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 sono spiegate tutte le fasi dello sviluppo 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. Il drone è stato inoltre pensato per essere utilizzato da utenti che non abbiamo necessariamente esperienza nel pilotaggio di aeromodelli. La soluzione è quindi di renderlo completamente automatico così da essere utilizzabile anche da utenti inesperti. Per questo motivo è stata scelta la configurazione a 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 il concept di riferimento da cui partire per lo sviluppo. Lo sviluppo è diviso in differenti fasi, che partono dal sistema di propulsione alla definizione geometrica delle ali (apertura alare, taper ratio, angolo di calettamento, etc.), la selezione del profilo alare, il progetto delle code verticale e orizzontale concludendo con un’analisi di stabilità che ha avuto come obiettivo il corretto posizionamento del centro di massa. Nel corso del lavoro sono stati sviluppati numerosi modelli. Per ognuno di essi sono stati valutati pro e contro per migliorare il drone. Dal primo schizzo fino al modello finale è possibile vedere l’evoluzione del velivolo e le molteplici considerazioni fatte. Alla fine è stato eletto il modello “5.0c” poiché 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. Molte simulazioni sono state eseguite in condizioni stazionarie per ottenere i valori 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 concludere 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. L’obiettivo iniziale di arrivare ad una geometria preliminare per la creazione di un drone è stata raggiunta nei tempi stabiliti. Ovviamente rimane ampio spazio per sviluppi della piattaforma. Al riguardo è dedicato un breve capitolo con un elenco delle possibili aree di sviluppo su cui si potrebbe lavorare in futuro.
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Abstract
Marco Caputo, Anthony Byron Prada
Abstract
The objective of this thesis is to design a UAV capable of vertical taking off and landing (VTOL) from an aerodynamic point of view.
Throughout this thesis a requirement sheet explained step by step how to make the right choices. This resulted 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 for many different tasks through a removable and customized sensor box. Thus, it will be used by many different people, most of whom have no experience flying a UAV. The solution is to make a completely automatic machine that consents flying for inexperienced people. For this reason, the VTOL configuration comes in handy, it is fairly easy to automate.
There are not many UAVs or general aviation aircraft capable of VTOL. 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 starts with the propulsion system and goes through the wing geometry definition ( span, tapper ratio, geometric twist, root angle etc.), airfoil selection, vertical and horizontal tail geometry definition, and finishes 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 5.0c was selected as the final model because it 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 moments. A few were simulated in an 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 were not possible because of time or budget constraints. A brief chapter is dedicated to a discussion of what further improvements could have been made if more time had been available.
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