Trim-Constrained Aero-Propulsive Assessment of Distributed Electric Ducted Fans for a Fixed-Wing Unmanned Aerial Vehicle

Resumo Técnico: Avaliação Aero-Propulsiva com Restrição de Trim para Ventiladores Elétricos Distribuídos em um UAV de Asa Fixa

Definição do Problema
A eletrificação de Veículos Aéreos Não Tripulados (VANTs) de asa fixa transforma o dimensionamento da propulsão em um desafio de integração de veículo acoplado. Embora a Propulsão Elétrica Distribuída (DEP), especificamente utilizando Ventiladores Elétricos Ducted (EDFs), ofereça o potencial de aumentar a sustentação em baixas velocidades através da energização da esteira, ela introduz compensações (trade-offs) aero-propulsivas complexas. Estudos anteriores frequentemente isolam o aumento de sustentação sem contabilizar simultaneamente as penalidades de arrasto associadas, as distorções de carregamento na envergadura e o impacto crítico no trim longitudinal e na autoridade de controle. Para VANTs de pequeno e médio porte, uma configuração que aumenta a sustentação pode ser operacionalmente inutilizável se induzir arrasto excessivo, criar carregamento não elíptico ou saturar o profundor, particularmente dada a sensibilidade da estabilidade à posição do Centro de Gravidade (CG). Este artigo aborda a lacuna na avaliação da integração de EDFs distribuídos não meramente como um mecanismo de geração de sustentação, mas como um sistema onde a eficiência e as margens de controle devem ser preservadas.

Metodologia
O estudo utiliza o LSU 05 NG, um VANT de asa fixa, como plataforma representativa, integrando doze EDFs de 70 mm (seis por semienvergadura) ao longo da asa. A pesquisa emprega uma estrutura de avaliação de dois níveis:

1. Modelo Aero-Propulsivo de Ordem Reduzida: Um modelo simplificado de carregamento de esteira foi desenvolvido para realizar a triagem do layout completo de doze EDFs. Este modelo trata o incremento de velocidade induzido pelo EDF como uma superposição gaussiana de esteiras. Ele calcula a pressão dinâmica local, integra a sustentação na envergadura e avaleia componentes de arrasto (perfil, induzido e instalação). Crucialmente, este modelo incorpora uma análise de trim longitudinal para determinar a deflexão do profundor ($\delta_e$) necessária para equilibrar os momentos de arfagem em vários regimes de voo (cruzeiro, decolagem, pouso, estol) e posições de CG ($x_{CG}/MAC = 0,30, 0,35, 0,37$).
2. Fluxo de Trabalho de Diagnóstico via CFD: Para apoiar os achados de ordem reduzida, um fluxo de trabalho de Dinâmica de Fluidos Computacional (CFD) foi estabelecido para uma seção de asa representativa equipada com três EDFs. Este fluxo de trabalho compara simulações pareadas "power-off" (base) e "power-on" (35.000 rpm) através de um varrimento de ângulo de ataque ($\alpha$) de $0^\circ$ a $20^\circ$. A análise de CFD foca em quantificar mudanças incrementais em sustentação ($\Delta C_L$), arrasto ($\Delta C_D$) e eficiência ($\Delta (C_L/C_D)$), além de diagnósticos do rotor (empuxo, torque, potência).

Principais Contribuições
A principal contribuição do artigo é um framework unificado, restrito pelo trim, que avalia o desempenho da DEP através de uma lente de métricas combinadas, em vez de coeficientes de força isolados. Especificamente:

• Métricas Integradas: Acopla o aumento de sustentação com o crescimento de arrasto, degradação da razão sustentação-arrasto ($L/D$) e margem residual do profundor dentro de um único fluxo de trabalho de projeto conceitual.
• Análise de Sensibilidade do CG: Realiza a triagem explícita do impacto da localização do CG na viabilidade do trim, demonstrando que, enquanto o ganho de sustentação da esteira é relativamente insensível ao CG, a autoridade necessária do profundor é altamente sensível.
• Template de Suporte ao Design: Fornece um template estruturado para inserir dados de alta fidelidade de CFD (resultados pareados power-off/on) para validar as origens físicas das previsões de ordem reduzida sem confundir o suporte ao design com a validação formal do modelo completo da aeronave.

Principais Resultados

• Compensações Aerodinâmicas: A análise de ordem reduzida da configuração de doze EDFs indica um aumento de sustentação ($G_L$) de 47,0–60,2%. No entanto, isso é acompanhado por um aumento significativo de arrasto ($G_D$) de 88,6–101,2%, resultando em uma degradação da razão sustentação-arrasto ($R_\eta$) de 16,15–24,32%.
• Limites de Trim e Controle:
  • CG Avançado ($x_{CG} = 0,30$): A aeronave atinge os limites do profundor durante o pouso e o estol, tornando a configuração limitada pelo trim.
  • CG Médio ($x_{CG} = 0,35$): O trim de pouso é recuperável com uma margem de 4,27°, mas os casos de estol permanecem com o profundor saturado.
  • CG Atrasado ($x_{CG} = 0,37$): Esta configuração oferece o melhor compromisso, retendo uma margem de profundor de pouso de 5,80° e a menor degradação de eficiência na decolagem (17,53%).
  • Condição de Estol: Em todos os casos de CG, o regime de estol atinge o limite de deflexão do profundor ($\delta_{e,lim} = -25^\circ$), indicando que o benefício da sustentação assistida por potência não pode ser utilizado com segurança em estol profundo sem modificações adicionais na autoridade da cauda ou no escalonamento de empuxo.
• Insights de CFD: A análise de CFD da seção de três EDFs revela que a DEP é mais eficaz no regime de escoamento aderente. Em $\alpha = 5^\circ$, a configuração "power-on" produz um aumento relativo massivo de sustentação (+697,5%) e um ganho de eficiência significativo (+177,2%) porque a esteira reenergiza a camada limite. No entanto, conforme $\alpha$ se aproxima do estol ($17^\circ$), o ganho de eficiência colapsa para quase zero (+1,9%), pois a sustentação adicional é quase totalmente compensada pelas penalidades de arrasto e separação do fluxo. O CFD confirma que a DEP atua como um mecanismo de sustentação para ângulos de ataque baixos a moderados, e não como uma cura para o estol em altos ângulos de ataque.

Significância e Alegações
O artigo alega que o valor da integração DEP reside não em maximizar a sustentação isoladamente, mas em identificar configurações onde a eficiência aerodinâmica e a autoridade de controle permaneçam aceitáveis. O estudo demonstra que, para o LSU 05 NG, o "melhor" design não é aquele com máxima sustentação, mas aquele (especificamente o caso de CG atrasado) que preserva margens de trim utilizáveis e minimiza a perda de eficiência. Os autores afirmam que o design de DEP deve incorporar a análise do envelope de CG e as restrições de autoridade da cauda desde os estágios conceituais iniciais. O framework proposto serve como um fluxo de trabalho reproduzível para realizar a triagem de layouts e guiar a otimização futura, como o suavizamento das distribuições de sopro na envergadura e o escalonamento de RPM do EDF com base no estado de trim, antes de prosseguir para testes em túnel de vento ou de voo.