No nosso ciclo de projeto de 2022-2023 para a competição SAE Aero Design, nós (University of Alberta Aero Design) decidimos sair da nossa zona de conforto e participar no desafio de projeto da Micro Class pela primeira vez na história de 37 anos do nosso clube (historicamente, o nosso clube participou exclusivamente nas classes Regular ou Advanced).
Na Micro Class, surgiram novos desafios que exigiam um sistema de propulsão otimizado, como um limite de potência de 450 W, uma bateria LiPo 4S, uma distância máxima de descolagem de 8 pés e uma envergadura máxima de 36 polegadas. Com estes requisitos, percebemos que era mais importante do que nunca caracterizar detalhadamente o desempenho do nosso sistema de propulsão, pois cada quantidade adicional de impulso que conseguirmos produzir com a nossa potência limitada pode fazer uma diferença significativa.
Em novembro de 2022, a Tyto Robotics ajudou-nos a alcançar o nosso objetivo ao patrocinar a compra do Banco de Ensaios Series 1580. O Banco de Ensaios Series 1580 era robusto e fácil de montar, permitindo-nos realizar vários ensaios estáticos em diferentes condições com o mínimo de tempo de inatividade. O banco de ensaios foi fornecido numa caixa com todos os componentes necessários para a sua operação, incluindo ferragens, células de carga, placa de montagem do motor, ferramentas de calibração e componentes elétricos.
Figura 1: Banco de Ensaios Series 1580 instalado num túnel de vento
Antes de recebermos o banco de ensaios, foi realizada uma análise rigorosa de várias combinações de hélices, motores, controladores eletrónicos de velocidade (ESC) e baterias no MATLAB, de forma a convergir para um conjunto de combinações que maximize o impulso dentro dos 450 W disponíveis, ao mesmo tempo que opera perto da eficiência máxima do motor.
Os três principais objetivos dos ensaios eram:
- Caracterizar a eficiência de impulso de cada hélice (impulso/potência elétrica).
- Determinar como a tensão da bateria, o impulso, a potência elétrica e as RPM mudaram ao longo de 90 segundos quando se consumiram 450 W (uma tentativa de voo típica dura 60 segundos).
- Medir a eficiência do motor nos nossos pontos de operação esperados.
Para alcançar o primeiro objetivo, cada hélice foi testada em cinco incrementos de 500 RPM até às suas RPM máximas. As RPM máximas foram definidas por um consumo de potência elétrica de 450 W. Utilizando a funcionalidade de gravação contínua oferecida pelo software RCbenchmark, versátil e fácil de utilizar, foram registadas 500 amostras em cada condição de ensaio, e os valores médios foram calculados.
Para cumprir o segundo objetivo, cada hélice foi mantida a 450 W durante 90 segundos.
Para o terceiro objetivo, os dados dos ensaios mostraram que o motor estava a operar com uma eficiência de cerca de 76-80% para todas as RPM testadas.
Após realizar estes ensaios, conseguimos refinar e validar o sistema de propulsão selecionado através de:
- Determinar o impulso que cada hélice gera quando consome 450 W ou menos, e a potência máxima que cada hélice consome a todo o gás.
- Determinar que hélice produziu mais impulso com a mesma potência elétrica de entrada.
- Quantificar a diminuição da tensão da bateria, da potência e do impulso que podemos esperar com o passar do tempo.
- Identificar a discrepância entre os valores reportados pelo fabricante da hélice e os resultados experimentais.
O Banco de Ensaios Series 1580 ofereceu várias outras funcionalidades úteis, como a capacidade de medir as RPM da hélice tanto eletronicamente como através de uma sonda ótica de RPM.
Além dos parâmetros mencionados acima, o banco de ensaios foi capaz de medir o binário do motor, bem como as vibrações em 3 eixos, o que forneceu informações valiosas sobre as considerações estruturais, de estabilidade e de controlo da aeronave. Devido à
dificuldade em medir estes parâmetros, estes fatores poderiam ter sido ignorados de outra forma.
A partir dos nossos ensaios, conseguimos validar a nossa escolha de motor, hélice e bateria. Além disso, agora podemos calcular o desempenho do nosso voo de forma mais precisa e fiável. Ensaios futuros serão realizados no túnel de vento do Laboratório de Fluxos Turbulentos para caracterizar o impulso dinâmico, de modo a que o desempenho de descolagem e de cruzeiro possa ser modelado com maior precisão.
Figura 2: Vista lateral do Series 1580 num túnel de vento
A Aero Design gostaria de agradecer à Tyto Robotics pelo seu patrocínio, pois permitiu-nos comprar o banco de ensaios de impulso Series 1580, que é altamente robusto, preciso e fácil de utilizar. É perfeito para realizar ensaios de impulso em diferentes condições para validar um sistema de propulsão e medir vários parâmetros, tais como impulso da hélice, RPM da hélice, corrente, tensão, binário do motor e eficiência.
Deep Rajani – VP de Finanças e Líder da Equipa de Aerodinâmica (Autor)
Daniel Kichma – Líder da Equipa de Propulsão (Autor)
Ejouan Agena – Membro Sénior da Equipa de Projeto
Mckenna Warawa – Membro da Equipa de Projeto
Michael Caulfield – Membro da Equipa de Projeto
Equipa SAE Aero Design
