Como projetar/adequar um aeromodelo "scratch building" para o voo

Post para tentar ajudar Peixoto que solicitou ajuda para terminar o projeto de um aeromodelo escala de um Hércules C-130 com 3,5 metros de envergadura, corda 424 mm (não sei se corda média), e 14 kg, quer dizer um aeromodelo gigante, escala 1/8. 

Ele me contatou com dúvidas de "como acertar o voo" desse modelo, dizendo que voou muito mal, se havia algum método de conferir/projetar um aeromodelo. Então resolvi reunir o que sabia (e o que não sabia) sobre projetar um aeromodelo, como é mais fácil pôr essa pesquisa no blog, estou fazendo esse post. Quem sabe não ajuda alguém.

1- Como projetar um aeromodelo?

Gostaria muito de saber responder esta pergunta. Posso dizer que é bastante complicado. A maior parte dos projetos são realizados usando empirismo, quer dizer, a experiência sobre o que dá certo e o que não dá certo. Há algumas regras simples e ferramentas disponíveis, que ajudam nessa tarefa.

Uma coisa importante para se criar um aeromodelo é entender o "envelope de voo" proposto para dado aeromodelo.

1.1- Envelope de voo

Capacidades/características de voo de uma dada aeronave. Refere-se aos limites mínimos e máximos em determinado traço do voo, como velocidade, planeio, capacidade de carga, estabilidade, manobrabilidade, controlabidade, até altitude, etc

É mais fácil entender com o seguinte exemplo, um modelo treinador tem que ser capaz de voar lentamente  e de forma estável (velocidade ótima para iniciantes), já um aeromodelo sport não precisa ser capaz de voar devagar, pelo contrário, deve ser capaz de voar bem rápido (o mais marcante nesse tipo de modelo), esta característica não se exige de um treinador.

Pouco provável, ou pouco prático, exista um aeromodelo que seja bom em voar devagar e rápido ao mesmo tempo. Caso se projete um aeromodelo assim, existiriam muitas outras características em que haverá variações enormes de desempenho no voo desse aeromodelo.

Os "gentles scales" tem um voo relativamente lento e estável, então, não tem um envelope de voo crítico (mais velocidade igual a mais dificuldade). Boa notícia para o Peixoto, então.

2- Tabelas, regras, calculadoras, programas e afins

Com o envelope do aeromodelo na mente podemos usar alguns recursos para projetar/ajustar nosso aeromodelo de forma mais ou menos empírica. 

2.1- Tabelas: 

Usamos tabelas pela facilidade de analisar características de um aeromodelo sem cálculos complexos, somente enquadrando as características em faixas de valores em que é seguro testar. 

2.1.1- Tabela carga alar: 

A cargar alar é umas das especificações mais importantes de uma aeronave. Se traduz pela divisão da massa (peso) total do aeromodelo divida pela área da asa.

Carga alar = massa / área alar.

Em aeromodelismo é comum a carga alar  estar expressa em gramas/decímetros quadrados (g/dm²).

Exemplo de tabela:

Tabela carga alar por tipo de aeromodelo - na maior parte tirado do Evoo.com 

É só uma base, teu aeromodelo pode fugir desta regra e voar muito bem, mas para um projeto é mais seguro seguir essa regra.

No caso do Peixoto, a resposta não é fácil, porque o envelope de voo pretendido é lento, o Hercules C-130 tem voo lento para seus padrões (não é um caça), mas o problema é a escala a velocidade de cruzeiro do avião é ~620Km/h, então o aeromodelo 1/8 deveria voar no máximo a 77Km/h, menos 25% (o avião não voa no máximo sempre) ficaria com 60Km/h, a 50% da velocidade seria menos de 40Km/h.

O ideal no caso deste aeromodelo em escala é que voasse bem entre as velocidade ~40Km/h a ~80Km/h para um melhor efeito escala, embora possa ter velocidades diferentes e dar um bom show na pista!

Facilmente se vê que a tabela acima é inadequada para um modelo Hércules C-130 já que a carga alar gira em torno dos 118g/dm², a carga alar cúbica pode ser melhor.

2.1.1.a- Algumas coisas bem básicas sobre carga alar:

a- Maior a carga alar o modelo tenderá a ter uma razão de planeio menor, quer dizer, cai mais rápido;

b- Maior a carga alar o modelo tenderá precisar de mais velocidade para o aeromodelo se manter voando, quer dizer, vai precisar de mais motor para se manter em uma velocidade segura.

c- Carga alar muito baixa vai  dar características de voo menos realística (modelo vai render muito, vai voar muito leve, etc), apesar que depende do modelo em questão.

Se não souber como calcular a área alar, use este tutorial: http://www.toywing.com.br/como-calcular-carga-alar/

2.1.2- Tabela relação massa (peso) x potência do motor.

Tabela simples pela facilidade de utilizá-la, serve como base para decidir a motorização adequada:

Massa (peso) x potência do motor por tipo de aeromodelo - várias fontes na internete

Muito simples a utilização encontre a linha que mais se adeque ao seu modelo, por exemplo, treinador/escala de voo lento, ai vai encontrar os valores 154 a 198W/Kg, faça a média (176W) ou escolha um valor nesse intervalo, pese teu modelo pronto para voar, por exemplo, 600g, converta para quilo (0,6 kg) e multiplique pelo valor de potência (176W x 0,6 kg = 105 W).

Então 105W será necessário (em princípio) para voar adequadamente esse modelo, escolha um motor/hélice que forneça essa potência.

No caso do Hércules C-130, eu apostaria em usar a potência intermediária entre Escala de voo lento e Esperto/acrobático/etc, 200 w/Kg, multiplicando pela massa do C-130 (14.5Kg), daria 2.900W, dividida por 4 motores, seria 725W por motor, quer dizer, quatro motores bem fortes. 

2.1.3- Relação peso/área alar/potência entre motores e aeromodelos:

Relação entre potência/tamanho de motor com área alar/peso alar do aeromodelo - repare um pequeno erro na tabela, a coluna Área está em m², o certo é dm² -  fonte: http://www.hobbys.com.br/nocoeseletricos.htm

Bastante útil para saber qual motor usar para dado modelo, inclusive motores glow 2 tempos.

No caso do Hércules C-130, a conta feche bem, porque calculei cerca de ~122dm², usando a tabela acima se encontra o valor de 3000W e carga alar de ~120g/dm².

2.1.4- Alongamento/AR (aspect ratio):

O alongamento é se refere a geometria da asa, levando em consideração o cumprimento da asa (envergadura) em relação a sua largura (corda), o que se leva em consideração é o quanto a asa é mais ou menos larga em relação ao seu cumprimento.

É importante porque quanto maior o alongamento maior será a eficiência aerodinâmica da asa, menor o arrasto induzido, maior a estabilidade no eixo de rolagem. Por outro lado quanto maior o alongamento maior será a dificuldade no aeromodelo rolar.

Tabela alongamento - o Hércules C130 tem alongamento 10

Vamos considerar um aeromodelo treinador com 120cm de envergadura para que fique adequado com relação ao alongamento a corda (largura) deve ter 20cm (120 cm / 6 = 20 cm), se quiséssemos o mesmo modelo treinador com 30 cm de corda, encontraríamos a envergadura de 180 cm para manter o mesmo alongamento (30 cm * 6 = 180 cm).

Nos aeromodelos escala o alongamento depende do avião em que se baseia, não se pode mudá-la muito sem prejudicar muito a escala.

No caso do Peixoto, estou um pouco confuso com o alongamento, ele me informou que a asa tinha 424mm de corda, mas não me informou se era a corda média ou a corda da parte central na asa, acho que é a última opção. Explico a asa do C-130 é mista, retangular no centro e trapezoidal nas pontas. Eu calculei imaginando que, talvez, simplificaram a asa e a fizeram toda retangular, considerando os valores envolvidos (3.5m de envergadura e 424mm de corda) o alongamento é igual a 8, com 148.4dm², por outro lado, imaginei que as pontas eram afiladas como no original, então, o alongamento é 10 mesmo e a asa tem 350mm de corda média, com 122.5dm² de área alar.

2.2- Regras

Algumas regras em termos de proporção em aeromodelo são muito úteis.

Proporções básica de um aeromodelo - fonte: Evoo.com

Por exemplo, a regra de área de estabilizador (20% a 30% referente a área da asa) é bem útil.

Proporções básicas de um aeromodelo - fonte: Evoo.com

Outro exemplo é a proporção de 75% em relação a envergadura.

Pus aqui, como exemplo, já que não é útil para adequação de aeromodelo escala, com exceção a aeromodelo escala de aviões treinadores. Neste caso poderíamos encontrar um projeto bem sucedido de aeromodelo escala igual ao que queremos construir e copiar os momentos (distâncias entre o CG e o bico e o CG e cauda) e a área dos estabilizadores.

No caso de C-130, encontrei esse aqui: http://www.e-voo.com/forum/viewtopic.php?t=47420&postdays=&postorder=asc&start=0

2.3- Calculadoras:

Planilhas que usam fórmulas matemáticas para ajudar a projetar partes de um aeromodelo, encontrar CG, etc.

2.3.1- Calculadoras de área alar, área da empenagem/centro de gravidade

A empenagem é responsável por estabilizar o voo e manter a asa em um ângulo de ataque mais propício para voo:

Calculadora muito completa de monoplanos, biplanos e canards -  para acessar clique aqui - autoria de Lee B. Van Tassle

Este tipo de calculadora parece ser mais complicado do que realmente é. Preencha os campos e veja os resultados olhando o desenho.

2.3.2- Calculadora de centro de gravidade avançada:

Calculadora avançada de CG - fonte: http://adamone.rchomepage.com/cg_calc.htm

Essa calculadora trabalha com mais de um painel, mas a calculadora mais a abaixo é melhor e está em português.

2.3.3- Calculadora de planadores:

Calculadora de planador - asa, cauda-V, cauda-T - clique aqui - autoria: Curtis Suter

2.3.4- Calculadora de diedro:

 Diedro é o ângulo formado entre os painéis da asa esquerda e direita do avião, quando vistos de frente. Dá estabilidade ao eixo de rolagem do aeromodelo.

Calculadora de diedro - clique aqui - autoria: Martins Brundgard

2.3.5-Carga alar cúbica:

Dizem os estudiosos que é uma forma mais eficiente de medir a carga alar, usando a carga alar cúbica.

Mostra as principais áreas da calculadora - Acesse aqui a calculadora: http://www.ef-uk.net/data/wcl.htm

O C-130 calculado com alongamento 10 (com 122.5dm² de área alar) o WCL (carga alar cúbica) é igual a 10, dentro dos modelos em escala.

2.3.6- Calculadora de C.G

Grande vantagem dessa calculadora é que ela é capaz de calcular asas complexas, usando mais de um painel. Isto é útil, porque muitas asas são retangulares no centro e afiladas nas pontas, como no C-130. Sem usar esse tipo de calculadora é muito chato o processo.

Calculadora de G.C. - é muita boa e faz calculo de asas complexas - http://wingcgcalc.bruder.com.br/pt_BR/

Estudei de planta 3views do Hércules C-130, e com uma régua e a velha regra de três, confirmei que os 422mm de corda era realmente só do meio da asa, então plotei os dados encontrados na regra de três e cheguei a este resultado, já com o C.G., pode ser acessado aqui.

2.4- Programas

Alguns programas criados por aeromodelistas que automatizaram determinados cálculos. Ajudam a determinar alguns aspectos de um aeromodelo.

2.4.1- RCCalc

Programa que calcula velocidade de estol, velocidade segura, mostra se a motorização/propulsão é adequada para determinado aeromodelo:

RCCalc - programa para calcular a velocidade de stall - disponível: http://www.e-voo.com/forum/viewtopic.php?t=2958

Utilizei o programa acima para estimar as condições de voo, então, consegui os seguintes resultados para o perfil Clark Y, velocidade de stall = ~47Km/h e velocidade segura = 56Km/h, considerando os valores de velocidade escala (~40 a ~80Km/h), acho que ficou adequado.

2.4.2- Drivecalc

Programa para testar virtualmente o conjunto motor, hélice, bateria. Mostra o consumo, empuxo, velocidade de passo, etc:

Drive Calculator - consumo, empuxo e velocidade - escolha motor e hélice - disponível: http://www.drivecalc.de/

O Peixoto não me informou o nome do motor, é uma tendência dos aeromodelistas, só se ligarem na rotação dos motores, exemplo, o motor é de 1000Kv! (Kv = giros por volt, ex. bateria 3S, 11v x 1000Kv = ~11.000 RPM) Não é uma maneira boa falar algo sobre aquele motor, talvez, a potência em Watts (W) seria mais adequado. 

2.4.3- X5 (XFLR5)

Programa muito bom que ajuda realmente a projetar um aeromodelo. 

O software modela (faz) em 3d a asa, fuselagem e empenagem. Tem recursos de estudo/desenvolvimento de perfil alar, calcula área alar, alongamento e afilamento.

Mostra gráficos variados que servem de base de análises avançadas.

Simula túnel de vento, dá pressões, momentos aerodinâmicos e analisa a estabilidade do aeromodelo.

 Estou aprendendo usá-la, é bem complexo e tem muito recursos, não é tão difícil quanto parecer usá-lo.

O grande problema que não ajuda na motorização. É focado em planadores, mas já vi usarem para aeromodelos com motor com sucesso. 

XFLR5 - software de desenvolvimento de aeromodelos - disponível: http://www.xflr5.com/xflr5.htm

Não parei para analisar o aeromodelo C-130 neste programa, pois estou esperando mais dados do Peixoto.

3- Conclusão:

Acredito que meus esforços não poderão ajudar decisivamente o projeto do Peixoto, mas quem sabe não dá uma luz para ele. O que fiz foi juntar em único post várias ferramentas úteis. 

Estou aguardando o contato dele, com envio de fotos e detalhes do projeto para tentar ajudá-lo um pouco mais.