Diseño y Fabricación de un UAV de diez kilogramos de carga paga

Grupo UAx/IDF/UPV
 

Resumen

Se propone el diseño de un UAV de diez kilogramos de carga paga. Del análisis de los requerimientos de la misión resulta que el diseño debe ser modular, fabricado en fibra de carbono, transportado y operado por una persona. La teoría del cálculo de aeronaves tripuladas es adaptada al diseño de un UAV, por lo tanto, la superficie alar es 0,749 m. y el peso al despegue aprox. 20 Kg., teniendo el UAV una estabilidad relajada, mayor maniobrabilidad. El estudio aerodinámico muestra que un ala con torsión geométrica de -3º retrasa la entrada en perdida. Además, la estructura será de madera de balsa, y el revestimiento de fibra de carbono unidireccional orientado a soportar las cargas de pandeo en el fuselaje, y las producidas por el momento flector en el ala. Y la simulación del mecanizado de los moldes prueba la vialidad del diseño para la fabricación. Por lo que se recomienda pasar a un estudio más detallado de todo el UAV para optimizar su diseño, y disminuir los costes de fabricación.

render1i. UAV diez kg. carga paga

diseño modulñaii. Diseño Modular

1.      Introducción

El objetivo es proponer un diseño para la fabricación de un UAV (Unmanned Aerial Vehicle) de diez kilogramos de carga paga, cuyo transporte y operatividad se realice por una sola persona. Para ello se realiza el análisis de los requerimientos de la misión a realizar por el UAV, y el estudio de aeronaves semejantes. A continuación, el cálculo preliminar del dimensionamiento del UAV; el estudio de la estabilidad, de la aerodinámica, estructura (propuesta), y fabricación de los principales componentes que restringen y caracterizan el funcionamiento, y el rendimiento del UAV; además de los costes. Justificando de esta forma la viabilidad del diseño propuesto.

Los requerimientos principales del UAV se recopilan en la Tabla 1. A partir de estos se tiene que la carga mínima que debe ser transportada es de 10 Kg.; ala alta para evitar posibles impactos en la rodadura en pista; utilizar materiales compuesto para minimizar el peso; máxima envergadura 2,5 m. por restricción del equipamiento de curado de fibra de carbono; diseño modular; propulsión eléctrica; ubicación del motor en la parte trasera del UAV; y sistema de cámara TV y térmicas.

tabla 1

El cálculo preliminar del dimensionamiento se obtiene del estudio de aeronaves semejantes, y adaptando la teoría del cálculo de aeronaves tripuladas a los UAV (baterías -> peso fijo, sin tripulación -> sin sistemas de mantenimiento de vida, etc…), se estima el peso, y longitud de fuselaje, Tabla 2. Y se define el punto de diseño que satisfaga las actuaciones más restrictivas del UAV, Fig. 1. Proporcionando la información de la superficie alar, y la potencia, Tabla 2.

tabla 2

fig 1

En el estudio de la estabilidad, se realiza el análisis y el diseño de la estabilidad estática longitudinal, ya que el desempeño del UAV en vuelo es más crítico en este eje. Intencionalmente, se diseña el UAV con una estabilidad estática relajada, dado que la variación del coeficiente de momento debido al ángulo de ataque es positiva, Tabla 3, para lograr una mayor maniobrabilidad en vuelo.

tabla 3

A continuación, se realiza el estudio aerodinámico preliminar del ala, ya que este componente proporciona la fuerza de elevación del UAV, y así optimizando su diseño. Para ello, se lleva a cabo la simulación del fluido alrededor del ala, con una malla de 2832131 elementos, en las condiciones de vuelo crucero donde la velocidad es de 108 km/h, y a una altitud de 500 m. Y torsión geométrica de -3º. En la Fig. 2 se compara el ala básica (cálculo preliminar del dimensionamiento) y el ala con torsión (simulación del flujo alrededor del ala), se observa un retraso en la entrada en perdida.

fig 2

Se propone un diseño estructural de madera de balsa. Se aplica el criterio de diseño que consiste en minimizar el tamaño y peso de los elementos estructurales que conectan las fuerzas opuestas, ubicando estas últimas lo más cerca posible una de la otra. Las fuerzas opuestas principales en una aeronave son la sustentación y el peso. En el fuselaje se propone la configuración de revestimiento-largueros, ya que es posible emplear un revestimiento de fibra de carbono unidireccional, en la dirección que normalmente soportarían los larguerillos. Fig. 3a). La configuración de alas multi-costillas se emplea en aeronaves de transporte que tienen elevados alargamientos y relativamente grandes espesores. Este tipo de alas tiene un larguero frontal cerca del 30 % de la cuerda, y un larguero posterior al 75% de la cuerda, ambos largueros de tubos de fibra de carbono. El revestimiento será de fibra de carbono unidireccional en la dirección principal de las cargas producidas por el momento flector, y numerosas costillas orientadas en dirección de la cuerda. Fig. 3b).

fig 3

Además, en el estudio de la fabricación se realiza las simulaciones del mecanizado de los moldes negativos que servirán para fabricar el revestimiento del UAV. Los moldes se mecanizan a partir de bloques de espuma rígida de poliuretano (PUR). Las condiciones de corte del acabo en el mecanizado se muestran en la Tabla 4. En el acabado se debe tener en consideración la rigurosidad superficial de referencia en la industria aeronáutica: 0,4 μm. El diámetro de la fresa será 6 mm., y el régimen de giro 1200 rpm . Y en la simulación de corte por láser de la fabricación del diseño estructural se emplea una plancha de madera de balsa de 610x490x3mm. Dada la precisión del láser, la separación entre las piezas puede ser de 1 mm.

tabla 4

Solo se consideran los costes adicionales del presupuesto anual de grupo UAx, que son los materiales, y componentes electrónicos. En la Tabla 5, se presentan dichos costes.

tabla 5

 

2.      Resultados

En la Tabla 6, se presenta la configuración de los dispositivos de control para lograr un vuelo horizontal como resultado de la estabilidad. El coeficiente de sustentación del avión incluye la sustentación generada por el estabilizador debido a la deflexión.

tabla 6

Se observa en la Fig. 4, el campo de presiones sobre el extradós del ala que es negativo mayormente (verde); y solo un 1% es positivo (amarillo), y está en el borde de fuga. Es decir, en vuelo crucero el ala no está en perdida, y tiene alta eficiencia aerodinámica.

fig 4

La simulación del molde del revestimiento superior del ala se muestra en la Fig. 5a). Se observa que la forma del ala está definida, por lo tanto, es posible su fabricación (20 moldes en total del UAV). Mientras, en la Fig. 5b), se aprecia la trayectoria del corte por láser de la estructura en madera de balsa del ala (8 plancha en total de UAV).

fig 5

 

3.      Conclusiones

  • El diseño del UAV y el estudio de los principales componentes que caracterizan su rendimiento son viables para la fabricación. Por lo tanto, se recomendaría pasar a un estudio más amplio y detallado de todo el UAV para optimizar su diseño.
  • Para las pruebas de campo se deben utilizar cámaras de resolución media (menor coste), ya que los componentes de la misión son relativamente caros.