Desde o início da história da aviação, a cada novo projeto de aeronave, modificações são realizadas para se obter melhorias nas características aerodinâmicas como, por exemplo, diminuição do arrasto, aumento de sustentação, melhora na manobrabilidade em elevados ângulos de ataque, entre outras. Essas modificações podem ser feitas em diversas partes de uma aeronave como, por exemplo, no perfil aerodinâmico e enflechamento da asa, nas superfícies de controle e até em novas posições da entrada de ar do motor intake. Embora os conceitos de aeronaves com asas de enflechamento negativo, Canard e intake dorsal não sejam novos, ainda não existe uma aeronave que apresente essas três características juntas. Portanto, o presente trabalho teve como objetivo estudar uma aeronave não convencional com essas características. Para isso, testes foram realizados no túnel de vento do Laboratório de Aerodinâmica (LAE), do Departamento de Engenharia Aeronáutica da Escola de Engenharia de São Carlos, da Universidade de São Paulo. Três estudos foram realizados para diferentes ângulos de ataque da aeronave e diferentes ângulos de incidência de três pares de Canard projetados, que foram colocados em duas posições diferentes em relação à asa. No primeiro estudo, as forças aerodinâmicas atuantes na aeronave foram medidas por meio de uma balança aerodinâmica para se obter relações entre seus coeficientes e a eficiência conforme a troca dos pares de Canard. Posteriormente, o estudo do escoamento na entrada do intake dorsal englobou a relação entre a velocidade local no intake, a velocidade do escoamento livre e a recuperação de pressão total no mesmo. Por fim, um mapeamento da vorticidade no campo da asa foi realizado para se analisar a influência do Canard no escoamento raiz da asa. O modelo estudado obteve uma maior eficiência e menor arrasto em elevados ângulos de ataque para ângulos de incidência negativos de Canard. O Canard que se destacou nos dois primeiros estudos foi utilizado no estudo de mapeamento, porém, não apresentou uma influência no escoamento da raiz da asa como desejado. / Since the beginning of aviation history, in each new aircraft design, modifications are made to obtain improvements in aerodynamic characteristics such as drag reduction, increase of lift, improvement in maneuverability at high angles of attack. These modifications can be made in different parts of an aircraft, such as, aerodynamic profile, on the control surfaces and even in new intake positions. Although the concepts of aircraft with forward swept wing, Canard and dorsal intake are not new, there is still no aircraft that presents these three characteristics together. Therefore, the present work had as objective to study an unconventional aircraft with these characteristics. Wind tunnel tests were carried out in order to analyze the aerodynamic characteristics at the Aerodynamics Laboratory of the Department of Aeronautical Engineering of EESC-USP. Three studies were carried out for different angles of attack of the aircraft and different angles of incidence of three pairs of Canard, which were placed in two different positions in relation to the wing. In the first study, the aerodynamic forces acting on the aircraft were measured by an aerodynamic balance to obtain relations between their coefficients and the efficiency according to the change of the Canard pairs. Subsequently, the study of flow at the entrance of the dorsal intake included the relation between the local velocity at the intake and the velocity of the free flow and the total pressure recovery. Finally, a mapping of vorticity in the wing field was performed to analyze the influence of Canard on the boundary layer at the root of the wing. The model studied obtained higher efficiency and lower drag at high angles of attack at negative Canard angles of incidence. The Canard that stood out in the first two studies was used in the mapping study, however, it did not present an influence on the root of the wing as desired.

Many futuristic aircraft such as the Hybrid Wing Body have numerous control surfaces that can result in large hinge moments, high actuation power demands, and large actuator forces/moments. Also, there is no unique relationship between control inputs and the aircraft response. Distinct sets of control surface deflections may result in the same aircraft response, but with large differences in actuation power. An Artificial Neural Network and a Genetic Algorithm were used here for the control allocation optimization problem of a Hybrid Wing Body to minimize the Sum of Absolute Values of Hinge Moments for a 2.5-G pull-up maneuver. To test the versatility of the same optimization process for different aircraft configurations, the present work also investigates its application on the Forward Swept Wing aircraft. A method to improve the robustness of the process is also presented. Constraints on the load factor and longitudinal pitch rate were added to the optimization to preserve the trim constraints on the control deflections. Another method was developed using stability derivatives. This new method provided better results, and the computational time was reduced by two orders of magnitude. A hybrid scheme combining both methods was also developed to provide a real-time estimate of the optimum control deflection schedules to trim the airplane and minimize the actuation power for changing flight conditions (Mach number, altitude and load factor) in a pull-up maneuver. Finally, the stability derivatives method and the hybrid scheme were applied for an antisymmetric, steady roll maneuver. / Master of Science

As pesquisas modernas em aeronáutica envolvem a expansão dos envelopes de vôo, como resultado do desejo de melhorar a manobrabilidade e controlabilidade em operações táticas, e melhorar a segurança do vôo. Esses objetivos podem ser alcançados através do desenvolvimento de sistemas automáticos de controle de vôo. Os sistemas de controle aplicados a aeronaves podem ser desenvolvidos e simulados através de métodos computacionais. No entanto, existem imperfeições na simulação computacional por não se conseguir reproduzir algumas características do vôo real ou devido a simplificações no modelo matemático da aeronave. Desta forma, a construção de um modelo físico de uma aeronave em escala reduzida e a implementação de um controlador a este modelo, torna-se uma ferramenta bastante importante para validar resultados teóricos e métodos computacionais. Os custos associados a estes testes são geralmente muito menores que aqueles dos ensaios em vôo e com maior flexibilidade de instrumentação. Este trabalho descreve a construção de um modelo de aeronave, baseado no X-29, o desenvolvimento de um mecanismo de fixação do modelo ao túnel de vento, tipo rótula, e a implementação de um sistema de aumento de estabilidade longitudinal, através de um sistema de controle automático. O modelo físico possui uma configuração de asa com enflechamento negativo e canard, e que tende a ser inerentemente instável, sendo necessário o auxílio de um sistema de aumento de estabilidade. Testes de estabilidade dinâmica em arfagem foram realizados no túnel de vento em diferentes posições do centro de gravidade. Os parâmetros de estabilidade foram registrados e analisados através de uma curva de ajuste exponencial. / Modern aeronautical research involves flight envelope expansion as the result of a desire for improvement in tactical operation handling qualities and improvement in flight safety. These objectives can be achieved through the development of automatic flight control systems. Aircraft flight control systems can be developed and simulated through computational methods. However, there are imperfections in the computational simulation of flight dynamics due to the difficulty in reproducing real flight conditions or due simplifications in the aircraft mathematical model. The construction of a reduced scale physical aircraft model and the implementation of a controller is a very valuable tool to validate theoretical results and computational methods. The costs associated with these tests are usually much smaller than those associated with full scale flight testing and may offer greater flexibility for instrumentation. The present work describes the construction of an airplane model, based on the X-29, the development of a wind tunnel gimbal type support and the implementation of a longitudinal stability augmentation system using automatic flight control. The model configuration has forward swept wings and canard with a tendency to be inherently unstable and, thus, requiring a stability augmentation system. Pitching dynamic stability tests where conducted in a wind tunnel in different center of gravity positions. Stability parameters were acquired and analyzed by exponential fit curve.

As pesquisas modernas em aeronáutica envolvem a expansão dos envelopes de vôo, como resultado do desejo de melhorar a manobrabilidade e controlabilidade em operações táticas, e melhorar a segurança do vôo. Esses objetivos podem ser alcançados através do desenvolvimento de sistemas automáticos de controle de vôo. Os sistemas de controle aplicados a aeronaves podem ser desenvolvidos e simulados através de métodos computacionais. No entanto, existem imperfeições na simulação computacional por não se conseguir reproduzir algumas características do vôo real ou devido a simplificações no modelo matemático da aeronave. Desta forma, a construção de um modelo físico de uma aeronave em escala reduzida e a implementação de um controlador a este modelo, torna-se uma ferramenta bastante importante para validar resultados teóricos e métodos computacionais. Os custos associados a estes testes são geralmente muito menores que aqueles dos ensaios em vôo e com maior flexibilidade de instrumentação. Este trabalho descreve a construção de um modelo de aeronave, baseado no X-29, o desenvolvimento de um mecanismo de fixação do modelo ao túnel de vento, tipo rótula, e a implementação de um sistema de aumento de estabilidade longitudinal, através de um sistema de controle automático. O modelo físico possui uma configuração de asa com enflechamento negativo e canard, e que tende a ser inerentemente instável, sendo necessário o auxílio de um sistema de aumento de estabilidade. Testes de estabilidade dinâmica em arfagem foram realizados no túnel de vento em diferentes posições do centro de gravidade. Os parâmetros de estabilidade foram registrados e analisados através de uma curva de ajuste exponencial. / Modern aeronautical research involves flight envelope expansion as the result of a desire for improvement in tactical operation handling qualities and improvement in flight safety. These objectives can be achieved through the development of automatic flight control systems. Aircraft flight control systems can be developed and simulated through computational methods. However, there are imperfections in the computational simulation of flight dynamics due to the difficulty in reproducing real flight conditions or due simplifications in the aircraft mathematical model. The construction of a reduced scale physical aircraft model and the implementation of a controller is a very valuable tool to validate theoretical results and computational methods. The costs associated with these tests are usually much smaller than those associated with full scale flight testing and may offer greater flexibility for instrumentation. The present work describes the construction of an airplane model, based on the X-29, the development of a wind tunnel gimbal type support and the implementation of a longitudinal stability augmentation system using automatic flight control. The model configuration has forward swept wings and canard with a tendency to be inherently unstable and, thus, requiring a stability augmentation system. Pitching dynamic stability tests where conducted in a wind tunnel in different center of gravity positions. Stability parameters were acquired and analyzed by exponential fit curve.