Dissertação

{en_GB=DESIGN AND SIMULATION STUDY OF A HYBRID-ELECTRIC PROPULSION SYSTEM FOR A VTOL TILT-ROTOR UAV} {} EVALUATED

{pt=Nos últimos anos, o desenvolvimento de UAV com Sistemas Híbrido-Elétricos de Propulsão surgiu como uma área promissora de pesquisa na área da aviação. Isto deve-se principalmente à crescente preocupação com questões ambientais e à necessidade de sistemas de propulsão mais eficientes para integração em novos conceitos de aeronaves, tais como aeronaves com capacidades de VTOL. O aumento da complexidade das missões para aplicações militares e civis levou a uma ampla disseminação destas configurações. Neste contexto, os sistemas de propulsão híbrido-elétricos surgem como solução para o problema de power-matching que surge com estas configurações: a potência necessária para descolagem é muito maior do que a necessária para cruzeiro. O objetivo desta tese é o desenvolvimento de um sistema de propulsão híbrido-elétrico para uma aeronave VTOL. Este trabalho dimensiona a aeronave com base na potência, avaliando o sistema propulsivo e massa dos componentes energéticos de quatro arquiteturas diferentes (elétrica, gasolina, híbrida paralela e em série). Os resultados demonstram que a arquitetura híbrida com um grau de hibridização de 70% supera as outras em termos de endurance e alcance. A configuração em série foi escolhida e, portanto, tomada como referência para a seleção de componentes. Uma ferramenta de simulação de UAVs VTOL híbridos foi usada para avaliar a configuração híbrida em série quando comparada com configurações de propulsão híbrida paralela, convencional e totalmente elétrica. Esta avaliação foi feita usando a mesma missão. Os resultados sugerem que a solução híbrida-elétrica em série é uma solução viável para esta classe de UAVs., en=In recent years, the development of UAV combined with Hybrid-Electric Propulsion Systems have emerged as a promising area of research in the aviation field mainly due to the increasing concerns about environmental issues and to the need for more efficient propulsion systems to integrate onboard of novel aircraft concepts, such as VTOL architectures. The increase in mission complexity of both military and civil applications has led to a widespread of these configurations. In this context, hybrid-electric propulsion systems emerge as a solution to the power-matching problem that comes up with these configurations: the power needed for take-off is much greater than the power demand for cruise. The main focus of this thesis is the design of a hybrid-electric propulsion system for a tilt tri-rotor VTOL UAV. A power-based conceptual sizing approach is adopted to evaluate the propulsion and energy mass of four different architectures (electric, gasoline, hybrid parallel and series) over a reference mission. The results demonstrated that the hybrid solution with a Degree of Hybridization of 70% outperforms the other architectures in terms of endurance and range improvements. The series configuration was preferred and thus taken as a reference for the selection of off-the-shelf components. The serial hybrid configuration is critically assessed against the other three considered propulsion concepts. This was conducted maintaining a common mission profile in a simulation environment designed for hybrid VTOL UAVs configurations. The results suggest that the series hybrid-electric solution represents a viable trade-off for this class of UAVs. }
{pt=Propulsão híbrida-elétrica, Arquitetura em Série e Paralela, Unmanned Aerial Vehicles, Vertical Take-Off and Landing, en=Hybrid Electric Propulsion, Series and Parallel architectures, Unmanned Aerial Vehicles, Vertical Take-Off and Landing}

dezembro 2, 2021, 11:30

Publicação

Obra sujeita a Direitos de Autor

Orientação

ORIENTADOR

Afzal Suleman

Departamento de Engenharia Mecânica (DEM)

Professor Catedrático