Detailed design of a class I UAV for maritime surveillance - Correia, João (Academia da Força Aérea, 2018)
Esta tese destina-se ao design estrutural em materiais compósitos de um Veículo Aéreo Não-Tripulado (VANT) de classe I para vigilância marítima. A intenção de expandir o uso de VANTs pela Força Aérea Portuguesa (FAP), na ampla área de jurisdição portuguesa e nas operações internacionais, motivou a necessidade de desenvolver uma nova plataforma capaz de cumprir todos os requisitos operacionais e tecnológicos. A presente tese começa pela definição dos sistemas a bordo necessários para a aeronave, nomeadamente a carga útil, aviónicos e propulsão. O design estrutural ao nível conceptual e preliminar envolveu o planeamento da disposição geral da aeronave para atingir uma margem estática longitudinal válida e a determinação do envelope de voo com rajada para determinar o factor de carga da aeronave. Este parâmetro vai definir a caracterização das forças aerodinâmicas e inérciais para a manobra crítica de voo. O projecto detalhado da aeronave foi realizado através de modelação em Desenho Assistido por Computador (CAD) com o objetivo de minimizer o peso estrutural. O design foi confirmado por uma análise numérica de tensões através de uma Análise de Elementos Finitos (FEA) e foi alcançada convergência para os valores obtidos de tensão e de deslocamento. O design desenvolvido é capaz de suportar a condição de carga crítica sem falha estrutural. A configuração da aeronave com todos os sistemas a bordo apresenta um peso dentro dos limites para a respectiva classe e uma autonomia de oito horas para operações de vigilância marítima. O design desenvolvido pode apresentar outras configurações, e tem uma autonomia máxima de doze horas.

This thesis concerns the composite structural design of a class I Unmanned Aerial Vehicle (UAV) for maritime surveillance. The intention to expand the UAV use by Portuguese Air Force (FAP), over the broad area of Portuguese jurisdiction and in international operations, motivated the need to develop a new platform capable to fulfil all the operational and technological requirements. This thesis starts by defining all the necessary onboard systems for the aircraft, namely the payload, avionics and propulsion. The conceptual and preliminary structural design involved planning the general layout to achieve a valid longitudinal static margin and determining the aircraft flight envelope with gust loads to determine the design load. This design driver set the aerodynamic and inertial load characterization of the critical flight manoeuvre. The aircraft detailed design was performed through Computed Aided Design (CAD) modelling with the objective of minimizing the structural weight. The design was endorsed by a numerical stress analysis through a Finite Element Analysis (FEA) and achieved convergence for the stress and displacement results. The developed design withstands the critical load condition without failure of the structure. The aircraft configuration with full payload presents a weight within its class range and an endurance of eight hours for maritime surveillance operations. The implemented design supports other configurations, presenting an endurance up to twelve hours.
ALFAL/ENGAER 138081-J João Correia. Examination Committee: Chairperson: MGEN/ENGAER 076441-J Paulo Manuel Veloso Gonçalves Guerra (DMSA); Supervisor: MAJ/ENGAER 129905-A Luís Filipe da Silva Félix (AFA); Supervisor: CAP/ENGAER 131603-G João Vítor Aguiar Vieira Caetano (AFA); Member of the Committee: Doutor Frederico José Prata Rente Reis Afonso (IST)
Keywords: FAP; VANT; Análise de carga; Compósitos; Design estrutural; CAD; FEA; UAV; Load analysis; Composites; Structural design; CAD modelling