Design of a variable-span morphing wing

The present work focuses on the study, design and validation of a variable-span morphing wing to be tted to the UAV \Olharapo". Using an optimization code, which uses a viscous two-dimensional panel method formulation coupled with a non-linear liftingline algorithm and a sequential quadratic programming optimization routine, na aerodynamic analysis is performed to estimate the optimal values of wing span which ensure minimum drag across the ight speed envelope. The UAV ies in a relatively short speed range - from about 12 m/s to 30 m/s. Near its maximum speed it is possible to obtain a 20% drag reduction with the variable-span wing in comparison with the original xed wing. A stability analysis is also performed to estimate the roll rate available with asymmetric span control. The variable-span wing matches the aileron in terms of roll power and maximum roll rate. It is concluded that roll control is possible with asymmetric span control. A new electro-mechanical actuation mechanism is developed using a simple and cheap rack and pinion system. The wing model is designed with graphical CAD/CAM tools and then a full scale model is built for bench testing the wing/actuator system. The concepts used on the morphing wing for both xed and movable part are considered simple and e ective. The actuation concept is also feasible but needs improvements in the attenuator. A powerful servo is also needed to more easily deploy the wing. Some future modi cations at structural level and ideas for an in-flight automatic span controller are also presented.O presente trabalho centra-se no estudo, concepcão e validação de uma asa de envergadura variável para aplicação no UAV \Olharapo". Usando um código de optimização, que usa uma formulação de painéis viscoso bidimensional acoplado a um algoritmo de linha sustentadora não-linear e uma rotina de optimização de programação sequencial quadrática, é realizada uma análise aerodinâmica para estimar os valores óptimos de envergadura de forma a garantir um arrasto mínimo para todas as velocidades do envelope de voo. O UAV opera numa gama de velocidades relativamente pequena - de 12 m/s a 30 m/s, sensivelmente. Próximo da velocidade máxima é possível obter uma redução de 20% no arrasto com a asa de envergadura variável em comparação com a asa fixa original. É realizada uma análise de estabilidade com o objectivo de estimar a taxa de rolamento disponível com controlo assimétrico de envergadura. O desempenho da asa de envergadura variável é idêntico ao da asa original com ailerons em termos de poder de rolamento e de taxa de rolamento. Conclui-se que o controlo de rolamento pode ser efectuado com controlo assimétrico da envergadura. É feita a concepcão de um novo sistema actuador eletro-mecânico recorrendo a um sistema simples de pinhão e cremalheira. O modelo da asa é projectado recorrendo a ferramentas CAD/CAM e posteriormente construído para que o sistema asa/actuador seja testado em bancada. Os conceitos usados na asa morphing para a parte fixa e móvel são considerados simples e efectivos. O sistema de actuação é funcional mas necessita de melhoramentos ao nível do atenuador e requer um servo mais potente para uma actuação da asa mais fácil. Algumas modicações futuras a nível estrutural e algumas ideias para o desenvolvimento de um controlador para regulação automática da envergadura são também apresentadas