Diseño uav

8/17/2019 Diseño uav

1/95

Cálculo de avionesIndianaTeam

INDY AV

_


2/95

Diseño


3/95

Diseño Evolución del diseño

Día 0


4/95


Día 42


5/95


Día 71


6/95


Día 0

Día 42

Día 71


7/95

Diseño Día 99


8/95

Diseño

Longitud total: 2,65m me ros zona carga e pago: , m

Envergadura: 3,20m

Dimensiones Cola en V Longitud: 0,88m


9/95


10/95

Estructuras


11/95

Evolución de pesos

. g. p. es a s co

23.5kg. (Revisión 2)

. .

16.48kg.(Definitivo)


12/95

Estimación de pesos. Ala Estructura interna

Refuerzo largueros

on rac apa o en a zona cen ra para res s r emomento flector.

A igeramiento e peso

En los extremos eliminamos los largueros

AR: 9 NACA 4415 Peso 3.486Kga saon rac apa o


13/95

Estimación de pesos. Fuselaje Ventajas

. Posible aumento del tanque de combustible.

Cuadernas en la zona de encastre de contrachapado.

Dividido en 3 zonas Morro 0.4m. Zona cilíndrica 1.4m (carga de pago) Zona cónica 0.85m (sujeta el tubo de f.c.)

Peso 7.747KgContrachapado 3/8’’Contrachapado 1/8’’


14/95

Estimación de pesos. Cola en V Características Diseño simple

2 .

. NACA 0012

AR: 3Peso 0.77Kg


15/95

Estimación de pesos. Tren aterrizaje Triciclo

Materiales:

carbono.

Dimensiones: Altura: 0.35m. Ancho: 0.5m.

Diámetro neumático: 5’’.

Peso 1.574Kg


16/95

Estimación de pesos. Motor Ducted fan

Peso elementos: .

Motor:0.900kg

. . Diámetro hélice: 16cm.

. .

Peso 1.30Kg


17/95


18/95

.

elementos

. . Tan ue de combustible 0.5K Pegamento + pintura: 1.2Kg.


19/95

Estimación c.d.g. En vacío:

Centro de gravedad 0.96m.


20/95

Estimación c.d.g. Criterio estabilidad:

Centro de gravedad 1.26m.


21/95

Comparativa Céfiro vs UAV

Elemento UAV Céfiro Céfiro/UAVP. Motor 1,574 1,8 1,16

P. Ala 4.274 4,4 1.02935

P. Fuselaje 7,747 3,15 0.4066P. Tren aterrizaje 1,574 1,212 0.77

P. Cola 0 77 0 709 0 9207•Ducted fan

Superficie alar 1,15 1,088 0,946 •Exigencias carga de pago

. , , ,

Envergadura 3.274 2,81 0.873


22/95

Cargas Ala:

Sustentación: fuerza de sustentación producida por el ala.

Fuselaje:

Resistencia.

ero n m cas: esprec a es ren e a as pro uc as en e a a. Concentradas: encastre de la cola y del ala, tren de aterrizaje,

carga de pago… .

Presurización: al estar hablando de alturas bajas estas cargasvan a ser despreciables.

Sustentación. Resistencia.

Tren de aterrizaje: Concentradas: peso del UAV, impacto en el aterrizaje.


23/95

Cargas Encastre ala-fuselaje:

Momento debido a la sustentaci n: 449.28 Nm. Momento debido al peso de ala: 1.42 Nm.

Tren de aterrizaje Esfuerzos en ista antes del des e ue:

Tren principal: 33.21kg. Tren de morro: 1.65kg.

Fuselaje: Cargas concentradas Cargas de pago: 2x5kg.+2x2.5kg. Carga combustible: 3.38kg.


24/95

Aerodinámica


25/95

Aerodinámica-datos

Carga alar: 285 N/m^2 uper c e a ar : , m

Longitud del fuselaje: 2,6 m


26/95

Aerodinámica-1ª estimaciónPolar parabólica simple - Crucero

Cdo Clópt EmáxDespeque 0,027844291 0,785187011 14,09960572

Subida 0,027371941 0,778498593 14,22074154rucero 0,0265236 0,766339906 14,446366

Espera 0,027032299 0,773653551 14,30979961

escenso 0,027043588 0,773815081 14,3068125

Crucero 0,027564942 0,781238389 14,17086953

, , ,


27/95

Polar del avión1

0,8

20452.00265.0 L D C C +=

0,6

L

despegue

0,4

C su a

Crucero

Espera

Aterriza e

0,2

crucero2

0

0,01 0,025 0,04 0,055 0,07

CD


28/95

Polar del avión-Eficiencia16

Emáxcrucero=14 45

12

14

10

c i a

despegue

crucero

6

8

e f i c i e espera

descenso

crucero2

4

aterrizaje

subida

0

0 0 5 1 1 5 2 2 5 3

CL


29/95

Perfil Ala 4415Designfoil


30/95

Perfil Cola-0012Designfoil


31/95

Aerodinámica-CL

*,, L

1 4

0,8

1

1,2

l

0,20,4

0,6 CL

0

-5 0 5 10 15

Al ha


32/95

Aerodinámica-CLmáx

DESPEGUE SUBIDA CRUCERO ESPERA CRUCERO2 DESCENSO ATERRIZAJE=C max CLMAX C max -ACL = ,

Clmax 1,435 1,445 1,458 1,448 1,435 1,446 1,435

0.9*clmax 1,2915 1,3005 1,3122 1,3032 1,2915 1,3014 1,2915

Cmo ‐0,102 ‐0,103 ‐0,104 ‐0,103 ‐0,103 ‐0,102 ‐0,102

correciónClmáx 1,0622


33/95

Aerodinámica- Emáx y CLopt

Desp Sub Crucero Esp Cruc Desc ater

Clopt 0,7999 0,7933 0,7815 0,7886 0,7888 0,7960 0,8001

Emáx 17 112 17 287 17 417 17 412 17 215 17 107,


34/95

Aerodinámica-2ª Estimación2,5

L L D C C C 0138,00451,002758,02−+=

2

1

,

crucero

despegue

0,5

C L subida

espera

crucero2

0

0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,1 0,11 0,12 0,13 0,14 0,15 0,16

-1

-0,5


35/95

Aerodinámica-EficienciaEmáx=17,615

20 Alpha=4,8º

15

n

c i a

5 E f i c i

0

-5 0 5 10 15

Alpha


36/95

Comparación ambos modelos

,

,

, crucero

crucero2

- ,

0 0,05 0,1- ,


37/95

Conclusiones Aerodinámica• Naca 4415 ala:

•Poca curvatura•Poco momento• -•Fácil Construcción•Entrada en pérdida localizada:alphamáx-14º

Naca 0012 cola:•Perfil simétrico clásico de superficies de control.• c cons rucc n

•Información•Pérdida controlada:alphamáx-14º

Diseño simple y económico


38/95


39/95

Indy: compromisos estables Nuestro diseño arantiza

pequeños ángulos de ataque y deriva

Ausencia de pesos adicionales para

Posibilidad de sustituir la car a de a o

por combustible: misión de autonomía


40/95

Indy: todav a m s

maniobrabilidad

Estabilidad longitudinal garantizada para

pequeñas perturbaciones


41/95


42/95

representativas (I)PARÁMETRO VALOR

Distancia horizontal morro‐cdg 1.26

s anc a or zon a morro‐ca a a .

Distancia

horizontal

morro‐

ca

cola 2.45

Ángulo de incidencia del ala 0

Superficie alar 1.2

Su erficie horizontal de cola 0.19

Margen estático 12.4%


43/95

Estabilidad

Simulaciones dinámicas: modo lon itudinal


44/95

modo fugoide4

Impulse response for the Phugoide Mode

2

3

1

u d e

-1

0

A m p l i

-3

-2

0 50 100 150 200 250 300 350 400-4


45/95

modo fugoide35

Step response for the Phugoide Mode

30

20

t u

d e

15 A m p l i

5

10

0 50 100 150 200 250 300 350 4000

Time [s]


46/95

corto periodo0.15

Impulse response for the Short Period Mode

0.1

0

.

u

d e

-0.05 A m p l i

-0.15

-0.1

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50-0.2

Time s


47/95

corto periodo0.15

Step response for the Short Period Mode

0.05

0.1

0

t u d e

-0.05 A m p l i

-0.15

-0.1

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50-0.2

Time s


48/95

superficies de control Los alerones ocupan el tercio exterior de

ca a sem a a

a cuer a e a er n es un acuerda del ala

Un 80% del borde de salida de la colaen V está dotado de timón

cuerda del erfil de la cola


49/95

Crucero con viento lateral Indy es capaz de volar con viento

cruza o

as e ex ones e as super c es emando son razonables y parecidas enm gnitud

garantizan la seguridad de la carga de

pago y la continuidad de la vigilancia


50/95

Resultados simulación

BETA aδ r δ

5º 3.18º 3.22º 6.91º

º º º º. . .

15º 9.54º 9.66º 21.16º


51/95

Propulsión


52/95

Planta PropulsoraDucted Fan

Hélice entubada+

Motor 2 tiempos


53/95

Planta PropulsoraDucted Fan

A

A E s


54/95

Planta PropulsoraModelo Propulsivo para Ducted Fan

Basado en el motor 91VR-DF Relación áreas: Ah /A=0,9; As/A=0,75

91VR-DFMotor de dos tiempos

.

rpm: 2,500-25,000Power output: 4.8 hp @ 22,000Peso: 23.4 oz (660 g)Combustible: glow fuel


55/95


Empuje en función de la velocidad para 91 VR-DFEmpuje vs Velocidad

70

75

55

60

65

p u j e ( N )

h=0

h=100

h=200

h=300

40

45

50 E h=400

h=500

35

0 10 20 30 40 50 60

Velocidad (m/s)


56/95


Incremento de empuje con ducted fan:

A3

12s

==

, A i

2

N 399 ,58P A2 E 3i =ρ=Hélice convencional:

Incremento del empuje del 18,5%


57/95

Planta Propulsora N 6 ,117 T 0 t Elección del motor

E1 P

2

3

out

Actuaciones

1,6

1,8

A A 4 sρ

0 8

1

1,2

1,4

Tto/Wto

MOTORES

D P o u t 0,20,4

0,6

12 cm 7,418 kW

0 100 200 300 400

T/W(N/m

2

)

16 cm 5,563 kWT/W(Subida) T/W(Perdida) T/W(Despegue) T/W(Crucero) T/W(Viraje)


58/95

Planta PropulsoraElección del motor

Power output vs Engine capacity

246cc

12

14

u

t ( k W )

d=12 cm

32,9 cc

7,42 kW

5,56 kW

28,15 cc4

6

8

w e r u o t p

d= 14 cm

d=16 cm

6,36 kW

0

2

0 10 20 30 40 50

P

Engine capacicy (cc)


59/95

Planta PropulsoraElección del motor

MOTOR HÉLICERPMmax RPM según paso (in)Pout D 6 8 10 12 14

cm

7,418 12 28679 37442 28081 22465 18721 16046

,5,563 16 21510 28081 21061 16849 14041 12035

D=16 cm aso= 12 in.

RPM=14041< RPMmax=21510


60/95

Planta PropulsoraElección del motorHélice Pout Cubicaje Peso Empuje V=0

D=16 cm 5,563 kW 24,61 cc 0,98 kg 117,6 N

Empuje vs Velocidad

140

80

100

120

e ( N )

40

60 E m p u j

0

0 10 20 30 40 50 60

Velocidad (m/s)


61/95

Planta PropulsoraDimensionado Motor


62/95


Dimensiones (mm)CC A B C D E F G H J

91VR-DF 14,76 52 25 133,5 61 109,5 66 43,5 53,5 87,5

1,5 in cu 24,61 61,7 29,6 158,3 72,3 129,8 78,3 51,6 63,4 103,8


63/95

Planta PropulsoraDimensionado Motor Size Length Weight

3.5cc (.20-.36) 11" 1.2 oz

u n e p e

6.5cc (.35-.45) 11¼" 1.8 oz

7.5cc (.40-.50) 12¼" 2.0 oz L8.5cc (.45-.60) 12¾" 2.0 oz

10cc (.60-.75) 13 1/8" 2.2 oz

15cc (.90-1.2) 15½" 3.0 oz

25cc (1.2-1.7) 23" 6.0 oz

24,61cc=1,5 in cu:

Lon itud: 584 mm35cc (1.7-3.2) 23½" 6.6 oz

Peso: 170 gr


64/95


Motor

980 kg

L=158,3 mmHélice

170 gr

L=100 mm

L=584,2 mm

Longitud total: 842,5 mm

Peso total: 1,3 kg


65/95

Planta Propulsora·

Dimensionado Motor0 0

0

, ,

16,4

s

D cm=

14,6s D cm= s

,

cm 45 ,8 R cm 4 ,10 J 0


66/95

Actuaciones


67/95

Punto de trabajo Actuaciones

1,41,6

,

0 6

0,8

1

,

Tto/Wto

0

0,2

0,4

0 100 200 300 400

T/W(N/m

2

)

T/W(Subida) T/W(Perdida) T/W(Despegue) T/W(Crucero) T/W(Viraje)


68/95

,

W/S 285

2

Wto 34,86 Kg


69/95

Características operativas Distancias de des e ue aterriza e

Segmentos restrictivos Alcances

u onom as

Envolvente de vuelo Carga de pago alcance


70/95

Distancias de despegueLa calculamos por segmento obteniendo:

Sg=110,099m

t ,

S =55 66m

De esta forma la distancia empleada para

el despegue será:Stotal=m


71/95

Distancias de aterrizajeEn el caso del aterrizaje las distancia necesaria

para su realización es:b= ,

= ,

Sa=55,67m

Obteniendo una distancia total de aterrizaje de:

Stotal=218,74m


72/95

Segmentos restrictivos Viraje

mV 420= mV 1223=v ra e viraje

Viraje

180

120

140

160

D r a g

40

60

80

100

T h

r u s t o r rus

Drag

Vstall

0

20

0 10 20 30 40 50 60 70Speed (m/s)


73/95

Crucero 2 mV 0723=scrucero 2

Crucero 2

6000 b l smV cruceroaut 0307,182max

=

4000

5000

i a o d i s p i n i

smV

cruceroalc73,23

2max =

2000

3000

c i a n e c e s a

0

0 10 20 30 40 50 60

P o t e

Speed (m/s)

Potencia necesaria

Vstall


74/95

Subida Vv 3,954 m/s

Subida Gradiente 16%

140

160

180

g

,

80

100

120

u s t o r D r

Thrust

Dra

020

40 T h

Vstall

-4 6 16 26 36 46 56 66 76

Speed (m/s)


75/95

Crucero 1

Crucero 1 Potencia disponible

Potencia necesaria

5000

6000

d i s p o n i b l Vstall

Potencia

disponible(Throttle 1)

2000

3000

4000

n e c e s a r i a

0

1000

P

o t e n c i

Speed (m/s)


76/95

Alcance

Estimado 452,48Km

Real 562 05Km


77/95

Crucero 1

Exi ido 185 2 Km

Real 202,9 Km

Exceso 8,72%


78/95

Distribución de alcancesDistribución de alcances (Km)

Subida

Despegue

Descenso

Crucero1Crucero3

DescensoSubida 2

Crucero2


79/95


80/95

Espera

Exi ido 14400s

Real 14521,65s


81/95

Distribución de autonomíasDistribución de autonomias(s)

AterrizajeDescenso Despegue Subida

Crucero1

Subida 2

Crucero3

EsperaDescenso

Giros


82/95

Consumos y pesos ,

Wto=34,86 Kg

Wf /Wto=0,90305722


83/95

Distribución gráfica de consumosDistribución de consumos

aterrizaje

descenso2 subida

despegue

crucero1crucero3

subida 2

iros

crucero2

esperadescenso


84/95

Envolvente de vueloEnvolvente de Vuelo

6

7

3

4

0

1 n

-3

-2

-1

-4

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65

Velocidad (m /s )


85/95

Diagrama carga de pago-alcance40

34,86

31,4535

26,48

21,4825

( K g )

15

20

P e s o s

5

10

0

0 459,75 1190,923 2097,347

alcance(Km)

Mejoras futuras (I)


86/95

Estudio de la cola en V detallado y su

influencia en configuraciones de vuelocon viento cruza o

rofundidad diseño de las uniones

Estudio de la estabilidad en otrasconfiguraciones distintas al crucero

Mejoras futuras (II)


87/95

ampliable

Inclusión de tren de aterrizaje

retráctil


88/95

Diego Canales Rosa Garrido Cristina Prieto Javier Quilez


89/95


90/95

Aerodinámica- Datos Polar

Desp Sub

CruceroEspera Cruc Desc Ater

, , , , , , ,

Cdo2 0,0289 0,0284 0,02809 0,02810 0,02862 0,028913

K 0,0451 0,0451 0,0451 0,0451 0,0451 0,0451 0,0451

K20,0138 0,0138 0,0138 0,0138 0,0138 0,0138 0,0138

Estimación c.d.g.


91/95

Elemento C.D.G. res ecto al morro Peso

Motor 1,98 1,25

Ala 1,275 3,48690484

,

Fuselaje2 2,08 2,01496714

Fibra de carbono 2,27 0,73514596

Tren de aterrizaje principal 1,3 1,06602714

Tren de aterrizaje delantero 0,45 0,50823759

Carga de pago1 0,9 5

Carga de pago2 0,6 5

Carga de pago3 1,5 2,5

Carga de pago4 1,5 2,5

Combustible 1,75 3,4

Cola 2,5 0,77

Estimación de pesos. Cola en V


92/95

Elementos

Elemento Material Elementos Peso totalCostillas Balsa 1/8’’ 6 0.0843

Borde de salida B. 1x1x36’’ 1 0.0238

Borde entrada B. Leading edge1x36’’ 1 0.0290

’’ . .

Soporte

largueros Spruce 4 0.0808

Recubrimiento B. Sheets 1/4x4x36’’ 2 0.1146

Estimación de pesos. Fuselaje


93/95

FuselajeElemento Material Elementos Peso total

Cuadernas I Balsa 1/8’’ 16 0.106

Cuadernas II Contrachapado 1/8’’ 9 0.147

ua ernas on rac apa o .

Larguerillos B. Strips1 8x3 8x36’’ 12 0.2036

Suelo Contrachapado 1/8’’ 1 1.921

Paredes B. sheets 1 4x4x36’’ 2 0.801

Recubrimiento B. Sheets1/4x4x36’’ 1 1.624

ó


94/95

Estimación de pesos. Ala Elementos

Elemento Material Elementos Peso total

Costillas Balsa 1/8’’ 42 1.184

Borde de salida B. 1x1x36’’ 1 0.156

B. Leadin ed e

1x36’’ .

Largueros 1 Contrachapado 1/8'' 2 0.141

Largueros 2 Balsa ¼’’ 4 0.147

Soporte largueros Spruce 4 0.598

Recubrimiento B. Sheets 1/4x4x36’’ 2 1.044


95/95

Diseño uav

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