Design of unmanned aerial vehicles

Contrary to conventional aircraft design, the design of Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) with Vertical Takeoff and Landing (VTOL) capabilities lacks a standardized, coherent methodology of development. This thesis aims to develop such a methodology for two different configurations and apply it...

Πλήρης περιγραφή

Λεπτομέρειες βιβλιογραφικής εγγραφής
Κύριος συγγραφέας: Επίσκοπος, Ιωάννης
Άλλοι συγγραφείς: Episkopos, Ioannis
Γλώσσα:English
Έκδοση: 2022
Θέματα:
Διαθέσιμο Online:http://hdl.handle.net/10889/16411
id nemertes-10889-16411
record_format dspace
institution UPatras
collection Nemertes
language English
topic Tail-sitter
Vertical takeoff and landing
Unmanned aerial vehicles
Multicopters
Αεροσκάφος ουραίας έδρασης
Κάθετη απογείωση και προσγείωση
Μη επανδρωμένα αεροχήματα
Ελικόπτερα με πολλαπλούς έλικες
spellingShingle Tail-sitter
Vertical takeoff and landing
Unmanned aerial vehicles
Multicopters
Αεροσκάφος ουραίας έδρασης
Κάθετη απογείωση και προσγείωση
Μη επανδρωμένα αεροχήματα
Ελικόπτερα με πολλαπλούς έλικες
Επίσκοπος, Ιωάννης
Design of unmanned aerial vehicles
description Contrary to conventional aircraft design, the design of Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) with Vertical Takeoff and Landing (VTOL) capabilities lacks a standardized, coherent methodology of development. This thesis aims to develop such a methodology for two different configurations and apply it for numerous unmanned aerial vehicle instances of various scales, purposed for aerial firefighting. A literature survey on firefighting aircraft and VTOL UAVs indicates that the water quantities required in firefighting correspond to aircraft of significantly greater size than any non-military drone. The survey also shows that the basis of firefighting aviation is the ability of heavy cargo transport. These observations function as guidelines for the early conceptual design procedure called “sizing”. Sizing refers to the use of mission requirements and statistical data on existing aircraft to approximate the aircraft’s weight and size. The procedure is conducted on three scales of each configuration, for payload capacities that collectively range from 100 to 2,000 kilograms. Elements from conventional airplane and helicopter design are combined to initially produce a total of six VTOL, firefighting UAVs of various sizes that use a plethora of propulsion systems. The configurations studied and sized are the tail-sitter and the multicopter. Tail-sitters are fixed-wing aircraft capable of hovering vertically, with their tail facing the ground, hence their name. Multicopters are rotorcraft powered by more than two lift-generating motors. The sizing of the electric multicopters results in an extreme scaling rate with respect to endurance, which is confirmed by a direct comparison of a petroleum-powered and an electric large-scale multicopter with the same mission requirements. A brief literature survey reveals that the low energy density of batteries compared to hydrocarbons is the main explanation. Our attempt to further upscale the multicopters for improved firefighting capacity produces a 27-ton quadcopter matching the capabilities of the S 64 Aircrane heavy-lift helicopter. Each VTOL configuration has its own inherent issues requiring attention. The tail-sitter configuration instigates stability problems during flight, takeoff, and landing, which directly affect tail size and landing gear placement. The multicopters’ entirely vertical operation is highly energy consuming, leading to increased weight.
author2 Episkopos, Ioannis
author_facet Episkopos, Ioannis
Επίσκοπος, Ιωάννης
author Επίσκοπος, Ιωάννης
author_sort Επίσκοπος, Ιωάννης
title Design of unmanned aerial vehicles
title_short Design of unmanned aerial vehicles
title_full Design of unmanned aerial vehicles
title_fullStr Design of unmanned aerial vehicles
title_full_unstemmed Design of unmanned aerial vehicles
title_sort design of unmanned aerial vehicles
publishDate 2022
url http://hdl.handle.net/10889/16411
work_keys_str_mv AT episkoposiōannēs designofunmannedaerialvehicles
AT episkoposiōannēs schediasmosmēepandrōmenōnaerochēmatōn
_version_ 1771297339031420928
spelling nemertes-10889-164112022-09-05T20:14:23Z Design of unmanned aerial vehicles Σχεδιασμός μη επανδρωμένων αεροχημάτων Επίσκοπος, Ιωάννης Episkopos, Ioannis Tail-sitter Vertical takeoff and landing Unmanned aerial vehicles Multicopters Αεροσκάφος ουραίας έδρασης Κάθετη απογείωση και προσγείωση Μη επανδρωμένα αεροχήματα Ελικόπτερα με πολλαπλούς έλικες Contrary to conventional aircraft design, the design of Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) with Vertical Takeoff and Landing (VTOL) capabilities lacks a standardized, coherent methodology of development. This thesis aims to develop such a methodology for two different configurations and apply it for numerous unmanned aerial vehicle instances of various scales, purposed for aerial firefighting. A literature survey on firefighting aircraft and VTOL UAVs indicates that the water quantities required in firefighting correspond to aircraft of significantly greater size than any non-military drone. The survey also shows that the basis of firefighting aviation is the ability of heavy cargo transport. These observations function as guidelines for the early conceptual design procedure called “sizing”. Sizing refers to the use of mission requirements and statistical data on existing aircraft to approximate the aircraft’s weight and size. The procedure is conducted on three scales of each configuration, for payload capacities that collectively range from 100 to 2,000 kilograms. Elements from conventional airplane and helicopter design are combined to initially produce a total of six VTOL, firefighting UAVs of various sizes that use a plethora of propulsion systems. The configurations studied and sized are the tail-sitter and the multicopter. Tail-sitters are fixed-wing aircraft capable of hovering vertically, with their tail facing the ground, hence their name. Multicopters are rotorcraft powered by more than two lift-generating motors. The sizing of the electric multicopters results in an extreme scaling rate with respect to endurance, which is confirmed by a direct comparison of a petroleum-powered and an electric large-scale multicopter with the same mission requirements. A brief literature survey reveals that the low energy density of batteries compared to hydrocarbons is the main explanation. Our attempt to further upscale the multicopters for improved firefighting capacity produces a 27-ton quadcopter matching the capabilities of the S 64 Aircrane heavy-lift helicopter. Each VTOL configuration has its own inherent issues requiring attention. The tail-sitter configuration instigates stability problems during flight, takeoff, and landing, which directly affect tail size and landing gear placement. The multicopters’ entirely vertical operation is highly energy consuming, leading to increased weight. Σε αντίθεση με το σχεδιασμό συμβατικών αεροσκαφών, ο σχεδιασμός Μη Επανδρωμένων Αεροχημάτων (ΜΕΑ) με ικανότητα Κάθετης Απογείωσης και Προσγείωσης (ΚΑΠ) δεν διαθέτει μια καθιερωμένη, αυτοματοποιημένη μεθοδολογία. Η παρούσα διπλωματική εργασία αποσκοπεί στην ανάπτυξη μιας τέτοιας μεθοδολογίας για δυο διαφορετικές διατάξεις, καθώς και στην εφαρμογή της για τον προκαταρκτικό σχεδιασμό πυροσβεστικών ΜΕΑ διάφορων μεγεθών. Κατόπιν βιβλιογραφικής έρευνας επί πυροσβεστικών αεροσκαφών και ΜΕΑ με ικανότητες ΚΑΠ, διαπιστώνεται ότι οι ποσότητες νερού που χρειάζονται για αποτελεσματική πυρόσβεση αντιστοιχούν σε αεροσκάφη πολύ μεγαλύτερα από οποιοδήποτε ΜΕΑ μη στρατιωτικής χρήσης. Επίσης, τα εναέρια μέσα πυρόσβεσης βασίζονται στην ικανότητα μεταφοράς μεγάλου ωφέλιμου φορτίου. Οι διαπιστώσεις αυτές μάς καθοδηγούν κατά την διαδικασία της εκτίμησης του βάρους και του μεγέθους ενός αεροσκάφους μέσω των αναγκών της αποστολής του και στατιστικών στοιχείων υπαρχόντων αεροσκαφών. Η διαδικασία πραγματοποιείται σε τρεις κλίμακες κάθε διάταξης με συνολικό εύρος ωφέλιμου φορτίου από 100 μέχρι 2.000 κιλά, χρησιμοποιώντας τεχνικές σχεδιασμού αεροπλάνων και ελικοπτέρων και καταλήγει σε έξι πυροσβεστικά ΜΕΑ με διαφορετικά προωθητικά συστήματα. Οι υπό μελέτη διατάξεις αφορούν τα αεροσκάφη ουραίας έδρασης (ΑΟΕ) και τα ελικόπτερα με πολλαπλούς έλικες (ΕΠΕ). Τα ΑΟΕ είναι αεροσκάφη σταθερών πτερύγων που απογειώνονται και προσγειώνονται επί του ουραίου τμήματός τους. Τα ΕΠΕ είναι ελικοφόρα αεροσκάφη των οποίων η κίνηση ελέγχεται χρησιμοποιώντας πάνω από δυο έλικες. Το βάρος των ηλεκτρικών ΕΠΕ παρατηρείται ότι αυξάνει γεωμετρικά συναρτήσει της αυτονομίας, πράγμα που επιβεβαιώνεται συγκρίνοντας εκ νέου ένα ηλεκτρικό με ένα βενζινοκίνητο ΕΠΕ μεγάλης κλίμακας με τις ίδιες προδιαγραφές. Ανατρέχοντας στη σχετική βιβλιογραφία, διαπιστώνουμε ότι η αιτία έγκειται στην χαμηλή ενεργειακή πυκνότητα των μπαταριών σε σχέση με τους υδρογονάνθρακες. Στη συνέχεια, ένα ΕΠΕ των 27 τόνων σχεδιάζεται με δυνατότητες όμοιες του ελικοπτέρου βαρέων μεταφορών S-64 Aircrane για αποτελεσματικότερη πυρόσβεση. Κάθε διάταξη ΚΑΠ συνοδεύεται με ορισμένα εγγενή προβλήματα που χρήζουν ιδιαίτερης προσοχής. Ο σχεδιασμός των ΑΟΕ απαιτεί μελέτη της ευστάθειας τόσο κατά την πτήση όσο κατά την κάθετη απογείωση και προσγείωση, η οποία επηρεάζει το σύστημα προσγείωσης και το μέγεθος του ουραίου τμήματος. Η αποκλειστικά κάθετη πτήση των ΕΠΕ χαρακτηρίζεται από υψηλές ενεργειακές απαιτήσεις, οι οποίες μεταφράζονται σε επαυξημένο βάρος καυσίμων ή μπαταριών. 2022-07-07T08:40:14Z 2022-07-07T08:40:14Z 2022-07-04 http://hdl.handle.net/10889/16411 en application/pdf