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Type: Dissertação de Mestrado
Title: Development of a conceptual design methodology focused on solar aircrafts
Authors: Luciano Magno Fragola Barbosa
First Advisor: Paulo Henriques Iscold Andrade de Oliveira
First Referee: Ricardo Luiz U de Freitas Pinto
Second Referee: Rogerio Pinto Ribeiro
Abstract: Este trabalho apresenta estudos associados ao projeto de aeronaves solares. Foram pesquisadas características de aeronaves solares existentes, sua história e os desenvolvimentos e desafios técnicos associados, assim como suas limitações e campos de uso potencial. Para fins de análise das aeronaves solares existentes, e projeto de novas aeronaves solares, procurou-se inicialmente entender em que estas aeronaves diferem de aeronaves convencionais. Foi possível observar-se alguma semelhança das aeronaves solares, em termos da carga alar, com aeronaves pioneiras da aviação, dos anos 1890 a 1910. Foram desenvolvidos procedimentos e métodos dedicados à estimativa de arrasto, tração e desempenho de aeronaves de baixa velocidade propelidas por hélices. E utilizaram-se veículos aéreos solares ou não - com características conhecidas de desempenho para validar estes processos. A partir disto, processos específicos para a análise da propulsão solar foram desenvolvidos: definição de modelo de irradiação solar; definição da cadeia propulsiva, das células solares à hélice, e com uso ou não de baterias. Outras metodologias específicas a aeronaves solares foram investigadas e definidas: uma formulação geral para obtenção de carga alar máxima para viabilidade de uma aeronave solar; características aerodinâmicas de números de Reynolds abaixo de 150000; e métricas para estimativa de massa de aeronaves deste tipo. Com este conjunto de ferramentas, foi possível desenvolver-se dois métodos complementares para definição de uma configuração de aeronave solar, a partir dos requisitos de missão: o Solar Aircraft Design Method e o Mission Analysis Method. O segundo só se faz necessário em missões que envolvem grandes variações de altitude. Com as ferramentas desenvolvidas, três conceitos de aeronaves solares são calculados e apresentados, cada um com utilizações específicas. Em resumo, com este trabalho um cenário geral sobre aeronaves solares é desenvolvido visando o projeto deste tipo de aeronaves, e o trabalho apresentado aponta várias perspectivas e possibilidades de continuidade e aprofundamento.
Abstract: This work presents the studies to associated solar aircraft project. Characteristics of existing solar aircraft, their history and developments and associated technical challenges, as well as their limitations and potential use fields have been surveyed. Development related to solar aircraft and low-speed aircraft have been researched and existing aircraft has been investigated, in order to allow an understanding of these aircraft in a comparative and evolutionary perspective. Studies of low-speed aircraft have been performed, in order to check and validate these tools. Examples of new sun-powered designs are also presented. It was possible to observe some semblance of the solar aircraft, in terms of wing loading, with pioneering aviation aircraft from about the years 1890 to 1910. For purposes of analyzing the already-flown solar aircraft, and designing new solar aircraft, the initial study focused in identifying and understanding the differences from these aircraft to conventional aircraft. Several dedicated tools have been developed to, at first, analyze the existing aircraft, and after that, to support the new aircraft designs. Procedures and methods devoted to the estimation of drag, thrust and performance of low-speed, propeller-driven aircraft have been developed. And air vehicles - solar or not - with known performance characteristics have been considered to validate these processes. From this, specific methods for the analysis of solar propulsion processes were developed: Definition of solar irradiation model; definition of propulsive chain, from solar cells to the propeller, and with or without use of batteries. Other methodologies specific to solar aircraft were investigated and defined: a general formulation for obtaining the maximum feasible wing loading for a solar aircraft; aerodynamic characteristics of Reynolds numbers below 150,000; and metrics for estimating the mass of a solar aircraft. With this group of tools, it has been possible to develop two complementary methods for defining a configuration of the solar aircraft from the mission requirements: the Solar Aircraft Design and the Mission Analysis Method. The second one is only required on missions involving large variations in altitude. With the tools developed three concepts of solar aircraft are calculated and presented each one for a specific use. In summary, through this work a general scenario on solar aircraft is developed, aiming the project of solar aircraft; and several perspectives and possibilities for continuation or next steps are pointed out.
Subject: Projetos mecânicos
Engenharia mecânica
Aeronaves Projetos e construção
language: Português
Publisher: Universidade Federal de Minas Gerais
Publisher Initials: UFMG
Rights: Acesso Aberto
URI: http://hdl.handle.net/1843/BUOS-9PFGKX
Issue Date: 30-Jul-2014
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