UAV CORMORAN PROJECT CÁLCULO DE AVIONES

UAV PROJECT

DISEÑO Pablo IZQUIERDO VÉLEZ

ESTRUCTURAS María de los Ángeles SICRE GOVANTES

AERODINÁMICA Claudia ROMERO VILLALBA CONTROL Y ESTABILIDAD Pablo GARCÍA MASCORT

PROPULSIÓN Y ACTUACIONES Ibon PASTOR YABAR

Carmen MORÁN CÓRDOBA

1

ÍNDICE ÍN

DIC

E

1. DISEÑO

2. ESTRUCTURAS

3. AERODINÁMICA

4. ESTABILIDAD

5. PROPULSIÓN

6. ACTUACIONES

UAV PROJECT 2

DIS

EÑ

O

UAV PROJECT

DISEÑO

3

DIS

EÑ

O

UAV PROJECT

VISTA GENERAL DEL DISEÑO

4

DIS

EÑ

O

UAV PROJECT

VISTA GENERAL DEL DISEÑO

5

DIS

EÑ

O

UAV PROJECT

A GRANDES RASGOS:

6

DIS

EÑ

O

UAV PROJECT 7

DIS

EÑ

O

UAV PROJECT 8

DIS

EÑ

O

UAV PROJECT 9

ES

TR

UT

UR

AS

UAV PROJECT

ESTRUCTURAS

10

ES

TR

UT

UR

AS

UAV PROJECT

ESTRUCTURAS

Objetivos: La estructura del UAV no debe pesar más de 1.8 Kg. Levantar la máxima carga de pago posible (máx de 8Kg). Necesidad de un diseño construible y desmontable.

Métodos de estimación de pesos - Basándonos en modelos similares de UAV ( densidades de los materiales utilizados)

- Modelado en Catia de la estructura (más las especificaciones productos comprados)

11

ES

TR

UT

UR

AS

UAV PROJECT

ESTRUCTURAS

Elementos estructurales Estimación Peso (g)

Motor axi gold line 2826/10 181

Variador advance 40 pro 35

Batería Lipo tunder power RC 274

Servo del tren de aterrizaje 20

Receptor Futaba de 7 canales 15

Hélice (3 a utilizar) 30

Tubos unión bahía/cola 137

Bahía de carga 155

Tren principal 193

Tren delantero 54

ala 375

cola 50

12

ES

TR

UT

UR

AS

UAV PROJECT

ESTRUCTURAS

PESO TOTAL DE LA ESTRUCTURA ( 1519g + 15% adhesivos,228 g )

1747 g < 1800 g

motor 10%

variador 2%

batería 16%

servo tren 1%

receptor 1%

hélice 2%

tubos 8%

bahia de carga

9% tren principal

11% tren delantero

3%

ala 21%

cola 3%

adhesivos 13%

Porcentaje pesos definitivos

13

POSICIÓN DEL CENTRO DE GRAVEDAD

Xcg = 0.223m

Leyenda

ES

TR

UT

UR

AS

UAV PROJECT 14

CARGAS PRINCIPALES SOBRE LA ESTRUCTURA

• Cargas aerodinámicas: cargas que soporta el avión por acción del flujo.

( sobretodo la sustentación sobre las alas)

• Cargas inerciales: cargas debidas a la resistencia que opone el avión a la

aceleración. (toda la superficie de éste)

• Cargas causadas por el sistema de propulsión: cargas en los sistemas de unión motor/fuselaje.

• Cargas en el tren de aterrizaje: soporta el peso de toda la estructura y las cargas de impacto con el terreno.

• Cargas acústicas: vibraciones y ondas sonoras generan cargas sobre el avión

ES

TR

UT

UR

AS

UAV PROJECT 15

AE

RO

DIN

ÁM

ICA

UAV PROJECT

AERODINÁMICA

16

AE

RO

DIN

ÁM

ICA

UAV PROJECT 17

ELECCIÓN DE PERFILES Y DEL ALA EN PLANTA

PERFIL ALA:

Velocidades pequeñas Bajos Reynols y Mach

Alta relación L/D Alta sustentación

s1223 Re=100000

Centro aerodinámico:

c.a=0.065025 m (borde de ataque)

PERFIL ESTABILIZADORES:

ALA:

NACA 0012

Geometría

A=10 Salar=0.676 m2 b= 2.6 m c (media)=0.26 m λ=0.5

AE

RO

DIN

ÁM

ICA

UAV PROJECT 18

MEJORAS INTRODUCIDAS QUE BENEFICIAN A LA EFICIENCIA

WINGLET:

CARENADOS

VELOCIDADES:

EFICIENCIA DE OSWALD:

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0,4

0,45

0,5

0,55

0,6

0,65

0,7

0,75

0,8

0,85

0,9

0,95

1

e

Oswald

λ=0.5 e=0.9609

k=0.0331245

•Tren aterrizaje •Fuselaje

m/s Reynolds

Despegue 10.4849 181483

Ascenso 13.1298 227263

Cruc aut 15.37 181398

Cruc alc 10.48 266039

Cruc pot 20.2991 351356

Descenso 13.2426 229216

Aterrizaje 11.5834 183187

CD0=0.6% 5%

AE

RO

DIN

ÁM

ICA

UAV PROJECT 19

Perfil Selig 1223 Configuración limpia (ascenso, crucero máx alcance, crucero máx

autonomía, crucero máx potencia, descenso)

COEFICIENTE DE SUSTENTACIÓN

PERFIL

Clmáx 2.425

α STALL 8ᵒ

ALA

CLmáx 2.1825

α STALL 8.6866ᵒ

AE

RO

DIN

ÁM

ICA

UAV PROJECT 20

Configuración sucia (despegue y aterrizaje)

COEFICIENTE DE SUSTENTACIÓN

PLAIN FLAP

cf/c 0.25

DESPEGUE

δ 15ᵒ

CLmáx 3.1842

ATERRIZAJE

δ 25ᵒ

CLmáx 3.3506

AE

RO

DIN

ÁM

ICA

UAV PROJECT 21

COEFICIENTE DE RESISTENCIA

Polar parabólica de coeficientes constantes

RESISTENCIAS PARASITARIAS CD0=CDmín

Despegue 0.0258

Ascenso 0.0190

Crucero máx aut 0.0195

Crucero máx alc 0.0190

Crucero máx pot 0.0185

Descenso 0.0191

Aterrizaje 0.0389

AE

RO

DIN

ÁM

ICA

UAV PROJECT 22

COEFICIENTE DE RESISTENCIA

Polar parabólica de coeficientes constantes mejorada

Cd_mín=0.0246

Cl_mín=1.469

K2=0.037931

AE

RO

DIN

ÁM

ICA

UAV PROJECT 23

COEFICIENTE DE RESISTENCIA

Polar parabólica de coeficientes constantes mejorada

RESISTENCIAS PARASITARIAS

CD0 CDmín

Despegue 0.0258 0.0623

Ascenso 0.0190 0.0554

Crucero máx aut 0.0195 0.0558

Crucero máx alc 0.0190 0.0552

Crucero máx pot 0.0185 0.0548

Descenso 0.0191 0.0554

Aterrizaje 0.0389 0.0754

AE

RO

DIN

ÁM

ICA

UAV PROJECT 24

EFICIENCIA AERODINÁMICA

Polar parabólica de coeficientes constantes

SEGMENTO DE VUELO

E ópt

Despegue 17.4597 Ascenso 20.3621

Crucero_max aut 20.1647 Crucero_max alc 20.4998 Crucero_max pot 20.7286

Descenso 20.3693 Aterrizaje 14.26065

AE

RO

DIN

ÁM

ICA

UAV PROJECT 25

Polar parabólica de coeficientes

constantes mejorada

EFICIENCIA AERODINÁMICA

SEGMENTO DE VUELO

E ópt

Despegue 16.2450 Ascenso 17.8898

Crucero máx aut 17.7855 Crucero máx alc 17.9579 Crucero máx pot 18.0691

Descenso 17.8936 Aterrizaje 13.9377

AE

RO

DIN

ÁM

ICA

UAV PROJECT 26

EFICIENCIA AERODINÁMICA

SEGMENTO DE VUELO

Ecuación Polar coeficientes

constantes Polar mejorada

E ópt E ópt CL ópt α ópt E ópt CL ópt α ópt

Despegue 17.0229 17.4597 0.9252 -13.78 16.2450 1.2336 -10.88

Ascenso 19.8577 20.3621 0.8065 -5.5 17.8898 1.1828 -2

Crucero máx aut 19.6455 20.1647 0.8065 -5.5 17.7855 1.1828 -2

Crucero máx alc 19.9748 20.4998 0.7527 -6 17.9579 1.1828 -2

Crucero máx pot 20.2070 20.7286 0.7527 -6 18.0691 1.1828 -2

Descenso 19.8508 20.3693 0.8065 -5.5 17.8936 1.1828 -2

Aterrizaje 13.8996 14.2606 1.1 -14.32 13.9377 1.3 -12.47

ES

TAB

ILID

AD

UAV PROJECT

ESTABILIDAD

27

POSICIÓN DE LOS ELEMENTOS

SM=15%

28

ES

TAB

ILID

AD

UAV PROJECT

ES

TAB

ILID

AD

UAV PROJECT 29

ELECCIÓN HTP

ES

TAB

ILID

AD

UAV PROJECT

0.25fcc = 0.8η∆ =

30

DIMENSIÓN HTP

Estabilizador Horizontal

SHTP 0.125 m2

Se 0.025m2

A 4

CARGA DE PAGO / VELOCIDAD

UAV PROJECT 31

ES

TAB

ILID

AD

TRIMADO LATERAL

32

ES

TAB

ILID

AD

UAV PROJECT

0.454 0 0.04130.1220 0.1142 0.0022

0.0710 0.0363 0.0545

a r

a r

a r

y y y

l l l

n n n

C C C

C C C

C C C

β δ δ

β δ δ

β δ δ

− = − −

Estabilizador Vertical

SVTP 0.054 m2

Sr 0.065m2

A 1.5

Alerón

Longitud 0.4 m

Superficie 0.076 m2

0.2 /fc c

EQUILIBRADO LATERAL-DIRECCIONAL

Viento Cruzado Viraje

15º -0.6º

17º -9.4º

-9º -7.9º

4.7º 33.6º

33

ES

TAB

ILID

AD

UAV PROJECT

aδ

rδφ

β

• Viento cruzado

Para = 15º

V=12.55 m/s

• Viraje

Imponer n=1.2

V=12.55 m/s

β

1cos

nφ

= 23.0837tR m= 0.53 /rad sψ =

PR

OP

ULS

IÓN

UAV PROJECT

PROPULSIÓN

34

PR

OP

ULS

IÓN

UAV PROJECT

PROPULSIÓN

COMPONENTES

35

MOTOR Axi Gold 2826/10

BATERÍAS 1 batería de 3 celdas Li-Police 5000-25C

Corriente limitada a 40 A HÉLICE

12x8 APC

PR

OP

ULS

IÓN

UAV PROJECT

CURVA DE PALANCA DE GASES

36

A Pmax

T (N) 11.4776

Alcance máximo

T (N) 15.4739

Autonomía máxima

T (N) 16.8738

PR

OP

ULS

IÓN

UAV PROJECT

MODELO DE CONSUMO

37

Consideraciones consumo lineal de las baterías en función de la potencia.

preciso comprobarlo experimentalmente mediante ensayos experimentales.

Los tiempos que se obtienen son parecidos a los de aeronaves similares.

AC

TU

AC

ION

ES

UAV PROJECT

ACTUACIONES

38

AC

TU

AC

ION

ES

UAV PROJECT

MISIÓN 1

39

DESCRIPCIÓN Tramo 1: Rodaje por la pista (5 minutos de batería) Tramo 2: Despegue en 60 m Tramo 3: Subida hasta una altura de 100 m. Tramo 4: Vuelo en configuración de máxima autonomía (5 minutos) en círculos de radio de giro mínimo. Tramo 5: Máximo alcance de operación. Tramo 5.1. Ida a velocidad de máximo alcance. Tramo 5.2. Círculos de radio mínimo durante 5 minutos. Tramo 5.3. Vuelta con configuración de máximo alcance. Tramo 6: Descenso Tramo 7: Aterrizaje en 120 m de pista. Condición extra: Reserva de 5 minutos de batería. Objetivo: levantar la mayor carga de pago posible

ÍNDICE • Análisis de cada segmento de vuelo • Estudio del consumo de combustible durante la misión

8 Kg

AC

TU

AC

ION

ES

UAV PROJECT

DESPEGUE

40

Consideraciones:

• Pista disponible de 60 m

• Modelo con efecto suelo y rotación • flaps desplegados a 150 Vstall=8.4006 m/s • Posición de la palanca de gases a VTO = 1.2Vstall • Altura del aeropuerto 250 m (Stuttgart)

• Análisis del efecto suelo en función de

• Altura del ala • Envergadura del ala

• Efecto del efecto suelo sobre la carrera de despegue

UAV PROJECT

DESPEGUE: Análisis de efecto suelo

41

AC

TU

AC

ION

ES

Variable V (m/s) T (N) P (W) S (m) t (s)

Valor 10.4849 18.5175 330.4116 52.6826 5.0246 52.6826 m

Consideraciones:

• Flaps en posición recogida

• Altura del aeropuerto 250 m (Stuttgart)

• Ascenso hasta una altura de 100 m

• Análisis de cuatro configuraciones

• Velocidad vertical máxima • Velocidad vertical óptima • Ángulo de ascenso máximo • Ángulo de ascenso óptimo

AC

TU

AC

ION

ES

UAV PROJECT 42

ASCENSO

AC

TU

AC

ION

ES

UAV PROJECT 43

T(N) V(m/s) Vv(m/s) G (%)

18.5175 10.4849 1.6118 8.8077 15.37

16.1522 13.1298 1.8308 7.9894 13.94

12.9814 17.7226 1.3052 4.2273 7.46

19.1802 9.6845 1.4395 8.4545 15.05

ASCENSO

T(N) V(m/s) Vv(m/s) G (%)

18.5175 10.4849 1.6118 8.8077 15.37

16.1522 13.1298 1.8308 7.9894 13.94

12.9814 17.7226 1.3052 4.2273 7.46

19.1802 9.6845 1.4395 8.4545 15.05

AC

TU

AC

ION

ES

UAV PROJECT 44

P(Watt) V(m/s) Vv(m/s) G (%) t (s) S (m)

360.9095 13.1298 1.8308 7.9894 13.94 54.6200 717.1502

391.5234 17.7226 1.3052 4.2273 7.46 76.6174 1357.8595

ASCENSO

T(N) V(m/s) Vv(m/s) G (%) t (s) S (m)

4kg de carga de pago (Vstall = 8.0312 m/s)

17.65 11.3369 3.1440 15.8893 27.73 31.8070 360.5931

0kg de carga de pago (Vstall = 6.1675 m/s)

18.52 10.4849 9.4524 51.6538 90.15 10.5793 110.9227

P(Watt) V(m/s) Vv(m/s) G (%) t (s) S (m)

360.9095 13.1298 1.8308 7.9894 13.94 54.6200 717.1502

391.5234 17.7226 1.3052 4.2273 7.46 76.6174 1357.8595

Ascenso para 0 y 4 kg de carga de pago

AC

TU

AC

ION

ES

UAV PROJECT 45

CRUCERO

Consideraciones:

• Nivel de vuelo: 100 m • Análisis de tres configuraciones

• A máxima potencia • Autonomía máxima • Alcance máximo

• Polar empleada:

AC

TU

AC

ION

ES

UAV PROJECT 46

CRUCERO

T (N) V (m/s) P (Watt)

A Pmax 11.4776 20.2991 396.4939

Alcance máximo 15.4739 14.0914 371.0754

Autonomía máxima 16.8738 12.2143 350.7439

AC

TU

AC

ION

ES

UAV PROJECT 47

VIRAJE

Consideraciones:

• Nivel de vuelo: 100 m • Configuración de máxima autonomía

T (N) V (m/s) P (Watt)

Autonomía máxima 16.8738 12.2143 350.7439

AC

TU

AC

ION

ES

UAV PROJECT

ACTUACIONES

48

DESCENSO Y ATERRIZAJE

Consideraciones:

• En configuración de planeo, luego T= 0 N • No existe reversa

• En descenso, flaps replegados

• En rotación y aterrizaje, flaps extendidos 250

• Frenado por propia fricción con el pavimento, µ=0.05

(Asfalto) tal como exige las normas del RFP

• Pista de aterrizaje disponible de 120 m

AC

TU

AC

ION

ES

UAV PROJECT 49

DESCENSO Y ATERRIZAJE

80.5308 m < 120 m

AC

TU

AC

ION

ES

UAV PROJECT 50

ANÁLISIS DE CONSUMO

Tiempo de

batería consumido (s)

Tiempo de viraje Misión 1

(3 minutos) (1) Despegue 5.0246 (2) Ascenso 54.6200 (3) Viraje 1 180

(4) Crucero 1 29.4407 (5) Viraje 2 180

(6) Crucero 2 59.4454 (7) Descenso y

aterrizaje 0

Virajes de 3 minutos, no es posible cumplir con los 5 minutos de los circuitos de espera Configuración de vuelo V (m/s) t (s) S (m)

Máxima Autonomía 12.2143 3 min x 2 tramos x 60s 4397.148 Máximo Alcance 14.0914 2 tramos x 29.4407 829.7214

AC

TU

AC

ION

ES

UAV PROJECT

ACTUACIONES

51

DESCRIPCIÓN

Tramo 1: Rodaje por la pista (5 minutos) Tramo 2: Despegue en 60 m Tramo 3: Subida hasta una altura de 100 m. Tramo 4: Determinar la máxima autonomía en círculos de radio de giro mínimo. Tramo 5: Descenso Tramo 6: Aterrizaje Condición extra: Reserva de 5 minutos de batería.

MISIÓN 2

Consideraciones • Para cambiar carga de pago por baterías:

• Ambiente controlado en humedad, presión y temperatura

• Regulador de tensión ideal para permitir el correcto funcionamiento del motor con todas las baterías

AC

TU

AC

ION

ES

UAV PROJECT 52

BATERÍAS

Sustitución de la carga de pago de la misión 1 por baterías:

AC

TU

AC

ION

ES

UAV PROJECT 53

ANÁLISIS DE CONSUMO

Tiempo de

batería consumido (s)

Tiempo de viraje Misión 2

(5 minutos) (1) Despegue 5.0246 (2) Ascenso 183.0830 (3) Viraje 1 300

(4) Crucero 1 7.0853e+003 (5) Viraje 2 300

(6) Crucero 2 7.0853e+003 (7) Descenso y

aterrizaje 0

Se cumplen todos los requisitos del RFP Configuración de vuelo V (m/s) t (s) S (km)

Máxima Autonomía 12.2143 5 min x 2 tramos x 60s 7.329 Máximo Alcance 14.0914 2 tramos x 7.0853e3 199.684

AC

TU

AC

ION

ES

UAV PROJECT 54

CARGA DE PAGO-ALCANCE

Baterías Tiempo en alcance máx.

(min) Alcance (km)

1 7.7292 6.5349

29+1 231.875 196.0466

AC

TU

AC

ION

ES

UAV PROJECT 55

ENVOLVENTE DE MANIOBRA

UAV PROJECT 56