AFA - DENG - ACEA - Trabalhos Finais de Mestrado
Permanent URI for this collection
Browse
Recent Submissions
- Caracterização do comportamento dinâmico da plataforma Alpha-Extended e definição de uma metodologia de análise modalPublication . Almeida, IvoO uso de aeronaves não tripuladas tem aumentado com o desenvolvimento tecnológico e beneficiado com a maior utilização de materiais mais leves e resistentes, como é o caso dos materiais compósitos. Esta nova tipologia de aeronaves permitiu eliminar muitas das limitações causadas pelo fator humano, o que leva a que seja um tipo de aparelho muito apetecível para as Forças Armadas. Desta forma, a Força Aérea Portuguesa tem vindo a desenvolver diversas aeronaves não tripuladas, tendo havido a necessidade de se começar a fazer a caracterização do comportamento dinâmico das aeronaves. Essa necessidade adveio, em parte, de um excesso de transmissão de vibrações numa câmara de filmar instalada numa das plataformas desenvolvidas. Conhecendo o comportamento dinâmico de uma estrutura é possível determinar e controlar os seus parâmetros modais identificando as ressonâncias nos regimes de funcionamento pretendidos e ajustando o modelo da aeronave de forma a reduzir a transmissibilidade de vibração. Na presente dissertação foi realizado uma análise modal em elementos finitos da plataforma Alpha-Extended desenvolvida no Laboratório de Aeronáutica da Força Aérea Portuguesa e uma identificação modal experimental de forma a identificar as frequências naturais das diferentes partes da aeronave com o objetivo de estudar o melhor local de instalação da câmara de filmar. Para além disso, todo o processo utilizado, tanto experimental como em elementos finitos, teve também como objetivo o estabelecimento de uma metodologia que possa ser aplicada no desenvolvimento de novas plataformas, facilitando a escolha da localização dos diversos componentes. Como forma de validação e simplificação do processo de análise, testou-se primeiramente a metodologia em estruturas mais simples, comparando-se resultados experimentais com teóricos. Usaram-se alguns softwares já existentes na Força Aérea a fim de serem explorados e realizaram-se ensaios em voo para determinar as frequências perturbadoras em voo de cruzeiro. Com a determinação das frequências perturbadoras, foi possível realizar-se um estudo de transmissibilidade e determinar as caraterísticas dos apoios da câmara de filmar a fim de minimizar as vibrações transmitidas para a câmara. Por fim, exploraram-se alguns materiais que podem ser utilizados na construção de apoios de forma a amortecer as vibrações na câmara e propôs-se soluções para um estudo futuro.
- Best practice guidelines in external aerodynamics CFD: applied to unmanned aerial vehicles at cruise conditionsPublication . Veríssimo, RicardoO presente trabalho visa o estabelecimento de uma metodologia para a caracterização aerodinâmica de veículos aéreos nâo-tripulados (VANT) em condições de cruzeiro no âmbito de projectos de investigação na Força Aérea Portuguesa. Este estudo foca-se no preparação de modelos baseados na mecânica de fluidos computacional (CFD) e de testes em túnel de vento e voo que permitam correlação e validação cruzada de resultados. O caso de estudo é um VANT de classe I que opera a baixas velocidades subsónicas. Informação relativa a esta aplicação específica deste tipo de estudos é limitada na comunidade científica e, dado o crescente interesse em tecnologia ligada a VANTs, considera-se altamente relevante para a industria aeroespacial tanto no sector civil como militar. Casos de validação bidimensionais (perfil alar) a tridimensionais (asa finita) são apresentados por forma a aferir a precisão dos resultados e as limitações dos métodos utilizados comparativamente a dados publicados. As simulaçães foram implementadas em Star-CCM+ e testes em túnel de vento foram executados numa secção de teste aberta com meio-modelos, equipados com tomadas de pressão e produzidos por impressão 3D, para escoamentos entre os números de Reynolds de 3:0 105 e 4:1 105. Testes de visualizacção de escoamentos foram efectuados por forma a obter informacção adicional para uma validacção qualitativa. Os testes de voo introduzem equipamentos desenvolvidos específicamente para pequenas plataformas aéreas não tripuladas a partir de componentes electrónicos de baixo custo. Os resultados computacionais correlacionam-se favoravelmente com dados publicados e estão em excelente acordo com os resultados dos testes de visualização de escoamentos. As leituras de pressão nas tomadas de pressão em túnel de vento correlacionam-se bem com os resultados experimentais mas não foram bem sucedidas em voo. As forças aerodinâmicas medidas em túnel de vento não validam as previsões computacionais mas aparentam subestimar sustentação e sobrestimar a resistência aerodinâmica consistentemente.
- Desenvolvimento e implementação de uma metodologia de seguimento de vida de fadiga da aeronave Epsilon TB 30 da Força Aérea PortuguesaPublication . Gameiro, PauloA instrumentação de aeronaves é essencial para que os fabricantes possam validar as cargas teóricas projetadas e assim corrigirem os respetivos modelos analíticos e de elementos finitos desenvolvidos na fase de projeto da aeronave. Contudo, as instrumentações não se limitam apenas às fases de desenvolvimento e certificação das aeronaves. Uma instrumentação permite em qualquer fase de vida de uma aeronave, monitorizar os parâmetros de voo que traduzem a dinâmica dessa aeronave, bem como fornecer informação sobre o meio que a envolve. As instrumentações são atualmente muito utilizadas para estudos no campo da fadiga. O objetivo deste trabalho é prever o tempo de vida de fadiga (TVF) das aeronaves Epsilon TB 30 da Força Aérea Portuguesa (FAP), a partir de espetros de carga recolhidos em voo. A presente dissertação inicia-se com um estudo de mercado em termos de tecnologia disponível para a instrumentação de uma das aeronaves. Posteriormente, após se implementar a instrumentação e recolher os espetros de acelerações verticais, é utilizado o método Level Cross Counting para fazer a contagem dos ciclos de carga. São então testadas várias formas de tratamento de sinal, conforme bibliografia encontrada. Através do cálculo do Dano Acumulado é finalmente possível chegar à previsão do TVF da aeronave. Foi também desenvolvido um programa em MATLAB capaz de carregar os ficheiros de voo e fazer toda a análise aqui descrita de forma computorizada. Toda a análise de resultados foi feita com base em 51 voos recolhidos, correspondentes a cerca de 62.58 horas de voo (HV). Das conclusões obtidas, constatou-se que os voos de acrobacia FAP são mais severos que o expectável pelo Fabricante. Em voos de navegação, acontece o oposto. Na media de todos os voos, foi obtida uma severidade FAP um pouco mais baixa que o Fabricante. Em relação à previsão do TVF, foi obtido um total de cerca de 34000 HV para um coeficiente de segurança de 3 imposto pelo fabricante.
- Design of a class i remotely piloted aircraft for maritime surveillancePublication . Franco, VascoÉ objetivo da presente dissertação o projeto de um veículo aéreo não tripulado de classe I, para vigilância marítima, monitorização de poluição atmosférica e apoio a missões de busca e salvamento. O seu desenvolvimento engloba a totalidade do projeto conceptual e parte do preliminar, com foco nas áreas de aerodinâmica, estabilidade de voo, design exterior e desempenho em voo. Os requisitos de missão baseiam-se nas especificações da Agência Europeia de Segurança Marítima. A abordagem ao projeto conceptual segue uma metodologia intuitiva através da qual a aeronave é concebida passo a passo, de forma iterativa, utilizando folhas de cálculo. Inicia-se com a elaboração e consequente selecção de vários possíveis conceitos de veículos aéreos, baseados nos resultados de uma prévia pesquisa de mercado. Segue-se uma estimativa inicial do peso máximo à descolagem, dimensionamento da asa principal, fuselagem, estabilizador horizontal e vertical, e caracterização do sistema propulsor. Após uma análise refinada da distribuição de peso, é auferida a estabilidade estática e dinâmica da aeronave, incluindo o dimensionamento das superfícies de controlo, e analisa-se o desempenho em voo da mesma. Esta abordagem baseia-se em dados empíricos recolhidos de várias fontes bibliográficas e simulações computacionais efetuadas através do programa XFLR5. Na fase preliminar, é empregue o programa Star-CCM+, ferramenta de mecânica de fluidos computacional, num estudo paramétrico da geometria da asa principal com vista à maximização da autonomia em voo. Adicionalmente, outros componentes são analisados e o projeto é refinado. Como produto da dissertação, é apresentada uma aeronave conceptual capaz de cumprir os requisitos de missão impostos. Do estudo param´ etrico conclui-se que os benefícios aerodinâmicos não compensam os prejuízos estruturais e de manufatura.
- Desenho, implementação e análise de um RPAS com condutasPublication . Vilaça, JoãoEste trabalho visa demonstrar o processo de desenvolvimento de um veículo aéreo não tripulado (VANT), do tipo multi-rotor. Este Veículo poderá servir para suprimir algumas lacunas existentes na inspeção radiológica realizada pelo Instituto de Plasmas e Fusão Nuclear (IPFN), sediado no Instituto Superior Técnico (IST), em Lisboa. Nomeadamente, o recurso a aeronaves, com características superiors às existentes na atualidade, para inspeção radiológica. É feito um estudo para otimizar a aeronave no que respeita aos componentes e número de motores a utilizar. É ainda feito um estudo sobre as melhorias adjacentes à introdução de uma conduta à volta das hélices. Face aos resultados, teoricamente vantajosos, as condutas são projetadas e, após um processo iterativo, construídas. Posteriormente à construção das condutas são feitos testes estáticos com o objetivo de confirmar as vantagens teoricamente existentes. Estes testes visam a verificação dos benefícios da introdução da conduta na ausência de efeito de solo, na presença de efeito de solo, na aproximação a cantos ou paredes e a aproximação a obstáculos presentes num plano superior ao do rotor. Os resultados dos testes verificam que, apesar de o efeito da conduta não ser tão vantajoso quanto a teoria anuncia, a conduta é vantajosa. Verifica-se que a introdução da conduta impõe mais benefícios na presença do efeito de solo. Nos restantes testes, apesar da presença da conduta não trazer muitas vantagens, esta configuração tem um melhor desempenho do que a hélice sem conduta. Ou seja, apresenta um maior impulso debitado e menor potência consumida.
- Detailed design of a class I UAV for maritime surveillancePublication . Correia, JoãoEsta tese destina-se ao design estrutural em materiais compósitos de um Veículo Aéreo Não-Tripulado (VANT) de classe I para vigilância marítima. A intenção de expandir o uso de VANTs pela Força Aérea Portuguesa (FAP), na ampla área de jurisdição portuguesa e nas operações internacionais, motivou a necessidade de desenvolver uma nova plataforma capaz de cumprir todos os requisitos operacionais e tecnológicos. A presente tese começa pela definição dos sistemas a bordo necessários para a aeronave, nomeadamente a carga útil, aviónicos e propulsão. O design estrutural ao nível conceptual e preliminar envolveu o planeamento da disposição geral da aeronave para atingir uma margem estática longitudinal válida e a determinação do envelope de voo com rajada para determinar o factor de carga da aeronave. Este parâmetro vai definir a caracterização das forças aerodinâmicas e inérciais para a manobra crítica de voo. O projecto detalhado da aeronave foi realizado através de modelação em Desenho Assistido por Computador (CAD) com o objetivo de minimizer o peso estrutural. O design foi confirmado por uma análise numérica de tensões através de uma Análise de Elementos Finitos (FEA) e foi alcançada convergência para os valores obtidos de tensão e de deslocamento. O design desenvolvido é capaz de suportar a condição de carga crítica sem falha estrutural. A configuração da aeronave com todos os sistemas a bordo apresenta um peso dentro dos limites para a respectiva classe e uma autonomia de oito horas para operações de vigilância marítima. O design desenvolvido pode apresentar outras configurações, e tem uma autonomia máxima de doze horas.
- Design modifications of a UAV wing for optimal integration of a magnetic anomaly detection sensorPublication . Gameiro, GonçaloThis work describes the conceptual design of a Unmanned Air Vehicle (UAV) wing with a Magnetic Anomaly Detection (MAD) sensor for submarine detection operations. Nowadays, underwater marine vessels are able to evade conventional detection methods such as sonar. Therefore, it is necessary to integrate MAD sensors in modern Anti-Submarine Warfare theatres. UAVs typically generate a magnetic field due to the electrical systems on board, causing interference noise on the MAD sensor data analysis and compromising its performance. To address these issues, a characterization of the aircraft’s magnetic signature was conducted, and it was found that the wing tip and a tail stinger boom are the best options to minimize the magnetic noise. A structural and aerodynamic analysis of the aircraft showed the wing tip configuration was the best option since the amount of mass required to counter the moment of a tail stinger boom would require major modifications on the UAV. Also, the aircraft magnetic signature is minimum at the wing tip, with an intensity of -2.9nT. An aerodynamic characterization of the aircraft was carried to evaluate the effect of the MAD pods on the wingtips. A parametric optimization of the wing was conducted. Given the dimensional constraints on the wing structure and a target magnetic noise of 2nT at the wing tip, the optimizer objective function was to minimize the total fuel consumption. The optimum solution allowed a decrease of 30% on the magnetic noise and a fuel consumption of 8.71 kg of fuel for an 8-hour search operation.
- Design and optimization of a wing structure for a UAS class I 145 kgPublication . Silva, João; Infante, Virgínia; Duarte, DiogoIn the context of air power in a Global scale, unmanned aerial systems (UAS) are a present and future necessity, reason why, they are part of the Portuguese Air Force (FAP) strategic vision and part of the Portuguese National Strategy for the Sea 2013-2020. Since 2008 the FAP has been developing UAS ever more capable and, nowadays, some of its experimental platforms are already being used operationally, both nationally and internationally. In order to expand their use, in a safe and responsible manner, for search and surveillance missions over the vast area under Portugal’s jurisdiction, there is the necessity to manufacture new platforms capable of fulfilling all the operational and airworthiness requirements and to establish procedures for their eventual mass production. In light of these necessities, the present master’s thesis consists of the design and optimization of the structure of the wing of a new operational platform with a maximum take-off weight of 145 kg (UAS class I). Parallelly to the operational use, this platform will also play the fundamental role of being the test model – at a reduced scale – for a large UAS (class II), currently in development by a consortium between the FAP, national companies and the Portuguese National Ministry of Defense (MDN). The wing design and optimization process, involved determining the loads acting on the structure (definition of the aircraft’s flight envelope and identification of the wing’s critical loading condition), planning the general shape and components layout, choosing materials (composites – manufacturing of specimens and experimental testing to obtain their properties), and then, shaping, sizing and optimizing its many components to give every part just enough strength without excess weight and also to reduce costs. All design decision were fundamented based on regulations (e.g. the NATO STANAG AEP-83), structural design manuals, books and scientific articles, in order to guarantee the certification of the structure in terms of airworthiness. The optimization process used / created – “chain top-down approach” – proved to be simple and effective and consisted in an individual but interconnected optimization, of each component, following a hierarchical sequence, in accordance with the structural importance of each one. All the geometric models produced (3D) and all the structural analysis performed (numerical analysis resorting to the discretization of the structure using finite elements – FEA), were achieved by using the software SolidWorks 2016 x64 Edition. The final wing model obtained, fulfilled every structural requisite (capable of enduring between - 1.5 and 4 G’s with a wing tip displacement < 5% of half-wing span), perational requisite (capable of carrying up to 10 kg of suspended payload from each half-wing), and weight requisite (mass < 26.2 kg), with a manufacturing cost, in terms of materials, close to 3000 €.
- Painéis Sandwich em compósito para redução de vibração e ruído em aeronaves: validação experimentalPublication . Santos, Marta; Araújo, Aurélio; Duarte, Filipa; Almeida, IvoA Força Aérea Portuguesa, através do projeto PERSEUS, tem vindo a desenvolver várias plataformas não tripuladas com o propósito de as integrar num sistema europeu de vigilância marítima. No desenvolvimento do seu recente UAV, surgiu a necessidade de criar dois painéis em compósito para proteger os sistemas aviónicos da aeronave das vibrações e do ruído provocados pelo motor. Pretende-se com a presente tese perceber qual ou quais as melhores configurações internas para os dois painéis de compósito, em sandwich, utilizando apenas os materiais existentes na CIDIFA. A escolha de utilizar estruturas em sandwich teve o propósito de caracterizar experimentalmente o seu comportamento dinâmico, e compreender de que maneira a introdução de um núcleo (neste caso de espuma) melhora a capacidade de absorção de vibração e ruído de uma estrutura. Com vista a esse fim, foram fabricadas placas sandwich em compósito com diferentes composições e diferentes materiais, nomeadamente fibra de vidro de carbono. Adicionamente, foram também fabricadas placas com núcleos duplos de espuma (com fibra no interior) para serem comparadas com as placas sandwich tradicionais de um único núcleo. Os ensaios experimentais foram divididos em duas partes: vibrações e ruído. Os ensaios de vibrações, que decorreram no IST, tiveram o objetivo de recolher as funções de resposta de cada um dos provetas, para que a sua respetiva análise permitisse calcular os coeficientes de amortecimento de cada frequência natural (em cada placa), tendo sido empregues, para o efeito, dois métodos de processamento diferentes. Os ensaios de ruído, realizados na FEUP, possibilitaram quantificar, de forma bastante simples, a quantidade de ruído que é absorvida por cada placa. Do estudo dos resultados obtidos, em ambos os ensaios experimentais, foi possível apresentar diferentes soluções para os dois problemas propostos na dissertação, simulando diferentes cenários e limitações possíveis de serem exigidas pela FAP.
- Revolução Tecnológica no séc. XXI: Vulnerabilidades e PotencialidadesPublication . Falcão, João; Balão, Sandra Maria Rodrigues; Rocha, Luís Manuel Pinto de Alemida daEsta dissertação procura analisar o fenómeno da revolução tecnológica no séc. XXI, e as suas vulnerabilidades e potencialidades. Em particular os desafios internacionais associados à crescente utilização de armamento autónomo pelos atores internacionais, tomando como caso de estudo o emprego, por parte dos Estados Unidos da América, de UAS, no combate ao terrorismo no Paquistão. Para isso, numa primeira fase analisou-se a evolução do sistema internacional, da estratégia militar e do poder aéreo, em articulação com a revolução tecnológica, particularizada nos UAS, contextualizando e enquadrando o seu aparecimento e desenvolvimento. Numa segunda fase, buscou-se a caracterização desta tipologia de armamento, analisando-se as principais questões legais e éticas aplicáveis, para aferir as suas vulnerabilidades e potencialidades. Na fase seguinte, procurou refletir-se sobre a relação desta tecnologia com o sistema internacional, com o objetivo de serem tecidas algumas considerações sobre a forma como a sua existência, comercialização e utilização poderá influenciar as relações entre atores internacionais, estatais e não estatais. Numa quarta e última fase, efetuou-se um estudo de caso, para analisar, em termos concretos, a utilização de UAS num cenário real – explorando as causas e consequências resultantes da sua utilização, os resultados obtidos e as tendências futuras – para, deste modo, melhor poder percecionar as suas potencialidades e vulnerabilidades. Com esta investigação chegou-se à conclusão que o percurso evolutivo dos UAS apresenta bastantes semelhanças com o da aviação tripulada. Para além disso constatou-se que, por se constituir numa tecnologia tão disruptiva, a utilização de UAS apresenta desafios éticos e legais, ainda que os mesmos não se apresentem, a priori, como ilegais ou antiéticos. Por fim, chegou-se à conclusão que, pelas suas características, e com o aumentar da sua proliferação, os UAS podem tornar-se num fator potenciador de conflitos, ainda que possam ter um efeito positivo na diminuição da sua dimensão e intensidade.