Riassunto analitico
L’obiettivo di questa tesi è il progetto aerodinamico di un drone volante ad ala fissa capace di decollo e
atterraggio verticale.
In questo lavoro è spiegato ogni passo dello sviluppo di tale piattaforma partendo dai requisiti iniziali di
progetto fino al modello finito pronto per essere costruito e volare.
La scelta di avere un drone capace di decollo verticale deriva direttamente dallo scopo finale per cui questo
velivolo è stato progettato. Questo infatti è stato concepito come piattaforma di ricerca e sviluppo per
differenti applicazioni utilizzando un box rimovibile per la strumentazione.
Inoltre questo drone è stato pensato per essere utilizzato da utenti che non abbiamo necessariamente
esperienza nel pilotaggio di aeromodelli. La soluzione è quindi di rendere la macchina completamente
automatica così da essere utilizzabile da chiunque. Per queste ragioni torna utile la configurazione per il
decollo e atterraggio verticale.
Non esistono tuttavia molti droni o aerei dotati di tale configurazione. La ragione è che da un punto di vista
aerodinamico e meccanico il decollo verticale su un aereo ad ala fissa è un obiettivo difficile da raggiungere.
Dopo un lavoro di ricerca delle attuali tecnologie applicate, progetti esistenti e attraverso vari
brainstorming è stato scelto un design di riferimento da cui partire per lo sviluppo.
Lo sviluppo comprende una serie di step che partono dal sistema di propulsione alla definizione geometrica
delle ali (apertura alare, taper ratio, geometric twist, angolo del root etc.), la selezione dell’airfoil, il
progetto delle code verticale e orizzontale concludendo con una analisi di stabilità con obiettivo il corretto
posizionamento del centro di massa.
Durante il periodo di ricerca sono stati sviluppati numerosi modelli, ognuno analizzato con una spiegazione
di pro e contro. Dal primo schizzo fino al modello finale è possibile vedere l’evoluzione del modello e le
molteplici considerazioni fatte. Alla fine è stato eletto il modello “5.0c” tra i vari sviluppati poiché risultava
essere il più aerodinamicamente soddisfacente.
Prima di procedere alla costruzione del modello in scala reale, per validare i calcoli teorici su cui si basava la
geometria finale, si sono effettuate simulazioni CFD e test in galleria del vento.
La quasi totalità delle simulazioni sono state eseguite in condizioni stazionarie (steady state) per ottenere il
valore di portanza, resistenza e momento di beccheggio. Le rimanenti sono state eseguite in transitorio per
visualizzare e monitorare l’evoluzione dei vortici e le possibili influenze di tali oscillazioni sui valori di forze e
momenti.
Per terminare è stato costruito un modello in scala 1:8, ottenuto tramite stampa 3D, per test in galleria del
vento con obiettivo la validazione del modello CFD.
Ovviamente rimangono tanti gli aspetti di sviluppo e ottimizzazione del modello che però, per motivi di
budget o di tempo non è stato possibile intraprendere. Un breve capitolo è dedicato all’elenco dei possibili
sviluppi che su cui si sarebbe potuto lavorare se vi fosse stato più tempo.
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Abstract
The objective of this thesis is to design an UAV capable of vertical taking off and landing (VTOL)
from an aerodynamic point of view.
Starting from a requirement sheet, throughout this thesis it is explained step by step how to make
the right choices that will end up in having a design that is possible to build and fly.
A VTOL UAV was chosen to be developed mainly due to the purpose of the UAV itself. In fact it is
meant to be a research platform that can be deployed in many different tasks through a removable
and customized sensor box. Thus it will be used by many different people most of which has no
idea what flying an UAV is. The solution is to make a completely automatic machine that consents
flying also to inexperienced and not trained people. For this reason the VTOL configuration comes
in handy, it is fairly easy to automate.
There are not very many UAVs capable of VTOL and neither many general aviation aircraft that
can. The reason is that from an aerodynamic and mechanical point of view it is a very difficult task
to achieve.
Different concepts where explored and through brainstorming a reference concept was chosen to be
developed. The development process comprehends a series of steps that start from the propulsion
system and go through the wing geometry definition ( span, tapper ratio, geometric twist, root angle
etc.), airfoil selection, vertical and horizontal tail geometry definition and finish with a stability
evaluation that leads to the positioning of the center of mass.
Throughout the development many models were made, each of which had its pros and cons. From
the first sketch to the final model it is possible to see the evolution of the adjustments and
considerations that were made.
In the end the model 5c that is the final model was thought to be satisfying from a theoretical point
of view. Before the manufacturing of the full scale model, to validate the theory, the final design
was studied with CFD simulations and wind tunnel testing.
Most of the CFD simulations were computed in steady state to get a mean value of the lift, drag and
pitching moment and some few in unsteady state to see the vortex evolution and the possible
oscillations in the forces and moments.
Finally a 3D printed 1:8 scaled model was manufactured to make a wind tunnel test to validate the
CFD model.
Of course there is always space for future developments and improvements that due to time or
budget it is not possible to achieve. A brief chapter is dedicated to a discussion of how further we
could have gone if more time had been available.
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