Design of solar high altitude long endurance aircraft for multi payload & operations

Research is being carried out at the Turin Polytechnic University with the aim of designing a HAVE/UAV (High Altitude Very-long Endurance/Unmanned Air Vehicle). The vehicle should be able to climb to an altitude of 17–20 km by taking advantage of direct sun radiation and maintaining a level flight; during the night, a fuel cells energy storage system would be used. A computer program has been developed to carry out a parametric study for the platform design. The solar radiation change over one year, altitude, masses and efficiencies of the solar and fuel cells, as well as the aerodynamic performances have all been taken into account. The parametric studies have shown how the efficiency of the fuel and solar cells and mass have the most influence on the platform dimensions. High modulus CFRP has been used in designing the structure in order to minimize the airframe weight. A Blended Wing Body (BWB) configuration of Solar HALE Aircraft Multi Payload & Operation (SHAMPO) with 8 brushless electric motors has been developed, as a result of the parametric study. The BWB solution, compared with conventional designs, seems to provide the best compromise between performance, availability of surfaces for solar-cells, and volume for multi-payload purposes. Several profiles and wing plans have been analyzed using the CFD software Xfoil and Vsaero. The airfoil coordinates at the root and along the wing span as well as the wing planform were optimised to achieve the best efficiency. A FEM analysis was carried out using the Msc/Patran/Nastran code to predict the static and dynamic behaviour of the UAV structure.

ResumiLa ricerca che si sta portando avanti presso il Politecnico di Torino riguarda il progetto di un velivolo senza pilota HAVE/UAV (velivolo senza pilota da alta quota e lunga autonomia). La Piattaforma dovrebbe salire ad una quota di 17–20 km principalmente sfruttando la radiazione solare dopodichè continuare la missione in volo livellato. Il volo notturno sarebbe garantito da un sistema energetico a celle a combustibile. Nella fase preliminare è stato sviluppato un software per l'analisi parametrica delle principali variabili di progetto quali la variazione dell'irraggiamento solare durante il corso dell'anno, la variazione di masse ed efficienze di celle solari e celle a combustibile così come anche la variazione delle prestazioni aerodinamiche. Lo studio parametrico ha messo in luce come le efficienze di celle solari e celle a combustibile giochino un ruolo fondamentale nel dimensonamento del velivolo. Al fine di minimizzare il peso strutturale del velivolo la struttura è stata progettata utilizzando materiali compositi in fibra di carbonio ad alto modulo elastico. Come risultato dell'analisi parametrica è stata scelta una configurazione senza fusoliera BWB con 8 motori brushless. La soluzione BWB senza fusoliera, confrontata con configurazioni più convenzionali, è stata ritenuta quella di miglior compromesso tra prestazioni, superfici a disposizione per l'installazione di celle solari e volume a disposizione per carichi paganti di differente tipologia. Allo scopo di ottenere una configurazione efficiente dal punto di vista delle prestazioni aerodinamiche, numerosi profili e forme in pianta sono state analizzate utilizzando codici di fluidodinamica computazionale CFD quali ad esempio XFOIL e VSAERO. Allo scopo di caratterizzare il comportamento statico e dinamico della struttura dell'UAV è stata effettuata una analisi agli elementi finiti (FEM) con l'ausilio del codice di calcolo NASTRAN.