Naslov (eng)

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

Autor

Hasan, Mohammad Sakib, 1991-

Doprinosi

Simonović, Aleksandar, 1975-
Mirkov, Nikola, 1982-
Peković, Ognjen, 1981-
Ivanov, Toni, 1987-
Svorcan, Jelena, 1987-
Bengin, Aleksandar, 1964-

Opis (srp)

High-altitude long-endurance (HALE) or High-altitude platform station (HAPS) areaircraft that can fly in the stratosphere continuously for several months and provide support to militaryand civilian needs. In addition, HAPS can be used as a satellite at a fraction of the cost and provideinstant, persistent, and improved situational awareness. Solar energy is the primary source of energyfor these types of unmanned aerial vehicles (UAVs). Solar panels mounted on the wing andempennage capture solar energy during the day for immediate consumption and conserve theremainder for use at night. The main challenges to the successful design of HAPS are finding anappropriate model to calculate airframe weight, materials for structural analysis, designing a wingand propulsion system so that they can be integrated successfully into a unique aircraft configurationand these problems need to be solved. Therefore, this thesis investigates /focuses on the concept ofHAPS, optimization of the airfoil, wing design and aerodynamic analysis, experimental analysis ofdifferent materials used in the wing structure, structural analysis of the wing and design of noveloptimized 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 andprevious 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 solarpanels, rechargeable batteries, assessment of daily power consumption and battery mass as well asmethodologies 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 modeland the multi-criteria optimization process. The aerodynamic analysis of wings performed bycomputational fluid dynamics is shown in Chapter 6. Calculations of aerodynamic coefficients of thewing 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 avariety of 3D printed polymers and composite materials as well as the effect of ageing and heattreatment on the tensile properties of PLA are presented to investigate their mechanicalcharacteristics. Structural analysis of the wing is presented in Chapter 8. Two different possiblesolutions of the aircraft's wing structure for high altitudes are presented and their performance iscompared through static and modal analyses.Chapter 9 deals entirely with the methodology for designing the optimal propeller intended for highaltitudeunmanned aerial vehicles. Coupled aero-structural optimization was performed using agenetic algorithm where input and output parameters and constraints were defined from a set ofgeometric, aerodynamic, and structural characteristics of the propeller. Finally, main conclusions arepresented in chapter 10.

Opis (srp)

Mechanical engineering - Aerospace engineering Datum odbrane: 04.04.2022. Машинство - Ваздухопловство

Opis (eng)

Беспилотне летелице за велике висине (ХАЛЕ, ХАПС) су авиони који могу да лете устратосфери непрекидно неколико месеци и пружају подршку војним и цивилним потребама.Поред тога, ове летелице се могу користити и као економични сателити и обезбеђиватитренутни, стални и побољшани увид у дешавања на Земљи. Сунчева енергија је главни изворенергије овог типа беспилотних летелица. Соларни панели распоређени по крилу ихоризонталним стабилизаторима упијају сунчеву енергију током дана за тренутну потрошњудок се остатак чува за лет током ноћи. Основни изазови успешном пројектовању ХАПСлетелица су изналажење одговарајућег модела за процену тежине летелице, материјала заструктуралну анализу, пројектовање крила и погонског система који се могу успешноинтегрисати 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 материјалакоришћених у структури крила, структуралну анализу крила и дизајн нове оптимизованеелисе. Теме обрађене по поглављима наведене су у наставку.Прве три главе ове тезе баве се уводом, прегледом доступне литературе и претходнихрелевантних истраживања, као и прегледом постојећих ХАПС летелица и њиховихконфигурација. Затим, у глави 4, разматрани су полазни захтеви и мисија, основнекарактеристике соларних панела и пуњивих батерија, процена дневне потрошње енергије ипотребне масе батерија, као и методологије за почетну процену масе конструкције авиона иоптерећења крила.Глава 5 посвећена је одабиру и дефинисању одговарајућег аеропрофила коришћењем моделапотенцијалног струјања и вишекритеријумског оптимизационог поступка. Аеродинамичкаанализа крила спроведена методом прорачунске механике флуида приказана је у глави 6. Овдесу такође приказани и прорачунати аеродинамички коефицијенти крила као и струјно пољеоко крила.Глава 7 посвећена је унутрашњој структури високоперформантних витких крила. Описана суспроведена мерења затезних карактеристика различитих 3Д штампаних полимера икомпозитних материјала, као и ефекти старења и термичке обраде на механичкекарактеристике 3Д штампаних епрувета. Структурална анализа крила представљена је у глави8. Приказана су два различита могућа решења структуре крила авиона за велике висине иупоређене су њихове перформансе кроз статичку и модалну анализу.Глава 9 се у целости бави методологијом пројектовања оптималне елисе намењенебеспилотној летелици за велике висине. Овде је спроведена спрегнута аеро-структуралнаоптимизација помоћу генетског алгоритма где су улазни и излазни параметри и ограничањадефинисани из скупа геометријских, аеродинамичких и структуралних карактеристика елисе.Коначно, основни закључци дати су у глави 10.

Jezik

srpski

Datum

2022

Licenca

Ovo delo je licencirano pod uslovima licence
Creative Commons CC BY 3.0 AT - Creative Commons Autorstvo 3.0 Austria License.

http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/at/legalcode

Predmet

ХАЛЕ/ХАПС, оптимизација, аеродинамичка анализа, структурална анализа, пројектовање елисе, 3Д штампани материјали, експериментална анализа, композитни материјали, соларне ћелије

HALE/ HAPS, optimization, aerodynamic analysis, structural analysis, propeller design, 3D printed material, experimental analysis, composite material, solar cells