Desenvolvimento conceitual de um controlador automático para decolagem e subida de uma aeronave monomotora de aviação geral

Abstract

A automação das fases iniciais do voo exige a coordenação entre a dinâmica da aeronave, as mudanças de configuração e os limites dos atuadores, especialmente durante a passagem do movimento sobre a pista para a trajetória ascendente. Este trabalho teve como objetivo desenvolver e avaliar, por simulação computacional, uma estratégia de controle automático para a dinâmica longitudinal de uma aeronave monomotora de aviação geral durante a decolagem e a subida. A aeronave Navion foi representada por um modelo não linear de três graus de liberdade, incluindo forças aerodinâmicas, propulsivas, gravitacionais e de contato com o solo. O modelo propulsivo foi calibrado com dados de desempenho da aeronave, e a análise da razão de subida permitiu determinar uma referência de arfagem e estabelecer uma altitude operacional para a missão a partir do teto de serviço estimado. A rotação foi conduzida por um comando programado do profundor, enquanto controladores proporcional-derivativo e proporcional-integral-derivativo foram empregados nas fases posteriores à saída do solo e na subida em configuração limpa. Análises paramétricas foram utilizadas para selecionar a deflexão do profundor durante a rotação e a taxa de recolhimento dos flapes. As simulações indicaram que a estratégia manteve a estabilidade da resposta de arfagem, preservou a continuidade da trajetória durante as mudanças de configuração e conduziu a aeronave até a altitude definida, sem violação das limitações estabelecidas para o profundor. Dessa forma, a combinação entre comandos programados, controladores de arfagem e critérios de transição mostrou-se adequada para a missão longitudinal considerada.

The automation of the initial phases of flight requires coordination among aircraft dynamics, configuration changes, and actuator limitations, particularly during the transition from ground roll to an ascending flight path. This research aimed to develop and evaluate, through computational simulation, an automatic control strategy for the longitudinal dynamics of a single-engine general aviation aircraft during takeoff and climb. The Navion aircraft was represented by a nonlinear three-degree-of-freedom model that included aerodynamic, propulsive, gravitational, and ground-contact forces. The propulsion model was calibrated using aircraft performance data, and the climb-rate analysis enabled the determination of a pitch reference and an operational mission altitude based on the estimated service ceiling. The rotation maneuver was conducted using a scheduled elevator command, while proportional-derivative and proportional-integral-derivative controllers were employed during the post-liftoff phases and the clean-configuration climb, respectively. Parametric analyses were performed to select the elevator deflection during rotation and the flap retraction rate. The simulations indicated that the proposed strategy maintained pitch-response stability, preserved flight-path continuity during configuration changes, and conducted the aircraft to the defined altitude without violating the established elevator limitations. Therefore, the combination of scheduled commands, pitch controllers, and transition criteria proved suitable for the longitudinal mission considered.