Descripción

Los vehículos aéreos no tripulados $a veces vehículos aéreos no tripulados o incluso sistemas, UAV o UAS$ se están volviendo cada vez más comunes en todo el mundo. Originalmente reservados a organizaciones militares muy secretas, ahora son utilizados de forma rutinaria por equipos de filmación, granjeros, equipos de búsqueda y rescate, aficionados, etc. Se han superado la mayoría de las dificultades tecnológicas para construir un sistema que pueda iniciar, despegar, cumplir una misión y regresar sin intervención humana, y la adopción más amplia de estas tecnologías ahora es principalmente una cuestión de costo, aceptación pública y aprobación regulatoria.

Los únicos desafíos tecnológicos restantes se refieren esencialmente al grado de autonomía a bordo y la toma de decisiones que pueden proporcionar estos vehículos. Si se pueden mantener comunicaciones seguras y sólidas con un piloto en tierra para proporcionar capacidades de toma de decisiones, se pueden lograr misiones muy ambiciosas con bastante facilidad. La toma de decisiones a bordo está menos avanzada, pero los desarrollos continúan a buen ritmo. Los orígenes de nuestro interés en los UAV provienen de los muchos años que hemos pasado en el negocio del diseño, tanto práctico como académico, docente e investigador. Esto nos ha expuesto a una gran cantidad de actividad relacionada en los sectores aeroespacial y marino, cuyos procesos han cambiado considerablemente a lo largo del tiempo que hemos estado involucrados.

Un tema recurrente ha sido la rápida evolución en el conjunto de herramientas de software utilizado para ayudar a los diseñadores, y es en esta área en la que nos hemos comprometido principalmente. Para nuestros puntos de vista, es central una forma de ver el diseño de ingeniería que distingue entre síntesis $el negocio de generar descripciones nuevas o modificadas de artefactos$ y análisis $donde uno usa las leyes de la física, los experimentos y la experiencia pasada para evaluar la probable o real desempeño del artefacto diseñado$. Es por el uso del análisis formal y la experimentación para atribuir valor a un artefacto que el diseño de ingeniería se distingue de otras formas de diseño.

Por lo tanto, para ser útiles en el mundo del diseño de ingeniería, las herramientas deben ayudar a describir el producto o proceso que se está diseñando, analizarlo o respaldar la entrega e integración de estos procesos, todo lo demás es solo burocracia: el diseño siempre debe verse como un proceso de toma de decisiones. En este libro nos enfocamos en un aspecto particular del área de rápido crecimiento de la tecnología UAV: el diseño, construcción y operación de UAV de ala fija de bajo costo en la clase de peso máximo de despegue $MTOW$ de 2 a 150 kg que se encuentran a bajas velocidades subsónicas. Dichos vehículos pueden ofrecer plataformas robustas de larga duración capaces de operar durante 10 horas o más con presupuestos muy por debajo de $100 000, a menudo menos de $10 000. Pueden transportar cargas útiles significativas y operar desde instalaciones terrestres relativamente simples. A continuación, se expone un enfoque para el diseño y la construcción de estos vehículos aéreos no tripulados, desarrollado durante muchos años en la Universidad de Southampton. Si bien existen, sin duda, muchas otras formas válidas de producir vehículos aéreos no tripulados, la que se describe aquí funciona para nosotros, proporcionando plataformas efectivas de bajo costo para la enseñanza, la investigación y la explotación comercial.

Front matter (Contents; List of Figures; List of Tables; Foreword; Series Preface; Preface; Acknowledgments)
Part I: Introducing Fixed-Wing UAVs
1. Chapter 1. Preliminaries
  1. 1.1 Externally Sourced Components
  2. 1.2 Manufacturing Methods
  3. 1.3 Project DECODE
  4. 1.4 The Stages of Design
    1. Concept Design
    2. Preliminary Design
    3. Detail Design
    4. Manufacturing Design
    5. In-service Design and Decommissioning
  5. 1.5 Summary
2. Chapter 2. Unmanned Air Vehicles
  1. 2.1 A Brief Taxonomy of UAVs
  2. 2.2 The Morphology of a UAV
    1. Lifting Surfaces
    2. Control Surfaces
    3. Fuselage and Internal Structure
    4. Propulsion Systems
    5. Fuel Tanks
    6. Control Systems
    7. Payloads
    8. Take-off and Landing Gear
  3. 2.3 Main Design Drivers
Part II: The Aircraft in More Detail
1. Chapter 3. Wings
  1. 3.1 Simple Wing Theory and Aerodynamic Shape
  2. 3.2 Spars
  3. 3.3 Covers
  4. 3.4 Ribs
  5. 3.5 Fuselage Attachments
  6. 3.6 Ailerons / Roll Control
  7. 3.7 Flaps
  8. 3.8 Wing Tips
  9. 3.9 Wing-housed Retractable Undercarriage
  10. 3.10 Integral Fuel Tanks
2. Chapter 4. Fuselages and Tails (Empennage)
  1. Main Fuselage/Nacelle Structure
  2. Wing Attachment
  3. Engine and Motor Mountings
  4. Avionics Trays
  5. Payloads – Camera Mountings
  6. Integral Fuel Tanks
  7. Assembly Mechanisms and Access Hatches
  8. Undercarriage Attachment
  9. Tails (Empennage)
3. Chapter 5. Propulsion
  1. Liquid-Fueled IC Engines
    1. Glow-plug IC Engines
    2. Spark Ignition Gasoline IC Engines
    3. IC Engine Testing
  2. Rare-earth Brushless Electric Motors
  3. Propellers
  4. Engine/Motor Control
  5. Fuel Systems
  6. Batteries and Generators
4. Chapter 6. Airframe Avionics and Systems
  1. Primary Control Transmitter and Receivers
  2. Avionics Power Supplies
  3. Servos
  4. Wiring, Buses and Boards
  5. Autopilots
  6. Payload Communications Systems
  7. Ancillaries
  8. Resilience and Redundancy
5. Chapter 7. Undercarriages
  1. Wheels
  2. Suspension
  3. Steering
  4. Retractable Systems
Part III: Designing UAVs
1. Chapter 8. The Process of Design
  1. Goals and Constraints
  2. Airworthiness
  3. Likely Failure Modes
    1. Aerodynamic and Stability Failure
    2. Structural Failure
    3. Engine/Motor Failure
    4. Control System Failure
  4. Systems Engineering
    1. Work-breakdown Structure
    2. Interface Definitions
    3. Requirements Flow-down
    4. Compliance Testing
    5. Cost and Weight Management
    6. Design “Checklist”
2. Chapter 9. Tool Selection
  1. Geometry/CAD Codes
  2. Concept Design
  3. Operational Simulation and Mission Planning
  4. Aerodynamic and Structural Analysis Codes
  5. Design and Decision Viewing
  6. Supporting Databases
3. Chapter 10. Concept Design: Initial Constraint Analysis
  1. The Design Brief
    1. Drawing up a Good Design Brief
    2. Environment and Mission
    3. Constraints
  2. Airframe Topology
    1. Unmanned versus Manned – Rethinking Topology
    2. Searching the Space of Topologies
    3. Systematic “Invention” of UAV Concepts
    4. Managing the Concept Design Process
  3. Airframe and Powerplant Scaling via Constraint Analysis
    1. The Role of Constraint Analysis
    2. The Impact of Customer Requirements
    3. Concept Constraint Analysis – A Proposed Computational Implementation
    4. The Constraint Space
  4. A Parametric Constraint Analysis Report
    1. Design Brief
    2. Unit Conversions
    3. Basic Geometry and Initial Guesses
    4. Preliminary Calculations
    5. Constraints
  5. The Combined Constraint Diagram and Its Place in the Design Process
4. Chapter 11. Spreadsheet-Based Concept Design and Examples
  1. Concept Design Algorithm
  2. Range
  3. Structural Loading Calculations
  4. Weight and Center of Gravity (CoG) Estimation
  5. Longitudinal Stability
  6. Powering and Propeller Sizing
  7. Resulting Design: Decode-1
  8. A Bigger Single Engine Design: Decode-2
  9. A Twin Tractor Design: SPOTTER
5. Chapter 12. Preliminary Geometry Design
  1. Preliminary Airframe Geometry and CAD
  2. Designing Decode-1 with AirCONICS
6. Chapter 13. Preliminary Aerodynamic and Stability Analysis
  1. Panel Method Solvers – XFoil and XFLR5
  2. RANS Solvers – Fluent
    1. Meshing, Turbulence Model Choice, and y+
  3. Example Two-dimensional Airfoil Analysis
  4. Example Three-dimensional Airfoil Analysis
  5. 3D Models of Simple Wings
  6. Example Airframe Aerodynamics
    1. Analyzing Decode-1 with XFLR5: Aerodynamics
    2. Analyzing Decode-1 with XFLR5: Control Surfaces
    3. Analyzing Decode-1 with XFLR5: Stability
    4. Flight Simulators
    5. Analyzing Decode-1 with Fluent
7. Chapter 14. Preliminary Structural Analysis
  1. Structural Modeling Using AirCONICS
  2. Structural Analysis Using Simple Beam Theory
  3. Finite Element Analysis (FEA)
    1. FEA Model Preparation
    2. FEA Complete Spar and Boom Model
    3. FEA Analysis of 3D-Printed and Fiber- or Mylar-clad Foam Parts
  4. Structural Dynamics and Aeroelasticity
    1. Estimating Wing Divergence, Control Reversal, and Flutter Onset Speeds
  5. Summary of Preliminary Structural Analysis
8. Chapter 15. Weight and Center of Gravity Control
  1. Weight Control
  2. Longitudinal Center of Gravity Control
9. Chapter 16. Experimental Testing and Validation
  1. Wind Tunnel Tests
    1. Mounting the Model
    2. Calibrating the Test
    3. Blockage Effects
    4. Typical Results
  2. Airframe Load Tests
    1. Structural Test Instruments
    2. Structural Mounting and Loading
  3. Static Structural Testing
  4. Dynamic Structural Testing
  5. Avionics Testing
10. Chapter 17. Detail Design: Constructing Explicit Design Geometry
  1. The Generation of Geometry
  2. Fuselage
  3. An Example UAV Assembly
    1. Hand Sketches
    2. Master Sketches
    3. 3D Printed Parts
      1. Decode-1: The Development of a Parametric Geometry for the SLS Nylon Wing Spar/Boom "Scaffold Clamp"
      2. Approach
      3. Inputs
      4. Breakdown of Part
      5. Parametric Capability
      6. More Detailed Model
      7. Manufacture
    4. Wings
      1. Wing Section Profile
      2. Three-dimensional Wing
Part IV: Manufacture and Flight
1. Chapter 18. Manufacture
  1. Externally Sourced Components
  2. Three-Dimensional Printing
    1. Selective Laser Sintering (SLS)
    2. Fused Deposition Modeling (FDM)
  3. Foam Construction and Fiberglass/Mylar Cladding
  4. Laser Cutting
  5. Wiring Looms
  6. Assembly Mechanisms
    1. Bayonets and Locking Pins
    2. Clamps
    3. Bolts and Screws
  7. Storage and Transport Cases
2. Chapter 19. Regulatory Approval and Documentation
  1. Aviation Authority Requirements
  2. System Description
    1. Airframe
    2. Performance
    3. Avionics and Ground Control System
    4. Acceptance Flight Data
  3. Operations Manual
    1. Organization, Team Roles, and Communications
    2. Brief Technical Description
    3. Operating Limits, Conditions, and Control
    4. Operational Area and Flight Plans
    5. Operational and Emergency Procedures
    6. Maintenance Schedule
  4. Safety Case
    1. Risk Assessment Process
    2. Failure Modes and Effects
    3. Operational Hazards
    4. Accident List
    5. Mitigation List
    6. Accident Sequences and Mitigation
  5. Flight Planning Manual
3. Chapter 20. Test Flights and Maintenance
  1. Test Flight Planning
    1. Exploration of Flight Envelope
    2. Ranking of Flight Tests by Risk
    3. Instrumentation and Recording of Flight Test Data
    4. Pre-flight Inspection and Checklists
    5. Atmospheric Conditions
    6. Incident and Crash Contingency Planning, Post-Crash Safety, Recording and Management of Crash Site
  2. Test Flight Examples
    1. UAV Performance Flight Test (MANUAL Mode)
    2. UAV CoG Flight Test (MANUAL Mode)
  3. Fuel Consumption Tests
  4. Engine Failure, Idle, and Throttle Change Tests
  5. Autonomous Flight Control Tests
  6. Auto-Takeoff Test
  7. Auto-Landing Test
  8. Operational and Safety Flight Scenarios
  9. Maintenance
    1. Overall Airframe Maintenance
    2. Time and Flight Expired Items
    3. Batteries
    4. Flight Control Software
    5. Maintenance Record Keeping
4. Chapter 21. Lessons Learned
  1. Things That Have Gone Wrong and Why
Part V: Appendices, Bibliography, and Index
1. Appendix A. Generic Aircraft Design Flowchart
2. Appendix B. Example AirCONICS Code for Decode-1
3. Appendix C. Worked (Manned Aircraft) Detail Design Example
  1. C.1 Stage 1: Concept Sketches
  2. C.2 Stage 2: Part Definition
  3. C.3 Stage 3: “Flying Surfaces”
  4. C.4 Stage 4: Other Items
  5. C.5 Stage 5: Detail Definition
4. Bibliography
5. Index

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Título: Small Unmanned Fixed Wing Aircraft Design: A Practical Approach
Autor/es: Andrew J. Keane | András Sóbester | James P. Scanlan
Edición: 1ra Edición
Año de publicación: 2017
Tipo de archivo: eBook
Idioma: eBook en Inglés
ISBN-10: 1119406293
ISBN-13: 9781119406297
Subtema: Ingeniería Aeroespacial

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