Diseño estructural preliminar de un vehículo aéreo no tripulado en configuración de ala volante

Abstract

Hace ya unos años que vivimos instaurados en la era de los aviones no tripulados. Muchos son los campos y aplicaciones que se han visto beneficiados por la aparición de estos sistemas. Entre ellos la monitorización o vigilancia y el seguimiento, ya sea bien de instalaciones en el ámbito civil, o de tropas en el marco militar, es uno de los campos que más favorecidos se han visto, en tanto que la duración máxima de los vuelos sólo es limitada por el combustible, sin llevar asociadas las limitaciones correspondientes a tener tripulación. La configuración de Ala Volante o Voladora ha destacado por su capacidad de vuelo estable, controlable sin sustentación distinta a la del ala principal, es decir, sin necesidad de presentar estabilizadores horizontales. Además, ha sido ampliamente defendida como la configuración óptima del avión desde el punto de vista de la aerodinámica y el peso estructural. Por otro lado, la capacidad de despegue y aterrizaje vertical o VTOL, de sus siglas en inglés, de algunos sistemas autónomos, ha supuesto un avance importante en las posibilidades de las aeronaves mediante la incorporación de unas plataformas de rotores. El control de vuelo mediante el uso de empuje vectorial proporcionado por estos rotores, en vez de alerones, se ha comprobado que da al concepto una serie de claras ventajas sobre los diseños de ala fija sobre todo en entornos de vuelo restringido por infraestructuras terrestres. Este Trabajo Fin de Máster pretende ser un primer paso en la investigación de este nuevo concepto de Alas Volantes VTOL, enfocándose en el Diseño Estructural por componentes de las mismas. Con este objetivo, en primer lugar, se realizó un diseño conceptual basado en el estudio de especificaciones de aeronaves similares. En él se definieron las características deseadas en cuanto a la operación propia de la aeronave, así como un primer diseño dimensional de los distintos componentes. A continuación, se realizaron los estudios de Aerodinámica para la concepción de las superficies teóricas de la aeronave. Aquí se contempla tanto la selección del tipo de perfil alar, como características asociadas a la geometría del ala en relación al conjunto de la aeronave. Para este análisis aerodinámico se utilizó el software de código abierto XFLR5 v6.38. Por último, se desarrolló un Diseño Preliminar Estructural de distintos componentes de la aeronave. Partiendo de la Estructura de Producto del prototipo, se cascadea a nivel de conjuntos y subconjuntos hasta llegar a nivel de partes elementales, las cuales se diseñaron considerando distintas tecnologías y materiales de fabricación, así como su compatibilidad para el montaje y la instalación de los distintos sistemas a bordo de la aeronave. Para el diseño, estimaciones de peso y estudio de cargas estructurales se hizo uso del software comercial CATIA v5r21 desarrollado por Dassault Systèmes. En conclusión, este Trabajo supone un acercamiento al diseño de aeronaves no tripuladas útiles para misiones de vigilancia y seguimiento con las ventajas que ello supone, y propone la configuración híbrida de Ala Volante VTOL como una interesante opción en la búsqueda de la tecnología más eficiente para estos fines.

There is a while since we are living inmersed in the unmanned aircraft age. So many technological areas and applications have been deeply benefited by the appearance of these systems. Among them, monitoring and surveillance, both in civilian and military applications, has been one of the most favored fields in terms of flight operations, only limited by fuel consumption and without the limits associated with carrying crew. Flying Wing aircraft configuration has stood out by its capacity of stable flight, controllable without more sustentation than the one provided by the main wing, that means, without the need of horizontal stabilizers. In addition, it has been widely advocated as the optimal aircraft configuration in terms of aerodynamics loads and structural weight. On the other hand, VTOL vertical take-off and landing technology has meant a remarkable advance in aircraft capabilities by the incorporation of a multirotor platform. Flight control using vectorial thrust by these rotors, instead of ailerons, has been proven to give several advantages over fixed wing designs, specially in flight environments restrictred by terrestrial infrastructures. This Master’s Project aims to be a first step in the research of this new Flying Wing VTOL concept, focusing on Structural Design of its components. To this end, a conceptual design based on the study of similar aircraft specifications was carried out at first. It defined the desired characteristics in terms of payload capacity, components sizing and aircraft operation. Aerodynamics studies were then carried out to define the aircraft theoretical surfaces. Here it is considered both the wing profile selection and several characteristics associated with the wing geometry in relation to the aircraft. XFLR5 v6.38 open source software was used for this aerodynamic analysis. Finally, a Preliminary Structural Design of different aircraft components was developed. Based on the Product Structure of the prototype, it is downgraded at the level of installations, assemblies and sub-assemblies up to elemental parts level, which were designed considering different manufacturing technologies and materials, as well as their compatibility for the assembly and systems installation on board. For the design, weight estimation and structural loads studies, commercial software CATIA v5r21 was used. In conclusion, this Project supposes an approach to the design of unmanned aircraft for surveillance and monitoring missions with the advantages that it entails, and this research proposes the hybrid configuration of Flying Wing VTOL as an interesting option in the search of the most efficient technology for these purposes.