Introdução ao Projeto Aeronáutico - Prof. Edison Rosa - mod1 cap1

Introdução ao Projeto Aeronáutico - Prof. Edison Rosa - mod1 cap1

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A diferença fundamental entre as duas competições é que os modelos da PAA-

LOAD eram de vôo-livre e os competidores eram aeromodelistas. A Competição SAEAeroDesign® é voltada para estudantes, não aeromodelistas (futuros engenheiros). Apenas os pilotos das equipes podem ter experiência como aeromodelistas. A PAA-LOAD tinha uma limitação na envergadura, máxima de 1,2 m, e no tempo de decolagem, de 20 s no máximo, ao contrário da SAE, com limitação na área total projetada (até 2002) e no comprimento de pista que pode ser usado na decolagem, 61 m.

ÍNDICE MÓDULO 1. 1. INTRODUÇÃO AO PROJETO AERONÁUTICO 2. CONCEITOS DE ENGENHARIA AERONÁUTICA 3. AERODINÂMICA DE CONFIGURAÇÃO MÓDULO 2. 4. ESCOAMENTO SOBRE UM PERFIL 5. CAMADA LIMITE E SEPARAÇÃO 6. ESCOAMENTO SOBRE UMA ASA 7. RESISTÊNCIA AERODINÂMICA MÓDULO 3. 8. PROPULSÃO 9. ANÁLISE DE DESEMPENHO 10. EQUILÍBRIO E ESTABILIDADE MÓDUL0 4 1. REGULAMENTAÇÃO AERONÁUTICA 12. PROJETO ESTRUTURAL MÓDULO 5 13. EXEMPLO DE PROJETO - AeroDesign 14. EXEMPLO DE PROJETO - UAV 15. PROJETO PILOTO REFERÊNCIAS EQUIPES UFSC DESDE 1999 BIBLIOGRAFIA REFERÊNCIAS FOTOGRÁFICAS

MÓDULO 1 MÓDULO 1

1. INTRODUÇÃO AO PROJETO AERONÁUTICO

Este primeiro capítulo tem por objetivo apresentar de forma sucinta e objetiva os conceitos relacionados ao processo de desenvolvimento do projeto e fabricação de um produto, bem como conceitos relativos à organização e gerenciamento deste projeto e construção. Desta forma, o capítulo está dividido em duas partes, uma dedicada à metodologia de projeto e desenvolvimento de produtos e urna segunda parte de técnicas e formas de organização e administração de todas as atividades envolvidas, ou seja, como que este desenvolvimento do produto é gerenciado.

Sempre que possível, ou necessário, os conceitos que estão colocados em termos genéricos, aplicáveis a qualquer tipo de projeto, serão particularizados para o projeto e construção de modelos para o concurso SAE AeroDesign, sendo esta particularização salientada no texto com uma diferente formatação de fonte e margens, como neste parágrafo.

O termo projeto é um termo amplo, que pode ter diferentes definições e abrangências, conforme a literatura apresenta. Dentro do escopo deste texto, vamos definir projeto como sendo um conjunto de atividades inter-relacionadas que têm por objetivo conceber e definir completamente um produto, de forma que possa ser produzido. O projeto de um produto inicia quando é estabelecida a necessidade deste produto. O conceito de produto aqui discutido pode ser pensado como o mais amplo possível, como por exemplo, um novo automóvel, um equipamento industrial, um software, um processo de fabricação, etc.

No caso do concurso SAE AeroDesign o produto não é, como poderíamos pensar, o modelo da competição, mas sim obter uma pontuação e classificação expressiva. Desta forma o projeto da participação na competição inclui o projeto do modelo, mas também a construção, testes, relatório, apresentação, etc.

Conforme será detalhado mais à frente, de uma forma simplificada, o desenvolvimento de um dado produto segue um processo formado pelas etapas:

Pesquisar informações; Projetar; Construir: Testar; Avaliar.

Se na avaliação o resultado é satisfatório, o desenvolvimento evolui para a próxima fase, caso contrário é necessário realimentar o processo e alterar o projeto. Este processo evolui partindo de uma fase inicial, onde se tem apenas uma visão global, macroscópica do produto, na qual este está muito pouco definido, para uma fase que tem uma visão focada em cada um dos diferentes detalhes do produto, que, ao final do projeto, definem completa e inequivocamente o que é o produto.

As etapas "construir" e "testar", podem atuar sobre modelos físicos, como protótipos ou maquetes, ou sobre modelos virtuais, como modelos computacionais. No primeiro caso os testes serão efetuados sobre o protótipo e algumas grandezas serão medidas. No caso do modelo virtual os testes serão simulações a que os modelos serão submetidos.

1.1. O PROCESSO DE DESENVOLVIMENTO DE PRODUTOS.

O desenvolvimento de produtos, seja uma máquina, um equipamento, um eletrodoméstico, um software, e no caso de interesse, uma aeronave não tripulada, radiocontrolada, segue tipicamente uma seqüência de etapas que pode ser descrita como:

Definição de necessidades e busca de informações; Busca da concepção do produto; Desenvolvimento do "Iayout" e parâmetros básicos; Complementação do projeto e detalhamento; Construção; Teste; Avaliação

Projeto Informacional Projeto Conceitual Projeto Preliminar Projeto Detalhado -

Esta seqüência deve ser efetuada a diferentes níveis de detalhamento, ou seja, ao nível do produto como um todo (nível macro), ao nível de sistemas e montagens e ao nível de peças e seus detalhes (nível micro). É o que pode se chamar de projeto com foco cíclico, macro→micro→macro.

O projeto sempre inicia como uma ação de resposta a uma necessidade detectada e que deve ser atendida. As etapas de definição de necessidades e busca de informações é o que mais recentemente se está denominando de projeto informacional. No projeto informacional devemos ter muito bem definido todos os requisitos (o que o produto DEVE ser) e todas as restrições (o que o produto NÃO DEVE ser). De uma forma geral podemos definir então atributos do produto, divididos entre os desejáveis (requisitos) e os indesejáveis (limitados por restrições).

A busca de informações deve contemplar também aspectos legais relativos ao tipo de produto, bem como dados para comparação com produtos similares, com o uso de parâmetros adimensionais para comparação, quanto a características de desempenho e outros requisitos e restrições.

Para o concurso SAE AeroDesign em banco de dados de modelos de anos anteriores é muito útil para balizar em um novo projeto as características aerodinâmicas, dados de desempenho e soluções estruturais.

O principal requisito de um produto é o seu requisito funcional, ou seja, o requisito que define a função a que o produto deve atender, ou seja, a razão de ser do produto. Outros requisitos em geral estão presentes. As restrições impõem limitações (valores máximos e mínimos) ao projeto, como de dimensões, de volume, peso, desempenho, custo, prazos, etc. O objetivo do projeto informacional é gerar as especificações de projeto do produto, que é uma quantificação dos requisitos e restrições, que em geral são colocadas de uma forma qualitativa. Os requisitos e restrições podem também estar relacionados com outros aspectos do produto, como manufatura, montagem, manutenção, etc, como restrições de tempo de fabricação, disponibilidades de máquinas e ferramentas, etc. Uma ferramenta muito útil nesta etapa é o QFD.

Atender a todos os requisitos, respeitando ao mesmo tempo as restrições é fazer uma boa engenharia de projeto.

A etapa de concepção gera o chamado projeto conceitual, no qual se tem uma idéia de como será o produto, um esboço do mesmo, com os princípios de solução de cada sistema indicados. O projeto conceitual gera assim uma solução para o produto, com uma configuração que deve ser refinada e detalhada nas próximas etapas do processo de projeto.

DESENVOLVIMENTO DO F-2

Um exemplo interessante de evolução de um projeto diz respeito ao desenvolvimento do F-2, caça de quinta geração. O desenvolvimento do projeto iniciou com o conceito do que seria um caça ATF, caça tático avançado, que iniciou a ser discutido em 1971. Este conceito foi evoluindo internamente na força aérea americana, USAF. A seguir segue um breve resumo da evolução do projeto até os dias de hoje.

Em 1981 a USAF lançou um convite (RFI) a nove empresas da indústria aeroespacial (sete empresas responderam) para o desenvolvimento de conceitos do que seria um caça ATF. Este novo caça deveria substituir os F-15, então recém introduzidos em operação, a partir do final da década de 90.

1982: São apresentados os estudos do desenvolvimento de conceitos. O projeto da

Northrop focou na simplicidade, com um avião pequeno e ágil, com 8 toneladas de peso total estimado. Já a Lockheed desenvolveu um projeto bastante sofisticado, com alta tecnologia embutida, como empuxo vetorado, canards retráteis, etc, resultando em um projeto com 53 toneladas de peso.

Com base nos estudos preliminares, ainda em 1982 a USAF redefine os requisitos para o ATF. Um dos pontos ressaltados foi o de um projeto com características furtivas. Outro ponto é a capacidade de vôo "supercruise", ou seja, voar a velocidades supersônicas sem o uso de pós-combustão nas turbinas.

1983: É feita a solicitação de propostas de desenvolvimento do ATF de acordo com os novos requisitos. Ao mesmo tempo é lançada a solicitação para o projeto dos motores, com a participação da General Electric e da Pratt & Whitney.

1984: Os requisitos do projeto ATF convergem para um avião de 2,7 toneladas de peso máximo de decolagem. Velocidade de cruzeiro desejada de M 1,5. Distância de decolagem de 610 m. Aceleração ao nível do mar de M 0,6 a M 1,0 em 20 s. Capacidade de aceleração lateral em curvas de 6 g, a 1,5 M.

Figura 1.1 - Protótipo de demonstração de conceito YF-2.

1985: Apresentado o "Request for Proposal", RFP, para a fase de demonstração de conceitos e validação dos mesmos. Não se exige ainda a construção de protótipos de vôo.

1986: RFP suplementar para a construção de protótipos, o YF-2 e o YF-23, das duas empresas escolhidas, Lockheed e Northrop, com primeiros vôos tendo ocorrido em 29/09/1990 e 27/08/1990 respectivamente.

Figura 1.2 - Modelo definitivo do F-2.

1990: RFP para propostas de desenvolvimento de engenharia e manufatura, "Engineering and Manufacturing Development", EMD.

1991: Em abril é definido o YF-2 como o projeto vencedor, usando motor P&w.

1999: Os protótipos são testados com êxito com ângulos de ataque de até 600. 2001: É assinado contrato de fabricação para 331 unidades. 2002: É fabricado o último modelo do programa inicial de testes operacionais.

2003: Conclusão dos testes de vôo com nove aviões, mais de 4000 horas de vôo. Encerrado o EMD.

2005: Introdução progressiva em serviço do F-2. Referências, ver: http://www.invisible-defenders.ora/oroarams/vf-23/yf-230roa-hist.htm htto:/lwww.combatsim.com/archive/htm/htmarc1/atfiahter.htm http://www.codeonemaaazine.com/archives/1998/articles/aor98/aora98.html

Figura 1.3 - Ilustração do F-2 em corte

Durante a fase de concepção é essencial a busca de várias idéias e concepções alternativas, para poder comparar o desempenho destas e como que cada uma atende aos requisitos e restrições. Deve-se buscar ao menos umas três diferentes concepções, pois "a primeira idéia é sempre ótima, pena que nunca funciona".

Podemos dizer que o projeto se desenvolve em diferentes níveis hierárquicas, passando de um nível para o outro de forma cíclica. Os níveis hierárquicos são PRODUTO, SISTEMA ou MONTAGEM e PEÇA.

O projeto conceitual usa as especificações de projeto e gera um "Iayout" básico do produto, com indicação dos diferentes sistemas e dispositivos que foram idealizados. Este "Iayout" estabelece a configuração do produto, apresentando as soluções de forma esquemática. O projeto conceitual inicia com o requisito funcional do produto, o qual deve ser analisado e assim o projetista estabelece algumas formas alternativas para a estrutura funcional do produto. Esta estrutura funcional é a subdivisão da função global do produto em funções parciais até o nível de funções elementares. Estas são definidas como as menores funções da estrutura, que não podem ser mais subdivididas.

Resumidamente o projeto conceitual gera a estrutura funcional e a partir deste, buscando como implementar cada função, é desenvolvida a estrutura dos chamados princípios de solução. Um princípio de solução é como que na prática uma certa função será desempenhada. A estrutura de principias de solução pode ser usada para estabelecer o "Iayout" básico do produto, que em outras palavras é alocar espaço físico e esboçar os diferentes princípios de solução, quanto a sistemas, montagens, peças.

Figura 1.4 - Estrutural funcional do produto, suportada pela estrutura funcional das peças.

Figura 1.5 - Ciclo de desenvolvimento do projeto: Produto → Sistema → Peça → Sistema → Produto.

Esta figura ilustra o inter-relacionamento entre os três níveis hierárquicos de foco do produto, Macro, Médio e Micro, durante as etapas de projeto conceitual, projeto preliminar e projeto detalhado. O projeto evolui de macro para micro e volta a macro, para avaliar os efeitos das decisões tornadas a nível de peça, sobre o sistema e sobre o produto corno um todo. O ciclo inicia a nível macro, com a concepção global do produto, descendo para sistemas e montagens, chegando finalmente na concepção de cada peça. O processo é assim do tipo "top-down", porém sofrendo realimentação para os níveis mais altos. Este ciclo é executado várias vezes durante o projeto, até que o projeto conceitual e o preliminar estejam concluídos. Neste ponto inicia o detalhamento do projeto, que tem uma trajetória inversa, "botton-up", ou seja, iniciando em nível de peça, evoluindo para sistema e finalmente em nível de produto. Assim, o projeto detalhado do produto é a soma dos projetos detalhados de cada peça e de cada montagem e sistema.

Tradicionalmente a engenharia de projeto adota urna divisão entre as diferentes etapas e uma nova etapa só inicia quando a anterior é praticamente finalizada. Cada nova etapa que inicia tem um custo tipicamente dez vezes maior do que a anterior. Urna série de problemas é oriunda desta filosofia, como um longo tempo e um maior custo de desenvolvimento. Quando problemas são detectados nas etapas mais avançadas, o projeto deve ser parcialmente refeito.

Figura 1.6 - Seqüência de etapas em um processo tradicional de projeto.

O conceito de Engenharia Simultânea surgiu buscando acelerar o desenvolvimento de um produto, com várias etapas ocorrendo de forma conjunta, simultânea, usando equipes multidisciplinares. Estas equipes podem prever dificuldades antes do desenvolvimento seguir adiante, com investimentos cada vez mais elevados. Pela superposição das etapas existe a possibilidade de correções durante o desenvolvimento, sem grande prejuízo de tempo e recursos investidos.

Figura 1.7 - Seqüência de etapas em um processo de projeto usando Engenharia Simultânea. TIPOS DE PROJETO:

Projeto inovativo: Quando um produto novo é desenvolvido, sem que a empresa tenha experiência anterior com este tipo de produto.

Projeto evolutivo: Quando a empresa já possui um produto similar que atende à necessidade, mas deverá ser melhorado, reprojetado.

Projeto de ponta: Quando as soluções adotadas são novas, com concepções e princípios inovadores.

Projeto tradicional: Ocorre na condição na qual o projeto adota soluções já usadas, testadas e avaliadas em produtos similares.

No caso específico de uma aeronave, as diferentes etapas do processo de projeto contêm, de forma típica, as seguintes atividades:

• Especificações;

• Estudo para métrico (banco de dados de aeronavessimilares);

• "Layout" da fuselagem;

• "Layout" da asa (projeto aerodinâmico);

• "Layout" do avião completo;

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