Ferramenta computacional para simulação de voos de aeronaves de asa fixa

Abstract

Resumo: Este trabalho apresenta o desenvolvimento, a implementação e a validação de um ambiente integrado de simulação de dinâmica de voo para aeronaves de asa fixa. O ambiente foi construído no Matlab/Simulink e combina um modelo dinâmico de seis graus de liberdade com um modelo aerodinâmico de média fidelidade, gerado de forma automatizada pelo método Vortex Lattice (VLM) através do software Athena Vortex Lattice (AVL). A ferramenta automatiza o fluxo completo, desde a definição da geometria pelo usuário até a geração de um banco de dados de coeficientes aerodinâmicos (contendo combinações de ângulo de ataque, derrapagem e deflexões das superfícies de controle) e a simulação dinâmica em tempo real, visualizada de forma imersiva no software FlightGear por meio de comunicação UDP a 30 quadros por segundo. A acessibilidade do sistema é garantida pela automação de etapas que normalmente exigem integração manual entre softwares especializados, reduzindo a necessidade de conhecimento prévio em programação de simulações. A robustez técnica é assegurada pela utilização dos modelos físicos consolidados: equações de movimento de corpo rígido, método VLM para aerodinâmica potencial, transformações de coordenadas entre sistemas aerodinâmico, do corpo, inercial e geodésico (WGS84), e a integração numérica via método de Runge-Kutta de 4ª ordem. O sistema foi validado em dois níveis. Primeiro, o modelo aerodinâmico gerado pelo VLM foi comparado com dados de túnel de vento e CFD para um Veículo Aéreo Não Tripulado (VANT), mostrando correlação de coeficiente de sustentação (CL) com desvios médios inferiores a 10% para ângulos de ataque de 0° a 12°, enquanto a limitação conhecida do método para arrasto parasita foi confirmada. Segundo, a resposta dinâmica integrada foi comparada com dados de ensaios em voo da aeronave 26% Cub Crafters CC11-100 Sport Cub S2. Os resultados mostram a reprodução dos modos dinâmicos fundamentais, com coeficientes de correlação de Pearson superiores a 0,85 ao comparar respostas a entradas de degrau de profundor, ailerons e leme, além do fenômeno phugoid. A ferramenta desenvolvida opera em hardware de consumo (computador pessoal e joystick) e fornece, como saída, visualização em tempo real e telemetria completa dos parâmetros de voo. Os resultados obtidos indicam que o ambiente é funcional e adequado para aplicações que priorizam agilidade e acessibilidade, como projeto conceitual, análise preliminar de qualidades de voo e ensino em engenharia aeronáutica

Abstract: This work presents the development, implementation, and validation of an integrated flight dynamics simulation environment for fixed-wing aircraft. The environment was built in Matlab/Simulink and combines a six-degree-of-freedom dynamic model with a medium-fidelity aerodynamic model, automatically generated using the Vortex Lattice Method (VLM) through the Athena Vortex Lattice (AVL) software. The tool automates the complete workflow, from user-defined geometry to the generation of an aerodynamic coefficients database (containing combinations of angle of attack, sideslip, and control surface deflections) and real-time dynamic simulation, visualized immersively in the FlightGear software via UDP communication at 30 frames per second. The system's accessibility is guaranteed by the automation of steps that typically require manual integration between specialized software, reducing the need for prior knowledge in simulation programming. Its technical robustness is ensured by the use of consolidated physical models: rigid-body equations of motion, the VLM for potential flow aerodynamics, coordinate transformations between aerodynamic, body, inertial, and geodetic (WGS84) systems, and numerical integration via the 4th-order Runge-Kutta method. The system was validated on two levels. First, the VLM-generated aerodynamic model was compared with wind tunnel and CFD data for an Unmanned Aerial Vehicle (UAV), showing lift coefficient (CL) correlation with average deviations below 10% for angles of attack from 0° to 12°, while the method's known limitation for parasitic drag was confirmed. Second, the integrated dynamic response was compared with flight test data from the 26% scale Cub Crafters CC11-100 Sport Cub S2 aircraft. The results show the reproduction of the fundamental dynamic modes, with Pearson correlation coefficients above 0.85 when comparing responses to step inputs in the elevator, ailerons, and rudder, as well as the phugoid phenomenon. The developed tool operates on consumer hardware (personal computer and joystick) and provides, as output, real time visualization and complete flight parameter telemetry. The obtained results indicate that the environment is functional and suitable for applications that prioritize agility and accessibility, such as conceptual design, preliminary flight qualities analysis, and aeronautical engineering education