terei que ficar com isso. Durante o teste de voo, tentarei executar algumas visualizações experimentais de fluxo para confirmar esse fenômeno.

De qualquer forma, estou bastante satisfeito com a combinação asa/fuselagem, onde a análise CFD não mostrou nenhum problema especial.

Um fenômeno muito interessante é destacado nas fotos abaixo. As asas varridas são caracterizadas por um fluxo cruzado, um componente do fluxo de ar que vai da raiz à ponta. Isso acontece na superfície superior da asa, gerando uma deterioração da camada limite em direção às pontas das asas. Nesse projeto específico, o fluxo cruzado é mais evidente antes de atingirmos as aletas verticais, e menos evidente das aletas até as pontas: as aletas verticais atuam como cercas de asa, reduzindo o fluxo cruzado nas pontas. A torção negativa nas pontas neutraliza o fluxo cruzado, assim como as aletas.

Em uma última foto, há algo um tanto engraçado. Você já se perguntou de onde vêm a sustentação e o arrasto? Bem, a análise CFD ajuda a visualizar o levantamento e o arrasto de uma forma muito intuitiva. Nas imagens a seguir, as áreas vermelhas representam volumes de alta pressão, enquanto as áreas azuis representam volumes de baixa pressão.

E isso me leva ao final da Parte II do Tale Sem Cauda. A próxima parte que chega no próximo mês no Novo RCSD será dedicada à construção, onde compartilharei todas as etapas do processo, com fotos e vídeos.

Deixe-me encerrar com a renderização do Dream 2700 completo , com o esquema de cores final que usarei.

©2022 Domenico Bosco

Recursos

• XFLR5: Uma ferramenta poderosa para projeto preliminar por Francesco Meschia. — “O XFLR5 é uma ferramenta de análise para aerofólios, asas e aviões operando em baixos números de Reynolds…”
• Sobre as asas do arrasto induzido mínimo: Implicações de Spanload para aeronaves e pássaros por Albion Bowers et al — “Por quase um século, a teoria da linha de elevação de Ludwig Prandtl continua sendo uma ferramenta padrão para entender e analisar asas de aeronaves. A ferramenta, disse Prandtl, aponta inicialmente para a envergadura elíptica como a escolha de asa mais eficiente…”
• Flying Wing Designer: uma ferramenta para criar seu próprio modelo de asa voadora por Marko Stamenovic. — “Essa é para quem quer fazer um modelo RC voador e já está um pouco mais aprofundado no conhecimento sobre asas voadoras…”
• Horten Flying Wings Believers no Facebook. — Este grupo é uma boa fonte de inspiração: “Coloque seu trabalho de Horten aqui e fale sobre a guinada positiva em vez da guinada adversa. Conte sobre a leveza da longarina, conte sobre os looks bacanas, conte sobre os testes que você fez…”
• AeroDesign.de por Hartmut Siegmann. — “Aerodinâmica, design, layout, construção, desenvolvimento e otimização de modelos de voo convencionais e asas voadoras é realmente uma coisa interessante…”