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Tesis:

RPAS Design : an MDO Approach

  • Autor: ALIAGA AGUILAR, Hugo

  • Título: RPAS Design : an MDO Approach

  • Fecha: 2018

  • Materia: Sin materia definida

  • Escuela: E.T.S.I. AERONÁUTICA Y DEL ESPACIO

  • Departamentos: AERONAVES Y VEHICULOS ESPACIALES

  • Acceso electrónico: http://oa.upm.es/51374/

  • Director/a 1º: CUERNO REJADO, Cristina

  • Resumen: En la actualidad las aeronaves no tripuladas y, más concretamente, los RPAS (sistemas aéreos pilotados a distancia) están experimentando un gran crecimiento tanto a nivel militar como civil, ya que la eliminación de la necesidad de estar tripulados permite la mejora de su autonomía y actuaciones, y elimina gran cantidad de riesgos para la vida humana. Además, permite la reducción de su tamaño en gran medida. Esta disminución en masa y tamaño aumenta así mismo la variedad de misiones que son capaces de realizar. Sin embargo, el diseño de estas aeronaves suele ser largo y costoso, lo que dificulta que pequeñas empresas puedan acometerlo. La optimización de diseño multidisciplinar (MDO por sus siglas en inglés), es una rama de la ingeniería dedicada a resolver problemas altamente complejos mediante técnicas de optimización que se emplea en el diseño de aviones comerciales desde hace tiempo. Integrar las diversas ramas de la ingeniería que intervienen en el diseño de un RPAS en una estructura MDO que simplifique el proceso de diseño es un desafío. Además, actualmente hay una amplia variedad de arquitecturas para el desarrollo de proyectos MDO, y la motivación para emplear una u otra arquitectura varía según las necesidades del problema concreto. En los últimos años las arquitecturas distribuidas se han vuelto mucho más comunes, ya que permiten el cálculo en paralelo (incluso con plataformas gráficas), reduciendo los tiempos de proceso. Adaptar la formulación de un problema a una determinada arquitectura es un proceso pesado que, en ocasiones, debe repetirse varias veces con el fin de comprobar cuál es la arquitectura que mejor funciona para dicho problema. Por ello se ha desarrollado una nueva arquitectura, la GPPA (Generic Parameter Penalty Architecture), capaz de comportarse como multitud de arquitecturas distintas con la variación de tres parámetros. La utilización de técnicas MDO en la ingeniería aeroespacial no es nueva. Estas arquitecturas han sido aplicadas a multitud de problemas aeronáuticos con relativa complejidad, pero nunca como el único responsable del diseño preliminar de un RPAS en su totalidad con variedad de subdisciplinas y la posibilidad de emplear configuraciones aerodinámicas sin restricciones. Por ello también se ha desarrollado una nueva metodología de diseño MDO rápida, eficaz y robusta, para RPAS de tamaño reducido. Esta metodología ha tenido en cuenta las diversas ramas del diseño aeronáutico (como son la aerodinámica, el cálculo estructural, la propulsión, etc.). Esta metodología permite, en función de unas actuaciones objetivo, generar un diseño adaptado a las condiciones de vuelo de la aeronave y su misión, proporcionando la geometría del RPAS, su estructura, y la disposición de todos los elementos de la aeronave, sentando la base para continuar con el diseño mediante modelos más precisos, aunque más lentos, como los FEM. ----------ABSTRACT---------- Unmanned aircraft and, particularly, RPAS (Remotely Piloted Aircraft Systems) are nowadays experiencing great growth both in the military and civil industries. This is due to the fact that removing the need to be manned has enabled the improvement of their endurance, range, and overall performance while, at the same time, reducing the risk to which human lives were exposed. In addition, RPAS can be made much smaller. This decrease of mass and size increases the variety of missions they can perform. However, the design process to manufacture such aircraft is often long and costly, which prevents small companies from undertaking it. Multidisciplinary Design Optimization (MDO) is an engineering field whose focus is to solve highly complex problems by the means of optimization techniques. It has been used in the design of commercial aircraft for a long time, but integrating the various engineering disciplines that take part in designing an RPAS within an MDO to simplify the design process is a challenge. In addition, there is an ample variety of architectures for MDO projects and, the reasons to choose a particular one, have to be discussed on a case by case basis. During the last years, distributed architectures have become widespread, given that they can take advantage of parallel computing (even with graphical platforms) and reduce computing time. Adapting the formulation of a problem to a particular architecture is a slow and ponderous task that, in many cases, must be repeated several times to find out which is the architecture that provides the best results. Therefore, a new architecture has been developed: GPPA (Generic Parameter Penalty Architecture), which is able to behave like a number of different architectures by modifying three parameters. Usage of MDO techniques in aerospace engineering is not new. These techniques have been applied to numerous and somehow complicated aeronautical problems, but never before as the sole element in charge of the preliminary design of a full RPAS, including multiple subdisciplines and the ability to contemplate unconstrained aerodynamic configurations. That is the reason why a new MDO methodology for the quick, efficient, and robust design of RPAS has been developed. This methodology takes into account the various subdisciplines of aeronautical design, such as aerodynamics, structural calculus, propulsion, economy, etc. It provides the environment to generate, from the RPAS’ objective performance, a design that is suitable for the flight conditions of the aircraft and its mission. It also generates the RPAS’ geometry, structure, and position of all its elements to establish the foundations from which more precise (and slow) methods such as FEM/VEM can further evolve the design.