BRPI0611556A2 - método para medir a turbulência do ar nas proximidades de uma aeronave e dispositivo para medir a turabulência do ar nas proximidades de uma aeronave e aeronave - Google Patents

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Abstract

METODO PARA MEDIR A TURBULENCIA DO AR NAS PROXIMIDADES DE UMA AERONAVE E DISPOSITIVO PARA MEDIR A TURBULENCIA DO AR NAS PROXIMIDADES DE UMA AERONAVE E AERONAVE. A presente invenção se relaciona a um método e dispositivo para medir a turbulência do ar nas proximidades de uma aeronave. O dispositivo (1) compreende um sistema de medição (2) incluindo Lidares (L1, L2, L3, L4) montados em uma aeronave e projetados para produzir durante o vóo da aeronave doze medições de velocidade de ar nas proximidades da aeronave, o citado sistema de medição (2) produz as citadas doze medições em quatro diferentes pontos diferentes de medição, cada vez ao longo de três eixos geométricos pré-determinados, e uma unidade central (3) que, através das medições feitas pelo citado sistema de medição (2) e de um pré-determinado modelo matemático de primeira ordem que descreve um campo de velocidades de ar com base em doze variáveis, determina um campo de velocidades de ar nas citadas proximidades da aeronave, e que representa a citada turbulência do ar.

Description

"MÉTODO PARA MEDIR A TURBULÊNCIA DO AR NAS PROXIMIDADESDE UMA AERONAVE E DISPOSITIVO PARA MEDIR A TURBULÊNCIA DOAR NAS PROXIMIDADES DE UMA AERONAVE E AERONAVE".
A presente invenção se relaciona a um método edispositivo para medir a turbulência do ar nasproximidades de uma aeronave, particularmente um avião detransporte.
Em particular, mas não exclusivamente, a turbulênciamedida pode ser usada para validar modelos de simulaçãoa serem usados para testar características de um avião emlaboratório durante o projeto ou antes do vôo da citadaaeronave, em particular para escolher o modelo maiseficaz dentre uma pluralidade de modelos possíveis.
Para tal aplicação, com certeza faz-se necessário queas medições executadas sejam precisas e confiáveis.
É bem sabido que, em adição à heterogeneidade naturaldo campo de velocidade aerodinâmica (ou campo daturbulência) no ambiente circundante da aeronave, existetambém uma perturbação deste campo nas proximidades daaeronave, freqüentemente de dezenas de metros, talperturbação sendo produzida pela passagem da citadaaeronave, que persiste na esteira da aeronave, que,com certeza, torna difícil obter medições precisas.
A presente invenção se relaciona a um método de mediçãoparticularmente efetivo e confiável para medira turbulência de ar nas proximidades de uma aeronave,particularmente um avião de transporte, qual métodosoluciona os problemas acima citados.
De acordo com a presente invenção, o citado métodose caracteriza pelo fato de:
a- durante o vôo de uma aeronave, serem feitas dozemedições de velocidade aerodinâmica no ambientecircundante da aeronave com ajuda de Lidares montadosem uma aeronave, as citadas medições sendo executadasem quatro pontos diferentes de medição, em relaçãoa três eixos geométricos pré-determinados;
b- com ajuda das citadas doze medições e de pré-determinado um modelo matemático de primeira ordemque descreve um campo de velocidade aerodinâmicaem função das doze variáveis, ser determinado um campo develocidade aerodinâmica que existe no citado ambienteda aeronave que representa a citada turbulência do ar.
Assim através da presente invenção, obtém-se uma mediçãoda turbulência particularmente precisa e confiável.
Especificamente:
de um lado, por causa do uso de Lidares, os váriospontos de medição são arranjados distantes da aeronave,daí permitindo executar medições em zonas não perturbadaspela passagem da aeronave e, por conseguinte, medira turbulência efetiva;
de outro lado, o citado modelo matemático(de primeira ordem que descreve um campo de velocidadeaerodinâmica em função de doze variáveis) que é usadopara determinar a turbulência considerando uma hipótesede acordo com qual o campo de velocidade aerodinâmiconão é uniforme para os diversos pontos de medição, o quede fato corresponde à realidade. Este modelo considera,de outro lado, uma hipótese na qual as primeirasderivadas do campo de velocidade aerodinâmica sãouniformes (três componentes e nove primeiras derivadas).
É bem sabido que a turbulência do ar se deve a um campode velocidade aerodinâmica não-uniforme e, portantorepresenta uma agitação desordenada de um ar sujeitoa um fluxo, no qual os filamentos de fluido se misturam,ao invés de preservarem sua individualidade.
Ademais, é bem sabido que o Lidar é um dispositivo quepermite determinar a posição e distância de um obstáculo,por difundir de volta no obstáculo uma radiação luminosaóptica, geralmente emitida por Laser. O termo "Lidar"se origina de "Light Detection and Ranging" (Detecção eGama de Luz) . 0 princípio do Lidar se baseia natransposição para o domínio luminoso e óptico doprincípio do Radar aplicado ao domínio radioelétrico.De modo vantajoso, cada Lidar mede, no ponto de mediçãoa ele designado, três componentes de uma velocidadeaerodinâmica respectivamente de acordo com os citadostrês eixos geométricos pré-determinados, executandopara cada componente a medição do efeito Doppler de umfeixe de Laser presente em um pré-determinado volumeem torno do citado ponto de medição.
Na etapa a, em uma primeira configuração, são usadosquatro Lidares, cada um deles executando a medição emum dos citados quatro pontos de medição, e em uma segundaconfiguração preferida, são usados três Lidares,dois deles executando as medições em um dos citadospontos de medição, enquanto o terceiro Lidar executaa medição em dois instantes sucessivos durante o vôopara permitir executar medições em dois pontos diferentesde medição que correspondem aos dois pontos de mediçãoremanescentes.
Dentro do modelo da presente invenção, os citados Lidarespodem ser arranjados em locais na aeronave onde fiquemem uma situação em que possam executar as acima citadasmedições (desde que em posições diferentes). No entanto,em uma configuração particular aplicada à segundaconfiguração preferida acima dada, os citados Lidaressão respectivamente arranjados em uma primeira vigiadianteira direita, uma primeira vigia dianteira esquerda,e uma asa da aeronave.
Ademais, de maneira vantajosa, os citados pré-determinados eixos geométricos dependem da aeronave esão orientados para frente. A estrutura de referência,por conseguinte, fica presa à aeronave.
A presente invenção também se relaciona a um dispositivopara medir a turbulência de ar nas proximidades de umaaeronave.
De acordo com a presente invenção, o citado dispositivose caracteriza pelo fato de compreender:
- um sistema de medição compreendendo Lidares montadosem uma aeronave para executar, em vôo, doze mediçõesde velocidade aerodinâmica no ambiente circundanteda citada aeronave, o citado sistema de medição executaas citadas medições em quatro diferentes pontos, e a cadavez em três eixos geométricos pré-determinados; e
uma unidade central que, com ajuda da medição feitapelo citado sistema de medição e um pré-determinadomodelo matemático de primeira ordem em função de dozevariáveis, determina a velocidade aerodinâmica que existeno citado ambiente da aeronave que representa a citadaturbulência do ar.
Em uma primeira configuração, a citada unidade centralé montada na aeronave e determina a turbulência do ardurante o vôo da aeronave.
Em uma segunda configuração, o dispositivo, de acordo coma presente invenção, compreende adicionalmente um meiode gravação para gravar em um banco de dados as mediçõesefetuadas pelo citado sistema de medição, e a citadaunidade central determina a turbulência do ar no solodepois de um vôo com ajuda das medições gravadasno citado banco de dados durante o vôo.
Adicionalmente, vantajosamente, o citado sistema demedição compreende:
com respeito a quatro Lidares, cada um deles executamedições em um dos citados quatro pontos de medição;
com respeito a três Lidares, dois deles executamcada um deles, medições em um dos citados pontos demedição em dois instantes sucessivos durante o vôo daaeronave para permitir executar medições em doisdiferentes pontos de medição que correspondem aos doispontos remanescentes. Neste exemplo, vantajosamente,
os citados Lidares são respectivamente arranjados emuma primeira vigia dianteira direita, uma primeira vigiadianteira esquerda, e uma asa da aeronave.
A única figura do desenho anexo elucida a maneira na quala invenção pode ser executada. A figura é um diagramaesquemático de um dispositivo de medição, de acordo coma presente invenção.
0 dispositivo 1, de acordo com a presente invenção ediagramaticamente representado na figura, se destinaa medir a turbulência do ar no ambiente circundante de umavião (não mostrado) , em particular de um avião detransporte. É bem sabido que a turbulência do arcorresponde à agitação por movimento e constituída demovimentos desordenados, em transformação contínua.A turbulência se dá nas proximidades ou nas própriasnuvens (tal como em nuvens de tormenta, onde coexistemcorrentes verticais em sentidos opostos). A turbulênciatambém pode ocorrer em tempo claro, quer próxima do soloou especialmente em grandes altitudes.
De acordo com a presente invenção, o citado dispositivode medição 1 compreende:
um sistema de medição 2 que compreende umapluralidade de Lidares LI, L2, L3, L4. Estes Lidares LI,L2, L3, L4, como dados abaixo, são montados na aeronave ese destinam a executar, durante vôo da citada aeronave,doze medições Ml a M12 especificadas, daqui por diante,de velocidades aerodinâmicas. Estas medições Ml a M12são executadas fora da citada aeronave em suasproximidades, mas pelo menos a uma pré-determinadadistância da citada aeronave, em particular pelo menos 10metros. 0 citado sistema de medição 2 executa as citadasdoze medições em quatro pontos diferentes de medição,cada vez com três medições per ponto de mediçãorespectivamente de acordo com três eixos geométricos pré-determinados, Χ, Υ, Z; e
uma unidade central 3 que, com ajuda das mediçõesexecutadas pelo citado sistema de medição 2 e de ummodelo matemático integrado, determina um campo develocidade aerodinâmica que existe nas proximidades deuma aeronave, que representa a citada turbulência do ar.Este modelo matemático é um modelo de primeira ordem,que descreve um campo de velocidade aerodinâmicaem função de doze variáveis.
Assim, com a presente invenção, obtém-se uma medição deturbulência particularmente precisa e confiável.Especificamente:
de um lado, por causa do uso de Lidares LI, L2, L3,L4, os vários pontos de medição devem ficar distantesda aeronave, para tornar possível:
executar medições em zonas não perturbadas pelapassagem da aeronave; e, em seguida,
• medir a turbulência atmosférica efetiva natrajetória da aeronave, mas longe da perturbação causadapela mesma; e
- de outro lado, o citado modelo matemático(de primeira ordem) descreve um campo de velocidadeaerodinâmica em função da turbulência que leva em contauma hipótese na qual o campo de velocidade aerodinâmicanão é uniforme nos vários pontos de medição, quecorresponde à realidade, sendo que tal modelo levaem conta, de outro lado, uma hipótese na qual asprimeiras derivadas do citado campo de velocidadeaerodinâmica são uniformes, daí pressupondo o uso dedoze variáveis (três componentes e nove primeirasderivadas, tal como dado abaixo).
É bem sabido que um Lidar LI, L2, L3, L4 é um dispositivoque torna possível determinar a posição e distância deum obstáculo por reflexão deste último de uma radiaçãoluminosa óptica geralmente emitida por Laser. 0 termo"Lidar" se origina da abreviação do termo "LightDetection and Ranging" (Detecção e Gama de Luz) , qualprincípio se baseia na transposição para o domínioluminoso ou óptico do princípio do "Radar" no domínioradioelétrico.
Cada um dos Lidares LI, L2, L3, L4 mede no correspondenteponto de medição três componentes de uma velocidadeaerodinâmica, respectivamente de acordo com os citadostrês pré-determinados eixos geométricos Χ, Υ, Z,cada componente executando medição do efeito Dopplerde um feixe Laser emitido e difundido de volta pelaspartículas que naturalmente se encontram em um certovolume em torno do citado ponto de medição.Em uma primeira configuração, o dispositivo 1 de acordocom a presente invenção compreende quatro Lidares LI, L2,L3, L4 . Cada um dos quatro Lidares LI, L2, L3, L4 executatrês medições em um dos citados quatro pontos de medição.Adicionalmente, em uma segunda configuração preferida,o citado dispositivo 1 compreende apenas três LidaresLI, L2, L3. Um primeiro Lidar Ll executa três mediçõesno primeiro dos citados pontos de medição, o segundoLidar L2 executa três medições no segundo dos trêspontos, e o terceiro Lidar L3 executa três medições cadavez em uma e na mesma posição com respeito à aeronave,mas em dois instantes sucessivos durante o vôo do avião,de modo a ser capaz de executar medições em dois pontosdiferentes de medição (espaçados mutuamente de umadistância representativa do vôo do avião entre os citadosdois instantes).
Dentro do modelo da presente invenção, os citados LidaresLI, L2, L3, L4 podem ser arranjados em qualquer local(na aeronave) onde possam executar as medições acimamencionadas (desde que sejam em locais diferentes).No entanto, em uma configuração particular aplicada aum avião e à segunda configuração preferida acima,os citados Lidares LI, L2, L3 são respectivamentearranjados em uma primeira vigia dianteira direita, umaprimeira vigia dianteira esquerda, e uma asa da aeronave.
Os citados eixos geométricos Χ, Υ, Z mencionados acimacorrespondem, por exemplo no caso de uma aeronave,respectivamente ao eixo geométrico longitudinal, a umeixo geométrico médio que passa pelas asas e ortogonalao citado eixo geométrico longitudinal, e um eixogeométrico perpendicular ao plano dado pelos dois eixosgeométricos anteriores.
Longitudinalmente, os pontos de medição devem sersuficientemente afastados da aeronave, por exemplo30 metros, de modo a não serem afetados pelasperturbações induzidas pela própria aeronave.Adicionalmente, dois pontos de medição devem estarlateralmente suficientemente afastados, de modo quepossam executar diferentes medições, mas não demais,de modo que continuem satisfazendo uma aproximaçãolinear, levando em conta o modelo teórico.
Preferivelmente, a distância lateral entre dois pontos demedição não deve ser maior que a envergadura do avião.Como dado anteriormente, a unidade central 3 determinaa turbulência do ar (na forma de um campo de velocidadeaerodinâmica) com ajuda de um modelo matemáticode primeira ordem, que descreve um campo de velocidadeaerodinâmica em função de doze de variáveis.
As doze funções consideradas no modelo matemáticorepresentam:
os três componentes Wx, Wy, Wz do vento Wrespectivamente de acordo com os citados eixosgeométricos Χ, Υ, Z;
as três primeiras derivadas do vento W ao longodo eixo geométrico X:
ôWx/ôx, ôWy/δχ, ôWz/δχ;
- as três primeiras derivadas do vento W ao longodo eixo Y:
ÕWx/ôy, õWy/ôy, Ôwz/Ôy; e
as três primeiras derivadas do vento W ao longodo eixo Z:
ôWx/δζ, ÕWy/δζ, ôWz/ôz.
Mais precisamente, a citada unidade central 3 determinao citado campo de velocidade aerodinâmica com baseno citado modelo matemático e nas citadas medições,levando em conta as seguintes considerações:
Com base nos componentes acima citados do vento edo gradiente é possível calcular os três componentes dovento em um ponto arbitrário no espaço. Para um ponto Pem uma estrutura de referência presa a aeronave, os trêscomponentes do vento, portanto, correspondem a umacombinação linear dos componentes do vento e dogradiente. Se o ponto P for um ponto no qual um LidarL1,_L2, L3, L4 faz a medição, então esta medição éa projeção sobre a direção de medição dos trêscomponentes do vento. Esta operação de projeção é similarà linear. Para cada ponto de medição P, há, portanto, umarelação linear entre os componentes do vento edo gradiente, de um lado, e as medições de cada Lidar,de outro lado. É possível escrever esta relação na formade matriz. Sendo M o vetor das doze medições dos LidaresLI, L2, L3, L4, Vo vetor dos componentes do vento, eN a matriz que os liga, obtém-se a seguinte relação:
<formula>formula see original document page 10</formula>A matriz N depende das direções das medições,das posições dos Lidares LI, L2, L3, L4 e das distânciasdas_medições dos citados Lidares LI, L2, L3, L4.
Por conseguinte, é possível calcular os componentes devento estimado V1 com a seguinte expressão:V' = N"1.M; onde N"1 é a matriz inversa de N.
Deve ser notado que, de acordo com a presente invenção,o sistema de medição 2 emite tantos feixes de mediçãoquantos necessários nas direções otimizadas, e a unidadecentral 3 as processa contornando o impacto deconstrangimentos quer tecnológicos ou de instalação,em particular com respeito à posição dos pontos demedição e quanto ao fato de a velocidade medida ser aprojeção da velocidade aerodinâmica em um eixo de visão(para o eixo geométrico de emissão do feixe emitido).
O resultado do processamento executado pela citadaunidade central 3 pode ser transmitido por meio deum link 5 a um meio de informação comum 6, por exemplouma tela ou impressora capaz de mostrar ou imprimiros citados resultados a um operador.
Em uma primeira configuração, a citada unidade central 3é montada na aeronave e conectada por um link 4 ao citadosistema de medição 2. Isto determina a turbulência do ardurante o vôo com ajuda das medições executadas em vôo.
De outro lado, em uma segunda configuração, parcialmenterepresentada por linhas tracejadas na figura,o dispositivo de medição 1 adicionalmente compreende ummeio de gravação 10 conectado por um link 8 ao citadosistema de medição 2, que grava no banco de dados 7,em vôo, as medições executadas pelo citado sistema demedição 2. Estes resultados podem ser transmitidosno solo por um link 9 (um link de transmissão de dadosremovível) à unidade central 3. A citada unidade central3 determina, neste caso, a turbulência do ar no solodepois do vôo, com ajuda das medições gravadas etransmitidas pelo citado link 9.
Adicionalmente, como mostrado anteriormente, cada umdos Lidares LI, L2, L3, L4 realiza três medições, quaismedições sendo feitas em direções não necessariamenteparalelas aos eixos geométricos Χ, Υ, Z da aeronave.
Estas direções não são necessariamente perpendiculares,mas são otimizadas para melhorar a qualidade dasmedições. As medições devem ser bem diferenciadas,de modo que a inversão numérica da matriz N proporcioneuma boa precisão. As medições também devem atender outrascondições, e devem ser orientadas em direção a zonas,onde o campo aerodinâmico seja o menos perturbadopossível pela aeronave. Em particular, os pontos maisfavoráveis são os pontos situados à frente da aeronave, emuitos deles orientados para cima (e para frente).

Claims (14)

1.- Método para medir a turbulência do ar nasproximidades de uma aeronave, caracterizado pelo fato de:a- durante o vôo de uma aeronave, doze medições develocidade aerodinâmica no ambiente circundante da citadaaeronave são executadas com ajuda de Lidares (LI, L2, L3)montados na aeronave, as citadas medições seremexecutadas em quatro pontos diferentes de medição, a cadavez de acordo com três eixos geométricos pré-determinados; eb- com ajuda das citadas doze medições e de um pré-determinado modelo matemático de primeira ordem quedescreve um campo de velocidade aerodinâmica em funçãodas doze variáveis, determinar um campo de velocidadeaerodinâmica que existe no citado ambiente da aeronaveque representa a citada turbulência do ar.
2. - Método, de acordo com a reivindicação 1,caracterizado pelo fato de cada Lidar (LI, L2, L3, L4)medir no citado ponto de medição três componentesda velocidade aerodinâmica respectivamente de acordocom os citados três eixos geométricos pré-determinados,executando, para cada componente, uma medição do efeitoDoppler de um feixe de Laser que difundem de voltanas partículas presentes em um primeiro pré-determinadovolume em torno do citado ponto de medição.
3. - Método, de acordo com qualquer uma dasreivindicações 1 e 2, caracterizado pelo fato dena etapa (a) serem usados quatro Lidares (LI, L2, L3, L4) ,cada um deles executando medições em um dos citadosquatro pontos de medição.
4. - Método, de acordo com qualquer uma dasreivindicações 1 e 2, caracterizado pelo fato dena etapa (a) serem usados três Lidares (LI, L2, L3),dois deles executam cada uma das medições em umdos citados pontos de medição, enquanto o terceiroexecuta medições em dois instantes sucessivos duranteo vôo, de modo a ser capaz de executar medições em doisdiferentes pontos de medição que correspondem aosdois pontos de medição remanescentes.
5.- Método, de acordo com a reivindicação 4,caracterizado pelo fato de os citados Lidares (LI, L2, L3)serem respectivamente arranjados em uma primeira vigiadianteira direita, uma primeira vigia dianteira esquerda,e uma asa da aeronave.
6.- Método, de acordo com qualquer uma dasreivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato deos citados pré-determinados eixos geométricos dependeremda aeronave.
7.- Dispositivo para medir a turbulência do arnas proximidades de uma aeronave, caracterizado pelo fatode compreender:- um sistema de medição (2) compreendendo Lidares(LI, L2, L3, L4) montados na aeronave com o propósitode executar durante um vôo da aeronave doze medições davelocidade aerodinâmica no ambiente circundante da citadaaeronave em quatro pontos de medição diferentes, a cadavez de acordo com três pré-determinados eixosgeométricos; euma unidade central (3) que, com ajuda da mediçãoexecutada pelo citado sistema de medição (2) e de ummodelo matemático de primeira ordem pré-determinado quedescreve um campo de velocidade aerodinâmica em função dedoze variáveis, determina um campo de velocidadeaerodinâmica que existe no citado ambiente da aeronave erepresenta a citada turbulência do ar.
8.- Dispositivo, de acordo com a reivindicação 7,caracterizado pelo fato de a citada unidade central (1)ser montada na aeronave e determinar a turbulência do ardurante o vôo da aeronave.
9.- Dispositivo, de acordo com a reivindicação 7,caracterizado pelo fato de adicionalmente compreenderum meio de gravação (10) para gravar em um banco de dados(7) as medições executadas pelo citado sistema de medição(2), e de a unidade central (3) determinar a turbulênciado ar no solo depois de um vôo, com ajuda das mediçõesgravadas no citado banco de dados (7) durante o vôo.
10.- Dispositivo, de acordo com qualquer uma dasreivindicações 7 a 9, caracterizado pelo fato de o citadosistema de medição (2) compreender quatro Lidares(Ll, L2, L3, L4) , cada um deles executando medições emum dos citados quatro pontos de medição.
11.- Dispositivo, de acordo com qualquer uma dasreivindicações 7 a 9, caracterizado pelo fato de o citadosistema de medição (2) compreender três Lidares (Ll, L2,L3) , dois dos citados Lidares executando cada uma dasmedições em um dos citados pontos de medição, enquantoo terceiro Lidar executa medições em dois instantessucessivos em dois pontos diferentes de mediçãoque correspondem aos pontos de medição remanescentes.
12.- Dispositivo, de acordo com a reivindicação 11,caracterizado pelo fato de os citados três Lidares(Ll, L2, L3) serem respectivamente arranjados em umaprimeira vigia dianteira direita, uma primeira vigiadianteira esquerda, e uma asa da aeronave.
13.- Aeronave, caracterizada pelo fato de compreenderum dispositivo (1) , capaz de implementar o métodoespecificado em qualquer uma das reivindicações 1 a 6.
14.- Aeronave, caracterizada pelo fato de compreenderum dispositivo (1), como aquele especificado em qualqueruma das reivindicações 7 a 13.
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