Analysis, modeling and optimization of solar-powered high-altitude platform-station (HAPS)

Abstract

High-altitude long-endurance (HALE) or High-altitude platform station (HAPS) are aircraft that can fly in the stratosphere continuously for several months and provide support to military and civilian needs. In addition, HAPS can be used as a satellite at a fraction of the cost and provide instant, persistent, and improved situational awareness. Solar energy is the primary source of energy for these types of unmanned aerial vehicles (UAVs). Solar panels mounted on the wing and empennage capture solar energy during the day for immediate consumption and conserve the remainder for use at night. The main challenges to the successful design of HAPS are finding an appropriate model to calculate airframe weight, materials for structural analysis, designing a wing and propulsion system so that they can be integrated successfully into a unique aircraft configuration and these problems need to be solved. Therefore, this thesis investigates /focuses on the concept of HAPS, optimization of the airfoil, wing design and aerodynamic analysis, experimental analysis of different materials used in the wing structure, structural analysis of the wing and design of novel optimized propeller. The topics covered in the chapters are mentioned below. The first three chapters of this thesis deal with the introduction, review of available literature and previous relevant research, and background of existing high-altitude aircraft and their configurations. Then, in Chapter 4, the initial mission requirements, mission profile, basic characteristics of solar panels, rechargeable batteries, assessment of daily power consumption and battery mass as well as methodologies for the initial estimation of aircraft structural mass and wing loads are discussed. Chapter 5 is dedicated to selecting and defining the appropriate airfoil by using potential flow model and the multi-criteria optimization process. The aerodynamic analysis of wings performed by computational fluid dynamics is shown in Chapter 6. Calculations of aerodynamic coefficients of the wing and the flow field around the wing are presented in this chapter. Chapter 7 is dedicated to the structural design of high-performance slender wings. Tensile tests of a variety of 3D printed polymers and composite materials as well as the effect of ageing and heat treatment on the tensile properties of PLA are presented to investigate their mechanical characteristics. Structural analysis of the wing is presented in Chapter 8. Two different possible solutions of the aircraft's wing structure for high altitudes are presented and their performance is compared through static and modal analyses. Chapter 9 deals entirely with the methodology for designing the optimal propeller intended for highaltitude unmanned aerial vehicles. Coupled aero-structural optimization was performed using a genetic algorithm where input and output parameters and constraints were defined from a set of geometric, aerodynamic, and structural characteristics of the propeller. Finally, main conclusions are presented in chapter 10.

Беспилотне летелице за велике висине (ХАЛЕ, ХАПС) су авиони који могу да лете у стратосфери непрекидно неколико месеци и пружају подршку војним и цивилним потребама. Поред тога, ове летелице се могу користити и као економични сателити и обезбеђивати тренутни, стални и побољшани увид у дешавања на Земљи. Сунчева енергија је главни извор енергије овог типа беспилотних летелица. Соларни панели распоређени по крилу и хоризонталним стабилизаторима упијају сунчеву енергију током дана за тренутну потрошњу док се остатак чува за лет током ноћи. Основни изазови успешном пројектовању ХАПС летелица су изналажење одговарајућег модела за процену тежине летелице, материјала за структуралну анализу, пројектовање крила и погонског система који се могу успешно интегрисати у јединствену конфигурацију летелице и ови проблеми морају бити решени. Стога, ова теза истражује/је фокусирана на концепт ХАПС-а, оптимизацију аеропрофила, дизајн и аеродинамичку анализу крила, експерименталну анализу различитих материјала коришћених у структури крила, структуралну анализу крила и дизајн нове оптимизоване елисе. Теме обрађене по поглављима наведене су у наставку. Прве три главе ове тезе баве се уводом, прегледом доступне литературе и претходних релевантних истраживања, као и прегледом постојећих ХАПС летелица и њихових конфигурација. Затим, у глави 4, разматрани су полазни захтеви и мисија, основне карактеристике соларних панела и пуњивих батерија, процена дневне потрошње енергије и потребне масе батерија, као и методологије за почетну процену масе конструкције авиона и оптерећења крила. Глава 5 посвећена је одабиру и дефинисању одговарајућег аеропрофила коришћењем модела потенцијалног струјања и вишекритеријумског оптимизационог поступка. Аеродинамичка анализа крила спроведена методом прорачунске механике флуида приказана је у глави 6. Овде су такође приказани и прорачунати аеродинамички коефицијенти крила као и струјно поље око крила. Глава 7 посвећена је унутрашњој структури високоперформантних витких крила. Описана су спроведена мерења затезних карактеристика различитих 3Д штампаних полимера и композитних материјала, као и ефекти старења и термичке обраде на механичке карактеристике 3Д штампаних епрувета. Структурална анализа крила представљена је у глави 8. Приказана су два различита могућа решења структуре крила авиона за велике висине и упоређене су њихове перформансе кроз статичку и модалну анализу. Глава 9 се у целости бави методологијом пројектовања оптималне елисе намењене беспилотној летелици за велике висине. Овде је спроведена спрегнута аеро-структурална оптимизација помоћу генетског алгоритма где су улазни и излазни параметри и ограничања дефинисани из скупа геометријских, аеродинамичких и структуралних карактеристика елисе. Коначно, основни закључци дати су у глави 10.