Unsteady solutions for the aerodynamic coefficients of a thin airfoil in compressible subsonic or supersonic flows are studied. The lift, the pitch moment, and pressure coefficients are obtained numerically for the following motions: the indicial response (unit step function) of the airfoil, i.e., a sudden change in the angle of attack; a thin airfoil penetrating into a sharp edge gust (for several gust speed ratios); a thin airfoil penetrating into a one-minus-cosine gust and sinusoidal gust (a typical gust used in commercial aircraft design); oscillating airfoil; and also the interaction of the airfoil with a shed (from convection phenomenon) vortex passing under the airfoil, a phenomenon known in literature as AVI (Airfoil Vortex Interaction). The present work uses a numerical approach based on vortex singularity. The numerical model is created by means of the airfoil discretization in uniform segments and the compressible flow vortex singularity is used. The results available in the literature are based on approximated exponential equations, or computed via Computational Fluid Dynamics (CFD). Thus, the purpose of this method is to obtain a more accurate computation compared to those of approximated equations, and numerically quite faster compared to those obtained via CFD.

Um programa de simulação do desempenho em missão de uma aeronave em condições de vento e uma otimização de trajetória em cruzeiro foi desenvolvido para as análises deste trabalho. O algoritmo foi desenvolvido em MATLAB 6.5 e as simulações utilizaram um modelo de aeronave fictício. O algoritmo faz uso de integração numérica das equações diferenciais do movimento e trata a aeronave como um ponto de massa. O modelo de aeronave foi elaborado durante o projeto final do Programa de Especialização em Engenharia Aeronáutica, parceria entre a Empresa Brasileira de Aeronáutica (EMBRAER) e o Instituto Tecnológico de Aeronáutica (ITA). Para a análise do impacto do vento no desempenho da aeronave, uma estimativa do incremento do arrasto teve que ser feita, levando em consideração a derrapagem da aeronave e as deflexões dos controles lateral e direcional da aeronave. Um algoritmo de otimização sem realimentação foi utilizado, este método consiste em expressar os controles como uma série de funções com parâmetros para serem otimizados. Os resultados obtidos com as simulações foram: os perfis de trajetória ótima de cruzeiro e de velocidade, o consumo de combustível e o tempo de missão. Com estes dados, uma análise comparativa entre as missões com e sem otimização de trajetória foi realizada.

Uma metodologia para a predição de coeficientes aerodinâmicos de aeronaves genéricas utilizando redes neurais artificiais foi desenvolvida e descrita. Coeficientes aerodinâmicos modelados como funções de ângulo de ataque, número de Reynolds e número de Mach fornecem informações para o treinamento das redes neurais artificiais. Em um dos casos estudados, os coeficientes são também função da geometria da asa da aeronave. No presente trabalho, a rede neural é inicialmente treinada a partir de um conjunto de dados apropriado, que é gerado com simulações numéricas, a fim de reproduzir o comportamento geral de um modelo não-linear dependente de uma grande quantidade de variáveis. Um novo conjunto de dados, o qual pode ser relativamente esparso, é então fornecido à rede a fim de verificar a consistência do novo modelo gerado. O novo modelo estima os parâmetros desejados com grande precisão dentro do espaço de projeto utilizado no treinamento, e a obtenção de resultados para uma configuração genérica se torna uma tarefa relativamente rápida e simples. Isto torna esta metodologia muito apropriada para a aplicação em ambientes de projeto e otimização multidisciplinar (MDO - Multi Disciplinary Optimization, em inglês), o qual faz uso intensivo de parâmetros aerodinâmicos para cálculos de desempenho e cargas, além de outras tarefas essenciais. Uma rede do tipo Perceptron de Múltiplas Camadas (Multilayer Perceptron, em inglês, ou MLP) foi adotada para prever a polar de arrasto do perfil NACA23012, considerando números de Reynolds entre 1x106 e 5x106. Este caso bidimensional também foi simulado utilizando uma Rede de Ligação Funcional (Functional Link Network, em inglês, ou FLN), a fim de comparar o desempenho e a precisão de ambas arquiteturas. De forma similar, uma rede MLP de 2 camadas foi utilizada para calcular o coeficiente de arrasto de um jato de transporte com geometria fixa. Nesta aplicação, a rede foi treinada com 99 pontos, cobrindo uma faixa de Mach de 0,20 a 0,82. O coeficiente de sustentação neste caso variou entre 0 e um limite superior que decresce em função do número de Mach. Uma terceira rede neural foi projetada para prever o arrasto de um conjunto asa-fuselagem com forma em planta da asa variável. Trabalhos futuros considerarão também a predição de arrasto em asas de geometria e perfilagem variáveis.

O trabalho apresenta um estudo do princípio da superposição através da aplicação da Integral de Duhamel para a obtenção da resposta a uma excitação harmônica do ângulo de ataque. Como entrada para a Integral de Duhamel foram utilizadas respostas indiciais obtidas com a utilização de uma ferramenta de CFD desenvolvida pelo IAE/CTA. As respostas indiciais foram obtidas a partir de excitações em degrau de baixa amplitude no ângulo de ataque de um perfil NACA0012 em escoamento com número de Mach igual a 0.3. O estudo mostrou que mesmo que a ferramenta de CFD seja capaz de gerar uma resposta indicial é importante a validação dessa resposta indicial como uma resposta de boa qualidade para a utilização de sua derivada na Integral de Duhamel. Os resultados obtidos com a Integral de Duhamel utilizando uma boa resposta indicial como entrada foram comparados com uma simulação direta de um movimento harmônico realizada com a mesma ferramenta de CFD. A comparação demonstrou que os resultados foram bastante satisfatórios.

Apesar do recente desenvolvimento em aeroelasticidade computacional e ferramentas em CFD para escoamentos não-estacionários, a maioria das análises de estabilidade aeroelástica das estruturas de asas no regime transônico que são realizados em ambiente de engenharia ainda dependem da aplicação de métodos de correção para as cargas aerodinâmicas previstas por códigos baseados em teoria aerodinâmica linear. No entanto, há escassez de literatura sobre as capacidades e limitações de cada método, assim como a sua adequação a cada projeto de asa ou fenômeno físico envolvido. Este trabalho apresenta uma extensa revisão dos aspectos físicos da aerodinâmica não-estacionária em regime transônico, aeroelasticidade em regime transônico, e é concluído com um estudo sobre três métodos diferentes de correção: método NLR - utilização do número de Mach local; SKEM - Método da Expansão Sucessiva da Função Núcleo; e método Dau-Garner. Como casos de teste, três diferentes estruturas de asa: asa PAPA supercrítica; asa AGARD 445.6 enfraquecida; e asa do avião YXX. Correlação entre as previsões teóricas e experimentos indica que os projetos distintos de asa, dominados por diferentes fenômenos físicos, requerem o uso de diferentes métodos para incorporação precisa das características não-lineares dominantes às ferramentas clássicas de análise aeroelástica.

This work presents an extensive analysis on the linear and nonlinear behavior of three degrees of freedom typical airfoil section oscillating in a bidimensional incompressible flow. The nonlinearity is introduced by means of control surface freeplay. The theoretical modeling of the aeroelastic system is reviewed from structural and aerodynamic standpoint. Two methodologies are used for generalized unsteady aerodynamic loads calculation: one developed by Theodorsen in frequency domain and other developed by Peters completely in time domain. Comparisons among the main flutter solution techniques available in literature are presented and discussed. These analyses provide guidance for the subsequent nonlinear analysis. On the nonlinear field, the limit cycle behavior is demonstrated through bifurcation diagrams, obtained via numerical simulations in time domain and harmonic linearizations in frequency domain. Moreover, the effects of aerodynamic loads selection are also discussed.

Uma formulação da dinâmica da aeronave flexível é apresentada e usada na investigação das contribuições da flexibilidade e efeitos de aerodinâmica não-estacionária sobre as características da mecânica de voo. A metodologia é aplicada a um planador construído em material composto com asas enflechadas de alto alongamento. Para a representação dos fenômenos aerodinâmicos não-estacionários, uma teoria das faixas modificada aplicável a asas enflechadas é empregada. A formulação permite que a matriz de coeficientes de influência seja calculada no domínio da frequência. São consideradas, na obtenção das forças aerodinâmicas, tanto as contribuições dos graus de liberdade flexíveis quanto de corpo rígido, no regime linear e de pequenas perturbações. O modelo aerodinâmico, no domínio do tempo, é obtido após a aplicação da aproximação por funções racionais segundo o modelo de Roger. As informações relacionadas ao comportamento estrutural decorrem, inicialmente, de um modelo de elementos finitos de casca, empregado em uma análise modal para obtenção dos modos naturais de vibração. As formas deformada e indeformada das superfícies sustentadoras são aproximadas através de um procedimento de interpolação empregando splines de superfície. O eixo elástico é obtido, para diversas seções ao longo da envergadura, segundo uma metodologia baseada no método de mínimos quadrados. Processo semelhante é empregado para a caracterização das formas modais. O resultado é uma viga equivalente para a qual são dados um deslocamento vertical e um ângulo de torção ao longo da envergadura. Fica, assim, assegurada a correlação entre pontos de controle aerodinâmicos e estruturais. Através de formulação Lagrangeana, são obtidas as equações diferenciais do movimento, apoiadas sob as hipóteses de desacoplamento inercial e pequenas perturbações. Tais equações podem ser utilizadas para obtenção de condições de voo de equilíbrio, estudo da estabilidade e resposta em frequência ou mesmo integradas ao longo do tempo, como ilustrado através de uma série de exemplos aplicados à aeronave estudada. Especial atenção é dada à identificação de contribuições dos efeitos de flexibilidade e de aerodinâmica não-estacionária. Destacam-se as simulações de resposta a perturbações do tipo doublet aplicadas às superfícies de comando. O impacto da variação na quantidade de modos elásticos e termos de atraso aerodinâmico utilizados é também abordado.

O presente trabalho tem por objetivo apresentar e utilizar a técnica de inversão dinâmica ao modelo não-linear de uma aeronave. As equações do movimento são deduzidas e apresentadas brevemente. O modelo não linear da aeronave F-16 é desenvolvido e simulado. O conceito de inversão dinâmica é apresentado e considerações sobre suas aplicações são feitas. Selecionam-se algumas dinâmicas desejadas e aplica-se a técnica de inversão dinâmica ao modelo da aeronave, a fim de verificar o comportamento do sistema. Considerações sobre robustez e qualidade de vôo são realizadas.

O objetivo deste trabalho é o projeto preliminar de uma aeronave comercial focado no pré-dimensionamento e definições aerodinâmicas iniciais. A metodologia utilizada compreende a abordagem clássica combinada com modernas análises de dinâmica dos fluidos computacional para determinar dimensões, peso, tração e perfis aerodinâmicos da asa.

Em sistemas de controle aeronáutico, aeronaves flexíveis são aquelas cuja dinâmica estrutural possui freqüências próximas às de corpo rígido. Filtros estruturais do tipo notch são tipicamente implementados quando existe separação suficiente entre o modo de maior freqüência da dinâmica de corpo rígido e o modo de menor freqüência da dinâmica estrutural. Entretanto, para aeronaves que apresentam maior flexibilidade estrutural, os filtros citados não são efetivos no seu papel. Neste trabalho, é descrito um modelo da aeronave flexível B1, disponível na literatura, que integra as dinâmicas de corpo rígido e flexível. Um piloto automático de altitude para aeronaves flexíveis é projetado utilizando duas técnicas de controle robusto: HIFOO (H8 Fixed-Order Optimization) e Loop Shaping. Estas técnicas são apresentadas, discutidas e seus resultados, comparados.