Senior Project - Aero Design Report

7/16/2019 Senior Project - Aero Design Report

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R e m o t e C o n t r o l A i r p l a n e D e s i g n

S e n i o r D e s i g n P r o j e c t 3 7

M u s t a f a C e l e b i , M E

J o s e p h D e k a r , M E

K y l e G r u b e r , M E , T e a m L e a d e r

S c o t t H a r r i g a n , M E

S e b a s t i a n R e y e s , M E

F a c u l t y A d v i s o r : P r o f e s s o r F r a n k C a r d u l l o

S p o n s o r : B i n g h a m t o n U n i v e r s i t y , M e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g D e p a r t m e n t

S u b m i t t e d i n p a r t i a l f u l l l m e n t o f t h e r e q u i r e m e n t s o f M E 4 9 3 / E E C E 4 8 7

i n t h e S p r i n g S e m e s t e r o f 2 0 1 3 .

T h o m a s J . W a t s o n S c h o o l o f E n g i n e e r i n g a n d A p p l i e d S c i e n c e S t a t e

U n i v e r s i t y o f N e w Y o r k a t B i n g h a m t o n

M a y 9 , 2 0 1 3

1


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A b s t r a c t

T h e o b j e c t i v e o f t h e p r o j e c t w a s t o d e s i g n a r e m o t e c o n t r o l l e d a i r p l a n e f o l -

l o w i n g t h e S A E ( S o c i e t y o f A u t o m o t i v e a n d A e r o s p a c e E n g i n e e r s ) A e r o d e s i g n

c o m p e t i t i o n r e q u i r e m e n t s . T h e p l a n e w a s t o b e a x e d w i n g a i r c r a f t n o t e x c e e d -

i n g a m a x i m u m c o m b i n e d h e i g h t , w i d t h a n d l e n g t h o f 2 2 5 i n c h e s . T h e a i r p l a n e

w a s r e q u i r e d t o c o n t a i n a p a y l o a d b a y c a p a b l e o f c a r r y i n g m u l t i p l e p a y l o a d s ,

t h r o u g h a s e r i e s o f i g h t s . A N A C A 4 4 1 2 a i r f o i l s h a p e w a s c h o s e n f o r t h e a i r -

p l a n e s 7 2 i n c h w i n g s p a n . A r e c t a n g u l a r , h i g h w i n g p l a n f o r m w a s c h o s e n . T h e

h i g h w i n g p l a n f o r m w a s c o n n e c t e d t o t h e a i r p l a n e ' s b a l s a w o o d f u s e l a g e w h i c h

a l s o c o n t a i n e d t h e c o n t r o l s y s t e m , f u e l t a n k a n d p a y l o a d b a y . A M a g n u m X L S -

6 1 A S A E s p e c i e d e n g i n e w a s m o u n t e d t o t h e f r o n t o f t h e f u s e l a g e p o w e r i n g a

t w o b l a d e p r o p e l l e r . T h e p l a n e w a s t o s i t a t o p o f a t r i c y c l e s t y l e l a n d i n g g e a r

s y s t e m . I n o r d e r t o c o n t r o l t h e p i t c h a n d y a w o f t h e a i r p l a n e a c o n v e n t i o n a l s t y l e

t a i l w a s d e s i g n e d a n d a t t a c h e d t o t h e r e a r o f t h e f u s e l a g e , u t i l i z i n g a N A C A 0 0 0 9

a i r f o i l s h a p e . A F u t a b a 4 Y F 2 . 4 G H z c o n t r o l s y s t e m w a s p u r c h a s e d a n d w a s

r e s p o n s i b l e f o r c o n t r o l l i n g t h e a i r p l a n e w h i l e i n i g h t . A c o m p l e t e d e s i g n o f t h e

a i r c r a f t w a s c o m p l e t e d i n t h e F a l l 2 0 1 2 s e m e s t e r a n d w a s c o n s t r u c t e d a n d t e s t e d

i n t h e S p r i n g 2 0 1 3 s e m e s t e r . D u r i n g t e s t i n g , t h e a i r p l a n e m e t t h e r e q u i r e m e n t f o r

a 2 0 0 f t m a x i m u m t a k e o d i s t a n c e . D u r i n g t h e r s t t e s t i g h t , a t a k e o d i s t a n c e

o f 9 5 f t w a s r e c o r d e d . D u e t o p i l o t e r r o r , t h e a i r p l a n e c r a s h e d i n t o a t r e e d u r i n g

t h e r s t t e s t i g h t , c o n d u c t e d a t T r i - C i t i e s A i r p o r t . T h e a i r p l a n e w a s d a m a g e d

b e y o n d r e p a i r i n t h e c r a s h . A s a r e s u l t , f u r t h e r t e s t s c o u l d n o t b e p e r f o r m e d .

T h e a i r c r a f t p a s s e d a l l r e q u i r e m e n t t e s t s p r i o r t o t h e c r a s h .

2


3/118

C o n t e n t s

I I n t r o d u c t i o n 8

I I D e s i g n R e q u i r e m e n t s 1 0

I I I F u s e l a g e 1 1

1 R e s e a r c h a n d E v a l u a t i o n o f A l t e r n a t i v e D e s i g n s 1 1

2 F i n a l T h e o r e t i c a l D e s i g n 1 2

3 F i n a l D e s i g n 1 3

3 . 1 C o n s t r u c t i o n a n d C h a n g e s f r o m O r i g i n a l D e s i g n . . . . . . . . . . . . . . . . 1 3

3 . 1 . 1 A t t a c h i n g W i n g t o F u s e l a g e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 7

3 . 1 . 2 W e i g h t P l a t e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 7

3 . 1 . 3 C r o s s S e c t i o n s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 8

3 . 1 . 4 F i r e w a l l a n d M o u n t i n g t h e E n g i n e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 9

3 . 2 F a i l u r e o f F u s e l a g e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 0

3 . 3 R e - C o n s t r u c t i o n o f F u s e l a g e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1

I V W i n g 2 2

4 S p a r A n a l y s i s 2 3

5 S p a r t o F u s e l a g e C o n n e c t i o n B r a c e 2 6

5 . 1 A n a l y s i s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 8

5 . 2 D i s c u s s i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 9

6 R i b A n a l y s i s 3 0

7 A i l e r o n C o n s t r u c t i o n 3 5

V T a i l 3 7

8 R e s e a r c h 3 7

9 H o r i z o n t a l S t a b i l i z e r S i z i n g 3 8

1 0 O p t i m u m H o r i z o n t a l T a i l M o m e n t A r m 3 9

1 1 H o r i z o n t a l T a i l I n c i d e n c e 3 9

3


4/118

1 2 V e r t i c a l S t a b i l i z e r S i z i n g 4 0

1 3 V e r t i c a l T a i l G e o m e t r y 4 1

1 4 F i n a l D e s i g n 4 2

1 5 C o n s t r u c t i o n o f T a i l 4 2

V I L a n d i n g G e a r 4 4

1 6 R e s e a r c h a n d E v a l u a t i o n o f A l t e r n a t i v e D e s i g n s 4 4

1 7 F i n a l D e s i g n 4 4

V I I C o m p l e t e d A i r c r a f t 4 7

V I I I A i r c r a f t P e r f o r m a n c e 4 8

1 8 L i f t A n a l y s i s 4 8

1 9 A i l e r o n s 4 8

2 0 P o w e r p l a n t s p e c i c a t i o n s : 5 1

2 1 P r o p e l l e r s e l e c t i o n : 5 1

2 2 P o w e r R e q u i r e d , P o w e r A v a i l a b l e , a n d R a t e o f C l i m b 5 2

2 2 . 1 P o w e r R e q u i r e d . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2

2 2 . 2 P o w e r A v a i l a b l e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 3

2 2 . 3 P o w e r v s . A i r s p e e d C h a r t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 3

2 2 . 4 R a t e o f C l i m b . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 4

2 2 . 5 T a k e o S p e e d . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 4

2 2 . 6 T a k e o D i s t a n c e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 4

2 2 . 7 L a n d i n g D i s t a n c e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 5

2 3 D r a g A n a l y s i s 5 5

2 4 C G T a b l e 5 5

I X D e s i g n V e r i c a t i o n 5 8

X C o n c l u s i o n 5 9

4


5/118

L i s t o f F i g u r e s

1 C o n c e p t d i a g r a m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2 C o m p a r t m e n t a l i z e d d e s i g n o f f u s e l a g e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 2

3 W i n g s p a r s l o t s o f f u s e l a g e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 3

4 R o d s t o h o l d w e i g h t s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 3

5 T a i l a t t a c h e d t o f u s e l a g e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 4

6 F r o n t f u s e l a g e c o v e r . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 5

7 C r o s s s e c t i o n f o r p a y l o a d p l a t e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 6

8 C o n n e c t i o n b r a c e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 7

9 P a y l o a d b a y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 8

1 0 X c r o s s m e m b e r s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 9

1 1 F i r e w a l l a n d e n g i n e m o u n t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 0

1 2 C o l l a p s e o f r e w a l l . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 0

1 3 R e b u i l t f u s e l a g e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1

1 4 S y m m e t r i c a l v s . c a m b e r e d a i r f o i l ( n a s a . g o v ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 2

1 5 P i c t u r e o f r i b o u t l i n e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 3

1 6 L o a d i n g o f w i n g s p a r . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 3

1 7 F r e e b o d y d i a g r a m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 4

1 8 S h e a r d i a g r a m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 5

1 9 M o m e n t d i a g r a m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 5

2 0 C o n n e c t i o n b r a c e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 7

2 1 D i a g r a m o f f u s e l a g e a n d m o u n t i n g h o l e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 8

2 2 F r i n g e d i a g r a m f o r c a l c u l a t e d t h i c k n e s s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 9

2 3 F r i n g e d i a g r a m f o r t = 0.75. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 0 2 4 F r i n g e d i a g r a m f o r t w o h o l e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 0

2 5 C o m p a r i s o n o f s h e a r / m o m e n t d u e t o c o m p l e x l o a d i n g v e r s u s s h e a r / m o m e n t

d u e t o p o i n t f o r c e l o a d a p p r o x i m a t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1

2 6 T o p v i e w o f w i n g s e c t i o n , w i t h s i z i n g d i m e n s i o n s . . . . . . . . . . . . . . . . 3 3

2 7 S i m p l i e d c h a r t o f p r e s s u r e v a l u e s , s h o w i n g c u r v e a r e a s u s e d t o c a l c u l a t e Cn1a n d Cn2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 4

2 8 F i n a l a i l e r o n d e s i g n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 5

2 9 A i l e r o n r i b a s s e m b l y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 6

3 0 T a i l s h a p e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 7

3 1 S t a b l e v s . u n s t a b l e C G l o c a t i o n . ( C o u r t e s y : F i r e b i r d s i n d i a . c o m ) . . . . . . . 4 0

3 2 F i n a l d e s i g n o f t a i l . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 2

3 3 L a t e r a l l a n d i n g g e a r d e s i g n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 5

3 4 L a t e r a l l a n d i n g g e a r d e s i g n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 6

3 5 C o m p l e t e d a i r c r a f t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 7

3 6 F i n i t e a n d i n n i t e l i f t c o e c i e n t s v e r s u s a n g l e o f a t t a c k . . . . . . . . . . . . 4 8

3 7 A i l e r o n d e e c t i o n v s s t e a d y r o l l r a t e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 9

3 8 A i l e r o n d e e c t i o n v s b a n k a n g l e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 9

3 9 A i l e r o n d e e c t i o n v s t i m e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 0

4 0 T u r n r a d i u s v s v e l o c i t y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 0

4 1 T u r n r a t e v s . v e l o c i t y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1

5


6/118

4 2 T o p - F l i t e p r o p e l l e r s e l e c t i o n g u i d e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2

4 3 P o w e r r e q u i r e d a n d p o w e r a v a i l a b l e c u r v e s v s . a i r s p e e d . . . . . . . . . . . . 5 3

4 4 R a t e o f c l i m b v s . a i r s p e e d . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 4

4 5 C G T a b l e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 6

4 6 W i n g p l a n f o r m s h a p e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 9

6


7/118

L i s t o f T a b l e s

1 D e n s i t y , c o m p r e s s i v e a n d t e n s i l e s t r e n g t h , a n d e l a s t i c m o d u l u s . . . . . . . . . 2 7

2 M a g n u m X L S 6 1 - A m o t o r s p e c i c a t i o n s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1

3 W i n g p l a n f o r m , P u g h ' s m e t h o d . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 0

4 W i n g p l a n f o r m , P a h l & B e i t z m e t h o d . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 0

5 T a i l w i n g , P u g h ' s m e t h o d . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1

6 T a i l w i n g , P a h l & B e i t z m e t h o d . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1

7 E n g i n e l o c a t i o n , P u g h ' s m e t h o d . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2

8 E n g i n e l o c a t i o n , P a h l & B e i t z m e t h o d . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2

9 P r o p u l s i o n s y s t e m , P u g h ' s m e t h o d . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 3

1 0 P r o p u l s i o n s y s t e m , P a h l & B e i t z m e t h o d . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 3

1 1 W i n g p l a c e m e n t , P u g h ' s m e t h o d . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 4

1 2 W i n g p l a c e m e n t , P a h l & B e i t z m e t h o d . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 4

1 3 L a n d i n g g e a r , P u g h ' s m e t h o d . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 5

1 4 L a n d i n g g e a r , P a h l & B e i t z m e t h o d . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 5

1 5 L i f t f o r c e v s . v e l o c i t y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 0

1 6 D r a g f o r c e v s . v e l o c i t y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1

1 7 A i l e r o n p r o p e r t i e s a t d e e c t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1

1 8 A i r c r a f t r o l l r a t e a n d r o l l r a t i o a t c e r t a i n v e l o c i t i e s . . . . . . . . . . . . . . . 9 2

7


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P a r t I

I n t r o d u c t i o n

E a c h y e a r , S A E I n t e r n a t i o n a l h o s t s t h e A e r o D e s i g n E a s t S e r i e s , a c o l l e g i a t e d e s i g n c o m p e -

t i t i o n i n w h i c h s t u d e n t s d e s i g n a n d b u i l d x e d - w i n g a i r c r a f t t o a c h i e v e a d e s i r e d o p e r a t i o n a l

r e q u i r e m e n t . A v a r i e t y o f c o m p e t i t i o n s a r e h o s t e d w i t h i n t h e S e r i e s , c o n s i s t i n g o f s e v e r a l

a i r c r a f t c l a s s r e q u i r e m e n t s t o m e e t s p e c i c d e s i g n g o a l s . I n p a r t i c u l a r , t h e R e g u l a r C l a s s

c o m p e t i t i o n c h a l l e n g e s s t u d e n t s t o d e s i g n a n a i r c r a f t c a p a b l e o f l i f t i n g a s m u c h r a w p a y l o a d

w e i g h t a s p o s s i b l e . B o n u s e s a r e g i v e n t o m e e t a d d i t i o n a l g o a l s , s u c h a s a s u c c e s s f u l i g h t

w i t h z e r o p a y l o a d , a s w e l l a s t h e t e a m ' s a b i l i t y t o s u c c e s s f u l l y p r e d i c t t h e p a y l o a d w e i g h t

a f t e r e a c h i g h t .

D u e i n n o s m a l l p a r t t o t h e t e a m ' s s h a r e d i n t e r e s t i n g e n e r a l a v i a t i o n , i t w a s d e c i d e d t h a t

t h e t e a m ' s p r o j e c t w o u l d b e t o d e s i g n a n d b u i l d a n a i r c r a f t e l i g i b l e t o e n t e r t h e S A E A e r o

D e s i g n E a s t R e g u l a r C l a s s c o m p e t i t i o n . T h e t e a m s e t o u t t o d e s i g n a n a i r c r a f t t h a t w o u l d

m e e t t h e R e g u l a r C l a s s c o m p e t i t i o n g o a l s , c o u l d b e c o n s t r u c t e d w i t h i n t h e t e a m ' s a l l o t t e d

b u d g e t o f $ 5 0 0 , a n d c o u l d b e o w n e a s i l y b y t h e t e a m m e m b e r s .

D u r i n g t h e F a l l 2 0 1 2 s e m e s t e r , i n i t i a l b r a i n s t o r m i n g g e n e r a t e d a v a r i e t y o f p o t e n t i a l

d e s i g n s . T h e s e d e s i g n s w e r e r u n t h r o u g h s e v e r a l e v a l u a t i o n s , n a m e l y P a h l & B e i t z a n d

P u g h e s ' m e t h o d s , t o d e t e r m i n e t h e i d e a l g e n e r a l d e s i g n . K e e p i n g i n m i n d t h e p a y l o a d -

c a r r y i n g n a t u r e o f t h e a i r c r a f t , a s w e l l a s t h e l i m i t e d c o n s t r u c t i o n t i m e a v a i l a b l e t o t h e

t e a m , N A C A a i r f o i l s h a p e s w e r e c h o s e n t h a t c o u l d g e n e r a t e t h e h i g h e s t p o s s i b l e a m o u n t o f

l i f t w h i l s t r e m a i n i n g e a s y t o c o n s t r u c t . F u s e l a g e d e s i g n w a s k e p t s i m p l e f o r e a s y c o n s t r u c t i o n

a n d p a y l o a d a c c e s s i b i l i t y . B a l s a w a s c h o s e n a s t h e m a i n m a t e r i a l f o r t h e a i r c r a f t d u e t o

r e l a t i v e l y l o w c o s t , a v a i l a b i l i t y , e a s e o f u s e i n c o n s t r u c t i o n , a n d l o w w e i g h t . D i m e n s i o n s w e r e

i n i t i a l l y e s t a b l i s h e d u s i n g r u l e - o f - t h u m b r a t i o s , a n d l a t e r n e - t u n e d t o m a t c h p e r f o r m a n c e

a n d s t a b i l i t y c r i t e r i a b a s e d u p o n t h o s e o f f u l l s c a l e a i r c r a f t w i t h s i m i l a r d e s i g n r e q u i r e m e n t s .

C A D d r a w i n g s w e r e p r o c u r e d a n d d i m e n s i o n s w e r e n a l i z e d b y t h e e n d o f t h e F a l l 2 0 1 2

s e m e s t e r . B a s i c p e r f o r m a n c e a n a l y s e s s u c h a s C G , w e i g h t , a n d h o r i z o n t a l s t a b i l i t y w e r e

d o c u m e n t e d i n a f a l l s e m e s t e r d e s i g n r e p o r t .

T h e S p r i n g 2 0 1 3 s e m e s t e r f o c u s e d m a i n l y o n c o n s t r u c t i o n a n d s t r e s s a n a l y s i s o f c r i t i c a l

l o a d - b e a r i n g a i r c r a f t c o m p o n e n t s . M u c h o f t h e a n a l y s i s f o c u s e d o n e n s u r i n g t h e w i n g s p a r

w a s s u c i e n t t o h a n d l e t h e m a x i m u m a n t i c i p a t e d l o a d d u r i n g m a n e u v e r s w h i c h i m p o s e d

t h e g r e a t e s t G - f o r c e s u p o n t h e a i r c r a f t . A d d i t i o n a l l y , t h e s p a r - f u s e l a g e a t t a c h m e n t s w e r e

a n a l y z e d u n d e r t h e s a m e c o n d i t i o n s . O n c e i t w a s a s s u r e d t h e a i r c r a f t w o u l d b e a b l e t o

h a n d l e a l l n o r m a l i g h t m a n e u v e r s w i t h f u l l p a y l o a d a n d a f a c t o r o f s a f e t y o f 2 , c o n s t r u c t i o n

c o m m e n c e d . W h i l s t c o n s t r u c t i o n w a s u n d e r w a y , v a r i o u s p e r f o r m a n c e a s p e c t s w e r e c a l c u l a t e d

a n d d o c u m e n t e d , s u c h a s p o w e r r e q u i r e d , p o w e r a v a i l a b l e , t a k e o d i s t a n c e , t a k e o s p e e d , a n d

l a n d i n g d i s t a n c e . O n c e i t w a s d e t e r m i n e d t h a t t h e c a l c u l a t e d p e r f o r m a n c e a s p e c t s a l l o w e d

t h e a i r c r a f t t o m e e t t h e d e s i g n r e q u i r e m e n t s , t e s t i n g b e g a n . T e s t i n g w a s c o m p l e t e d o n M a y

5 t h , 2 0 1 3 . R e m a i n s o f t h e p r o t o t y p e w e r e r e c o v e r e d a n d d e l i v e r e d t o t h e I n d u s t r y A d v i s o r

o n M a y 7 t h , 2 0 1 3 .

8


9/118

F i g u r e 1 : C o n c e p t d i a g r a m .

9


10/118

P a r t I I

D e s i g n R e q u i r e m e n t s

T h e f o l l o w i n g d e s c r i b e s t h e r e m o t e c o n t r o l l e d a i r p l a n e r e q u i r e m e n t s a s g i v e n i n t h e S A E

a e r o s p a c e c o m p e t i t i o n r u l e b o o k .

1 . F i x e d w i n g A i r p l a n e .

( a ) A i r c r a f t s h a l l t a k e o w i t h i n 2 0 0 f t . ( 6 1 m ) .

( b ) A i r c r a f t s h a l l s u c c e s s f u l l y c o m p l e t e o n e 3 6 0 c i r c u i t o f a n S A E a p p r o v e d e l d .

( c ) A i r c r a f t s h a l l c o m p l e t e a f u l l s t o p l a n d i n g o n a n S A E a p p r o v e d e l d .

( d ) A i r c r a f t s h a l l c o m e t o f u l l s t o p w i t h i n 4 0 0 f t . ( 1 2 2 m ) , b e t w e e n l i m i t s o f S A E

a p p r o v e d l a n d i n g s t r i p .

2 . A i r c r a f t w i l l b e p o w e r e d b y a s t a n d a r d , S A E a p p r o v e d e n g i n e .

( a ) A i r c r a f t w i l l b e p o w e r e d b y a s i n g l e , u n m o d i e d O . S 6 1 F X e n g i n e w i t h a n E - 4 0 1 0

M u e r , O R a M a g n u m X L S - 6 1 A ( X L S v e r s i o n o n l y ) e n g i n e .

3 . A i r c r a f t s h a l l n o t e x c e e d a c o m b i n e d l e n g t h , w i d t h a n d h e i g h t o f 2 2 5 i n c h e s .

4 . A i r c r a f t e n g i n e a n d f u e l t a n k s w i l l c o n f o r m t o S A E g u i d e l i n e s .

( a ) A i r c r a f t s h a l l h a v e a o n e - t o - o n e p r o p e l l e r t o e n g i n e R P M . P r o p e l l e r ( s ) m u s t r o t a t e

a t e n g i n e R P M .

( b ) F u e l t a n k ( s ) s h a l l b e a c c e s s i b l e t o d e t e r m i n e c o n t e n t s d u r i n g p l a n e i n s p e c t i o n .

5 . A i r c r a f t m u s t c o n t a i n p a y l o a d b a y a n d b e c a p a b l e o f c a r r y i n g m u l t i p l e p a y l o a d s .

( a ) P a y l o a d s h a l l c o n s i s t o f a s u p p o r t a s s e m b l y a n d p a y l o a d p l a t e s .

( b ) P a y l o a d s h a l l b e c a r r i e d i n a s i n g l e , d e s i g n a t e d c a r g o b a y o f t h e a i r c r a f t .

( c ) P a y l o a d s h a l l b e l o a d e d a n d s e c u r e d / u n l o a d e d a n d u n s e c u r e d i n l e s s t h a n 1

m i n u t e .

6 . A l l a d d i t i o n a l n o n - s t r u c t u r a l a i r c r a f t e l e m e n t s w i l l c o n f o r m t o S A E g u i d e l i n e s .

( a ) A i r c r a f t s h a l l u t i l i z e a 2 . 4 G H z r a d i o f o r r e m o t e c o n t r o l .

( b ) A i r c r a f t s h a l l u t i l i z e a b a t t e r y p a c k w i t h n o l e s s t h a n 1 0 0 0 m A h c a p a c i t y .

( c ) A i r c r a f t s h a l l u t i l i z e e i t h e r a s p i n n e r o r a r o u n d e d s a f e t y n u t .

7 . A i r c r a f t s h a l l n o t e x c e e d 6 5 l b s . w i t h p a y l o a d a n d f u e l

8 . A i r c r a f t s h a l l u t i l i z e a c o n t r o l s y s t e m c o n s i s t i n g o f a t l e a s t t w o a i l e r o n s

9 . A i r c r a f t s h a l l b e c a p a b l e o f m u l t i p l e r e m o t e c o n t r o l l e d i g h t s .

1 0


11/118

P a r t I I I

F u s e l a g e

T h e f u s e l a g e m u s t h o u s e t h e e n g i n e , f u e l t a n k , c o n t r o l s y s t e m a n d c a r g o a r e a f o r t h e p a y l o a d

p l a t e s . I n a d d i t i o n t o h o u s i n g a l l o f t h e s e c o m p o n e n t s , t h e y m u s t a l l b e e a s i l y a c c e s s i b l e .

A n o t h e r i m p o r t a n t c o n s i d e r a t i o n i s t h e m a t e r i a l u s e d t o m a k e t h e f u s e l a g e . B a l s a w o o d i s

c o m m o n l y u s e d i n m o d e l a i r c r a f t s d u e t o i t s h i g h s t r e n g t h t o d e n s i t y r a t i o . T h i s m a k e s i t

i d e a l s i n c e w e i g h t i s a c r u c i a l f a c t o r w h e n d o i n g t r a d e o a n a l y s e s .

1 R e s e a r c h a n d E v a l u a t i o n o f A l t e r n a t i v e D e s i g n s

T h e r e w e r e s e v e r a l o p t i o n s f o r t h e l o c a t i o n o f t h e e n g i n e . T h e t h r e e m a i n l o c a t i o n s w e r e i n

t h e f r o n t , m i d d l e o r a n d r e a r o f t h e f u s e l a g e . T w o t r a d e o a n a l y s i s m e t h o d s w e r e u s e d t o

d e t e r m i n e w h i c h o f t h e t h r e e l o c a t i o n s w o u l d s u i t t h e r e q u i r e m e n t s o f t h e p r o j e c t t h e b e s t .

P u g h ' s m e t h o d s h o w e d t h a t t h e b e s t a l t e r n a t i v e w a s t o l o c a t e t h e e n g i n e a t t h e f r o n t . T o

d o t h a t a c t u a l a n a l y s i s , t h e f r o n t w a s c h o s e n a s t h e b a s e l i n e . T h e m i d d l e a n d r e a r l o c a t i o n s

w e r e c o m p a r e d u s i n g s e v e r a l c r i t e r i a : e a s e o f b u i l d , c o s t o f b u i l d , c e n t e r o f g r a v i t y , w e i g h t

a n d d r a g .

P a h l a n d B e i t z m e t h o d a l s o s h o w e d t h a t t h e b e s t a l t e r n a t i v e w a s t o l o c a t e t h e e n g i n e a t

t h e f r o n t . T h i s t r a d e o a n a l y s i s m e t h o d i s b e t t e r s i n c e i t a l l o w s t h e u s e r t o a s s i g n w e i g h t s

t o t h e d i e r e n t e v a l u a t i o n c r i t e r i a . H a v i n g t h e e n g i n e l o c a t e d a t t h e f r o n t w a s e x p e c t e d .

T h i s i s b y f a r t h e m o s t c o m m o n l o c a t i o n , e s p e c i a l l y f o r m o d e l a i r c r a f t s .

T h e r e w e r e o n l y t h r e e r e a s o n a b l e o p t i o n s f o r t h e m a t e r i a l o f t h e f u s e l a g e ; b a l s a w o o d ,

h i g h s t r e n g t h A B S p l a s t i c a n d a l u m i n u m . A s s t a t e d b e f o r e , b a l s a w o o d i s g e n e r a l l y t h e

s t a n d a r d w h e n i t c o m e s t o r e a s o n a b l y p r i c e d m o d e l a i r c r a f t s . U s i n g b a l s a w o o d i m p l i e s a

r e l a t i v e l y g e n e r i c d e s i g n f o r t h e f u s e l a g e . T h e m a i n b e n e t s o f u s i n g t h i s s p e c i c w o o d a r e

i t s h i g h s t r e n g t h t o d e n s i t y r a t i o .

A l u m i n u m i s a v e r y g o o d o p t i o n s i n c e h a s a l o w d e n s i t y a n d i s v e r y s t r o n g c o m p a r e d

t o b a l s a a n d A B S . A p r o b l e m w i t h u s i n g a l u m i n u m i s i t w o u l d b e m o r e e x p e n s i v e t h a n t h e

o t h e r t w o a l t e r n a t i v e s . I t i s a l s o d i c u l t t o w o r k w i t h w h e n c o m p a r e d t o t h e o t h e r o p t i o n s .

A l u m i n u m h a s a d e n s i t y o f 2 . 8 3

gcm3

. B a l s a h a s a d e n s i t y o f 0 . 1 5 5

gcm3

, m u c h l o w e r t h a n

t h e m e t a l . S i n c e w e i g h t i s s u c h a n i m p o r t a n t c o n s i d e r a t i o n , b a l s a i s d e n i t e l y t h e p r e f e r r e d

o p t i o n .

H i g h s t r e n g t h A B S p l a s t i c w a s a n o p t i o n d u e t o a c c e s s t o a 3 D p r i n t e r . T h e p r i n t e r c a n

m a k e a m a x i m u m o f 6 b y 6 b y 6 p i e c e s . T h i s p r e s e n t s a m a j o r i s s u e s i n c e t h e f u s e l a g e

i s m u c h l a r g e r t h a n t h i s . T h e s o l u t i o n t o t h i s w o u l d b e t o d e s i g n a f u s e l a g e t h a t c o u l d

e s s e n t i a l l y b e p u t t o g e t h e r f r o m v a r i o u s s m a l l c o m p o n e n t s . T h i s a d d s m o r e c o m p l e x i t y t h a n

n e c e s s a r y . F o r t h i s r e a s o n b a l s a w o o d w i l l b e u s e d t o m a n u f a c t u r e t h e f u s e l a g e .

1 1


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2 F i n a l T h e o r e t i c a l D e s i g n

T h r o u g h o u t t h e f a l l s e m e s t e r s e v e r a l f u s e l a g e d e s i g n s w e r e c r e a t e d t o g e t a n i d e a o f w h a t i t

w o u l d l o o k l i k e . I t p r o v e d t o b e q u i t e t h e c h a l l e n g e w i t h o u t k n o w i n g a n y o t h e r p a r a m e t e r s o f

t h e p l a n e ( w i t h t h e e x c e p t i o n o f t h e r e q u i r e m e n t s g i v e n b y S A E ) . T h e o n l y k n o w n s w e r e t h e

e n g i n e l o c a t i o n , m a t e r i a l a n d e s t i m a t e f o r t h e l e n g t h o f t h e f u s e l a g e . U s i n g t h e s e g u i d e l i n e s

s e v e r a l d e s i g n a l t e r n a t i v e s w e r e c r e a t e d d u r i n g b r a i n s t o r m i n g s e s s i o n s .

S i n c e b a l s a i s t h e w e a k e s t o f t h e t h r e e a l t e r n a t i v e s , s e v e r a l s o l u t i o n s w e r e c r e a t e d t o

c o m p e n s a t e f o r i t s l o w e r s t r e n g t h . C o m p a r t m e n t s w e r e i n c l u d e d f o r t h e d i e r e n t c o m p o n e n t s .

T h e s e c o m p a r t m e n t s a d d a l o t o f s t r e n g t h t o t h e s i d e w a l l s o f t h e f u s e l a g e . F i g u r e 2 s h o w s

t h e d e s i g n o f t h e m e m b e r s . W h e n i t c o m e s t o b u i l d i n g t h e s e c r o s s - s e c t i o n a l m e m b e r s t h e y

w i l l m o s t l i k e l y b e g l u e d i n u s i n g h i g h s t r e n g t h a d h e s i v e .

F i g u r e 2 : C o m p a r t m e n t a l i z e d d e s i g n o f f u s e l a g e .

I n o r d e r t o g a i n a c c e s s t o a l l c o m p o n e n t s o f t h e a i r p l a n e t h e e n t i r e c o v e r o f t h e f u s e l a g e

w a s d e s i g n e d a s o n e p a r t t h a t c o u l d b e e a s i l y r e m o v e d w i t h s c r e w s .

T h e o r i g i n a l f u s e l a g e w a s d e s i g n e d w i t h t h e i d e a t h a t t h e e n t i r e w i n g p l a n f o r m c o u l d b e

r e m o v e d s i m p l y b y r e m o v i n g t h e c o v e r a n d l i f t i n g t h e p l a n f o r m . F i g u r e 3 s h o w s a p i c t u r e o f

a s i d e v i e w o f t h e f u s e l a g e w h e r e t h e w i n g s p a r w o u l d b e p l a c e d .

A f t e r s o m e p r e l i m i n a r y a n a l y s i s t o s e e h o w m u c h l i f t w a s g e n e r a t e d b y t h e w i n g s i t w a s

f e a r e d t h e c o v e r a l o n e w o u l d n o t h o l d t h e w i n g p l a n f o r m i n p l a c e . F o r t h i s r e a s o n a t o t a l o f

f o u r s t r u t s w e r e c r e a t e d t o i n c r e a s e t h e s t r u c t u r a l s t r e n g t h o f a i r p l a n e .

1 2


13/118

F i g u r e 3 : W i n g s p a r s l o t s o f f u s e l a g e .

O n e o f t h e r e q u i r e m e n t s o f S A E i s f o r t h e p l a n e t o h a v e m o d u l a r w e i g h t s . T h e s p e c i c s

o f t h e m w e r e n o t i n t h e p r o b l e m d e s c r i p t i o n , s o p r o p r i e t a r y w e i g h t p l a t e s w e r e d e s i g n e d t o

t i n s i d e t h e f u s e l a g e . I n t h e a c t u a l m o d e l c y l i n d r i c a l r o d s w e r e e x t r u d e d f r o m t o b a s e o f

t h e f u s e l a g e i n o n e o f t h e c o m p a r t m e n t s t o h o l d t h e p l a t e s . T h e a c t u a l w e i g h t s w i l l h a v e a

c u t o u t i n t h e m i d d l e w i t h t h e s a m e d i a m e t e r a s t h e s e r o d s . T w o o f t h e c o m p a r t m e n t s h a v e

r o d s s o w e i g h t c a n b e p l a c e d a h e a d o r b e h i n d t h e c e n t e r o f g r a v i t y o f t h e p l a n e . F i g u r e 4

s h o w s a s c r e e n s h o t o f t h e s e r o d s . H a v i n g m u l t i p l e l o c a t i o n s f o r t h e w e i g h t s h a s a s e c o n d r o l e

o t h e r t h a n s a t i s f y i n g t h e S A E r e q u i r e m e n t s . I t a l l o w s f o r c o n t r o l o v e r t h e c e n t e r o f g r a v i t y .

F i g u r e 4 : R o d s t o h o l d w e i g h t s .

3 F i n a l D e s i g n

3 . 1 C o n s t r u c t i o n a n d C h a n g e s f r o m O r i g i n a l D e s i g n

C o n s t r u c t i n g t h e f u s e l a g e w a s m u c h m o r e o f a c h a l l e n g e t h a n i n i t i a l l y a n t i c i p a t e d . T h e

l a r g e s t p i e c e s o f b a l s a w o o d t h a t c o u l d b e p u r c h a s e d w e r e 4 x 3 6 x

38

i n , b e c a u s e o f t h i s

t h e t h i c k n e s s o f t h e f u s e l a g e w a s c h a n g e d t o

38

i n . M u l t i p l e p i e c e s o f b a l s a w e r e g l u e d

t o g e t h e r t o c r e a t e t h e a p p r o p r i a t e s i z e s f o r t h e s i d e w a l l s , o o r i n g a n d r o o f o f t h e f u s e l a g e .

1 3


14/118

T h e b u i l d p r o c e s s b e g a n b y g l u i n g p i e c e s o f 4 x 3 6 i n t o g e t h e r t o m e e t t h e l e n g t h a n d

h e i g h t r e q u i r e m e n t s o f t h e n a l P r o - E n g i n e e r d e s i g n . A f t e r a l l p i e c e s w e r e g l u e d t o g e t h e r

e a c h f u s e l a g e m e m b e r w a s t h e n m e a s u r e d a n d c u t d o w n t o d e s i r e d s p e c i c a t i o n s . W h e n a l l

f u s e l a g e m e m b e r s w e r e c o m p l e t e i t w a s t h e n n e c e s s a r y t o b e g i n t h e a s s e m b l y o f t h e f u s e l a g e .

T h e a s s e m b l y b e g a n b y a t t a c h i n g t h e a i r p l a n e s t a i l a s s e m b l y t o t h e b a s e o f t h e f u s e l a g e . T h e

t a i l w a s m o u n t e d o n t w o w o o d e n b l o c k s w h i c h w e r e g l u e d t o t h e b a s e o f t h e f u s e l a g e . T h e s e

b l o c k s w e r e m a n u f a c t u r e d s o t h e t a i l c o u l d b e m o u n t e d a t t h e d e s i r e d a n g l e o f 3 d e g r e e s .

T h e t a i l a s s e m b l y a n d t a i l m o u n t s w e r e t h e n a l l f a s t e n e d t o t h e f u s e l a g e u s i n g g l u e a n d 8 x

11/2 P h i l l i p s h e a d s c r e w s . A f t e r t h e t a i l a s s e m b l y w a s a t t a c h e d t o t h e f u s e l a g e b a s e i t w a s p o s s i b l e t o a t t a c h t h e r e a r f u s e l a g e s i d e w a l l s . T h e h o r i z o n t a l s t a b i l i z e r a i r f o i l s h a p e w a s t h e n

t r a c e d a n d c u t o u t o f t h e r e a r s i d e w a l l s a n d t h e y w e r e g l u e d a n d c l a m p e d t o t h e f u s e l a g e

b a s e . T h i s s t e p c a n b e s e e n b e l o w i n F i g u r e 5 .

F i g u r e 5 : T a i l a t t a c h e d t o f u s e l a g e .

A f t e r a t t a c h i n g t h e r e a r s i d e w a l l s i t w a s t h e n p o s s i b l e t o a t t a c h t h e f r o n t s i d e w a l l s . T h e

f u s e l a g e b a s e w a s l i n e d w i t h g l u e a n d t h e s i d e w a l l s w e r e c l a m p e d o n a n d l e f t t o d r y . A f t e r

c o m p l e t i n g t h e t h e f u s e l a g e f r a m e t h e r e w a l l w a s t h e n g l u e d i n t o p l a c e a n d t h e e n g i n e m o u n t

1 4


15/118

a n d e n g i n e w e r e a t t a c h e d . U p o n a t t a c h i n g t h e r e w a l l a n d e n g i n e i t w a s t h e n p o s s i b l e t o

p l a c e a l l i n t e r n a l c o m p o n e n t s a l o n g w i t h b r a c i n g . E a c h b r a c e a n d c o n t r o l c o m p o n e n t w a s

p o s i t i o n e d a c c o r d i n g t o t h e c e n t e r o f g r a v i t y c a l c u l a t i o n s a n d g l u e d i n t o p l a c e .

I n o r d e r t o a l l o w f o r i n t e r i o r a c c e s s i b i l i t y t h e f r o n t f u s e l a g e c o v e r w a s c o n s t r u c t e d u s i n g

a 1 / 3 2 i n c h s h e e t o f a l u m i n u m h i n g e d a t t h e f r o n t o f t h e f u s e l a g e . A p r i n t e d c r o s s m e m b e r

w a s a l s o a d d e d t o t h e f r o n t o f t h e f u s e l a g e t o i n c r e a s e r i g i d i t y a n d t o i n c o r p o r a t e w e i g h t

p l a t e s . T h i s d e s i g n a l l o w e d f o r e a s y p l a c e m e n t a n d r e m o v a l o f t h e p a y l o a d p l a t e s a s w e l l a s

c o n v e n i e n t a c c e s s t o t h e f u e l t a n k a n d c o n t r o l s y s t e m c o m p o n e n t s . T h e f r o n t f u s e l a g e c o v e r

a n d c r o s s s e c t i o n c a n b e s e e n b e l o w i n F i g u r e 6 & 7 .

F i g u r e 6 : F r o n t f u s e l a g e c o v e r .

1 5


16/118

F i g u r e 7 : C r o s s s e c t i o n f o r p a y l o a d p l a t e s .

T h e f u s e l a g e a s s e m b l y w a s a b l e t o b e c o m p l e t e d o v e r a p e r i o d o f t w o w e e k s , w i t h s e v e r a l

s e t b a c k s a n d c o n s t r u c t i o n i s s u e s . A p r i m a r y i s s u e i n t h e c o n s t r u c t i o n o f t h e f u s e l a g e w a s t h e

f r a g i l i t y o f t h e b a l s a w o o d i n t h e c l a m p i n g p r o c e s s . I n o r d e r t o g e n e r a t e a s t r o n g b o n d w i t h

t h e w o o d g l u e u s e d i t w a s n e c e s s a r y t o c l a m p p a r t s t o g e t h e r . I t b e c a m e i m p e r a t i v e t h a t

t h e p a r t s w e r e n o t c l a m p e d t o o t i g h t l y t h a t i t w o u l d c a u s e f u s e l a g e d a m a g e . A n o t h e r i s s u e

t h a t w a s e n c o u n t e r e d w a s p o o r q u a l i t y o f s e v e r a l p i e c e s o f t h e b a l s a w o o d . T h e b a l s a w a s

o r d e r e d f r o m a n o n l i n e w e b s i t e a n d w h e n r e c e i v e d i t w a s e v i d e n t t h a t s e v e r a l o f t h e p r i m a r y

f u s e l a g e p i e c e s w e r e n o t s t r a i g h t a n d h a d b e e n w a r p e d . T h i s c r e a t e d a n i s s u e i n a s s e m b l i n g

t h e f u s e l a g e t o d e s i r e d s p e c i c a t i o n s .

A l t h o u g h t h e r e w e r e s e v e r a l s e t b a c k s i t w a s p o s s i b l e t o c o m p l e t e t h e f u s e l a g e w i t h i n t h e

d e s i r e d t w o w e e k t i m e p e r i o d a n d m o v e f o r w a r d w i t h t h e p l a n e c o n s t r u c t i o n .

S e v e r a l c h a n g e s w e r e m a d e f r o m t h e i n i t i a l d e s i g n o f t h e f u s e l a g e .

M e t h o d o f a t t a c h i n g w i n g t o f u s e l a g e

L o c a t i o n o f w e i g h t p l a t e s

C r o s s s e c t i o n d e s i g n s

F i r e w a l l a n d m e t h o d o f a t t a c h i n g t h e e n g i n e

T a p e r i n g a t t h e b a c k e n d o f t h e f u s e l a g e

1 6


17/118

3 . 1 . 1 A t t a c h i n g W i n g t o F u s e l a g e

I n t h e o r i g i n a l d e s i g n t h e o n l y m e t h o d o f a t t a c h i n g t h e w i n g t o t h e f u s e l a g e w a s w i t h t h e

s t r u t s . T h i s c o u l d n ' t b e t h e o n l y w a y o f f a s t e n i n g t h e w i n g p l a n f o r m , s o a n o n d e s t r u c t i v e

m e t h o d w a s d e s i g n e d . T w o p a r t s s i m i l a r t o t h e o n e s s h o w n i n F i g u r e 8 w e r e p r i n t e d .

F i g u r e 8 : C o n n e c t i o n b r a c e .

F o u r h o l e s w e r e c r e a t e d i n s t e a d o f t w o t o i n c r e a s e t h e s t r e n g t h . A n a l y s i s o f t h e s t r u c t u r a l

i n t e g r i t y o f t h i s d e s i g n w a s t e s t e d a n d i s p r o v i d e d i n P a r t I V s e c t i o n 5 .

3 . 1 . 2 W e i g h t P l a t e s

I n i t i a l l y w o o d e n r o d s w e r e g o i n g t o b e x e d t o t h e o o r a n d t h e y w o u l d c o n s t r a i n t h e w e i g h t

p l a t e s . T h i s d e s i g n h a d t o b e s c r a p p e d b e c a u s e o t h e r c o m p o n e n t s o f t h e p l a n e t o o k u p t o o

m u c h r o o m i n t h e f u s e l a g e . I n s t e a d a p a y l o a d b a y f o r t w o p l a t e s ( w e i g h i n g a p p r o x i m a t e l y

1 . 5 l b s e a c h ) w a s b u i l t d i r e c t l y b e h i n d t h e r e w a l l . F i g u r e 9 s h o w s t h e p a y l o a d b a y .

1 7


18/118

F i g u r e 9 : P a y l o a d b a y .

3 . 1 . 3 C r o s s S e c t i o n s

S e v e r a l r e c t a n g u l a r c r o s s s e c t i o n s w e r e g o i n g t o b e p l a c e d t h r o u g h o u t t h e f u s e l a g e . H o w e v e r

d u e t o t h e s a t u r a t i o n o f p a r t s i n s i d e t h e f u s e l a g e a n d w e i g h t c o n c e r n s , t h i s i d e a w a s a l s o

s c r a p p e d . I n s t e a d X ' s w e r e c o n s t r u c t e d f r o m b a l s a , s h o w n i n F i g u r e 1 0 .

1 8


19/118

F i g u r e 1 0 : X c r o s s m e m b e r s .

T h e s e m e m b e r s p r o v i d e m o r e r i g i d i t y t o t h e f u s e l a g e w h i l e w e i g h i n g l e s s . T h e y a l s o m a d e

t h e c a b l e m a n a g e m e n t i n s i d e m u c h e a s i e r .

3 . 1 . 4 F i r e w a l l a n d M o u n t i n g t h e E n g i n e

T h e f u s e l a g e w a s o r i g i n a l l y d e s i g n e d t o e n c l o s e t h e e n g i n e , t h i s h o w e v e r w a s s c r a p p e d d u e

t o c o n c e r n s o v e r p r o p e r c o o l i n g o f t h e e n g i n e . I n s t e a d a t h i r d p a r t y m o u n t f o r t h e e n g i n e

w a s p u r c h a s e d a n d p l a c e d i n f r o n t o f t h e r e w a l l o f t h e f u s e l a g e . T h e r e w a l l w a s m a d e o f

p l y w o o d i n s t e a d o f b a l s a d u e t o t h e i n c r e a s e d s t r e n g t h o f p l y w o o d . F i g u r e 1 1 s h o w s t h e

f u s e l a g e .

1 9


20/118

F i g u r e 1 1 : F i r e w a l l a n d e n g i n e m o u n t .

3 . 2 F a i l u r e o f F u s e l a g e

D u r i n g o n e o f t h e t a x i t e s t i n g s e s s i o n s t h e f r o n t o f t h e f u s e l a g e f a i l e d w h i l e t r y i n g t o g e t t h e

e n g i n e t o s t a r t . F i g u r e 1 2 s h o w s a p h o t o o f t h e d a m a g e .

F i g u r e 1 2 : C o l l a p s e o f r e w a l l .

T h e c a u s e o f t h e f a i l u r e i s b e l i e v e d t o b e f a u l t o f t h e e n g i n e h y d r o - l o c k i n g d u e t o a n o v e r -

s a t u r a t i o n o f f u e l . I n o r d e r t o s t a r t t h e e n g i n e t h e p r o p e l l e r m u s t b e s t r u c k i n t h e c o r r e c t

d i r e c t i o n o f r o t a t i o n w h i l e t h e g l o w p l u g i s h e a t e d . T h e f u s e l a g e w a s i n i t i a l l y c o p i n g v e r y

2 0


21/118

w e l l w i t h t h e c o n s t a n t s t r i k i n g o f t h e p r o p e l l e r , b u t o n c e i t h y d r o - l o c k e d a l l t h e f o r c e a p p l i e d

t o t h e p r o p e l l e r t r a n s f e r r e d t o t h e f u s e l a g e c r e a t i n g i m m e n s e s t r e s s e s a n d c a u s i n g f a i l u r e .

3 . 3 R e - C o n s t r u c t i o n o f F u s e l a g e

D u e t o t h e c a t a s t r o p h i c f a i l u r e o f t h e f u s e l a g e t h e m a i n p r i o r i t y w a s t o s t r e n g t h e n i t . A n y

p i e c e s o f b a l s a w o o d t h a t f e l l o w e r e g l u e d b a c k t o r e g a i n t h e s h a p e . A l u m i n u m s h e e t s

m e a s u r i n g

132

i n t h i c k w e r e w r a p p e d a r o u n d t h e f r o n t o f t h e f u s e l a g e . F i g u r e 1 3 s h o w s t h e

r e b u i l t f u s e l a g e .

F i g u r e 1 3 : R e b u i l t f u s e l a g e .

2 1


22/118

P a r t I V

W i n g

I n a n y x e d - w i n g a i r c r a f t , i t i s i m p o r t a n t t o o p t i m i z e t h e d e s i g n o f t h e w i n g p l a n f o r m . T h e

w i n g g e n e r a t e s t h e f o r c e s r e q u i r e d t o l i f t a n d k e e p t h e a i r c r a f t i n t h e a i r , a s w e l l a s , p r o v i d e

t h e r o o m f o r t h e c o n t r o l s u r f a c e s t h a t a l l o w i t t o p i t c h , y a w , a n d r o l l . T h e w i n g i s c o m p r i s e d

o f t h r e e m a i n d e s i g n c o m p o n e n t s : t h e w i n g s h a p e ( p l a n f o r m ) , w i n g l o c a t i o n a n d t h e a i r f o i l

s h a p e ( w i n g c r o s s - s e c t i o n ) . T h e s e b a s i c d e s i g n v a r i a b l e s d e t e r m i n e t h e l i f t f o r c e a n d d r a g

o f a n a i r c r a f t . T h e i n i t i a l d e s i g n w a s d r a w n u p u s i n g b o t h a n a e r o d y n a m i c s t e x t b o o k a s

w e l l a s e l e c t r o n i c s o u r c e s . T h e a i r c r a f t w i n g w a s r e q u i r e d t o g e n e r a t e l i f t o f a t l e a s t 2 0 l b s .

I n o r d e r t o d e t e r m i n e t h e b e s t w i n g d e s i g n , b o t h P a h l a n d B e i t z a n d P u g h ' s m e t h o d s w e r e

u s e d . T h e s e e v a l u a t i o n s a i d e d i n n a r r o w i n g d o w n t h e c h o i c e s f o r g i v e n d e s i g n a s p e c t s . T h e

f o l l o w i n g c r i t e r i a w e r e c h o s e n : e a s e a n d c o s t o f b u i l d , m a n e u v e r a b i l i t y , w e i g h t , l i f t a n d d r a g ,

a n d s t r u c t u r a l s t r e n g t h . C a m b e r - t h e a s y m m e t r y a r o u n d a n a i r f o i l ' s c h o r d l i n e - s i g n i c a n t l y

i n c r e a s e s t h e l i f t g e n e r a t e d b y a w i n g a t z e r o d e g r e e a n g l e o f a t t a c k . T h e d i e r e n c e s b e t w e e n

a c a m b e r e d a n d z e r o c a m b e r e d a i r f o i l c a n b e f o u n d b e l o w i n F i g u r e 1 4 .

F i g u r e 1 4 : S y m m e t r i c a l v s . c a m b e r e d a i r f o i l ( n a s a . g o v )

T h e a n g l e o f a t t a c k i s t h e a n g l e b e t w e e n t h e a i r f o i l ' s c h o r d l i n e a n d t h e f r e e s t r e a m o f

a i r o w . C o n s u l t i n g a i r f o i l d a t a f r o m J o h n A n d e r s o n ' s I n t r o d u c t i o n t o F l i g h t , f o u r a i r f o i l

s h a p e s w e r e c h o s e n b a s e d o n t h e l i f t a n d d r a g c o e c i e n t s . U s i n g e v a l u a t i o n m a t r i c e s t h e

c h o s e n a i r f o i l w a s N A C A 4 4 1 2 d u e t o i t s h i g h l i f t c o e c i e n t a n d f a v o r a b l e l i f t t o d r a g r a t i o

a t z e r o d e g r e e s a n g l e o f a t t a c k . T h e s e t a b l e s c a n b e f o u n d i n A p p e n d i x B . E a s e o f b u i l d w a s

n o t a m a j o r c o n c e r n d u e t o t h e a v a i l a b i l i t y o f a 3 D p r i n t e r .

B e c a u s e o f p r i n t i n g s i z e c o n s t r a i n t s , t h e a i r f o i l h a d t o b e d i v i d e d u p i n t o t h r e e i n d i v i d u a l

s e c t i o n s . T h e r s t d e s i g n i n c l u d e d b o l t s a n d a t h i c k e r r i b , b u t p r o v e d t o b e a p o o r d e s i g n

c h o i c e d u e t o w e i g h t a n d o v e r a l l i n e c i e n t e n g i n e e r i n g d e s i g n . T h e a i l e r o n w a s r e d e s i g n e d t o

2 2


23/118

i n c l u d e n o o u t s i d e f a s t e n e r s w i t h t h e e x c e p t i o n o f h i g h s t r e n g t h e p o x y a n d p l a s t i c c o n n e c t o r s .

B e c a u s e t h e e p o x y ' s r a t e d y i e l d s t r e n g t h o f 4 . 5 k s i m a t c h e d t h e y i e l d s t r e n g t h o f t h e A B S , i t

w a s a s s u m e d t h a t t h e s t r u c t u r e w a s o n e u n i f o r m p i e c e o f p l a s t i c f o r t h e r e s t o f o u r a n a l y s i s

a n d d e s i g n .

F i g u r e 1 5 : P i c t u r e o f r i b o u t l i n e

T h e i n i t i a l r i b d e s i g n i n c l u d e d t w o s p a r s . T h i s w o u l d r e q u i r e m o r e m a t e r i a l a n d w e i g h t

t h a n n e c e s s a r y . T h e n a l d e s i g n c o n s i s t e d o f a s i n g l e s p a r . S t r e s s a n a l y s i s w a s p e r f o r m e d o n

t h e s p a r t o e n s u r e m a t e r i a l f a i l u r e w o u l d n o t o c c u r .

4 S p a r A n a l y s i s

F i g u r e 1 6 : L o a d i n g o f w i n g s p a r .

N o t e s

A i s t h e f u s e l a g e , B i s t h e s t r u t , l(x) = 0.895 l b / i n , t h e w i n g s p a n e x t e n d i n g f r o m t h e f u s e l a g e i s 3 3 . 5 i n .

2 3


24/118

W i t h t h e d i s t r i b u t e d l o a d w e c a n b e g i n t o a n a l y z e t h e f o r c e s a n d s t r e s s e s i n t h e b e a m . F i g u r e

1 7 s h o w s t h e f r e e b o d y d i a g r a m o f t h e b e a m .

F i g u r e 1 7 : F r e e b o d y d i a g r a m .

T h e p r o b l e m w i t h t h i s i s t h a t t h e r e a r e f o u r u n k n o w n s a n d o n l y t h r e e e q u a t i o n s , s o i s

i n d e t e r m i n a t e . A q u i c k s i m p l i c a t i o n c a n b e m a d e . W e c a n a s s u m e p o i n t B i s p i n n e d , t h i s w a y MB = 0.

W r i t i n g t h e f o r c e a n d m o m e n t b a l a n c e e q u a t i o n s :

L Ay By = 0 ( 1 )

MA 9.25 By +33.5

2L = 0 ( 2 )

9.25 Ay + L

33.5

2 9.25

= 0 ( 3 )

S o l v i n g f o r t h e f o r c e s a n d m o m e n t s w e g e t

Ay = 24.324lbBy = 54.324lb

MA = 0.003lb in

F r o m t h i s w e c a n d r a w t h e s h e a r a n d m o m e n t d i a g r a m s i n o r d e r t o d e t e r m i n e t h e m a x i m u m

m o m e n t . F i g u r e s 1 8 a n d 1 9 s h o w t h e s h e a r a n d m o m e n t d i a g r a m r e s p e c t i v e l y .

2 4


25/118

F i g u r e 1 8 : S h e a r d i a g r a m .

F i g u r e 1 9 : M o m e n t d i a g r a m .

F r o m t h e m o m e n t d i a g r a m i t i s d e t e r m i n e d t h a t t h e m a x i m u m m o m e n t i n t h e w i n g s p a r

i s 263.3 lb

in.U s i n g E q u a t i o n 4 , t h e m a x i m u m b e n d i n g s t r e s s c a n b e c a l c u l a t e d .

xx =Mb

I( 4 )

w h e r e b a n d I a r e p r o p e r t i e s o f t h e c r o s s s e c t i o n o f t h e w i n g s p a r . A s s u m i n g t h e c r o s s s e c t i o n i s r e c t a n g u l a r , E q u a t i o n s 5 a n d 6 d e n e b a n d I.

b =y

2( 5 )

2 5


26/118

I =1

12xy3 ( 6 )

T h e o n l y d i m e n s i o n t h a t i s c o n s t r a i n e d i s t h e h e i g h t , i t m u s t e q u a l 1 i n . P l u g g i n g ( 4 )

a n d ( 5 ) i n t o ( 6 ) a n d s o l v i n g f o r x, E q u a t i o n 7 i s o b t a i n e d .

x = 6My2xx

( 7 )

M a n d y a r e k n o w n , t h e o n l y u n k n o w n i s xx . S i n c e a f a c t o r o f s a f e t y o f 2 i s d e s i r e d a n d t h e y i e l d s t r e n g t h o f t h e s p r u c e i s k n o w n , i t c a n b e f o u n d u s i n g E q u a t i o n 8 .

F.O.S. =yxx

( 8 )

T h e y i e l d s t r e n g t h o f t h e s p r u c e i s 4 2 0 0 p s i . T h i s m e a n s xx = 2100 p s i . P l u g g i n g a l l t h e s e v a l u e s i n t o ( 7 ) y i e l d s :

6

(263.3)

(1)2 2100 = 0.752inW h i c h c a n b e s i m p l i e d t o 0 . 7 5 i n .

T h i s g i v e s t h e o p t i m u m d i m e n s i o n s f o r t h e w i n g s p a r , 0 . 7 5 x 1 . 0 i n .

W i t h t h e n a l s p a r d e s i g n e d u s i n g s p r u c e , t h e c o n s t r u c t i o n o f t h e w i n g i t s e l f w a s s t a r t e d .

A s c r u c i a l a s t h e w i n g s p a r i s t o t h e s t r e n g t h o f t h e w i n g p l a n f o r m , t h e i n d i v i d u a l r i b s p r o v i d e

s o m e s t r u c t u r a l s u p p o r t b u t a l s o c r e a t e a n d f o r m t h e a i r f o i l s h a p e . T h e c r u c i a l d e s i g n f a c t o r

i n t h e r i b d e s i g n w a s d e t e r m i n i n g t h e l o a d i n g o n t h e w i n g i n o r d e r t o d e t e r m i n e t h e n u m b e r o f

r i b s a n d t h e s p a c i n g b e t w e e n e a c h s e t . T h i s m e a n s t h a t t h e r i b s w e r e a f u n c t i o n o f b e n d i n g

a n d s t r u c t u r a l r e q u i r e m e n t s . T h e s e f a c t o r s a l s o g o v e r n e d t h e r i b t h i c k n e s s a n d m a t e r i a l

n e e d e d t o c r e a t e a r o b u s t w i n g s t r u c t u r e .

5 S p a r t o F u s e l a g e C o n n e c t i o n B r a c e

A f t e r s o m e b r a i n s t o r m i n g a n o n - d e s t r u c t i v e m e t h o d o f x i n g t h e w i n g p l a n f o r m t o t h e f u s e -

l a g e w h i l e m a k i n g i t e a s i l y r e m o v a b l e . A C A D m o d e l o f t h e p a r t i s s h o w n i n F i g u r e 2 0 .

2 6


27/118

F i g u r e 2 0 : C o n n e c t i o n b r a c e .

T h e w i n g s p a r g o e s t h r o u g h t h e r e c t a n g u l a r c u t - o u t , a n d i t g e t s b o l t e d i n t o t h e s i d e s o f

t h e f u s e l a g e . M a n u f a c t u r i n g i s n o t a n i s s u e s i n c e i t c a n b e p r i n t e d o u t , t h e o n l y c o n c e r n

w i t h t h i s i s t h e p o s s i b l e f a i l u r e o f t h e f u s e l a g e . T h i s i s b e c a u s e b a l s a ( f u s e l a g e m a t e r i a l )

i s c o n s i d e r a b l y w e a k e r t h a n s p r u c e ( w i n g s p a r m a t e r i a l ) a n d t h e A B S ( c o n n e c t i o n b r a c e

m a t e r i a l ) . F o r t h i s r e a s o n a n a l y s i s h a s t o b e d o n e o n t h e f u s e l a g e .

T h e t e n s i l e s t r e n g t h o f o u r b a t c h o f b a l s a h a s t o b e d e t e r m i n e d r s t . T a b l e 1 s h o w s t h e

v a l u e s o f s e v e r a l p a r a m e t e r s b a s e d o n t h e d e n s i t y o f b a l s a .

T a b l e 1 : D e n s i t y , c o m p r e s s i v e a n d t e n s i l e s t r e n g t h , a n d e l a s t i c m o d u l u s .

F i r s t t h e d e n s i t y o u r b a t c h o f w o o d w a s d e t e r m i n e d . B y w e i g h i n g a 2 x 4 x 1 2 i n c h s a m p l e

a n d d i v i d i n g b y t h e v o l u m e i t w a s d e t e r m i n e d t o b e 1 0 4 . 8 8

kgm3

. T h e b a t c h o f w o o d i s s o m e -

w h e r e i n b e t w e e n l o w a n d m e d i u m d e n s i t y , w h i c h m e a n s t h e t e n s i l e s t r e n g t h i s s o m e w h e r e

a r o u n d 1 3 M P a .

2 7


28/118

A m o r e a c c u r a t e v a l u e w a s o b t a i n e d b y u s i n g i n t e r p o l a t i o n . T h i s i s s h o w n i n E q u a t i o n

1 .

19.9 7.6150 75 =

T 7.6104.88 75 ( 9 )

S o l v i n g f o r T

T = 12.5 MPa = 1813 psi

5 . 1 A n a l y s i s

I n t h e r s t a n a l y s i s t h e h o l e i n t h e f u s e l a g e s i d e w a l l w a s m o d e l e d a s a s t r e s s c o n c e n t r a t i o n .

A d i a g r a m o f t h i s i s s h o w n i n F i g u r e 2 1 .

F i g u r e 2 1 : D i a g r a m o f f u s e l a g e a n d m o u n t i n g h o l e .

F i r s t t h e a v e r a g e s t r e s s g e n e r a t e d i n t h e m e d i u m s u r r o u n d i n g t h e h o l e m u s t b e f o u n d .

T h i s w a s g i v e n b y E q u a t i o n 1 0 .

avg = F(w D)t ( 1 0 )

A c c o r d i n g t h e s t r e s s c o n c e n t r a t i o n c h a r t s f o r t h i s m o d e l , t h e c o n c e n t r a t i o n f a c t o r w o u l d b e

Kc = 3. P l u g g i n g t h i s i n , E q u a t i o n 1 1 w a s o b t a i n e d .

max = Kcavg =KcF

(w D)t ( 1 1 )

2 8


29/118

A f a c t o r o f s a f e t y o f a t l e a s t 4 w a s d e s i r e d . T h i s m e a n s t h a t max = T/4. N o w t h e o p t i m a l t h i c k n e s s o f t h e w a l l c a n b e s o l v e d f o r . T h i s w a s g i v e n i n E q u a t i o n 4 .

t =4KcF

(w D)T( 1 2 )

P l u g g i n g i n a l l t h e p a r a m e t e r s ( F = 24.324 l b , w = 4 i n , D = 0.25 i n ) a v a l u e f o r t h e w a l l t h i c k n e s s o f t = 0.0429 i n w a s o b t a i n e d .

5 . 2 D i s c u s s i o n

T h i s d o e s n o t s e e m t o b e c o r r e c t . A n i t e e l e m e n t a n a l y s i s o f t h e m o d e l w a s r u n i n P r o

E n g i n e e r t o t e s t t h e v a l i d i t y o f t h e a n a l y t i c a l r e s u l t s . F i g u r e 2 2 s h o w s t h e f r i n g e d i a g r a m

w i t h t h e c a l c u l a t e d t h i c k n e s s o f t = 0.0429 i n .

F i g u r e 2 2 : F r i n g e d i a g r a m f o r c a l c u l a t e d t h i c k n e s s .

A c c o r d i n g t o t h e F E A r e s u l t s t h e h i g h e s t s t r e s s i s 1 0 , 5 0 0 p s i . T h i s i s w a y b e y o n d t h e

t e n s i l e s t r e n g t h o f t h e b a l s a , s o t h e a n a l y s i s m u s t b e i n c o r r e c t .

S i n c e t h e c a l c u l a t e d o p t i m a l t h i c k n e s s i s w r o n g t h e a n a l y s i s m u s t b e d o n e a g a i n . I n s t e a d

t h e t h i c k n e s s w a s c h o s e n t o b e 0 . 7 5 i n . F i g u r e 2 3 s h o w s t h e f r i n g e d i a g r a m w i t h t h i s n e w

t h i c k n e s s .

2 9


30/118

F i g u r e 2 3 : F r i n g e d i a g r a m f o r

t = 0.75.

T h i s n e w t h i c k n e s s g i v e s a f a c t o r o f s a f e t y o f a b o u t 3 , w h i c h i s m u c h m o r e d e s i r a b l e .

S i n c e t h e p a r t w a s d e s i g n e d t o h a v e t w o h o l e s , a n F E A a n a l y s i s h a d t o b e d o n e w i t h t h a t

d e s i g n . F i g u r e 2 4 s h o w s t h e f r i n g e d i a g r a m .

F i g u r e 2 4 : F r i n g e d i a g r a m f o r t w o h o l e s .

T w o h o l e s g i v e s a n e v e n b e t t e r f a c t o r o f s a f e t y o f 4 .

6 R i b A n a l y s i s

N o w t h a t m a x i m u m s t r e s s a n d f a c t o r o f s a f e t y w e r e c o m p u t e d f o r t h e w i n g s p a r a s a s t a n -

d a l o n e s t r u c t u r e , a m o r e d e t a i l e d a n a l y s i s i s d e s i r e d t o a c c o u n t f o r t h e s t r u c t u r a l i n t e g r i t y

3 0


31/118

o f t h e A B S p l a s t i c r i b s .

R e p o r t N o . 8 2 : A i r p l a n e S t r e s s A n a l y s i s b y t h e N a t i o n a l A d v i s o r y C o m m i t t e e F o r

A e r o n a u t i c s d i s c u s s e s d e s i g n c o n s i d e r a t i o n s f o r a i r c r a f t w i t h r i b a n d s p a r s t r u c t u r e s w r a p p e d

w i t h a f a b r i c s k i n , s i m i l a r t h e c u r r e n t d e s i g n . R e p o r t N o . 8 2 s t a t e s T h e u s u a l a i r p l a n e r i b

m a y b e c o n s i d e r e d a s a b e a m s u p p o r t e d a t t w o p o i n t s ( a t t h e s p a r s ) a n d s u s t a i n i n g t h e a i r

f o r c e o n a l l t h e f a b r i c l y i n g n e a r e r t o i t s e l f t h a n t o t h e n e i g h b o r i n g r i b s . . . T h e r u n n i n g l o a d

o n t h e r i b i s n o t s u c i e n t l y u n i f o r m t o m a k e a p p l i c a b l e t h e o r d i n a r y f o r m u l a s f o r u n i f o r m l y

l o a d e d b e a m s . F o r a p p r o x i m a t e t r e a t m e n t w e m a y d i v i d e t h e r i b i n t o t h r e e p a r t s , t h e s e g m e n t

b e t w e e n t h e s p a r s , t h e f r o n t s e g m e n t , a n d t h e r e a r s e g m e n t , a n d c o n s i d e r t h e t o t a l r u n n i n g

l o a d o n e a c h s e g m e n t a s a c o n c e n t r a t e d l o a d .

F i g u r e 2 5 : C o m p a r i s o n o f s h e a r / m o m e n t d u e t o c o m p l e x l o a d i n g v e r s u s s h e a r / m o m e n t d u e

t o p o i n t f o r c e l o a d a p p r o x i m a t i o n .

N o t e t h a t t h e a i r c r a f t f e a t u r e s a s i n g l e - s p a r d e s i g n . T h e r e f o r e o n l y a t w o f o r c e p o i n t l o a d

a p p r o x i m a t i o n i s n e c e s s a r y . F i g u r e 2 5 f r o m N A C A R e p o r t 8 2 , s h o w s t h a t t h e m a x i m u m s h e a r

f o r c e s f o u n d t h r o u g h t h e g u r e ' s s i m p l i c a t i o n a r e n e a r l y i d e n t i c a l t o t h e f o r c e s f o u n d b y

l a b o r i o u s p l o t t i n g o f t h e l o a d i n g d u e t o p r e s s u r e a n d s u b s e q u e n t i n t e g r a t i o n . F o r t h e p u r p o s e

o f d e t e r m i n i n g m a x s h e a r f o r c e , t h i s s i m p l i c a t i o n i s v a l i d . B e c a u s e t h e w i n g p l a n f o r m i s

3 1


32/118

r e c t a n g u l a r , s o m e a s s u m p t i o n s c a n b e m a d e . I t c a n b e a s s u m e d t h a t t o r s i o n o n t h e s p a r

g e n e r a t e d b y t h e r i b i s n e g l i g i b l e , a s t h e m e a n a e r o d y n a m i c c e n t e r i s c o n s i s t e n t l y i n l i n e w i t h

t h e s p a r a l o n g t h e e n t i r e l e n g t h o f t h e w i n g . I t i s a l s o a s s u m e d t h a t e a c h r i b u n d e r g o e s t h e

s a m e s t r e s s a s a l l o f t h e o t h e r r i b s i n t h e s t r u c t u r e , s i n c e t h e r e i s e v e n r i b s p a c i n g .

I n o r d e r t o d e t e r m i n e t h e s e f o r c e a p p r o x i m a t i o n s , w e m u s t r s t d e t e r m i n e t h e a p p r o p r i a t e

v a l u e s t o u s e f o r o u r p o i n t a i r f o r c e l o a d s , a s w e l l a s t h e l o c a t i o n o f t h e p o i n t l o a d s a l o n g t h e

c h o r d . E q u a t i o n 1 3 , a s d e r i v e d f r o m J o h n D . A n d e r s o n ' s I n t r o d u c t i o n T o F l i g h t , s h o w s t h a t

t h e i n t e g r a t i o n o f p r e s s u r e c o e c i e n t s a l o n g t h e c h o r d y i e l d s a n o v e r a l l c o e c i e n t o f n o r m a l

f o r c e t o t h e r i b s e c t i o n . N o t e t h a t w e a r e n o t i n t e r e s t e d i n l i f t f o r c e , b u t r a t h e r t h e a c t u a l

n o r m a l f o r c e a c t i n g u p o n t h e r i b . T h i s s i m p l i e s o u r c a s e f u r t h e r ; t h e a n g l e o f i n c i d e n c e

b e t w e e n n o r m a l f o r c e a n d l i f t f o r c e o n t h e w i n g s e c t i o n i s n e g l i g i b l e .

cn =1

c

c

0

(Cp,l Cp,u) dx ( 1 3 )

A b e n e t a r i s i n g f r o m E q u a t i o n 1 3 i s t h a t t h e s a m e r e s u l t i s o b t a i n e d b y o b s e r v i n g a c h a r t

o f t a b u l a t e d c o e c i e n t s o f p r e s s u r e a c r o s s t h e c h o r d , a n d t a k i n g t h e a r e a u n d e r n e a t h t h e

c u r v e . T h e s e c o e c i e n t s a r e t h e n r e s o l v e d t o t h e n o r m a l f o r c e b y E q u a t i o n 1 4 , a l s o f r o m

A n d e r s o n ' s I n t r o d u c t i o n T o F l i g h t .

cn =N

qS( 1 4 )

W h e r e N i s t h e r e s u l t i n g n o r m a l f o r c e , S i s t h e p l a n f o r m a r e a , a n d q i s t h e d y n a m i c p r e s s u r e . S u b s t i t u t i n g t h e d y n a m i c p r e s s u r e e q u a t i o n a n d r e - a r r a n g i n g E q u a t i o n 1 5 , w e

n d :

cn

1

2V2

S= N ( 1 5 )

S i n c e S i s t h e p l a n f o r m a r e a , a n d w e s e e k t o i t e r a t e v a r i o u s r i b s p a c i n g s , w e b r e a k S u p i n t o i t s d i m e n s i o n a l c o m p o n e n t s .

S= lx ( 1 6 )

W h e r e x i s t h e c h o r d w i s e l e n g t h t o r e p r e s e n t t h e t w o s e c t i o n s w h e r e o u r p o i n t l o a d s a c t u p o n . S i n c e t h e s p a r a c t s a t c = 0.25, 3 i n c h e s f r o m t h e l e a d i n g e d g e , t h e t w o v a l u e s o f xw i l l b e 3 a n d 9 i n c h e s , r e s p e c t i v e l y . l i s o f s p e c i a l n o t e i n t h i s c a s e , a s i t i s t h e v a l u e w h i c h i s i t e r a t e d t o d e t e r m i n e a d e q u a t e r i b s p a c i n g . T h e s e v a l u e s a r e i l l u s t r a t e d i n F i g u r e 2 6 . T h e

f e w e r r i b s u t i l i z e d , t h e g r e a t e r t h e v a l u e o f l , a n d t h u s t h e g r e a t e r w i n g a r e a t o b e " h a n d l e d " b y e a c h r i b . T h i s i n t u r n w i l l g e n e r a t e a l a r g e r s h e a r i n g f o r c e i n t h e r i b .

3 2


33/118

F i g u r e 2 6 : T o p v i e w o f w i n g s e c t i o n , w i t h s i z i n g d i m e n s i o n s .

T o a c c o u n t f o r d y n a m i c p r e s s u r e , s t a n d a r d v a l u e o f d e n s i t y i s u s e d ( = 0.00238 lbft3

) .W e w a n t t o d e t e r m i n e a w o r s t c a s e s c e n a r i o , s o w e a s s u m e a m a x i m u m r e l a t i v e a i r s p e e d o f

V = 45 m p h , o r 6 6 f t / s , f o r t h e c a l c u l a t i o n s . T h u s , d y n a m i c p r e s s u r e i s f o u n d t o b e 0 . 0 3 5 p s i . L a s t l y , w e n e e d t o d e t e r m i n e t h e e x a c t v a l u e s o f Cn1 a n d Cn2 .

T h e p l o t o f t h e p r e s s u r e c o e c i e n t s a c r o s s a c h o r d i s e n t i r e l y d e p e n d e n t o n t h e a n g l e o f

a t t a c k a n d t h e s h a p e o f t h e a i r f o i l . F i g u r e 3 s h o w s d a t a t a k e n f r o m J o h n T . L o w r y ' s P e r f o r -

m a n c e O f L i g h t A i r c r a f t . T h i s d a t a w a s o b t a i n e d f r o m a N A C A 4 4 1 2 a i r f o i l a t a n 8 d e g r e e

a n g l e o f a t t a c k . H o w e v e r , w i t h i n t h e t e x t o f t h i s r e f e r e n c e , L o w r y s t a t e s t h a t t h e m a x i m u m

p r e s s u r e v a l u e s a r e s i g n i c a n t l y d i m i n i s h e d f r o m r e a l - w o r l d v a l u e s , s o a n o t h e r s o u r c e w a s

c o n s u l t e d . V a l u e s w e r e c h a n g e d i n t h e p r e s s u r e p l o t s i m p l i c a t i o n t o m o r e c l o s e l y a p p r o x i -

m a t e t h a t o f B a y l o r U n i v e r s i t y ' s A e r o d y n a m i c C h a r a c t e r i s t i c s o f a N A C A 4 4 1 2 A i r f o i l s t u d y .

T h e s t u d y w a s d o n e u n d e r t h e s a m e a n g l e o f a t t a c k , a n d i s t h e r e f o r e v a l i d t o i n c l u d e i n t h e

p l o t . T h e CP u p p e r a n d l o w e r d i e r e n c e s w e r e p l o t t e d a l o n g c h o r d l e n g t h i n M A T L A B t o c o n s t r u c t F i g u r e 2 7 .

3 3


34/118

F i g u r e 2 7 : S i m p l i e d c h a r t o f p r e s s u r e v a l u e s , s h o w i n g c u r v e a r e a s u s e d t o c a l c u l a t e Cn1 a n dCn2 .

U s i n g M A T L A B , t h e c u r v e i n F i g u r e 2 7 w a s i n t e g r a t e d f o r t h e a r e a i n f r o n t o f t h e s p a r

a n d t h e a r e a b e h i n d t h e s p a r , y i e l d i n g C n 1 a n d C n 2 . C n 1 w a s f o u n d t o e q u a l 0 . 5 4 0 3 , a n d

C n 2 w a s f o u n d t o e q u a l 0 . 4 8 0 8 . T h e f o r c e l o c a t i o n s w e r e d e t e r m i n e d b y a p p r o x i m a t i n g t h e

r e a r p r e s s u r e p l o t a s a t r i a n g u l a r l o a d , a n d t h e n r e s o l v i n g t h e f o r w a r d p r e s s u r e p l o t ' s p o s i t i o n

b y s u m m i n g m o m e n t s a b o u t t h e s p a r .

F r o m t h i s d a t a , w e c a n c o n c l u d e t h a t a r i b s p a c i n g o f 3 . 5 i n . i s a d e q u a t e t o p r e v e n t

m a t e r i a l f a i l u r e o f t h e A B S p l a s t i c r i b s u n d e r m a x i m u m p r e d i c t e d a i r f o r c e l o a d . F r o m

a s t a n d p o i n t o f r i b f a i l u r e , t h e r i b s c o u l d b e e x t e n d e d t o 5 i n c h e s a p a r t a n d s t i l l i n c u r

a c c e p t a b l e l e v e l s o f s h e a r s t r e s s . T h e s p a r s t r e n g t h i s h i g h e n o u g h t h a t r i b s p a c i n g i s n o t a

f a c t o r i n t h i s c a s e . R a t h e r , i t i s t h e m a t e r i a l f a i l u r e o f M o n o K o t e t h a t i s a e c t e d m o s t b y r i b

s p a c i n g . T h i s a n a l y s i s i s o u t s i d e t h e s c o p e o f t h e p r o j e c t . T h e c h o i c e o f A B S p l a s t i c r e m a i n s

o n e o f c o n v e n i e n c e ( A B S p l a s t i c c a n b e q u i c k l y 3 D p r i n t e d ; c a r v i n g t h e a i r f o i l s h a p e o u t o f

b a l s a i s a l a b o r i o u s p r o c e s s . )

I t w a s d e t e r m i n e d f r o m h a n d c a l c u l a t i o n s t h a t t h e w e a k e s t p a r t o f t h e r i b w o u l d e x p e r i -

e n c e a m a x i m u m s h e a r s t r e s s o f 1 6 . 9 p s i f o r 3 . 5 i n s p a c i n g , a n d a m a x i m u m s h e a r o f 2 9 . 0 3

p s i f o r 5 i n s p a c i n g . B o t h v a l u e s f a l l w e l l b e l o w t h e m a x i m u m s h e a r o f A B S p l a s t i c , 5 , 8 0 0

p s i .

3 4


35/118

7 A i l e r o n C o n s t r u c t i o n

B a s e d o n t h e d e s i g n p a r a m e t e r s , t h e n a l a i l e r o n s w e r e s i z e d t o 1 5 . 8 7 5 i n c h e s i n l e n g t h a n d

4 i n c h e s i n w i d t h . U s i n g P r o - E n g i n e e r , a t r u s s - s t r u c t u r e w a s c r e a t e d f o r t h e a i l e r o n a n d

w a s o p t i m i z e d t o r e d u c e w e i g h t a n d p r i n t m o r e e c i e n t l y . E a c h i n d i v i d u a l a i l e r o n r i b w a s

a t t a c h e d t o t h r e e m i n i a t u r e s p a r s u s i n g e p o x y . T h e n a l d e s i g n c a n b e s e e n b e l o w i n F i g u r e

2 8 .

F i g u r e 2 8 : F i n a l a i l e r o n d e s i g n .

I n o r d e r t o m i n i m i z e t h e w e i g h t , t h e a i l e r o n s w e r e c o v e r e d i n t h e r m o p l a s t i c . R a t h e r t h a n

m o u n t i n g t h e a i l e r o n s e r v o s o n t h e w i n g s , a l i g h t w e i g h t o a k s h a f t w a s c h o s e n . T h i s w o u l d

t u r n t h e a i l e r o n s f r o m i n s i d e t h e f u s e l a g e . R a t h e r t h a n b e i n g a p e r f e c t c i r c l e , t h e a i l e r o n r i b

s h a f t h o l e w a s s q u a r e d o t o p r e s s t t o t h e s h a f t . S p e c i a l r i b s c o n n e c t e d t o t h e f u l l a i l e r o n s

w e r e a l s o p l a c e d i n t h e a d j a c e n t c e n t e r r i b s i n o r d e r t o r e d u c e t h e b e n d i n g m o m e n t o f t h e

a i l e r o n s h a f t . A p i c t u r e o f t h e a i l e r o n r i b a s s e m b l y c a n b e s e e n b e l o w i n F i g u r e 2 9 .

3 5


36/118

F i g u r e 2 9 : A i l e r o n r i b a s s e m b l y .

A f t e r c o m p l e t i n g t h e a i l e r o n s i t w a s t h e n p o s s i b l e t o c o m p l e t e t h e c o n s t r u c t i o n o f t h e

w i n g . T h e w i n g w a s c o n s t r u c t e d b y s l i d i n g e a c h i n d i v i d u a l p r i n t e d r i b o n t o t h e s p a r a n d

e p o x y i n g t h e m i n t o p l a c e . A f t e r f a s t e n i n g t h e r i b s t o t h e s p a r i t w a s t h e n p o s s i b l e t o a t t a c h

e a c h o f t h e t w o a i l e r o n a s s e m b l i e s a n d t h e w i n g s t r u t s , t h e r e b y c o m p l e t i n g t h e w i n g s ' s k e l e t a l

s t r u c t u r e . T h e e n t i r e w i n g w a s t h e n c o v e r e d u s i n g M o n o K o t e . T h e p l a s t i c w a s h e a t e d u s i n g

a n i r o n a l l o w i n g i t t o a d h e r e t o e a c h r i b . L a s t l y , a h e a t g u n w a s a p p l i e d t o t h e M o n o K o t e ,

a l l o w i n g i t t o s h r i n k a n d h a r d e n t o t h e s h a p e o f t h e N A C A 4 4 1 2 a i r f o i l .

3 6


37/118

P a r t V

T a i l

8 R e s e a r c h

T h e t a i l d e s i g n w a s c h o s e n f r o m f o u r p o s s i b l e s o l u t i o n s . T h e f o u r c h o i c e s w e r e a c o n v e n t i o n a l ,

t w i n , t - t a i l , a n d v - t a i l .

F i g u r e 3 0 : T a i l s h a p e .

T h e v a r i o u s t a i l d e s i g n s w e r e e v a l u a t e d b a s e d u p o n t h e f o l l o w i n g c r i t e r i a : E a s e o f b u i l d ,

b u i l d c o s t , c o n t r i b u t i o n t o a i r p l a n e m a n e u v e r a b i l i t y , w e i g h t , p r o l e d r a g o n t a i l , a n d i n h e r e n t

s t r e n g t h o f d e s i g n . A P a h l & B e i t z e v a l u a t i o n i s i n c l u d e d i n A p p e n d i x B . I n t h i s e v a l u a t i o n ,

t h e c o n v e n t i o n a l t a i l d e s i g n p r o v e d t o b e i d e a l , p r i m a r i l y d u e t o e a s e o f m a n u f a c t u r i n g .

A d d i t i o n a l l y , t h e c o n v e n t i o n a l t a i l f a r e d e q u a l o r b e t t e r i n a l l o t h e r c r i t e r i a w i t h t h e e x c e p t i o n

o f p r o l e d r a g , i n w h i c h t h e V - T a i l f a r e d b e t t e r . H o w e v e r , i t w a s d e c i d e d t h a t t h e d r a g b e n e t

o f t h e V - T a i l w a s n o t w o r t h t h e t r a d e o i n t e r m s o f s t r e n g t h o r d e s i g n c o m p l e x i t y . T h e r e f o r e ,

a c o n v e n t i o n a l t a i l w a s p i c k e d f o r o u r p l a n e .

A c o n v e n t i o n a l t a i l i s m a d e u p o f t w o p a r t s , t h e h o r i z o n t a l a n d v e r t i c a l s t a b i l i z e r s . T h e

h o r i z o n t a l s t a b i l i z e r i n c l u d e s a n e l e v a t o r w h i c h g e n e r a t e s a p i t c h i n g m o m e n t o n t h e a i r c r a f t .

T h e p i t c h i n a n a i r c r a f t i s t h e m o v e m e n t o f t h e p l a n e s n o s e i n t h e v e r t i c a l d i r e c t i o n . T h e

v e r t i c a l s t a b i l i z e r i n c l u d e s t h e r u d d e r , w h i c h i s t h e p a r t o f t h e p l a n e t h a t c o n t r o l s t h e y a w .

Y a w i s t h e m o v e m e n t o f t h e p l a n e i n a h o r i z o n t a l m o t i o n d u r i n g i g h t .

N A C A 0 0 0 9 w a s c h o s e n a s t h e a i r f o i l s e c t i o n f o r b o t h t h e h o r i z o n t a l a n d v e r t i c a l s t a b i l i z -

e r s . S i n c e t h e p r i m a r y f u n c t i o n o f t h e h o r i z o n t a l a n d v e r t i c a l s t a b i l i z e r s i s t o p r o v i d e c o n t r o l

a n d s t a b i l i t y r a t h e r t h a n p r o v i d e a m a i n s o u r c e o f l i f t f o r t h e a i r c r a f t , i t w a s n o t d e e m e d

n e c e s s a r y t o c h o o s e a c a m b e r e d a i r f o i l w i t h h i g h l i f t c h a r a c t e r i s t i c s . A s y m m e t r i c a l a i r f o i l

p r o v e d t o b e m o r e d e s i r a b l e , a s t h e a i r f o i l s h o u l d p r o v i d e e q u a l l i f t i n b o t h d i r e c t i o n s n o r m a l

t o t h e c o n t r o l s u r f a c e , s o t h a t t h e p l a n e i s e q u a l l y e e c t i v e a t p i t c h i n g u p a n d d o w n u s i n g

t h e e l e v a t o r , a n d y a w i n g l e f t a n d r i g h t u s i n g t h e r u d d e r . T o a d d r e s s w e i g h t c o n c e r n s , i t w a s

d e t e r m i n e d t h a t t h e s t a b i l i z e r s u r f a c e s w o u l d b e c r e a t e d e n t i r e l y f r o m s o l i d b a l s a . F o r t h i s

r e a s o n , i t w a s d e c i d e d t h a t a n e a s i l y m a n u f a c t u r a b l e a i r f o i l s e c t i o n w o u l d b e c h o s e n . N A C A

0 0 0 9 i s a l s o a w i d e l y u s e d t a i l a i r f o i l s e c t i o n i n h i g h w i n g a i r c r a f t , s u c h a s t h e C e s s n a 1 7 2 .

F o r e a s e o f m a n u f a c t u r i n g , i t w a s d e t e r m i n e d t h a t f o r t h e r e l a t i v e l y l o w s p e e d s t h e a i r c r a f t

i s o p e r a t i n g a t , a d i e r e n t v e r t i c a l s t a b i l i z e r a i r f o i l s e c t i o n w a s n o t n e c e s s a r y . T h e a i r p l a n e

r e q u i r e s a s y m m e t r i c a l a i r f o i l w i t h a h i g h l i f t c u r v e s l o p e . T h e N A C A 0 0 0 9 a i r f o i l s a t i s e s

t h e s e r e q u i r e m e n t s .

3 7


38/118

9 H o r i z o n t a l S t a b i l i z e r S i z i n g

T h e p r e l i m i n a r y h o r i z o n t a l s t a b i l i z e r s u r f a c e a r e a w a s d e r i v e d f r o m a r u l e - o f - t h u m b r a t i o ; 2 5

p e r c e n t o f t h e w i n g ' s s u r f a c e a r e a . T h i s w a s c a l c u l a t e d t o b e 2 1 6 i n

2. W i t h t h i s c a l c u l a t i o n ,

a n o v e r a l l w i d t h o f 2 4 i n a n d a c h o r d l e n g t h o f 9 i n w a s c h o s e n . D u e t o t h e n a t u r e o f a

c o n v e n t i o n a l t a i l d e s i g n , s o m e h o r i z o n t a l s u r f a c e a r e a i s l o s t t o t h e f u s e l a g e c o n n e c t i o n

p o i n t b e t w e e n t h e h o r i z o n t a l a n d v e r t i c a l s t a b i l i z e r . E s t i m a t i n g t h e f u s e l a g e c o n n e c t i o n t o

m a k e u p 2 2 . 5 i n

2o f t h e o r i g i n a l h o r i z o n t a l s t a b i l i z e r a r e a , t h e e e c t i v e s u r f a c e a r e a o f t h e

h o r i z o n t a l s t a b i l i z e r w a s f o u n d t o b e 1 9 3 . 5 i n

2. F o r e a s e o f m a n u f a c t u r i n g a n d a n a l y s i s , t h e

h o r i z o n t a l s t a b i l i z e r w a s n o t d e s i g n e d w i t h a s w e e p o r a t a p e r .

T h e p r e l i m i n a r y e l e v a t o r s i z i n g w a s a l s o r s t d e t e r m i n e d b y a r u l e - o f - t h u m b r a t i o ; 2 5

p e r c e n t o f t h e h o r i z o n t a l s t a b i l i z e r s u r f a c e a r e a . F r o m t h i s r a t i o , a s u r f a c e a r e a o f 5 4 i n

2w a s

c a l c u l a t e d . T h e d e s i g n f o r t h e p l a c e m e n t o f t h e e l e v a t o r w a s d e t e r m i n e d b y c r e a t i n g t w o

s e p a r a t e e l e v a t o r s , o n e o n e a c h s i d e , e a c h w i t h a s u r f a c e a r e a o f 2 7 i n

2. T h e s p a n o f e a c h

e l e v a t o r w a s d e t e r m i n e d t o b e 9 i n w i t h a c h o r d l e n g t h o f 3 i n .

I t w a s s t r o n g l y d e s i r e d t o d e t e r m i n e t h e e e c t i v e n e s s o f t h e s e c h o s e n d e s i g n p a r a m e t e r s

e a r l y o n i n t h e d e s i g n p r o c e s s . T o g a i n i n s i g h t i n t o t h e h o r i z o n t a l s t a b i l i z e r c o n t r i b u t i o n

t o t h e a i r c r a f t ' s l o n g i t u d i n a l s t a b i l i t y , a n o n - d i m e n s i o n a l v a l u e k n o w n a s t h e h o r i z o n t a l t a i l

v o l u m e c o e c i e n t , Vh w a s e m p l o y e d . ( S a d r a e y 3 2 0 ) T h i s v a l u e i s a n i n d i c a t o r o f t h e h a n d l i n g q u a l i t i e s o f t h e t a i l . F o r h i g h v a l u e s o f Vh t h e a i r c r a f t i s m o r e l o n g i t u d i n a l l y s t a b l e a n d l e s s l o n g i t u d i n a l l y m a n e u v e r a b l e . F o r l o w v a l u e s o f Vh , t h e a i r c r a f t i s l e s s l o n g i t u d i n a l l y s t a b l e a n d m o r e l o n g i t u d i n a l l y m a n e u v e r a b l e . F o r e x a m p l e , a h i g h - w i n g , e a s y t o y t r a i n e r a i r c r a f t

s u c h a s t h e C e s s n a 1 7 2 h a s a Vh o f 0 . 7 6 , w h i l e a h i g h l y m a n e u v e r a b l e g h t e r a i r c r a f t s u c h a s t h e E u r o g h t e r 2 0 0 0 h a s a Vh o f 0 . 0 6 3 . M a n y t r a n s p o r t p l a n e s w h i c h r e q u i r e v e r y h i g h s t a b i l i t y e m p l o y Vh v a l u e s i n e x c e s s o f 1 . 0 . E q u a t i o n 1 7 d e s c r i b e s Vh i n t e r m s o f s e v e r a l w i n g s i z i n g p a r a m e t e r s .

Vh =ShlhSwC

( 1 7 )

W h e r e Sh i s t h e h o r i z o n t a l t a i l a r e a

193.5 i n 2

, lh i s t h e o p t i m u m h o r i z o n t a l t a i l a r m ( 3 5

i n ) , Sw i s t h e s u r f a c e a r e a o f t h e w i n g

864 i n 2

, a n d C i s t h e m e a n c h o r d o f t h e w i n g ( 1 2

i n ) .

A f t e r r e s e a r c h i n g t h e v a l u e s o f Vh f o u n d i n a v a r i e t y o f a i r c r a f t , a v a l u e o f 0 . 6 5 w a s d e t e r m i n e d a s t h e d e s i g n Vh . T h i s w a s d e e m e d t o b e w e l l i n t h e a c c e p t a b l e r a n g e g i v e n t h e d e s i g n g o a l s , a n d t h i s v a l u e g i v e s t h e a i r c r a f t a l o n g i t u d i n a l m a n e u v e r a b i l i t y - t o - s t a b i l i t y r a t i o

s i m i l a r t o t h a t o f a l i g h t t r a n s p o r t a i r c r a f t , s u c h a s t h e P i p e r P A - 4 6 M i r a g e . T h e Vh s a t i s e s t h e s t a b i l i t y r e q u i r e m e n t s d e s i r e d f o r s a f e t a k e o a n d l a n d i n g , y e t a l l o w s f o r s a t i s f a c t o r y p i t c h

m a n e u v e r a b i l i t y d u r i n g c l i m b s , d e s c e n t s , a n d t u r n s , t a k i n g i n t o c o n s i d e r a t i o n t h e p r i m a r y

f u n c t i o n o f t h e a i r c r a f t : c a r r y i n g a p a y l o a d i n a w h i l s t m a i n t a i n i n g e n o u g h m a n e u v e r a b i l i t y

t o n a v i g a t e a r o u n d t h e S A E a i r e l d .

3 8


39/118

1 0 O p t i m u m H o r i z o n t a l T a i l M o m e n t A r m

A f t e r s i z i n g p a r a m e t e r s a n d Vh w e r e d e t e r m i n e d f o r t h e h o r i z o n t a l t a i l s t a b i l i z e r , a n o p t i - m u m t a i l m o m e n t a r m w a s c a l c u l a t e d . A l l t a i l c a l c u l a t i o n s w e r e s o u r c e d f r o m M o h a m m a d

S a d r a e y ' s A i r c r a f t D e s i g n : A S y s t e m s E n g i n e e r i n g A p p r o a c h . W h i l e v i r t u a l l y a n y l e n g t h c a n

b e c h o s e n f o r t h e t a i l a r m g i v e n t h e a p p r o p r i a t e t a i l s i z i n g , i t i s d e s i r e d t h a t t h e f u s e l a g e

d r a g a n d w e i g h t a r e m i n i m i z e d f o r b e s t a i r c r a f t p e r f o r m a n c e . T h u s , a m o m e n t a r m l e n g t h i s

d e s i r e d i n w h i c h t h e a r m i s s u c i e n t t o b a l a n c e t h e l i f t d u e t o t h e w i n g a n d t h e h o r i z o n t a l

s t a b i l i z e r , b u t n o g r e a t e r t h a t u n n e c e s s a r y d r a g a n d w e i g h t i s c r e a t e d .

D r a g i s p r o p o r t i o n a l t o t h e w e t t e d a r e a o f a n y s u r f a c e s t h a t e x p e r i e n c e a i r o w . E q u a t i o n

1 1 i n A p p e n d i x B e s t a b l i s h e s t h a t t h e a f t w e t t e d a r e a o f t h e p l a n e t o b e d e t e r m i n e d i s t h e

s u m o f t h e a f t f u s e l a g e a r e a a n d t h e t o t a l h o r i z o n t a l s t a b i l i z e r a r e a . E q u a t i o n 1 2 i n A p p e n d i x

B i s a c l o s e a p p r o x i m a t i o n f o r t h e w e t t e d a r e a o f t h e a f t f u s e l a g e , w h i c h i s d e p e n d e n t u p o n

t h e f u s e l a g e g e o m e t r y . S i n c e o u r f u s e l a g e i s r e c t a n g u l a r , a s i m p l e s u r f a c e a r e a c a l c u l a t i o n

i s a l l t h a t i s r e q u i r e d . I n t h i s c a l c u l a t i o n , Pfus i s t h e p e r i m e t e r o f t h e f u s e l a g e , w h i c h i s 2 0 i n . Lf i s l e n g t h o f t h e f u s e l a g e t o b e d e t e r m i n e d . E q u a t i o n 1 7 i n A p p e n d i x B g i v e s t h e o p t i m u m m o m e n t a r m f o r t h e a i r c r a f t i n t h e i n t e r e s t o f d r a g a n d w e i g h t r e d u c t i o n . I n

t h i s n a l c a l c u l a t i o n , K c i s a f a c t o r t h a t c o m p e n s a t e s f o r t h e i n a c c u r a c y o f t h e f u s e l a g e

a p p r o x i m a t i o n a s a c o n i c a l s h a p e . I n s m a l l , a i r c r a f t t h a t h a v e m o s t l y c o n i c a l f u s e l a g e s , s u c h

a s t h e C e s s n a 1 7 2 , K w o u l d b e c l o s e t o 1 . 1 , w h e r e a s f o r l a r g e t r a n s p o r t a i r c r a f t w i t h m o r e

s q u a r e f u s e l a g e s , K w o u l d b e c l o s e t o 1 . 4 . A h i g h K r e p r e s e n t s a h i g h f u s e l a g e d e v i a t i o n f r o m

a c o n i c a l s h a p e . S i n c e t h e f u s e l a g e i s t a p e r e d , b u t r e c t a n g u l a r , a h i g h v a l u e o f K w a s c h o s e n .

T h e d e s i g n K = 1 . 4 . A s a r e s u l t , t h e o p t i m u m t a i l m o m e n t a r m o f 3 5 i n w a s d e t e r m i n e d .

1 1 H o r i z o n t a l T a i l I n c i d e n c e

T h e l a s t f a c t o r t o b e d e t e r m i n e d w a s t h e a n g l e a t w h i c h t h e h o r i z o n t a l t a i l i s p l a c e d r e l a t i v e

t o t h e l o n g i t u d i n a l a x i s o f t h e a i r c r a f t . A s d e t e r m i n e d b y o u r f u s e l a g e d e s i g n , t h e d e s i g n

C G i s s l i g h t l y f o r w a r d o f t h e m e a n a e r o d y n a m i c c e n t e r o f l i f t f o r t h e w i n g . T h i s r e s u l t s

i n a n a i r c r a f t t h a t h a s i n h e r e n t s t a b i l i t y b y d e s i g n , r a t h e r t h a n a p l a n

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