Návrh pilotovaného vznášedla pro Urban Air Mobility
Loading...
Date
Authors
ORCID
Advisor
Referee
Mark
A
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Vysoké učení technické v Brně. Fakulta strojního inženýrství
Abstract
Diplomová práce se věnuje koncepčnímu návrhu pilotovatelného prostředku pro UAM. V průběhu návrhu byla vyvíjena snaha zachovat původní myšlenku létajícího motocyklu, což vedlo ke zvolení konfigurace multikoptéry. Na základě statistického průzkumu stávajících konceptů a vstupních požadavků bylo možné odhadnout vstupy pro první iteraci návrhu propulzního systému, který sestává z výběru vrtulí, motorů, kontrolérů a předběžného návrhu baterie. Nakonec byla zvolena konfigurace koaxiální kvadrokoptéry. Klíčovou částí koncepčního návrhu je samotná konstrukce, která je navržena jako prutový duralový rám s krytovými prvky z uhlíkového kompozitu. Motory s vrtulemi jsou uchyceny v nosných prstencích, které přináší aerodynamické a konstrukční výhody. Tyto prstence jsou také navrženy z uhlíkového kompozitu, jejichž vrstvová skladba byla navržena tak, aby dokázala bezpečně přenést dané zatížení. Pevnost navržené prutové konstrukce a kompozitních prstenců byla poté zkontrolována pomocí výpočtu metodou konečných prvků. Pevnostní analýza prutové konstrukce pomohla snížit celkovou hmotnost úpravou průřezu použitých kruhových profilů. MKP analýza kompozitního prstence byla provedena pro dynamické zatížení při přechodu do dopředného letu a byla klíčovým nástrojem pro definici vhodné skladby laminátu kompozitních prstenců tak, aby se docílilo kompromisu mezi hmotností a dostatečnou pevností. Největší důraz musel být kladen na napojení prstenců na centrální prutovou konstrukci, jelikož je využito mechanických spojů, které vytváří silné koncentrátory napětí. V těchto místech bylo zapotřebí silně zesílit laminát a využít zalaminovaný duralový plát, jenž pomohl zvýšit pevnost v těchto místech. Kromě kompozitních dílů prstenec využívá duralové součásti, které byly také zkontrolovány výpočtem. VTOL prostředky mohou silně využívat výhod přízemního efektu. K výpočtu letových výkonů ve visu s vlivem přízemního efektu, byla provedena CFD analýza. Vliv přízemního efektu byl zkoumán ve visu ve třech různých vzdálenostech od země. Vliv přízemního efektu na letové výkony byl vyhodnocen na základě výdrže baterie ve visu, pro který je třeba generovat menší tah a spotřebovávat méně elektrické energie, než by bylo třeba ve větší vzdálenosti od země. Druhá část aerodynamických výpočtů se věnovala určení součinitele odporu v dopředném letu, jenž byl zkoumán ve třech různých naklopeních. Výsledky byly dále využity pro výpočet závislosti rychlosti letu na úhlu naklopení, výdrže baterie a dolet. V závěrečné části práce byly navrženy dva možné způsoby provedení řízení a bylo shrnuto přístrojového vybavení, které by umožnilo bezpečný let.
The thesis deals with a conceptual design of a rotorcraft in the configuration of a multicopter, which has the design features of a motorcycle. Initial input parameters and requirements for conceptual design were based on statistical research of similar existing concepts. Afterwards, suitable components of propulsion system were chosen to fit the proposed design and flight performance requirements. UAM vehicle was designed as a coaxial quadcopter. Multicopter was designed as a composite construction combining aluminium space frame and composite ducts, which cover the propellers. Centre of gravity was calculated to ensure that its position lies exactly between front and rear rotors, which has a significant impact on stability. Structural strength of important components was then checked using FEM. Besides the structural analysis of a space frame, great deal of emphasis has been placed on structural analysis of composite ducts. This analysis helped to define inner structure and ensure that it withstands given load. Since the multicopter may benefit from ground effect benefits, its impact was evaluated by CFD analysis in three different distances from the ground. Positive influence of ground effect was evaluated based on extended battery endurance at hover for different payloads. Forward flight performance of designed UAM VTOL vehicle was carried out together with the estimation of drag coefficient of the multicopter with a pilot using CFD for different pitch angles. Obtained drag coefficient were then used for the calculation of multicopter forward flight speed dependency on pitch angle and battery endurance. In the end, two proposals of flight controller were presented together with possible control system and sensors, which could be used.
The thesis deals with a conceptual design of a rotorcraft in the configuration of a multicopter, which has the design features of a motorcycle. Initial input parameters and requirements for conceptual design were based on statistical research of similar existing concepts. Afterwards, suitable components of propulsion system were chosen to fit the proposed design and flight performance requirements. UAM vehicle was designed as a coaxial quadcopter. Multicopter was designed as a composite construction combining aluminium space frame and composite ducts, which cover the propellers. Centre of gravity was calculated to ensure that its position lies exactly between front and rear rotors, which has a significant impact on stability. Structural strength of important components was then checked using FEM. Besides the structural analysis of a space frame, great deal of emphasis has been placed on structural analysis of composite ducts. This analysis helped to define inner structure and ensure that it withstands given load. Since the multicopter may benefit from ground effect benefits, its impact was evaluated by CFD analysis in three different distances from the ground. Positive influence of ground effect was evaluated based on extended battery endurance at hover for different payloads. Forward flight performance of designed UAM VTOL vehicle was carried out together with the estimation of drag coefficient of the multicopter with a pilot using CFD for different pitch angles. Obtained drag coefficient were then used for the calculation of multicopter forward flight speed dependency on pitch angle and battery endurance. In the end, two proposals of flight controller were presented together with possible control system and sensors, which could be used.
Description
Citation
POLČÁK, M. Návrh pilotovaného vznášedla pro Urban Air Mobility [online]. Brno: Vysoké učení technické v Brně. Fakulta strojního inženýrství. 2022.
Document type
Document version
Date of access to the full text
Language of document
en
Study field
Stavba letadel
Comittee
doc. Ing. Ivo Jebáček, Ph.D. (předseda)
doc. Ing. Jiří Hlinka, Ph.D. (místopředseda)
doc. Ing. Vladimír Daněk, CSc. (člen)
Ing. Robert Popela, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Miloslav Petrásek, CSc. (člen)
Ing. Robert Theiner, Ph.D. (člen)
Date of acceptance
2022-06-15
Defence
Študent dodržal stanovený čas vyčlenený na prezentáciu diplomovej práce. Vizuálna stránka prezentácie bola spracovaná na vysokej úrovni, prednes bol profesionálny a súvislý. Všetky 4 otázky oponenta boli zodpovedané a doplnené detailným výkladom. Otázky položené členmi komisie boli kompletne zodpovedané.
Result of defence
práce byla úspěšně obhájena
Document licence
Standardní licenční smlouva - přístup k plnému textu bez omezení