Planador HLG 2000 mm, R$50,00 e 270 g RTF

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Planador HLG 2000 mm, R$50,00 e 270 g RTF

Mensagempor LJR » 25 Fev 2018 15:06

Planta (ou rascunho dela) disponível em:

https://www.4shared.com/s/fmTcYe80lei


Caros amigos,

Apesar do baixíssimo movimento no fórum, quero deixar registrado, por mais que de maneira simplória, meu raciocínio para a concepção e construção deste modelo, o qual no caso é um HLG, mas poderia ser qualquer categoria. Já adianto que vocês não encontrarão nada de novo nos meus métodos, contudo espero que a linha de raciocínio traga reflexão.

Vamos tratar aqui de um modelo termal de fácil construção, baixo custo e desempenho mediano para elevado. Esta última característica está em contraste com as duas primeiras, e é aí que a metodologia do nosso projeto mostra um papel chave: entender os princípios, justificar os meios e exceder as expectativas. Resumindo em poucas palavras, fazer um modelo de resto de isopor, cola de papelaria e durex se comportar como um kit importado. Como? Também ainda não sei, mas tenho uma ideia de qual possa ser o caminho. Este parágrafo será retomado na última conclusão deste tópico, nos mostrando se atingimos nosso objetivo.

Background

Minha última experiência com um HLG mini-térmico de baixo custo será de grande valia na empreitada. Se tratava de um modelo de 1400 mm de envergadura, asa poliédrica de perfil KFM 25% (feita de depron 4 mm), 240 gramas e cauda em V.



Voei, no total, umas 5 horas com esse modelo. O tail boom de bambu foi se desfazendo com o tempo, e no final o modelo estava completamente mole no ar. A asa tinha as juntas em balsa 4 mm com uma vareta de carbono na raiz, colada no extradorso, e mais nada! O depron aguentou bem demais, apesar da baixa rigidez em voo. Em voo de colina com vento centrado abaixo dos 10 kmh era muito fácil conseguir voos de 10 a 20 minutos, realmente subia em qualquer bolha. Foi uma grande escola para mim e acredito que seja o modelo perfeito para iniciantes no voo a vela.

Os principais defeitos que detectei e que serão trabalhados nesta versão nova:
- Baixa penetração: já era esperado isso do perfil KFM. Ir buscar térmicas mais longes era difícil e se perdia muita altitude, a velocidade de voo também era baixa. O pod quadrado, grande e com um degrau para o tail boom também era uma fonte grande de arrasto.
- Baixa rigidez da estrutura: nas condições da minha região (vento de baixa velocidade canalizado no mar de morros do sul de minas) a asa até que se comportava bem, mas era, de fato, bem molenga, desperdiçando muita energia (a conta é simples, o fluido possui energia cinética que deveria se transformar em energia cinética da aeronave, mas a estrutura rouba e dissipa uma fração desta pelo amortecimento viscoso). O tail boom de bambu foi uma decepção muito grande, rigidez torsional baixíssima, fazia a cauda ficar balançando, perdendo a precisão dos comandos. O pod também não possuía reforços.
- Asa com 6 painéis totais: muito trabalhoso de construir, mesmo para um perfil KFM. Vamos trabalhar para encontrar um EDA (diedro efetivo) que funcione bem para nossa carga alar e que não diminuía muito a área projetada para que possamos utilizar 4 painéis desta vez.

Não obstante, também vou listar alguns pontos fortes que serão as justificativas para o design da versão nova:
- Cauda em V: funciona muito bem se você souber o que está fazendo. Dependendo das condições do volume de cauda, dá para minimizar a área total dos estabilizadores (o que diminui o peso). Faremos isso mais adiante. A construção é extremamente simples e estruturalmente eficiente. Não tem o charme da cauda em T, infelizmente.
- Linkagem pull-pull com fio dental: tudo o que você procura em um sistema de linkagem, ponto indiscutível. Só trocaria por um filamento que fosse mais leve, o que acho difícil acontecer. Nessas 5 horas de uso não encontrei pontos de desgaste nos fios.
- Pod de depron revestido de durex: aguentou muitas pancadas e saiu ileso. Escorregava bem na grama, fazendo pousar suave. Simples e funcional, compactua com nossos objetivos.
- Baixo custo: usar o que tenho disponível.


Brainstorming

Este novo modelo deverá ser maior, mais robusto e mais esportivo. O Guppy é um forte candidato a ser estudado. Vamos sair da categoria mini e ir para algo pouco acima, com 2000 mm de envergadura, não esquecendo que seu habitat será ventos de baixa velocidade (<20 kmh) e muitas bolhas térmicas. Visto isso, não necessitaremos de muita massa para se locomover nas rajadas de cidades praianas, pelo contrário, se manter leve para subir na menor térmica possível. A construção será com tudo que eu já tenho em casa, tal como depron, um pouco de isopor P0, vareta de fibra de vidro e um tubo de carbono (D 6 mm C 600 mm).

Pontos fortes: Eficiência conceitual (desde escolha do perfil da asa até a montagem), baixo custo
Pontos fracos: Durabilidade baixa, rigidez estrutural baixa
Oportunidades: Carga alar baixa possibilitada pelo baixo peso
Ameaças: Orçamento (R$50,00)


Projeto conceitual

O meu cortador de isopor e a vareta de carbono para o tail boom foram minhas limitações de dimensão. Isso acontece na indústria também, pois não adianta conceber algo que você não consiga fazer. Visto isso, a envergadura máxima será 2000 mm e comprimento em torno de 1000 mm. Também é um problema para mim cortar uma asa com perfil menor que 10 mm de espessura, outro fator limitante. Os “chutes” iniciais de geometria serão dados com base no Guppy, guardadas as devidas proporções.



Neste ponto, a calculadora de EDA do Martin Brungard (mabrungard@hotmail.com) foi de grande ajuda. Ela está disponível em:
http://www.charlesriverrc.org/articles/design/eda1.xls

Após algumas iterações, chegamos na seguinte geometria de asa:



O EDA adequado é, neste caso, entre 9 e 10 graus. Nesta colocação, considera-se o fator estabilidade.
No planador anterior usei valores de volume de cauda semelhantes e o resultado prático foi satisfatório. Este parâmetro influencia diretamente na estabilidade e controle. Depois de um vai-e-vem usando a função “atingir meta” no Excel, chegamos nos seguintes valores finais:



Uma referência que usei para valores de volume de cauda é http://www.eaa62.org/technotes/tail.htm
Infelizmente perdi os arquivos em Catia do planador, e a única foto que tenho dele em 3D é essa:



A escolha do perfil é sempre algo que rende muitas linhas. Basicamente, você pode ir tão a fundo o quanto quiser: começar no troca-troca em 2D, comer planilhas de polares com arroz no almoço, partir para a asa finita, rodar vários ângulos de ataque no Fluent... Aqui seremos bem práticos. Uma rápida comparação de polares foi feita entre os perfis da família HN, MH e Eppler (já tive uma experiência com este último nas asas de um fórmula, ponto positivo para a eficiência aerodinâmica). Tive uma surpresa positiva com os números do HN, mais especificamente o HN 1036, mesmo do Guppy. São aerofólios feitos para F3J, F3K, e por aí vai. Na ponta de asa, escolhi o HN 1038, mais espesso para facilitar o corte do isopor.

O problema é o regime que voaremos com este perfil. Diferentemente do Guppy, a previsão é de uma carga alar de 8 g/dm2 , ao invés de 27 g/dm2. Como uma coisa puxa a outra, um menor peso requer menor velocidade de voo, o que pode significar um Reynolds baixo. Isto é agravado pelo fato de estarmos 3,3 vezes mais leves que o modelo onde este perfil é originalmente usado, e podemos estar operando ABAIXO do envelope de Reynolds onde o aerofólio é eficiente. Os modelos topo de linha da categoria F5J estão sofrendo o mesmo problema, com envergaduras de 4 metros e peso RTF de 1,4 kg (dá-lhe compósitos), carga alar baixíssima, planando em cruzeiro a 15 km/h, mas mergulhando para pouso a mais de 100 km/h. A variação de velocidade (e consequentemente Reynolds) é enorme, o que dita uma nova aproximação no que tange aerofólios.
Vamos investigar esta hipótese com o XFLR5. O Reynolds mais baixo ocorrerá na ponta da asa (menor corda) na velocidade mínima de voo. Considerando as condições atmosféricas padrões, temos um Re de aproximadamente 28.000 na ponta e 42.000 na raiz. Realmente valores muito baixos. Considerando que não passaremos de 60 km/h, estes valores se tornam 113.000 e 169.000. Temos nosso envelope de voo. Os resultados do perfil 2D da raiz nestas condições são:



Neste cenário, estávamos certos sobre a preocupação. Reparem que a eficiência aerodinâmica (o plot inferior da direita) aumenta até chegar no ponto superior do envelope. Considerando que confiamos totalmente no XFLR5, estamos operando em um regime não adequado. Isso será investigado em voo, adicionando e tirando lastro para ver a mudança no comportamento.


- Encontrando o CG
Neste ponto da conversa fica difícil começar a dissertar alguns assuntos sem antes abordar o tópico de Estabilidade e Controle. De qualquer maneira, não iremos aprofundar muito neste ponto, pois prefiro escrever mais detalhadamente em outro tópico, visto a pesada carga teórica (infelizmente não tem como esta análise fazer sentido sem um background sólido). Vamos usar o XFLR5 para encontrar o ponto neutro, determinar e aplicar a margem estática e determinar o CG teoricamente. Realiza-se testes antes do voo, evidentemente, pois o software não é 100% preciso (muito menos minhas suposições).
Como base, utilizei o material do A. Deperrois, “About stability analysis using XFLR5”, de 2010. Com uma rápida busca vocês encontram o PDF dele online. Inicialmente, o ponto neutro foi achado movendo o centro de massa da aeronave até que a curva Cm x Alpha tenha um comportamento estranho (este é explicado no artigo acima). No ponto neutro, a estabilidade estática é neutra (evidentemente), significando que, em condições perfeitas de voo, se um peteleco for dado para cima ou para baixo, a aeronave vai seguir o sentido da perturbação. Por mais que a escala do segundo gráfico não esteja colaborando, a variação de Cm entre -5 e 5 Alpha é pequena (0,018), enquanto na condição estável é bem maior (0,4), e quanto maior o momento restaurador, maior a tendência da aeronave voltar para a posição original. Com o momento restaurador baixo, a “vontade” de voltar para a condição nivelada é baixa também.


A.Deperrois, 2010

Por tentativa e erro, encontrei Xnp = 85 mm (a origem é o bordo de ataque da raiz).



A margem estática (SM) é calculada em função da posição do ponto neutro (Xnp), posição do CG (Xcg) e corda média aerodinâmica (MAC).
SM = (Xnp – Xcg)/MAC
Não vou entrar no mérito da questão neste tópico, mas para a aeronave ser estaticamente estável (que é diferente de dinamicamente estável), o CG tem de estar na frente do ponto neutro (Xcg < Xnp). Logo, uma SM positiva é requisito para estabilidade.
Utilizando a regra básica do CG a 33% da MAC, temos uma margem estática de :
SM = (85 – 33%*140) / 140
SM =27%

Não tenho tanta carga teórica nem prática para definir os valores adequados de margem estática para planadores. Adotaremos o CG em torno de 46 mm a partir do bordo de ataque. Farei os testes de mergulho para verificar se estamos dando palpites certos, e daí teremos valores finalmente testados de margem estática para o próximo projeto.


Construção

Asas: Isopor P1 cortado no fio quente, reforçada com duas fileiras de longarinas de fibra de vidro (vareta), juntas de sanduíche de balsa 2 mm (3 camadas), durex comum passado na transversal em cada painel (aumentar a rigidez torsional), entelada de durex colorido na cor branca (pelo feeling deu pra sentir que a rigidez em todos os sentidos aumentou consideravelmente após revestimento externo).



Pod : caixote de depron 4 mm com núcleo de P1 cortado em fio quente, reforçado com duas varetas de fibra de vidro no sentido longitudinal, revestido de durex colorido na cor branca. Acoplamento para tail boom feito de sanduíche de balsa 2 mm (4 camadas) nas direções de fibra a [90,0,90,0] (considerando a direção de voo como warp), colado em um sulco no pod e furado na dimensão do tail boom.



Tail boom: tubo de fibra de carbono unidirecional com 6 mm de diâmetro externo, recomendo um diâmetro externo maior que 10 mm (o que possibilita paredes mais finas e maior rigidez torcional);



Estabilizadores : depron 4 mm com duas varetas de fibra de vidro como reforço, lixados no bordo de ataque, revestido com fita colorida branca.



Conjunto:



Peso nestas condições é de 162 g. A partir daí, chutei 270 g RTF.



Asa sendo gabaritada (usei o nível do iPhone, ajudou bastante):




Eletrônica

Simples, 2 servos 9 g, RX Spektrum 4 g (esse é o item mais caro do conjunto), bateria de celular. Peso total de 47 gramas. Estou providenciando um upgrade na bateria que vai me economizar 7 gramas. Se for pra adicionar peso, que seja de lastro.




Assim que a asa terminar de secar, vou colar os estabilizadores, fazer a linkagem e estará pronto para teste.

Em breve atualizações.
Editado pela última vez por LJR em 01 Mar 2018 17:06, em um total de 1 vez.
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Re: Planador HLG 2000 mm, R$50,00 e 270 g RTF

Mensagempor ricardovasc » 26 Fev 2018 13:22

Parabéns!

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Re: Planador HLG 2000 mm, R$50,00 e 270 g RTF

Mensagempor Paulinho » 26 Fev 2018 15:21

Show
"Todos nós pensamos em deixar um planeta melhor para nossos filhos... Quando é que pensaremos em deixar filhos melhores para nosso planeta?"

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Re: Planador HLG 2000 mm, R$50,00 e 270 g RTF

Mensagempor LJR » 01 Mar 2018 17:12

Concluído com 285 gramas. Planta está no começo do primeiro post.

Fechei tudo com 270 gramas cravado, mas infelizmente tive que adicionar 13 gramas de peso no nariz para acertar o CG. Os elásticos de fixação da asa pesam 1 grama cada.

Fui fazer a besteira de colar a empenagem com cola quente, pois a cola de isopor está demorando de 3 a 4 dias para secar. O preço foi esse, 13 gramas inúteis em chumbo, além de precisar tirar a entelagem dos estabilizadores (6 gramas de economia).



Detalhe da linkagem pull-pull:






Maiden flight em breve.
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Re: Planador HLG 2000 mm, R$50,00 e 270 g RTF

Mensagempor Paulinho » 02 Mar 2018 08:18

Show!
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Re: Planador HLG 2000 mm, R$50,00 e 270 g RTF

Mensagempor charles_pereira » 02 Mar 2018 08:21

Muito legal!

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Re: Planador HLG 2000 mm, R$50,00 e 270 g RTF

Mensagempor LJR » 03 Mai 2018 20:49

Postando o desfecho da história.

Tive que refazer a fuselagem devido a problemas de rigidez torsional. Fiz alguns voos e senti falta de autoridade nos controles também, o que me fez repensar sobre os valores de volume de cauda.

Refiz a mesma da maneira convencional aumentando 50 mm pro lado da empenagem e 70 mm no nariz. O peso foi pra 305 gramas em ordem de voo, tive que adicionar muito lastro no nariz.

Sobre o desempenho: voa muito. Sobe fácil demais, estável e responsivo ao mesmo tempo, estol muito gradativo, sustenta lift na encosta com qualquer sopro. Dá pra tirar onda demais.

Pontos negativos: baixa penetração, voo muito lento, não vai suportar voar com ventos acima de uns 20 km;h sem lastro.

Pontos a melhorar: asa com perfil menos espesso e com ailerons, fuselagem mais esguia e arredondada, toda a estrutura de balsa e;ou carbono.

Esse merece uma V2 com materiais compósitos e motorizado para competir F5J. Creio que seja possível fechar esse plano com 320 gramas RTF.





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