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Advisor(s)
Abstract(s)
The growing demand for alternative clean energy sources for civil aviation industry,
from transport to surveillance, prompts new aircraft configurations for a different range
of future applications and replacement of outdated concepts of aircraft still in service.
The electrification of aircraft is the future of aviation. The electrical Vertical Take-off and
Landing (eVTOL) type of aircraft is growing in demand as an alternative for Urban Air
Mobility (UAM), in short to mid-range transportation of goods and passengers.
In this dissertation, an eVTOL aircraft concept and preliminary design are proposed.
The design is a small UAV optimized for mpay
CL
CD
aiming at longer flight ranges and carrying capacity. An Excel spreadsheet developed to proceed with the parametric study.
The parameters considered are: Winspan, mean aerodynamic chord (MAC), and lift coefficient as the main design parameters for the aircraft wing. Multiple parameters combinations were tested and the selection criteria were the objective function and MAC. A
compromise between the two criteria was achieved by selecting a wing with a slightly less
score in objective function but a mean chord value higher than the optimal chord, which
was better for the structure. Prop Selector was used in combination with spreadsheets
for the preliminary propeller design, where a variable pitch configuration with the known
wing main characteristics was adopted, in hover and cruise conditions to screen the best
propeller diameter using the hover lift performance (H) and global efficiency (?global) as
the main performance parameters do optimize the propulsion of the aircraft. The selected
diameter is studied in the climb condition and the ideal pitch of the propeller is predicted
for the relevant flight conditions.
The performance parameters such as the rate of climb, cruise speed, and range were
estimated, showing promissing results. With XFOIL/XFLR5 software the static longitudinal stability was studied, and Open VSP and CATIA V5 CAD models of the aircraft, and
tilt-rotor mechanism were made. Finally, the mission profile is devised, the battery mass
fraction, and energy consumption for each flight condition is calculated, thus highlighting
the capabilities and limitations of the aircraft.
O crescimento no incentivo de fontes de energia descarbonizada na indústria da aviação civil, desde a aviação de transporte até vigilância, leva a que novos conceitos de aeronaves sejam desenvolvidos para uma gama diferente de aplicações futuras e actuais como substuição de conceitos ultrapassados de aeronaves ainda em uso. A electrificação é o futuro para propulsão de aeronaves. A aeronave do tipo eléctrico com descolagem e aterragem vertical (eVTOL) tem amadurecido como alternativa para Mobilidade Aérea Urbana (MAU), no transporte de mercadorias e passageiros para curto e médio alcance. Nesta dissertação, é proposto um projeto conceptual e preliminar de uma aeronave eVTOL. O design é um pequeno UAV otimizado para maximizar uma função objetivo, Fobj= mpay CL CD para um maior alcance e capacidade de carga. Utilizou-se uma folha de cálculo Excel para fazer um estudo paramétrico da asa com a envergadura, corda aerodinâmica média (CAM) e coeficiente de sustentação como principais parâmetros de projeto da asa da aeronave. Foram testadas múltiplas combinações dos parâmetros e os critérios de seleção foram a função objetivo e CAM. Um compromisso entre os dois critérios foi alcançado ao selecionar uma asa com uma pontuação um pouco menor na função objetivo, mas um valor de CAM superior à corda ótima, isso foi a melhor escolha para a estrutura. O Prop Selector foi utilizado em combinação com a folha de cálculo para o projeto preliminar da hélice, implementou-se uma configuração de passo variável com as características principais da asa já conhecida. Estudou-se o desempenho da aeronave em condições de voo pairado e cruzeiro para selecionar o melhor diâmetro da hélice com os critérios desempenho da eficiência de tração em voo pairado (H) e efficiência global (?global) para quantificar o passo apropriado a cada condição de voo e apurar a previsão do desempenho global da aeronave. A previsão de desempenho, razão de subida, velocidade de cruzeiro, e alcance, revelou resultados promissores. O software XFOIL/XFLR5 foi utilizado para estudar a estabilidade longitudinal estática, e em seguida desenhou-se com Open VSP e CATIA V5 modelos CAD da aeronave e do mecanismo basculante dos rotores. Finalmente, foi feito o perfil da missão, em que é de interesse a fração de massa da bateria, e o consumo de energia para cada condição de voo, e com essas métricas as capacidades e limitações da aeronave são reconhecidas.
O crescimento no incentivo de fontes de energia descarbonizada na indústria da aviação civil, desde a aviação de transporte até vigilância, leva a que novos conceitos de aeronaves sejam desenvolvidos para uma gama diferente de aplicações futuras e actuais como substuição de conceitos ultrapassados de aeronaves ainda em uso. A electrificação é o futuro para propulsão de aeronaves. A aeronave do tipo eléctrico com descolagem e aterragem vertical (eVTOL) tem amadurecido como alternativa para Mobilidade Aérea Urbana (MAU), no transporte de mercadorias e passageiros para curto e médio alcance. Nesta dissertação, é proposto um projeto conceptual e preliminar de uma aeronave eVTOL. O design é um pequeno UAV otimizado para maximizar uma função objetivo, Fobj= mpay CL CD para um maior alcance e capacidade de carga. Utilizou-se uma folha de cálculo Excel para fazer um estudo paramétrico da asa com a envergadura, corda aerodinâmica média (CAM) e coeficiente de sustentação como principais parâmetros de projeto da asa da aeronave. Foram testadas múltiplas combinações dos parâmetros e os critérios de seleção foram a função objetivo e CAM. Um compromisso entre os dois critérios foi alcançado ao selecionar uma asa com uma pontuação um pouco menor na função objetivo, mas um valor de CAM superior à corda ótima, isso foi a melhor escolha para a estrutura. O Prop Selector foi utilizado em combinação com a folha de cálculo para o projeto preliminar da hélice, implementou-se uma configuração de passo variável com as características principais da asa já conhecida. Estudou-se o desempenho da aeronave em condições de voo pairado e cruzeiro para selecionar o melhor diâmetro da hélice com os critérios desempenho da eficiência de tração em voo pairado (H) e efficiência global (?global) para quantificar o passo apropriado a cada condição de voo e apurar a previsão do desempenho global da aeronave. A previsão de desempenho, razão de subida, velocidade de cruzeiro, e alcance, revelou resultados promissores. O software XFOIL/XFLR5 foi utilizado para estudar a estabilidade longitudinal estática, e em seguida desenhou-se com Open VSP e CATIA V5 modelos CAD da aeronave e do mecanismo basculante dos rotores. Finalmente, foi feito o perfil da missão, em que é de interesse a fração de massa da bateria, e o consumo de energia para cada condição de voo, e com essas métricas as capacidades e limitações da aeronave são reconhecidas.
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Keywords
Asa Fixa Evtol Hélice de Passo Variável Mau Projecto Preliminar Uav