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| 5.74 MB | Adobe PDF |
Advisor(s)
Abstract(s)
Wildfires are a devastating source of human and environmental loss, and the
available means to combat them in their early stages can be improved. With the aid of
Unmanned Aerial Systems and FEB (Fire-extinguishing balls), wildfires’ early stages might
be suppressed while keeping human lives safe and firefighters risk-free. Considering the use
of a fixed wing Unmanned Aircraft Vehicle to launch the fire-extinguishing projectile,
launching the FEB as it is, without any modification, does not seem to be the best available
option, with problems ranging from difficulty in predicting its trajectory to the possible bad
impact performance, with the possibility of the FEB rolling away from the target as it lands.
Therefore, three other configurations for the projectile with FEB as its basis were studied,
all of them utilizing fins for the means of stability. These configurations differed in terms of
tail design attached to the FEB: one is a tube, the other a tangential cone, and the other a
symmetrical NACA airfoil revolved around its axis. Their aerodynamic static coefficients
were obtained through CFD (computational fluid dynamics), while the dynamic ones were
obtained through analytical expressions. Using an implemented 6-DOF (degrees of
freedom) model, 17 trajectories were studied for each of these configurations. Other
analyses were carried out, as the consideration of the influence of wind turbulence,
consideration of a fourth configuration with double the area of the fins, and asserting the
importance of the consideration of the dynamic coefficients while testing different values
for some of these coefficients. Regarding the FEB-projectile configurations, CFD results
suggest that the tube configuration has a transient behavior in the tested speeds, and that
the tangential cone is a very suitable way of streamlining the FEB in these range of speeds,
with no considerable difference to the NACA tail configuration. Trajectory results highlight
the importance of considering the mean wind speed and direction, the importance of
obtaining an appropriate estimate of the wind turbulence, and the importance of the
dynamic coefficients for the full aerodynamic characterization of the projectile, concretely
for its stability and attitude results. Ultimately, between the tested configurations, the best
candidate is the cone tail configuration, for its simplicity in construction and performance
in the trajectories.
Os incêndios florestais são uma fonte devastadora de custos humanos e ambientais, e os meios disponíveis para combater as suas fases iniciais poderão ser melhoradas. Com o auxílio de sistemas de aeronaves não-tripuladas e de FEB (bolas extintoras), os incêndios florestais poderão ser extintos nas suas fases iniciais, mantendo vidas humanas livres de risco. Considerando o uso de uma aeronave não tripulada de asa fixa para lançar o projétilextintor, lançar a bola extintora tal como é não aparenta ser a melhor opção, sendo alguns dos problemas relacionados com o seu lançamento a dificuldade em prever a sua trajetória e um possível mau desempenho no impacto, com a possibilidade da bola rolar para longe do seu alvo. Assim, três configurações para o projétil extintor que tem a FEB como base foram estudados, todos eles utilizando empenagens como forma de estabilização. As configurações diferem em termos da cauda acoplada à FEB: uma delas é um tubo, outra um cone tangencial, e outra um perfil NACA simétrico girado em torno do seu eixo. Os coeficientes aerodinâmicos estáticos foram obtidos através de CFD (dinâmica de fluidos computacional), enquanto que os dinâmicos foram obtidos por expressões analíticas. Implementando um modelo de trajetória 6-DOF (6 graus de liberdade) 17 trajetórias foram estudadas para cada uma das configurações. Outras análises foram realizadas, como a relevância na trajetória da turbulência do vento, a consideração de uma quarta configuração com o dobro da área das empenagens, e a determinação da importância dos coeficientes dinâmicos, testando vários valores para alguns dos coeficientes. Em relação às configurações do projétil testadas, os resultados CFD sugerem que a configuração com o tubo possui um comportamento transiente nas velocidades testadas, e que o cone tangencial é uma forma bastante eficaz de tornar a esfera mais aerodinâmica, nesta gama de velocidades não havendo uma diferença considerável entre esta configuração e a configuração com a cauda NACA. Os resultados das trajetórias destacam a importância da consideração da velocidade e orientação do vento médio, a importância de obter uma estimativa apropriada para a turbulência do vento, e a relevância dos coeficientes dinâmicos para a caracterização aerodinâmica completa do projétil, concretamente em relação à estabilização e atitude. Entre as configurações testadas, o melhor candidato é a configuração com cauda em cone, pela sua simplicidade de construção e desempenho nas trajetórias.
Os incêndios florestais são uma fonte devastadora de custos humanos e ambientais, e os meios disponíveis para combater as suas fases iniciais poderão ser melhoradas. Com o auxílio de sistemas de aeronaves não-tripuladas e de FEB (bolas extintoras), os incêndios florestais poderão ser extintos nas suas fases iniciais, mantendo vidas humanas livres de risco. Considerando o uso de uma aeronave não tripulada de asa fixa para lançar o projétilextintor, lançar a bola extintora tal como é não aparenta ser a melhor opção, sendo alguns dos problemas relacionados com o seu lançamento a dificuldade em prever a sua trajetória e um possível mau desempenho no impacto, com a possibilidade da bola rolar para longe do seu alvo. Assim, três configurações para o projétil extintor que tem a FEB como base foram estudados, todos eles utilizando empenagens como forma de estabilização. As configurações diferem em termos da cauda acoplada à FEB: uma delas é um tubo, outra um cone tangencial, e outra um perfil NACA simétrico girado em torno do seu eixo. Os coeficientes aerodinâmicos estáticos foram obtidos através de CFD (dinâmica de fluidos computacional), enquanto que os dinâmicos foram obtidos por expressões analíticas. Implementando um modelo de trajetória 6-DOF (6 graus de liberdade) 17 trajetórias foram estudadas para cada uma das configurações. Outras análises foram realizadas, como a relevância na trajetória da turbulência do vento, a consideração de uma quarta configuração com o dobro da área das empenagens, e a determinação da importância dos coeficientes dinâmicos, testando vários valores para alguns dos coeficientes. Em relação às configurações do projétil testadas, os resultados CFD sugerem que a configuração com o tubo possui um comportamento transiente nas velocidades testadas, e que o cone tangencial é uma forma bastante eficaz de tornar a esfera mais aerodinâmica, nesta gama de velocidades não havendo uma diferença considerável entre esta configuração e a configuração com a cauda NACA. Os resultados das trajetórias destacam a importância da consideração da velocidade e orientação do vento médio, a importância de obter uma estimativa apropriada para a turbulência do vento, e a relevância dos coeficientes dinâmicos para a caracterização aerodinâmica completa do projétil, concretamente em relação à estabilização e atitude. Entre as configurações testadas, o melhor candidato é a configuração com cauda em cone, pela sua simplicidade de construção e desempenho nas trajetórias.
Description
Keywords
6-Dof Aerodinâmica Balística Bola Cfd Extintora Incêndios Trajetória Uas