Conceptual design of a hydrogen-powered UAV with LiDAR functionality

Abstract

[ES] El principal objetivo de este estudio es desarrollar conceptualmente un vehículo aéreo no tripulado (UAV) que utilice una pila de combustible de hidrógeno (HFC) como principal sistema de propulsión, con el pretexto de realizar una misión basada en la funcionalidad de detección y medición de la luz (LiDAR).

El propósito es alcanzar los objetivos esenciales de una misión de medición de la superficie terrestre mostrando brevemente de qué es capaz el LiDAR, y establecer los beneficios medioambientales de las HFC en el momento en que se verifique su valía.

El estudio comienza con la designación de las condiciones de vuelo y la consideración de las limitaciones que son relevantes para el rendimiento del dispositivo LiDAR. Geometría, peso la propulsión y la aerodinámica se establecen mediante una metodología de dimensionamiento, seguida de la optimización del modelo desarrollado. El estudio consiste en una comparación de diferentes modelos con diferentes prestaciones, pesos y geometrías para la justificación del modelo final designado, basado en iteraciones, centrándose en el análisis de resultados.

Para finalizar, se realiza un análisis del impacto medioambiental del diseño conceptual, haciendo un repaso del estado actual de la energía del hidrógeno y de los objetivos futuros de esta tecnología. Este trabajo pretende mostrar una aplicación UAV de última generación, dando visibilidad al LiDAR entre otras funcionalidades, estableciendo la nueva tecnología libre de carbono como potencial sustituto de los motores de combustión interna en aplicaciones UAV.

[EN] The main objective of this study is to conceptually develop an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) which uses a Hydrogen Fuel Cell (HFC) as the main propulsion system, under the pretext of performing a mission based on Light Detection and Ranging (LiDAR) functionality.

The purpose is to achieve the essential objectives of a ground surface measurement mission by briefly showing what is the LiDAR capable of, and establish the environmental benefits of the HFCs by the time its worthiness is verified.

The study begins with the designation of the flight conditions and the consideration of the constraints which are relevant to the performance of the LiDAR device. Geometry, weight, propulsion and aerodynamics are established through a sizing methodology, followed by the optimization of the model developed. The study consists of a comparison of different models with different performance, weights and geometries for the justification of the final designated model, based on iterations, focusing in the results analysis.

To conclude, an analysis of the environmental impact of the conceptual design is performed, overviewing the current stage of hydrogen energy and future goals of this technology. This work aims to show a state-of-the-art UAV application, giving visibility to LiDAR among other functionalities, establishing the new carbon-free technology as a potential replacement for internal combustion engines in UAV applications.