Design, analysis and manufacturing of an FPV model aircraft

Abstract

El objeto de este proyecto es el diseño, análisis y fabricación de un avión radiocontrol de 2 metros de envergadura capaz de grabar y transmitir desde el aire en tiempo real al piloto en tierra (vuelo en primera persona) durante prolongado tiempo y con un amplio rango de velocidades con motor y con vuelo de planeo. El vuelo del avión y sus capacidades son sometidos a un análisis aerodinámico y finalmente se procede a la fabricación de todas y cada una de las piezas que conforman el avión así como la implementación de componentes electrónicos. Primeramente se hace un completo estudio de todos los tipos de aviones que existen en el mercado y sus diferencias y modos de vuelo. Luego, una vez fijada la misión deseada del modelo, se eligen una docena de aviones semejantes. Al no existir muchos modelos similares al deseado se adapta el tipo de avión planeador con una mayor carga de pago y configuración motorizada para ayudar al vuelo y expandir sus posibilidades. Se hace un estudio de los componentes que necesita cada avión y se interpolan sus capacidades al tamaño y prestaciones deseadas para la misión. Se cerca un rango más estrecho de componentes posibles y se someten a análisis con 4 distintas configuraciones completas para elegir la mejor. Dichos componentes son rastreados en los medios de compra cercanos y aptos para obtenerlos a través de la universidad y finalmente se fija una última configuración, obteniendo todas las medidas, pesos y presupuesto necesario para todas las piezas del avión. Con las piezas fijadas se estudia detalladamente cuál es la configuración óptima del avión, tanto de elementos aerodinámicos como de centrado de componentes. Esta configuración se modela en ordenador desde bocetos más sencillos hasta obtener un modelado muy detallado de todas las partes y componentes del avión ensamblados. En análisis comienza estableciendo unas medidas base determinadas por los aviones semejantes y su interpolación para el rendimiento deseado. Con fórmulas aerodinámicas de sustentación y resistencia, así como de momentos generados por las superficies y el motor se realiza una numerosa cantidad de iteraciones variando la geometría del avión y la posición relativa de los componentes hasta hallar unas medidas óptimas para el vuelo estable. Éstas medidas son sometidas a varios análisis más profundos, acabando en un análisis de paneles 3D y de CFD básico con el modelo virtual. Estos análisis refinan la geometría perfecta con más iteraciones y las variaciones que hay que aplicar a las superficies sustentadoras y a la posición de masas de carga de pago. La última fase es la fabricación de todas las piezas y su correcto montaje. Se comienza con un estudio de materiales para saber cuáles son los recomendados, teniendo en cuenta la disponibilidad de los mismos en el entorno universitario. Se eligen cuatro tipos de materiales para todas las piezas, siendo la madera un elemento principal de la estructura, recubierta por espuma y reforzada con barras de fibra de carbono. Las uniones de elementos que no guarden 4 una forma aerodinámica se harán con pequeñas piezas impresas en 3D. Los perfiles de las alas son conformados por plástico fino. Estos materiales influyen en las iteraciones de pesos y estructura, así como de elección de elementos electrónicos. Se simula la fabricación de todas las piezas con la familia de programas DevFus-DevWing y se obtienen sus archivos de fabricación simulada, preparados con detalle para pasarlos directamente a las máquinas de corte. Con las máquinas se cortan las piezas necesarias, se tratan para ser correctamente encajadas y se ensamblan. En posteriores iteraciones se estudia que el montaje sea factible, así como la propia resistencia de las estructuras, con lo que se obtiene la última configuración del modelo. Otro de los objetivos del proyecto es facilitar la creación de proyectos similares, con lo cual se incluyen varios manuales anexos al final para la utilización de la familia de programas de fabricación, análisis de estabilidad y el montaje eléctrico. El resto de programas utilizados ya tienen tutoriales. Además se ha redactado un blog en Internet con todos los pasos del proceso de diseño y se han resumido en otro tutorial general para llegar a construir un avión de similares características.