Modellazione e progettazione del sistema propulsivo di un drone stratosferico (HAPS) = Modeling and design of the propulsion system of a stratospheric drone (HAPS)

L'obiettivo della tesi trattata è quello di dimensionare e progettare il sistema propulsivo di un drone stratosferico (HAPS) alimentato tramite energia elettrica. Le HAPS sono piattaforme/UAV che operano a quote di volo maggiori del traffico aereo commerciale fornendo come servizio di principale interesse, l’emulazione del servizio satellitare, con tali benefici e svantaggi rispetto ai satelliti: •??La vicinanza al punto d’ispezione (quota di volo tipica 20 km), permette a discapito di un’aria d’ispezione inferiore, delle risoluzioni maggiori e latenze inferiori. •??Tempi di sviluppo minori, accessibilità alla manutenzione maggiore e costi di sviluppo inferiori. •??Costi energetici maggiori e quindi autonomie d’esercizio inferiori. Partendo dallo studio delle condizioni operative, dai requisiti aziendali, dai vincoli posti da progetto e da assunzioni/approssimazioni, è quindi possibile sviluppare un modello matematico, che permette di ottenere i parametri prestazionali alle diverse condizioni operative (intensità del vento e quota). Sarà quindi possibile dimensionare per le diverse condizioni operative, le componenti strutturali come: il pallone aerostatico ed il profilo, l’incidenza e la superficie alare. Il più grosso limite era legato al rendimento dell’elica che risultava difficile da valutare per le diverse condizioni operative, per risolvere tale problema si è utilizzato il software JavaProp, questo permette di considerare, al variare della quota e quindi della rarefazione dell’aria, il rendimento dell’elica, inoltre si è considerato tramite approccio teorico e tramite software quelle che sono le caratteristiche geometriche migliori dell’elica nelle diverse condizioni operative. Si è quindi potuto progettare l’elica ed effettuare delle valutazioni di scelta su motori, pannelli fotovoltaici e batterie migliori da utilizzare ponderando tra prestazioni e costi. È stata approfondita la generazione di energia elettrica a bordo, evidenziando le problematiche di soddisfacimento dei vincoli in termini di massa e superfici a disposizione, risolvendo quest’ultime seguendo quattro diverse linee guida: •??Utilizzo di pannelli fotovoltaici a film sottile e/o bifacciali, che permettono di produrre la medesima quantità di potenza impegnando meno superficie e meno massa. •??Incrementare la superficie a disposizione dei pannelli fotovoltaici, applicandoli sul pallone aerostatico o ingrandendo la superficie alare, risolvendo l’incremento di peso, fuoriuscendo dal limite di normativa fino ad ora rispettato, o utilizzando materiali più leggeri ma anche più costosi. •??Diminuire la massa necessaria alle batterie utilizzandone altre più prestanti come le batterie al litio-zolfo. •??Incrementare l’efficienza del sistema propulsivo, incrementando l’efficienza dell’elica (accrescendone il diametro in modo che essa abbia trazione maggiore), diminuendo la richiesta di potenza motore. Al termine degli studi effettuati possiamo denotare, una forte corrispondenza fra i risultati attesi ed ottenuti, questo rende il progetto e la tesi sviluppata un passo avanti verso le implementazioni future. Nel futuro si potrebbe progettare un simulatore di bordo, che permette a monte, di un’analisi sensoristica, l’elaborazione dei dati e la conseguente modulazione del modo di funzionamento dei motori ed in generale di tutto il drone, in modo da restare sempre nelle condizioni di massima efficienza operativa.