STUDIO DI MASSIMA DI UN UAV DI PICCOLE DIMENSIONI PER SORVEGLIANZA AUTOSTRADALE ED INSEGUIMENTO

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1 Università degli Studi di Bologna FACOLTA DI INGEGNERIA Corso di Laurea in Ingegneria Meccanica Disegno Tecnico Industriale STUDIO DI MASSIMA DI UN UAV DI PICCOLE DIMENSIONI PER SORVEGLIANZA AUTOSTRADALE ED INSEGUIMENTO Tesi di Laurea di: ENRICO ASIRELLI Relatore: Prof. Ing. LUCA PIANCASTELLI Correlatori: Prof. Ing. FRANCO PERSIANI Prof. Ing. GIANNI CALIGIANA Prof. Ing. ALFREDO LIVERANI Prof. Ing. ENRICO TROIANI Dott. Ing. VERONICA ROSSI Anno Accademico 23/24

2 Studio di un aeroplano senza pilota (UAV) per il controllo autostradale di concezione innovativa Velivolo di dimensioni e peso ridotti Elevate velocità di punta che consentano un eventuale inseguimento Autonomia più elevata possibile Buona qualità delle riprese video Affidabilità del sistema

3 Problemi relativi agli UAV già studiati per la stessa applicazione quasi tutti di derivazione militare: Grandi dimensioni (apertura alare di circa m) Pesi rilevanti (oltre 3 kg) Gestione e Manutenzione laboriosa e costosa

4 Lo sviluppo di un UAV di piccole dimensioni consente di affrontare re le problematiche costruttive relative al velivolo con le stesse metodologie adottate per gli aeromodelli Questa soluzione è possibile grazie a: Sistemi di bordo miniaturizzati Utilizzo delle nuove tecnologie di comunicazione (dalla telefonia portatile UMTS) Impiego di materiali compositi Propulsore per aeromodelli a bassi consumi

5 Componenti del velivolo Autopilota (CPU, 3 GPS, Piattaforma inerziale Datalink,, sensori pressione) 212 g Telecamera da osservazione ad alta risoluzione con obiettivo da 6 a 6 mm e zoom motorizzato 55 g Telecamera visione pilota posizionata a prua 65 g Generatore di corrente costituito da due motori brushless da modello per fornire energia al sistema Dispositivo per accensione elettronica motore 2 x 18 g 2 x 145 g

6 Sistema di propulsione Vengono impiegati due motori da aeromodello a quattro tempi della OS-Engines del tipo FT-MAX 3 Peso Motore 1,8 kg I motori azionano un fan che fornisce la spinta necessaria al velivolov Diametro esterno = 17 mm Lunghezza = 36 mm Diametro mozzo rotore = 7 mm Numero pale rotoriche = 7 Numero statori = 4 L utilizzo di un fan consente di eliminare le parti rotanti esterne minimizzando i rischi per l operatore

7 Fasi del progetto Scelta della configurazione Aereo di tipo tradizionale Configurazione canard

8 Fasi del progetto Scelta finale Configurazione canard Derive verticali posizionate a prua Propulsione mediante singolo fan azionato da 2 motori

9 Fasi del progetto Vantaggi configurazione CANARD (non utilizzata di solito per aeroplani tradizionali per la presenza enza di impennaggi): Bassa velocità di stallo Entrambi le superfici aerodinamiche sono portanti Minore resistenza aerodinamica totale rispetto ad una configurazione tradizionale

10 Fasi del progetto Progetto dell ala Si sceglie il profilo alare studiandone le caratteristiche aerodinamiche e poi si passa alla definizione dell ala di dimensione finita NASA-LANGLEY LS(1) GA(W) Cl-Alfa Polari Effic Cl 2 1,5 1, , Alfa Cl-Alfa Cl-Alfa A=6 Cl-Alfa Ala A=7 C l 2 1,5 1,5 -,5-1,2,4,6,8,1,12,14 Cd Profilo Ala A=6 Ala A=7 Eff Alfa Effic A=6 Effic A=7

11 Fasi del progetto Progetto Aerodinamico HN-315S Scelta del profilo adatto per il canard Definizione del canard di dimensione finita V = S S can ala l c dist ala =,35 Cl-Alfa Analisi delle caratteristiche aerodinamiche Efficienza Polare Cl,8,6,4, , ,4 -,6 Alfa Profilo Canard Cl/Cd Alfa Profilo Canard Cl,8,6,4,2,1,2,3,4,5 -,2 -,4 -,6 Cd Profilo Cnard Definizione delle superfici verticali V vert = l S v w S b v w =,4

12 Fasi del progetto Valutazione della resistenza aerodinamica di tutte le superfici non portanti Resistenza di forma Resistenza indotta Calcolo del coefficiente di resistenza totale Cdtot = Cdw + Cdc + Cdv + Cdfus + Cdcar + Cdacc

13 Fasi del progetto Analisi delle caratteristiche del velivolo completo Cl-Alfa Cl 2 1,5 1,5 Cl-Alfa Curva Cl- Velivolo completo ,5-1 Alfa Velivolo Cl 1,6 1,4 1,2 1,8,6,4,2 -,2,5,1,15 -,4 Cd Velivolo Curava Cl-Cd Cd Velivolo completo Autonomia oraria del Velivolo completo Efficienza VC Efficienza oraria Cl/Cd Alfa Cl/Cd VC Efficienza del Velivolo completo Cl^1,5/Cd Alfa Efficienza oraria

14 Dimensionamento alettoni Ca = corda ala =,2 m b/2 = lunghezza semiala =,7 m L alet = lunghezza alettone =,2 m C alet = corda alettone =,5 m C alet/ca =,25 Alettoni 3,5 Velocità di rollio [ /secondo] Il grafico di controllo evidenzia come gli alettoni siano già efficaci a bassi angoli di rotazione Teta' 3 2,5 2 1,5 1, Velocità m/s Grafico di controllo alettoni

15 Dimensionamento ipersostentatori L f = 3 mm C f = 5 mm max = 4 I flaps estesi aumentano la curvatura del profilo alare incrementandone la portanza e la resistenza Cl-Alfa Polari 2 2 Cl 1,5 1, ,5 Alfa Cl Ala A=7 Cl 1 Cl 2 Cl 3 Cl 4 Cl 1,5 1,5,5,1,15,2,25,3 -,5 Cd Ala No Flap Flap 1 Flap 2 Flap 3 Flap 4 Grafico Cl- per le varie estensioni dei flaps Polare del velivolo in funzione della rotazione dei flaps

16 Analisi strutturale dell ala principale La struttura dell ala è costituita da un guscio di carbonio dello spessore di 1 mm, formato secondo il profilo aerodinamico dell ala stessa. Lo spessore dell ala è costituito a sua volta dalla sovrapposizione di diversi strati di carbonio, 1 fogli di spessore pari a,1 mm le cui fibre sono disposte secondo la modalità descritta nella figura Si considera che i carichi agenti sull ala sono costituiti dalla portanza e dal peso dell ala stessa n ( Q Qala) F( y) = p( y) f ( y) = c( y) S

17 Analisi strutturale dell ala principale Si valutano le caratteristiche fisiche dell ala e si realizza il modello in ANSYS Q = peso del velivolo 2 N Qala = peso semiala 5 N N = fattore di carico = 4,4 C = corda alare =,2 m b/2 = semiapertura alare =,7 m K = coefficiente di sicurezza = 2 E = modulo elastico del materiale in direzione delle fibre = 22 N/mm 2 σ = tensione rottura = 2 N/mm 2 Vengono applicati i vincoli e i carichi alla struttura Si valutano le tensioni e le deformazioni risultanti I risultati dell analisi mostrano che max 25 MPa << La freccia massima risulta pari a 15 mm << amm

18 Disegno finale del velivolo Vista frontale Vista prospettica Vista laterale Vista in pianta

19 Componenti principali del velivolo Serbatoio alare 1 Autopilota Paracadute Telecamera visione pilota Motore 2 Telecamera per osservazione Serbatoio fusoliera Motore 1 Generatore di corrente Serbatoio alare 2

20 Manutenzione del velivolo La manutenzione del velivolo è semplice grazie alla grande accessibilità di tutti i componenti tramite l impiego di sezioni asportabili

21 Prestazioni Velocità massima in volo orizzontale (entrambe i motori in funzione) (entrambe i motori in funzione) 27 km/h Massima distanza percorribile 8 km Tempo massimo di permanenza in volo 7 ore Velocità massima di salita 5,2 m/s Velocità minima di sostentazione (flaps totalmente estesi, eventuali slats consentirebbero un ulteriore abbassamento) 9 km/h

22 Confronto con un UAV di pari categoria Peso a pieno carico 3 kg Peso a pieno carico 2 kg Velocità massima 234 km/h Velocità massima 27 km/h Velocità minima 126 km/h Velocità minima 9 km/h Autonomia oraria 6 ore Autonomia oraria 7 ore Massima distanza percorribile 35 km Massima distanza percorribile 8 km Apertura alare x lunghezza 5 x 4,5 m Apertura alare x lunghezza 1,4 x 1,4 m Carburante imbarcato 25 litri Carburante imbarcato 9 litri

23 Conclusioni Velivolo dal peso e dimensioni molto ridotte quindi facilmente gestibile Velocità di punta che consentono di effettuare agevolmente un inseguimento Bassi costi di esercizio e manutenzione impiegando componenti per uso modellistico Alto grado di sicurezza grazie alla presenza di due motori, paracadute di emergenza, piccole dimensioni, bassa velocità di stallos