Preliminary design and development management of an Unmanned Air Vehicle with distributed propulsion and a hydrogen fuel cell

Abstract

[EN] The project H200 emerged from the convergence of the students team HORUS UPV and the research project HYDRONE, with a unified objective: developing a flying laboratory. The experience gained by students in previous years has provided sufficient expertise to implement distributed propulsion and hydrogen fuel cell technologies in a single prototype. This innovation aims to extend the range and endurance of such systems. The Unmanned Air Vehicle (UAV) will exceed the size of its predecessors, with a Maximum Takeoff Weight (MTOW) of 15 kg and a wingspan of 3 m. To achieve this, an independent R\&D team has been established within HORUS UPV, comprising students working on their Final Degree and Master's Degree Projects. This thesis document comprehensively covers the conceptual, aerodynamic, and structural design of the airplane, as well as its manufacturing. Additionally, it discusses project management to optimize resource utilization. Particular emphasis is placed on stability and performance analysis, facilitated by custom software tailored for this project. This software is employed not only in the design phase but also for post-design performance analysis across different configurations. Notably, the design relies on hydrogen fuel cell technology, which currently faces operational constraints outside designated test areas. Consequently, alternative configurations using LiPo batteries are presented to ensure operational feasibility beyond these restricted zones. To accurately simulate energy consumption and obtain precise data on endurance and range for various configurations, a propulsive model based on the Blade Element Theory has been developed, incorporating an experimental electrical losses component. This model is integrated into the custom performance software developed for the project and is combined with parasitic drag coefficients derived from Computational Fluid Dynamics (CFD) calculations conducted by other team members. In the realm of structural design and calculations, overall structure calculations have been conducted to ensure the integrity of the design. The substantial number of components and limited time resources have led to a strategy that prioritizes essential structural calculations, with optimization efforts focused on critical components such as wing embedment and motor pylons. Manufacturing considerations have been also integrated into the structural design, encompassing material standardization, part fabrication, and assembly systems.

[ES] El proyecto H200 surgió de la convergencia del equipo de estudiantes HORUS UPV y el proyecto de investigación HYDRONE con un objetivo: desarrollar un laboratorio volante. El conocimiento adquirido por los estudiantes en años anteriores ha proporcionado suficiente experiencia para implementar las tecnologías de propulsión distribuida y pilas de combustible de hidrógeno en un solo prototipo. De este modo, se busca ampliar el alcance y la autonomía de estos sistemas. El Vehículo Aéreo no Tripulado (UAV) superará en tamaño a sus predecesores, con un Peso Máximo al Despegue (MTOW) de 15 kg y una envergadura de 3 m. Para lograrlo, se ha establecido un equipo independiente de Investigación y Desarrollo (I+D) dentro de HORUS UPV, compuesto por estudiantes que trabajan en sus Trabajos de Fin de Grado y Máster.

Este documento abarca de manera integral el diseño conceptual, aerodinámico y estructural de la aeronave, así como su fabricación. Además, se analiza la gestión del proyecto para optimizar la utilización de los recursos disponibles. Se pone un énfasis particular en el análisis de estabilidad y rendimiento, facilitado por un software personalizado diseñado específicamente para este proyecto. Este software se utiliza no solo en la fase de diseño, sino también para el análisis de rendimiento posterior en diferentes configuraciones.

Es importante destacar que el diseño se basa en la tecnología de pilas de combustible de hidrógeno, que actualmente enfrenta limitaciones operativas fuera de las áreas de prueba designadas. En consecuencia, se presentan configuraciones alternativas que utilizan baterías LiPo para garantizar la viabilidad operativa más allá de estas zonas restringidas. Para simular con precisión el consumo de energía y obtener datos precisos sobre la autonomía y el alcance de diferentes configuraciones, se ha desarrollado un modelo propulsivo basado en la Teoría del Elemento de Pala, que incluye un componente experimental de pérdidas eléctricas. Este modelo se integra en el software de rendimiento desarrollado para el proyecto y se combina con los coeficientes de resistencia parásita derivados de cálculos de Mecánica de Fluidos Computacional (CFD) realizados por otros miembros del equipo.

En cuanto al diseño y análisis estructurales, se han llevado a cabo cálculos completos de los subsistemas ya ensamblados para garantizar la integridad del prototipo. La gran cantidad de componentes y los limitados recursos temporales han llevado a una estrategia que prioriza los cálculos estructurales esenciales, con esfuerzos de optimización centrados en componentes críticos como el encastre de ala y los pilones de los motores. Se han incorporado consideraciones de fabricación en el diseño estructural, abarcando la estandarización de materiales, la fabricación de las piezas y los procesos de ensamblaje.

[CA] El projecte H200 va sorgir de la convergència de l'equip d'estudiants HORUS UPV i el projecte d'investigació HYDRONE amb un objectiu: desenvolupar un laboratori volant. El coneixement adquirit pels estudiants en anys anteriors ha proporcionat suficient experiència per a implementar les tecnologies de propulsió distribuïda i piles de combustible d'hidrogen en un sol prototip. D'aquesta manera, es busca ampliar l'abast i l'autonomia d'estos sistemes. El Vehicle Aeri no Tripulat (UAV) superarà en grandària als seus predecessors, amb un Pes Màxim a l'Enlairament (MTOW) de 15 kg i una envergadura de 3 m. Per a aconseguir-ho, s'ha establit un equip independent de Recerca i desenvolupament (R+D) dins d'HORUS UPV, compost per estudiants que treballen en els seus Treballs de Fi de Grau i Màster. Este document abasta de manera integral el disseny conceptual, aerodinàmic i estructural de l'aeronau, així com la seua fabricació. A més, s'analitza la gestió del projecte per a optimitzar la utilització dels recursos disponibles. Es posa un èmfasi particular en l'anàlisi d'estabilitat i rendiment, facilitat per un programari personalitzat dissenyat específicament per a este projecte. Este programari s'utilitza no sols en la fase de disseny, sinó també per a l'anàlisi de rendiment posterior en diferents configuracions. És important destacar que el disseny es basa en la tecnologia de piles de combustible d'hidrogen, que actualment enfronta limitacions operatives fora de les àrees de prova designades. En conseqüència, es presenten configuracions alternatives que utilitzen bateries LiPo per a garantir la viabilitat operativa més enllà d'estes zones restringides. Per a simular amb precisió el consum d'energia i obtindre dades precises sobre l'autonomia i l'abast de diferents configuracions, s'ha desenvolupat un model propulsiu basat en la Teoria de l'Element de Pala, que inclou un component experimental de pèrdues elèctriques. Este model s'integra en el programari de rendiment desenvolupat per al projecte i es combina amb els coeficients de resistència paràsita derivats de càlculs de Mecànica de Fluids Computacional (CFD) realitzats per altres membres de l'equip. Quant al disseny i anàlisis estructurals, s'han dut a terme càlculs complets dels subsistemes ja acoblats per a garantir la integritat del prototip. La gran quantitat de components i els limitats recursos temporals han portat a una estratègia que prioritza els càlculs estructurals essencials, amb esforços d'optimització centrats en components crítics com l'encaste d'ala i els pilons dels motors. S'han incorporat consideracions de fabricació en el disseny estructural, abastant l'estandardització de materials, la fabricació de les peces i els processos d'acoblament.