Análisis de la Estabilidad y el Control de un avión no tripulado. El proyecto Céfiro

Transcripción

1 Análisis de la Estabilidad y el Control de un avión no tripulado. El proyecto Céfiro Autor: Pedro López Teruel Tutor: Sergio Esteban Roncero Departamento Ingeniería Aeroespacial

2 Índice Por qué? Introducción y motivación Cómo? Configuración básica del avión Ecuaciones del movimiento Estimación de las derivadas de estabilidad Análisis de estabilidad Estabilidad estática longitudinal Estabilidad dinámica longitudinal Estabilidad estática lateral-direccional Estabilidad dinámica lateral-direccional Validación del modelo con resultados experimentales Futuras mejoras Conclusión 2

3 Introducción Motivación: el Proyecto Céfiro, una plataforma de pruebas. RFP: qué características ha de cumplir Proyecto fin de carrera de 5 alumnos Aerodinámica. Actuaciones y modelado de la planta propulsora. Estabilidad y control. Diseño estructural y procesos de construcción. Fabricación, integración de sistemas y pruebas funcionales. La estabilidad: requisito imprescindible para el vuelo 3

4 Configuración básica del avión

5 Configuración básica del avión Tamaño reducido del avión Configuración propulsora del motor Amplia bahía de carga Tubos de cola (ahorro importante de peso) Configuración de cola baja Construcción como aeromodelo. Diseño como avión 5

6 Ecuaciones del movimiento

7 Ecuaciones del movimiento 7

8 Estimación de las derivadas de estabilidad

9 Estimación de las derivadas de estabilidad Desarrollo de un método analítico de cálculo. Utilización del Boeing 747 como avión para validar el modelo. 9

10 Estimación de las derivadas de estabilidad Criterio: Error no mayor del 1 % Igual signo Si se detecta un error se realiza un análisis detallado por partes 1

11 Estabilidad estática longitudinal

12 Estabilidad estática longitudinal Posición del punto neutro Margen estático Posición del centro de gravedad Carga y centrado del avión Criterio de estabilidad Trimado longitudinal Otros estudios estáticos: Configuración limpia y sucia Deflexión de estela Estudio de incidencias Modelo de helicóptero para la hélice Distintos regímenes de motor Configuración alternativa: cola alta 12

13 Estabilidad estática longitudinal Margen estático DIAGRAMA DE CENTRADO DE CARGA Wcarga 2 2 Xcarga

14 Estabilidad dinámica longitudinal

15 Estabilidad dinámica longitudinal Solución para varios segmentos de vuelo Crucero al 25 % del motor y velocidad 9 km/h Crucero al 75 % del motor y velocidad 14 km/h -,68 Despegue al 1 % del motor y velocidad 5 km/h Aterrizaje al 1 % del motor y velocidad 5 km/h -,7 Modo fugoide -,72 Modo de corto periodo Aproximación de los modos Modo fugoide Modo de corto periodo Estudio de la respuesta para varias configuraciones Variación de la superficie estabilizador horizontal Variación de la longitud de los tubos de cola Variación de la posición del centro de gravedad C lp -,62 -,64 -,66 75 % 1 % C lp frente la velocidad 5 % 25 % Velocidad 15

16 Estabilidad dinámica longitudinal 8 Fugoide para crucero al 25 % 6 4 Amplitud Tiempo[s] 1.5 Fugoide para despegue 1.5 Amplitud Tiempo[s] 16

17 Estabilidad dinámica longitudinal Respuesta del sistema.15 Valor de velocidad en función del tiempo Velocidad longitudinal.2 Valor del ángulo alpha en función del tiempo Ángulo de ataque u alfa Tiempo (s) Valor del momento en función del tiempo.2 Momento de cabeceo Tiempo (s) Valor de thetha en función del tiempo Ángulo de cabeceo q thetha Tiempo (s) Tiempo (s) 17

18 Estabilidad estática lateraldireccional

19 Estabilidad estática lateral-direccional Criterio de estabilidad estática lateral-direccional Trimado lateral del avión Diferentes configuraciones de vuelo Interferencias entre superficies Configuración propulsora 19

20 Estabilidad estática lateral-direccional Trimado del avión frente a resbalamiento 2

21 Estabilidad dinámica lateraldireccional

22 Estabilidad dinámica lateral-direccional Solución para varios segmentos de vuelo Crucero al 25 % del motor y velocidad 9 km/h Crucero al 75 % del motor y velocidad 14 km/h Despegue al 1 % del motor y velocidad 5 km/h Aterrizaje al 1 % del motor y velocidad 5 km/h Modo de convergencia en balance Modo de balanceo holandés Modo espiral Aproximación de los modos Modo de convergencia en balance Modo de balanceo holandés Modo espiral Estudio de la respuesta para varias configuraciones Variación de la superficie de los alerones Variación de la superficie del timón de dirección 22

23 Estabilidad dinámica lateral-direccional 23

24 Validación del modelo con resultados experimentales

25 Validación del modelo con resultados experimentales Primer vuelo con incidentes No se detectaron grandes fallos de ingeniería. Demostración de la capacidad de vuelo del avión. Reacción muy buena frente a mandos libres. Surgieron muchas cuestiones entia non sunt multiplicanda praeter necessitatem Piloto con poca experiencia Segundo vuelo muy satisfactorio: Muy estable durante todos los segmentos de vuelo. Muy buena controlabilidad del avión. El avión no se encontraba trimado al principio. Gran experiencia en el estudio del modo espiral 25

26 Futuras mejoras y conclusiones

27 Futuras mejoras Depuración del modelo de planta propulsora Modelo realimentado en vuelo Medida de las derivadas de estabilidad reales: túnel de viento Cambio del material de los tubos de cola: Aumenta la capacidad de carga de pago. Modelo Longitudinal no lineal. Control mediante "gain scheduling " u_p control x x Control piloto cond iniciales V V u_p BA / BC V viento Modelo longitudinal helicoptero Bo -15 u u Visualización de resultados Controlador = x cond iniciales Condiciones Iniciales Selector Perturbaciones V Velocidad de vuelo deseada 1 Calculo de altitud x_w Sin viento V_viento Velocidad Perturbaciones elocidad _deseada To Workspace2 Velocidad 27

28 Conclusiones El diseño y la construcción de una aeronave es un proceso complejo. Continuo flujo entre las diferentes áreas. Validación de un avión: vuelo del mismo 28

29 Conclusiones de estabilidad Investigadores de otras universidades han sido menos estrictos con el margen de error en las derivadas de estabilidad. 3 % de error. Resultados en vuelo muy satisfactorios: Estabilidad. Controlabilidad y maniobrabilidad. Estudio de los modos. Trimado. La fortuna sonríe a los osados 29

30 Cuestiones

31 Estabilidad estática longitudinal Posición del punto neutro y del centro de gravedad 31

32 Estabilidad estática longitudinal Margen estático. Frente la posición del ala 32

33 Estabilidad estática longitudinal Margen estático. Frente la posición de la cola 33

34 Estabilidad estática longitudinal Margen estático. Frente la carga de combustible,36,18 Margen estático vs. carga de combustible. Cola fija,32 Sobredimensionado del chorro del motor Margen estático,16,14,12,1,8 1,23 1,24 1,25,6,2,4,6,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 Carga de combustible 1,26 Margen estático,28,24,2,16 5 % 1 % 15 % 2 %,12,9,95 1 1,5 1,1 1,15 1,2 1,25 1,3 Longitud de los tubos de cola 34

35 Estabilidad estática longitudinal Posición real del centro de gravedad y límites del mismo 35

36 Estabilidad estática longitudinal Centrado de la carga de pago DIAGRAMA DE CENTRADO DE CARGA Wcarga 2 2 Xcarga

37 Estabilidad estática longitudinal Centrado de la carga de pago,2 Centrado para vuelo de pruebas Margen estático,1 -,1,,15,3,45, Carga de plomo,17 Centrado de la carga de combustible Margen estático,16,15,14 1,41 1,43 1,45,13,2,4,6,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 Carga de combustible 37

38 Estabilidad estática longitudinal Criterio de estabilidad longitudinal C m C mα,615 > -,5631 < 38

39 Estabilidad estática longitudinal Trimado del avión,6 Cabeceo frente trimado Cabeceo del avión,4,2 -,2 -, ,6 -, Trimado frente la carga del depósito ,2,4,6,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 Carga del depósito 39

40 Estabilidad dinámica longitudinal Modo fugoide (3 segundos) 8 Fugoide para crucero al 25 % 4 Fugoide para crucero al 75 % Amplitud 2 Amplitud Tiempo[s] Fugoide para despegue Tiempo[s] Fugoide para aterrizaje Amplitud Amplitud Tiempo[s] Tiempo[s] 4

41 Estabilidad dinámica longitudinal.12 Modo de corto periodo (1 segundos) Fugoide para crucero al 25 %.8 Fugoide para crucero al 75 % Amplitud.6.4 Amplitud Tiempo[s] Fugoide para despegue Tiempo[s].2 Fugoide para aterrizaje Amplitud Amplitud Tiempo[s] Tiempo[s] 41

42 Estabilidad dinámica longitudinal Aproximación de los modos 8 Fugoide aproximado. Crucero al 25 % 4 Fugoide aproximado. Crucero al 75 % Amplitud 2 Amplitud Tiempo [s] Fugoide aproximado. Despegue Tiempo [s] Fugoide aproximado. Aterrizaje Amplitud Amplitud Tiempo [s] Tiempo [s] 42

43 Estabilidad dinámica longitudinal Aproximación de los modos.16 Corto periodo aproximado. Crucero al 25 %.1 Corto periodo aproximado. Crucero al 25 % Amplitude Amplitude Corto 3 periodo 4 aproximado. 5 6 Despegue Time [s] Corto 3 periodo 4 aproximado. 5 6 Aterrizaje Time [s] Amplitude.5 Amplitude Time [s] Time [s] 43

44 Estabilidad dinámica longitudinal Diferentes configuraciones. Variación tamaño estabilizador horizontal Valor de velocidad en función del tiempo Valor del ángulo alpha en función del tiempo Velocidad longitudinal Ángulo de ataque u alfa Valor del momento Tiempo en función (s) del tiempo.3 Momento de cabeceo Valor de thetha Tiempo en función (s) del tiempo.5 Ángulo de cabeceo q thetha Tiempo (s) Tiempo (s) 44

45 Estabilidad dinámica longitudinal 5 4 Diferentes configuraciones. Variación de la longitud de los booms Valor de velocidad en función del tiempo Velocidad longitudinal -.5 Valor del ángulo alpha en función del tiempo Ángulo de ataque u 2 alfa Tiempo (s) Valor del momento en función del tiempo.2 Momento de cabeceo Tiempo (s) Valor de thetha en función del tiempo.5 Ángulo de cabeceo q thetha Tiempo (s) Tiempo (s) 45

46 Estabilidad dinámica longitudinal Diferentes configuraciones. Variación del margen estático 46

47 Estabilidad estática lateral-direccional Criterio de estabilidad estática lateral-direccional 47

48 Estabilidad dinámica lateral-direccional Modo de convergencia en balance.25 Respuesta a un impulso para el modo de convergencia en balance.2.15 Amplitud Tiempo [s] 48

49 Estabilidad dinámica lateral-direccional Modo de balanceo holandés.25 Respuesta a un impulso para el modo de balanceo holandés.2.15 Amplitud Tiempo [s] 49

50 Estabilidad dinámica lateral-direccional Modo espiral 7 Respuesta a un impulso para el modo espiral 6 5 Amplitud Tiempo [s] 5

51 Estabilidad dinámica lateral-direccional Variación del tamaño de los alerones y del timón de dirección.9 Variación de beta en función del tiempo r r Perturbación del alerón Valor de r en función del tiempo Perturbación del alerón 1 9 Valor de pshi en función del tiempo Perturbación del alerón beta pshi Tiempo (s) Tiempo (s) Tiempo (s) Variación de beta en función del tiempo Perturbación del timón de dirección 1 Valor de r en función del tiempo Perturbación del timón de dirección 1.5 Valor de pshi en función del tiempo Perturbación del timón de dirección beta pshi Tiempo (s) Tiempo (s) Tiempo (s) 51