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