Airplane-Pilot Coupling (APC) is the current denomination of unwanted dynamic couplings between the airplane an pilot that can occur in specific circunstance, leading to instability an otherwise stable system. APC events can be non-oscillatory but the most common are oscillatory, commonly called Pilot-Involved Oscillations (PIO). Most of the previous and on going researches have tried to understand, predict and avoid APC events. Understanding is based in many studies that include analyses of real cases of APC, interpretation of pilot plus airplane as a closed-loop system and classification of APC events according to characteristics like degree of nonlinearity or frequency and amplitude of the oscillations. Prediction is based in analytical criteria; many of them are currently under development. Such criteria are intended to be applied during airplane design in order to decide whether determined configuration is (or is not) susceptible to APC events. Avoidance is based in the combination of concepts resulting from correct understanding of the APC phenomenon with application of appropriated prediction criteria. This combination should make it possible to develop a good design. But this is not sufficient to guarantee a very low possibility of an APC event occur during the airplane operacional life. Therefore, to complement the avoidance process it is necessary to plan and to perform a specific flight test program. This text is an effort that attempts to cover the most import APC related points, named undestanding, prediction and avoidance. However, the focus of the present text is in the third point. More specifically, the main goal of text is to propose a methodology - including specialized maneuvers - to conduct a flight test program dedicated to APC. This is done in a way that a methodology constituted by three phases is proposed. In the first phase only low bandwidth handling qualities* at safe concitions, are tested. This phase can be understood as a "familiarization" testing. In the second phase the high bandwidth handling qualities* are tested, always using tracking manueuvers, that require the evaluation pilot to drive the airplane to track an specific signal as aggressively and assiduously as possible. In the third phase pilots must conduct evaluation of the airplane handling qualities during situations. Complementing the maneuvers performed during the flight test program above mentioned, it is necessary to apply suitable tools in order to "measure" the APC susceptibility of the tested airplane. In this text the current main tools are described. They are basically pilot comments, rating scales (that are based pilot opinion) and frequency domain data analyses (that are based in the obtainment of the frequency response from test data).

Com a crescente necessidade de eficiência e segurança na realização de operações aéreas de segurança pública, verifica-se a possibilidade de utilização de conceitos de Qualidades de Pilotagem ou Handling Qualities, que são as qualidades ou características de voo e operacionalidade de uma aeronave que regem a facilidade e precisão com que um piloto é capaz de realizar as tarefas necessárias à determinadas missões. A avaliação dessas qualidades com sustentação na segurança operacional está fundamentada em uma estrutura quadripartite, composta dos seguintes integrantes: a missão e as tarefas de pilotagem associadas; o ambiente operacional onde ocorre a missão; a configuração do veículo, sua dinâmica e o envelope de voo; e o piloto e a interface piloto-veículo. A concretização deste processo no escopo militar dos Estados Unidos da América é a Aeronautical Design Standard nr 33-ADS-33, que na década de 70 revolucionou a forma como a comunidade aeronáutica pensava sobre qualidades de pilotagem. Constatando-se a similaridade com o contexto operacional da aviação de segurança pública, o trabalho propõe o emprego da metodologia da ADS-33 como fator de incremento da segurança operacional e otimização de especificação de equipamentos na aviação de segurança pública brasileira, em especial quanto às operações de resgate e aeromédicas.

O desempenho em pista de aeronaves é de extrema importância para o sucesso do projeto, pois ele pode limitar a operação da aeronave, dependendo do comprimento da pista dos aeroportos. Para aeronaves da aviação executiva, o sucesso de vendas guarda uma relação direta com esses parâmetros, já que as mesmas podem atender um número maior de aeroportos e/ou operar com maior variedade de combinações de carga paga e combustível carregados, tornando a aeronave muito mais versátil. Com essa premissa em mente, se torna importante a obtenção da estimativa do comprimento de pista para decolagem e pouso nas fases iniciais do projeto aeronáutico, possibilitando tempo, à baixo custo, para que se possa corrigir qualquer problema que possa comprometer o desempenho da aeronave. As manobras que determinam a velocidades mínimas de decolagem e velocidades mínimas de controle em solo são as escolhidas para serem estudadas, dada a importância que possuem no dimensionamento da empenagem da aeronave. As principais dificuldades na estimativa dessas velocidades são a obtenção dos dados aerodinâmicos sob efeito solo e das características dinâmicas do trem de pouso. Portanto decidiu-se concentrar o estudo na sensibilidade de alguns parâmetros aerodinâmicos a fim de melhor direcionar os trabalhos de modelagem.

O aumento do uso de códigos numéricos baseados em dinâmica de fluidos computacional (CFD) atrelado a problemas de engenharia naval e a necessidade de se estabelecer a proximidade dos resultados obtidos nas simulações com os experimentos físicos serviu de motivação para execução deste trabalho. O tema do presente trabalho é pertinente uma vez que o número de trabalhos publicados que simulam com precisão ensaios de embarcações em condição de manobra e obtêm as derivadas hidrodinâmicas que caracterizam o movimento é muito pequeno, atendendo assim a uma demanda existente por novas confrontações numérico/experimentais. Com isso, um conjunto de ensaios de PMM (Planar Motion Mechanism), mais especificamente os ensaios de sway e yaw puros e yaw com drift, e arrasto oblíquo foram executados na embarcação KVLCC2, nas condições de manobra, similares aos ensaios realizados pelo laboratório italiano ISEAN que tinha por objetivo fornecer uma base de comparação para trabalhos em CFD. Os resultados das forças e momentos das simulações foram comparados com os obtidos nos ensaios, bem como as derivadas hidrodinâmicas que caracterizam a embarcação estudada. De maneira geral, os resultados obtidos nas simulações mostraram-se muito próximos aos obtidos a partir do ensaio, fornecendo assim um bom resultado nas derivadas hidrodinâmica, principalmente com relação às derivadas em função das velocidades de translação e rotação. Na expectativa de ampliar a aplicação do método de solução proposto, um novo conjunto de simulações foi realizado na escala real da embarcação. As dificuldades encontradas devido às incompatibilidades nos números de Reynolds mostraram-se presentes, de maneira similar às encontradas nos ensaios físicos evidenciando inclusive que o fator de forma está diretamente atrelado ao número de Reynolds, contrariando a hipótese clássica e alinhando-se com trabalhos mais recentes publicados sobre o tema. Os resultados encontrados a partir da aplicação da metodologia mostram coerência em relação às respostas encontradas nos ensaios, fornecendo uma alternativa ao método clássico de obtenção das características hidrodinâmicas de uma embarcação de superfície em condição de manobra. Ainda fornece uma opção de cálculos, que ainda necessita de melhorias e validação mais elaborada, nas condições da escala real, fato impossível sem o uso de simulações. / The growing use of numerical codes based on computational fluid dynamics (CFD) in problems related with marine engineering and the need to establish the reliability of the results from the simulations with those derived from physical tests served as the motivation for performing the work. The subject of this work is relevant since the number of published works that accurately simulate and test the conditions of vessels in maneuvering and obtains the hydrodynamic derivatives that characterize the movement is very small, thus meeting an existing demand for the new numeric confrontations / experimental. Therefore, a set of PMM tests (Planar Motion Mechanism), more specifically: pure sway, pure yaw and yaw whit drift, and static drift, were performed on the vessel KVLCC2 under conditions of maneuver, similar to tests conducted by the Italian laboratory ISEAN which was intended to provide a basis of comparison for work with CFD. The results of the forces and moments of simulations were compared with those from the tests, as well as the hydrodynamic derivatives which characterize the vessel studied. In general, the results from simulations were very close to those from the experiment, thus providing a good result in hydrodynamic, derived primarily related to derivatives, depending on the speed of translation and rotation. Expecting to expand the application of the proposed method, a new solution set of simulations was carried out in a full-scale vessel. The difficulties encountered due to incompatibilities in the Reynolds numbers were similarly found in the physical testing. This included demonstrating the form factor directly linked to the Reynolds number, contrary to the classical hypothesis and aligning with the latest publications on the subject. The results from the application of the methodology show consistency with the solutions found in the tests, providing an alternative to the classical method of obtaining the hydrodynamic characteristics of a surface vessel in a condition of maneuver. We also provide an option of calculations, which still needs improvement and a more elaborate validation under full-scale conditions, which would be impossible without the use of simulations.

Ameaças comuns a aeronaves de qualquer perfil de missão são as fases de decolagem e pouso. Embora grande atenção seja dada nessas fases terminais ao desempenho da aeronave, qualidade de vôo e limitações associadas a ventos cruzados, as características dinâmicas da corrida de pouso normalmente são ignoradas. Diversos parâmetros interferem na dinâmica de solo da aeronave, tais como peso, posição do CG, pressão dos pneus, configuração aerodinâmica, coeficiente de amortecimento dos amortecedores, rigidez dos trens de pouso, efeito solo, inclinação da pista e coeficiente de atrito. Além de todas essas variáveis, o acoplamento dinâmico entre os amortecedores e compressão dos pneus e as mudanças nas forças aerodinâmicas causadas pela alteração da atitude da aeronave podem resultar em um comportamento inesperado da dinâmica de solo da aeronave. O desenvolvimento de um modelo de 6 graus de liberdade de uma aeronave regional no solo com trem de pouso do tipo triciclo com comando direcional no trem de pouso de nariz é apresentando. O modelo proposto apresenta acoplamento entre o modelo aerodinâmico da aeronave e dos trens de pouso, os quais são modelados como um sistema de 2 ordem (massa, mola e amortecedor) de 1 grau de liberdade. Simulações em malha aberta são executadas de forma a se verificar de forma qualitativa o comportamento e acoplamento dinâmico do modelo sob diversas condições de velocidade e manobras no solo. Posteriormente, uma lei de controle é criada e testada sob condições adversas, como rajadas de vento e despressurização de um pneu.

Modelos de Simulador de Manobras de Navios em Tempo Real vem se tornando cada vez mais comuns e necessários na análise de viabilidade de portos e canais de acesso. O aumento do porte das embarcações, não acompanhado por equivalente aumento das dimensões dos portos, faz com que cada vez mais os efeitos de águas rasas e interação com margens e estruturas portuárias se tornem relevantes durante uma manobra. Com o intuito de aumentar a gama de aplicação desse tipo de simulador, o presente trabalho aborda uma modelagem matemática para estimar as forças hidrodinâmicas de interação com as margens e outros navios para aplicação em simuladores de manobras. O modelo usa, como base, dados oriundos de um método numérico validado experimentalmente, o Método dos Elementos de Contorno. Baseado nesse método, alguns casos tipo foram selecionados para gerar um banco de dados e um modelo matemático foi desenvolvido para estimar as forças de interação, extrapolando as respostas obtidas para casos não previstos anteriormente. A obtenção das forças através do modelo é baseada em alguns parâmetros de entrada, tais como velocidade de avanço da embarcação e as distâncias relativas entre o navio e o meio. Assim, aplica-se uma série de medidas para determinar geometrias aproximadas do meio e/ou posição de outros navios em um dado instante. Foi realizada uma verificação do modelo para casos não previstos, avaliando os erros associados à modelagem e sua aplicabilidade. Os erros foram considerados aceitáveis para as condições impostas, visto as aplicações existentes em simuladores de manobras. Além disso, o modelo desenvolvido foi executado no simulador de manobras, no qual foram realizados alguns testes de sensibilidade ao movimento, além de algumas comparações com outros trabalhos, quando possível. / Real-time Ship Maneuvering Simulator models are becoming more common and necessary in the feasibility analysis of ports and access channels. The constant increase in the length and draught of vessels, not followed by equivalent ports development, makes the effects of shallow water, ship-bank and ship-port interaction with other structures more relevant during a maneuver. In order to increase the application range of this kind of simulator, the present work develops a mathematical model to estimate ship-bank and ship-ship hydrodynamic interaction forces and moments during a maneuver. The model uses, as a reference, data derived from an experimentally validated numerical method, the Boundary Element Method (BEM). Based on this method, some reference cases were selected to generate a database which would be used by our mathematical model to extrapolate results and estimate the interaction forces for any unexpected scenario. The forces obtained through the model are based on some input parameters, such as the vessel forward speed and the relative distances between the ship and bank and other ships. Thus, a series of measurements were developed to determine approximate geometries of the port and/or position of other ships at a given time slot. A model verification was performed for some unexpected scenarios, evaluating the errors associated with the model and its application. By taking similar works developed in maritime simulators as a comparison point, the errors obtained in our mathematical model were considered acceptable. The developed model was implemented in the ship maneuvering simulator located at TPN-USP, where some movement sensitivity tests were performed as well as some comparisons with other works, whenever possible.

Modelos de Simulador de Manobras de Navios em Tempo Real vem se tornando cada vez mais comuns e necessários na análise de viabilidade de portos e canais de acesso. O aumento do porte das embarcações, não acompanhado por equivalente aumento das dimensões dos portos, faz com que cada vez mais os efeitos de águas rasas e interação com margens e estruturas portuárias se tornem relevantes durante uma manobra. Com o intuito de aumentar a gama de aplicação desse tipo de simulador, o presente trabalho aborda uma modelagem matemática para estimar as forças hidrodinâmicas de interação com as margens e outros navios para aplicação em simuladores de manobras. O modelo usa, como base, dados oriundos de um método numérico validado experimentalmente, o Método dos Elementos de Contorno. Baseado nesse método, alguns casos tipo foram selecionados para gerar um banco de dados e um modelo matemático foi desenvolvido para estimar as forças de interação, extrapolando as respostas obtidas para casos não previstos anteriormente. A obtenção das forças através do modelo é baseada em alguns parâmetros de entrada, tais como velocidade de avanço da embarcação e as distâncias relativas entre o navio e o meio. Assim, aplica-se uma série de medidas para determinar geometrias aproximadas do meio e/ou posição de outros navios em um dado instante. Foi realizada uma verificação do modelo para casos não previstos, avaliando os erros associados à modelagem e sua aplicabilidade. Os erros foram considerados aceitáveis para as condições impostas, visto as aplicações existentes em simuladores de manobras. Além disso, o modelo desenvolvido foi executado no simulador de manobras, no qual foram realizados alguns testes de sensibilidade ao movimento, além de algumas comparações com outros trabalhos, quando possível. / Real-time Ship Maneuvering Simulator models are becoming more common and necessary in the feasibility analysis of ports and access channels. The constant increase in the length and draught of vessels, not followed by equivalent ports development, makes the effects of shallow water, ship-bank and ship-port interaction with other structures more relevant during a maneuver. In order to increase the application range of this kind of simulator, the present work develops a mathematical model to estimate ship-bank and ship-ship hydrodynamic interaction forces and moments during a maneuver. The model uses, as a reference, data derived from an experimentally validated numerical method, the Boundary Element Method (BEM). Based on this method, some reference cases were selected to generate a database which would be used by our mathematical model to extrapolate results and estimate the interaction forces for any unexpected scenario. The forces obtained through the model are based on some input parameters, such as the vessel forward speed and the relative distances between the ship and bank and other ships. Thus, a series of measurements were developed to determine approximate geometries of the port and/or position of other ships at a given time slot. A model verification was performed for some unexpected scenarios, evaluating the errors associated with the model and its application. By taking similar works developed in maritime simulators as a comparison point, the errors obtained in our mathematical model were considered acceptable. The developed model was implemented in the ship maneuvering simulator located at TPN-USP, where some movement sensitivity tests were performed as well as some comparisons with other works, whenever possible.

O aumento do uso de códigos numéricos baseados em dinâmica de fluidos computacional (CFD) atrelado a problemas de engenharia naval e a necessidade de se estabelecer a proximidade dos resultados obtidos nas simulações com os experimentos físicos serviu de motivação para execução deste trabalho. O tema do presente trabalho é pertinente uma vez que o número de trabalhos publicados que simulam com precisão ensaios de embarcações em condição de manobra e obtêm as derivadas hidrodinâmicas que caracterizam o movimento é muito pequeno, atendendo assim a uma demanda existente por novas confrontações numérico/experimentais. Com isso, um conjunto de ensaios de PMM (Planar Motion Mechanism), mais especificamente os ensaios de sway e yaw puros e yaw com drift, e arrasto oblíquo foram executados na embarcação KVLCC2, nas condições de manobra, similares aos ensaios realizados pelo laboratório italiano ISEAN que tinha por objetivo fornecer uma base de comparação para trabalhos em CFD. Os resultados das forças e momentos das simulações foram comparados com os obtidos nos ensaios, bem como as derivadas hidrodinâmicas que caracterizam a embarcação estudada. De maneira geral, os resultados obtidos nas simulações mostraram-se muito próximos aos obtidos a partir do ensaio, fornecendo assim um bom resultado nas derivadas hidrodinâmica, principalmente com relação às derivadas em função das velocidades de translação e rotação. Na expectativa de ampliar a aplicação do método de solução proposto, um novo conjunto de simulações foi realizado na escala real da embarcação. As dificuldades encontradas devido às incompatibilidades nos números de Reynolds mostraram-se presentes, de maneira similar às encontradas nos ensaios físicos evidenciando inclusive que o fator de forma está diretamente atrelado ao número de Reynolds, contrariando a hipótese clássica e alinhando-se com trabalhos mais recentes publicados sobre o tema. Os resultados encontrados a partir da aplicação da metodologia mostram coerência em relação às respostas encontradas nos ensaios, fornecendo uma alternativa ao método clássico de obtenção das características hidrodinâmicas de uma embarcação de superfície em condição de manobra. Ainda fornece uma opção de cálculos, que ainda necessita de melhorias e validação mais elaborada, nas condições da escala real, fato impossível sem o uso de simulações. / The growing use of numerical codes based on computational fluid dynamics (CFD) in problems related with marine engineering and the need to establish the reliability of the results from the simulations with those derived from physical tests served as the motivation for performing the work. The subject of this work is relevant since the number of published works that accurately simulate and test the conditions of vessels in maneuvering and obtains the hydrodynamic derivatives that characterize the movement is very small, thus meeting an existing demand for the new numeric confrontations / experimental. Therefore, a set of PMM tests (Planar Motion Mechanism), more specifically: pure sway, pure yaw and yaw whit drift, and static drift, were performed on the vessel KVLCC2 under conditions of maneuver, similar to tests conducted by the Italian laboratory ISEAN which was intended to provide a basis of comparison for work with CFD. The results of the forces and moments of simulations were compared with those from the tests, as well as the hydrodynamic derivatives which characterize the vessel studied. In general, the results from simulations were very close to those from the experiment, thus providing a good result in hydrodynamic, derived primarily related to derivatives, depending on the speed of translation and rotation. Expecting to expand the application of the proposed method, a new solution set of simulations was carried out in a full-scale vessel. The difficulties encountered due to incompatibilities in the Reynolds numbers were similarly found in the physical testing. This included demonstrating the form factor directly linked to the Reynolds number, contrary to the classical hypothesis and aligning with the latest publications on the subject. The results from the application of the methodology show consistency with the solutions found in the tests, providing an alternative to the classical method of obtaining the hydrodynamic characteristics of a surface vessel in a condition of maneuver. We also provide an option of calculations, which still needs improvement and a more elaborate validation under full-scale conditions, which would be impossible without the use of simulations.

Esta dissertação de mestrado tem como objetivo a validação do modelo numérico de manobras para navios utilizado pelo simulador chamado SMH - Simulador Marítimo Hidroviário, que foi desenvolvido no laboratório Tanque de Provas Numérico. Para tanto foram realizados ensaios experimentais de manobras com um modelo em escala reduzida da embarcação Alpha Crucis com o objetivo de criar dados de manobra que serviram como referência para validação do modelo numérico. Foram selecionados diversos tipos de manobras com o propósito de criar uma caracterização da manobrabilidade da embarcação em baixas velocidades e regime transitório, permitindo a medição de diversas características, que permitem quantificar as capacidades de manobra da embarcação. Através de experimentos numéricos foram, então, realizadas as mesmas manobras executadas pelo modelo físico em escala reduzida, de forma a reproduzir as mesmas condições iniciais e os mesmos comandos, procurando reproduzir as manobras para validação do modelo implementado no SMH. Os resultados obtidos apresentam a aderência das características de manobras do modelo implementado no SMH, através da comparação das características de manobra obtidas pelo modelo físico em escala reduzida e das obtidas pelo modelo numérico. A dissertação apresenta ainda um estudo de sensibilidade que mostra o efeito dos principais fatores utilizados no laboratório Tanque de Provas Numérico para a calibração dos modelos de embarcações, mostrando que para as manobras consideradas neste trabalho alguns dos efeitos possuem pouca influência nos resultados. Por fim o trabalho conclui que o modelo matemático utilizado pelo SMH representa a capacidade de manobra da embarcação de forma consistente para diversos tipos de manobra, e com um grau de aderência satisfatório. / This research aims to present a validation for the ship maneuvering simulator named SMH, anachronym in Portuguese for Maritime and Waterway Simulator, developed on Tanque de Provas Numérico laboratory. For this propose small scale tests were performed with a model of Alpha Crucis ship aiming to create maneuver data that was used as reference for the numerical model validation. Several types of maneuver where selected to create a characterization of the maneuverability of the ship at low speeds and transient regime, and the parameters that quantify the maneuverability were measured. Then were performed numerical experiments recreating the same maneuver executed with the experimental model, with the same initial conditions and propulsion/rudder controls, trying to reproduce the maneuvers to validate the model implemented on the SMH. The results showed that the maneuvering characteristics predicted by the SMH simulator are similar to measured values in the experiment. The dissertation also presents a sensitivity study that shows the effect of the main parameters used in the laboratory Tanque de Provas Numérico for the vessel model calibration, This study showed that for some maneuvers, the tuning parameters have less influence on the results. Finally, the work concludes that the mathematical model used by the SMH represents the ability of the vessel to maneuver consistently for several types of maneuvers, and with a satisfactory degree of accuracy.

Esta dissertação de mestrado tem como objetivo a validação do modelo numérico de manobras para navios utilizado pelo simulador chamado SMH - Simulador Marítimo Hidroviário, que foi desenvolvido no laboratório Tanque de Provas Numérico. Para tanto foram realizados ensaios experimentais de manobras com um modelo em escala reduzida da embarcação Alpha Crucis com o objetivo de criar dados de manobra que serviram como referência para validação do modelo numérico. Foram selecionados diversos tipos de manobras com o propósito de criar uma caracterização da manobrabilidade da embarcação em baixas velocidades e regime transitório, permitindo a medição de diversas características, que permitem quantificar as capacidades de manobra da embarcação. Através de experimentos numéricos foram, então, realizadas as mesmas manobras executadas pelo modelo físico em escala reduzida, de forma a reproduzir as mesmas condições iniciais e os mesmos comandos, procurando reproduzir as manobras para validação do modelo implementado no SMH. Os resultados obtidos apresentam a aderência das características de manobras do modelo implementado no SMH, através da comparação das características de manobra obtidas pelo modelo físico em escala reduzida e das obtidas pelo modelo numérico. A dissertação apresenta ainda um estudo de sensibilidade que mostra o efeito dos principais fatores utilizados no laboratório Tanque de Provas Numérico para a calibração dos modelos de embarcações, mostrando que para as manobras consideradas neste trabalho alguns dos efeitos possuem pouca influência nos resultados. Por fim o trabalho conclui que o modelo matemático utilizado pelo SMH representa a capacidade de manobra da embarcação de forma consistente para diversos tipos de manobra, e com um grau de aderência satisfatório. / This research aims to present a validation for the ship maneuvering simulator named SMH, anachronym in Portuguese for Maritime and Waterway Simulator, developed on Tanque de Provas Numérico laboratory. For this propose small scale tests were performed with a model of Alpha Crucis ship aiming to create maneuver data that was used as reference for the numerical model validation. Several types of maneuver where selected to create a characterization of the maneuverability of the ship at low speeds and transient regime, and the parameters that quantify the maneuverability were measured. Then were performed numerical experiments recreating the same maneuver executed with the experimental model, with the same initial conditions and propulsion/rudder controls, trying to reproduce the maneuvers to validate the model implemented on the SMH. The results showed that the maneuvering characteristics predicted by the SMH simulator are similar to measured values in the experiment. The dissertation also presents a sensitivity study that shows the effect of the main parameters used in the laboratory Tanque de Provas Numérico for the vessel model calibration, This study showed that for some maneuvers, the tuning parameters have less influence on the results. Finally, the work concludes that the mathematical model used by the SMH represents the ability of the vessel to maneuver consistently for several types of maneuvers, and with a satisfactory degree of accuracy.