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Development of flight test instrumentation for inflatable wings and aerodynamic characterization through local pressure differential analysis
Tese (doutorado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Mecânica, 2021.Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um sistema de instrumentação para medição “in-situ” do diferencial de pressão interno-externo nas superfícies superior e inferior de asas dinamicamente infláveis. O sistema é composto por sensores de pressão diferencial, pesando cerca de sete gramas cada, alinhados em série compondo uma fita de medição que transmite dados em tempo real por meio de um protocolo de comunicação sem fio. Os testes em túnel de vento demonstraram a capacidade de leitura de baixos diferenciais de pressão na faixa de 1,0 a 120 Pa em um aerofólio do tipo ASCENDER. Os testes cobriram condições de voo representativas da operação dos principais sistemas de asas dinamicamente infláveis, com velocidades variando de 3 a 10 m / s e ângulos de ataque entre -20 e +25 graus. Foram obtidas leituras estáveis com coeficiente de variação entre 2% e 7% no envelope operacional de voo. Os dados permitiram confirmar a existência de um limiar de inflagem e uma mudança abrupta no perfil de distribuição de pressão quando a incidência mínima é atingida. As singularidades aerodinâmicas observadas confirmaram a ocorrência de uma bolha de recirculação no bordo de ataque resultando uma queda expressiva na sustentação e aumento no arrasto. A aproximação do estol apresentou características aerodinâmicas semelhantes às asas rígidas e pode ser didaticamente evidenciada pelos dados de ensaio. Um modelo teórico para a distribuição do coeficiente de pressão externo ao longo de aerofólios abertos foi proposto com base em estimativas da estrutura do fluxo de ar confinado. A curva de sustentação derivada do modelamento se mostrou compatível com dados anteriores e com dados do perfil rígido de referência. A estabilidade de forma do aerofólio e os distúrbios de camada limite devido à fixação de componentes também foram avaliados, antecipando a adequação da instrumentação para aplicações em voo. Em geral, pode-se afirmar que a instrumentação pode ser aplicada imediatamente às asas infláveis, para uso como ferramenta de ensaio em voo e como sistemas de segurança que vão desde alertas de pré-colapso até sistemas complexos de aumento de estabilidade.This work presents the development of an advanced instrumentation system for in situ measurement of the inner-outer pressure differential at the upper and lower surfaces
of dynamically inflatable wings.
The system relied on differential pressure sensors, of about seven grams each,
placed along a foil cell to transmit real-time data through a wireless protocol. Wind tunnel
tests demonstrated the full capability of low-pressure differential readings in the range of
1.0 to 120 Pa at an ASCENDER airfoil. The tests covered representative flight conditions
with speeds varying from 3 to 10 m/s at angles of attack from -20 to +25 degrees. Stable
readings with coefficient of variation from 2% to 7% were obtained over the operational
flight envelope.
Data allowed confirming the existence of an inflation threshold and an abrupt
change on pressure distribution profile when inflation minimum is achieved. Observed
aerodynamics singularities confirmed the occurrence of a relevant bottom leading edge
recirculation bubble, which leads to expressive drop in lift and increase in drag. Stall
approach presented aerodynamic characteristics similar to rigid wings, preceding the loss
of shape stability.
A theoretical model for pressure coefficient distribution along open-airfoils was
proposed based on estimations of the confined airflow structure. Calculated wing lift
forces and loads were compatible with practical observation.
Airfoil shape stability and boundary layer disturbances due to components
attachment were also evaluated, anticipating the instrumentation's suitability for in-flight
applications. As a whole, the instrumentation may be applied straightforwardly to actual
inflatable wings to be used as a flight test appliance and to improve their safety as a
stability augmentation system or a collapse alert and prevention tool
Development and testing of a control system for the automatic flight of tethered parafoils
This paper presents the design and testing of a control system for the robotic flight of tethered kites. The use of
tethered kites as a prime mover in airborne wind energy is undergoing active research in several quarters. There
also exist several additional applications for the remote or autonomous control of tethered kites, such as aerial
sensor and communications platforms. The system presented is a distributed control system consisting of three
primary components: an instrumented tethered kite, a kite control pod, and a ground control and power takeoff
station. A detailed description of these constituent parts is provided,with design considerations and constraints
outlined. Flight tests of the system have been carried out, and a range of results and system performance data
from these are presented and discussed