H υποβάθμιση της δομικής ακεραιότητας των γηρασμένων κατασκευών αποτελεί ένα από τα σημαντικότερα σύγχρονα τεχνολογικά προβλήματα, και ειδικότερα το πρόβλημα του ‘γηράσκοντος’ Αεροσκάφους αποτελεί ένα από τα σημαντικότερα προβλήματα της Αεροπορικής Βιομηχανίας. Τεχνολογικά το πρόβλημα της γήρανσης της δομής του αεροσκάφους είναι ένα πρόβλημα κόπωσης. Οι περιοχές των συνδέσεων στην άτρακτο ενός αεροσκάφους αποτελούν υψηλά καταπονούμενες περιοχές της δομής, με αποτέλεσμα τη δημιουργία πολλών μικρών ρωγμών στα ελάσματα του περιβλήματος της ατράκτου γύρω από τις οπές (ευρείας έκτασης βλάβη κόπωσης – wide spread fatigue damage). Με το χρόνο λειτουργίας οι ρωγμές αυτές εξελίσσονται και αλληλεπιδρούν. Η κατάσταση αυτή, που ονομάζεται κατάσταση πολλαπλής βλάβης (Multi-Side-Damage) υποβαθμίζει σημαντικά τη φέρουσα ικανότητα του κατασκευαστικού μέρους και μπορεί να οδηγήσει σε απώλεια της δομικής του ακεραιότητας. Η ύπαρξη διάβρωσης επιτείνει σημαντικά το πρόβλημα της δομικής ακεραιότητας του γηράσκοντος αεροσκάφους. Στις υψηλά καταπονούμενες περιοχές της δομής η ύπαρξη διάβρωσης με την ταυτόχρονη παρουσία ρωγμών κόπωσης μπορεί να οδηγήσει σε απώλεια της δομικής ακεραιότητας με καταστροφικές συνέπειες. Πρόσφατες έρευνες [3,4] έδειξαν, ότι η διάβρωση τυπικών αεροπορικών κραμάτων των σειρών 2xxx (π.χ. 2024) 6xxx (π.χ. 6013) και 7xxx (π.χ.7075) σε διαβρωτικό περιβάλλον αποφλοίωσης (EXCO) αλλά και σε φυσική διάβρωση, οδηγεί σε υποβάθμιση του ορίου διαρροής και του ορίου θραύσης των υλικών, κυρίως όμως υποβαθμίζει δραματικά την παραμόρφωση θραύσης και τη ικανότητα των υλικών να αποταμιεύουν μηχανική ενέργεια πριν την θραύση, δηλαδή την αναμενόμενη ανοχή τους στη βλάβη κόπωσης. Η υποβάθμιση αυτή των ιδιοτήτων αποδόθηκε σε ψαθυροποίηση των κραμάτων αλουμινίου που προκαλείται από τη διάβρωση λόγω προσρόφησης και παγίδευσης υδρογόνου σε συγκεκριμένες παγίδες στην μικροδομή του υλικού που εξαρτώνται από το κραματικό σύστημα [56,59,62,68]. Στην παρούσα διατριβή πραγματοποιήθηκε πειραματική και θεωρητική διερεύνηση της επίδρασης της διάβρωσης στα χαρακτηριστικά κόπωσης και θραύσης του κράματος αλουμινίου 2024. / Loss of structural integrity is one of the most significant threats for ageing structures. The occurrence of Multiple Site Damage (MSD), that implies the simultaneous existence of several interacting fatigue cracks at various locations of a structural element can degrade the structural strength and service life of a structure. The occurrence of MSD in older airplanes was highlighted by the “Aloha accident” [49] at 1988, when a Boeing 737 of Aloha Airlines with a service life of nearly 90000 flights suffered an in-flight failure of a portion of the fuselage. The occurrence of corrosion presents an additional significant cause of structural degradation. As the service time for an aircraft structure increases, there is an increasing probability that corrosion will interact with other forms of damage, such as single fatigue cracks or MSD in the form of widespread cracking at regions of high stress gradients; it can result to loss of structural integrity and may lead to fatal consequences. Thus, the effect of corrosion on the damage tolerance ability of advanced aluminum alloys calls for a very diligent consideration to problems associated with the combined effect of corrosion and MSD mechanisms. Extensive experimental data referring to accelerated laboratory corrosion tests, have shown a significant reduction of material mechanical properties, leading to a decrease of the load bearing capacity of the corroded structural member. It has been recognized that, this decrease is associated with hydrogen embrittlement, as hydrogen produced during the corrosion process may diffuse into the material and be trapped at different trapping sites depending on the alloy system [56,62,68]. In the present thesis, experimental and numerical investigations have been carried out in the Laboratory of Technology and Strength of Materials of the University of Patras to study the influence of corrosion on the damage tolerance and fracture toughness characteristics of the high strength aluminum alloy 2024.

- / -

Παρουσιάζονται υπολογιστικά μοντέλα τα οποία κατά το παρελθόν έχουν αναλυθεί από διάφορους μελετητές και τα οποία σχετίζονται άμεσα με θέματα δρομολόγησης αεροσκαφών, προγραμματισμού συντηρήσεων αεροσκαφών, καθώς και με τον ημερήσιο και τον μακροχρόνιο προγραμματισμό εργασιών σε στόλο αεροσκαφών αεροπορικών εταιρειών. Στο τέλος της εργασίας γίνεται μια επιλογή ενός εκ των παρουσιασθέντων υπολογιστικών μοντέλων λαμβάνοντας υπόψη τα θετικά και τα αρνητικά σημεία καθ’ ενός από αυτά. Και βέβαια πάντα με σημείο αναφοράς το εξεταζόμενο θέμα, της δρομολόγησης και του προγραμματισμού συντηρήσεων των αεροσκαφών μιας αεροπορικής εταιρείας. Και στο τελευταίο κεφάλαιο, έχοντας επιλέξει και αιτιολογήσει την επιλογή του καταλληλότερου, για την περίπτωσή μας, υπολογιστικού μοντέλου προχωρούμε στην εφαρμογή του με την χρήση του γνωστού υπολογιστικού πακέτου Premium Solver. / Presented computational models that previously have been analyzed by scholars and directly related to issues of aircraft routing, scheduling, aircraft maintenance, and daily and long term planning work on fleet of aircraft carriers. At the end of the work it is selected one of the presented computational models taking into account the positive and negative points of it. And at the last chapter,there are presented the reasons why we did that selection of the model and finally we proceed in the implementation of it using Premium Solver Platform and MS Excel.

Η παρούσα διπλωματική έχει ως αντικείμενο την μελέτη των συστημάτων προώθησης και την εξέταση των δυνατοτήτων χρησιμοποίησης νέων μορφών προωθητηρίων. Συγκεκριμένα θεωρώντας ότι μέχρι σήμερα το κύριο σύστημα προώθησης UAV είναι οι DC κινητήρες σε συνδυασμό με έλικες μελετάται η δυνατότητα χρήσης Jet κινητήρων για την παραγωγή της απαιτούμενης ώσης που χρειάζεται ένα UAV κατά την αιώρηση. Οι στροβιλοκινητήρες έχουν την δυνατότητα παραγωγής σταθερής ώσης και χρησιμοποιούνται σχεδόν αποκλειστικά στα μεγάλης κλίμακας ιπτάμενα οχήματα. Υπάρχουν διάφοροι τύποι στροβιλοκινητήρων στην αγορά, οι οποίοι όμως βασίζονται στις ίδιες αρχές λειτουργίας. Κατά την εργασία μελετήθηκε ο μοντελιστικός Jet κινητήρας JetCat P20. Έγινε προσπάθεια μοντελοποίησης του εν λόγω κινητήρα λαμβάνοντας υπόψη όλα τα χαρακτηριστικά του. Το άγνωστο έως τώρα σύστημα μοντελοποιήθηκε και έγινε μελέτη της δυναμικής του. Οι Jet κινητήρες λόγω της φυσικών νόμων που τους διέπουν παρουσιάζουν σχετικά αργές αποκρίσεις. Οι σταθερές χρόνου αυτών των κινητήρων καθιστούν την δυνατότητα χρήσης τους σε UAV εφαρμογές αρκετά δύσκολη. Με την χρήση του JetCat P20 σε μια πραγματική εφαρμογή ελέγχου της γωνιάς ενός οδηγούμενου εκκρεμούς αναζητήθηκαν τα όρια και οι δυνατότητες ελέγχου αυτού του προωθητικού συστήματος. Οι Jet κινητήρες τελικά, όπως ο JetCat P20 έχουν αρκετά καλές δυνατότητες παραγωγής συγκεκριμένου επιπέδου ώσης, επομένως και ρύθμισης της γωνίας του εκκρεμούς, ωστόσο οι χρόνοι απόκρισής του είναι αρκετά μεγάλοι για τα δεδομένα UAV εφαρμογών, χωρίς να υπάρχουν πολλά περιθώρια βελτίωσης μέσω κλασσικού έλεγχου. / This thesis object is the study of propulsion systems and the examination of using new systems for propulsion. Especially, considering that until now the main propulsion system for UAV's are DC motors in combination with propellers we are examining the possibility of using Jet engine to generate the required thrust needed a UAV in hover. The turbines have the ability to produce constant thrust and are used almost exclusively in large-scale flight vehicles. There are different types of turbines on the market, but they are based on the same principles of operation. During this thesis, we are experimenting with the Jet engine JetCat P20. The Jet Engine system was modeled and we examined its dynamic.The Jet engines ,because of the physical laws governing them, have relatively slow time responses. The time constants of these motors makes it difficult to use in UAV applications. We have used the JetCat P20 in a real application ,where we tried to control the angle of a driven pendulum.The Jet engines finally, like JetCat P20 have pretty good production capabilities thrust level, and thus adjusting the angle of the pendulum, but their response time is large enough for the UAV applications, without much scope for improvement through classical control.

- / -

This thesis addresses the problems of design and control of small cooperative unmanned autonomous quadrotor aerial vehicles. A new approach is proposed, for the modeling of the system’s dynamics using linearized Piecewise AffineModels. The Piecewise Affine dynamic–models cover a large part of the quadrotor’s flight envelope while also taking into account the additive effects of environmental disturbances. The effects of aerodynamic forces and moments were also examined. A small quadrotor is designed and developed that emphasizes in the areas of increased on–board computational capabilities, state estimation and modular connectivity. Based on the translational and rotational system’s dynamics: a) a switching model predictive controller, b) an explicitly solved constrained finite time optimal control strategy, and c) a cascade control scheme comprised of classical Proportional Integral Derivative control scheme augmented with angular acceleration feedback, were designed and experimentally tested in order to achieve trajectory tracking under the presence of wind–gusts. The efficiency of the proposed control methods was verified through extended experimental studies. The final quadrotor design utilizes a powerful control unit, a sensor system that provides state estimation based on inertial sensors, ultrasound sonars, GPS and vision chips, and an efficient actuating system. The research effort extended in the field of unmanned aerial vehicles cooperation. Cooperation strategies were proposed in order to address the problems of: a) Forest Fire Monitoring and b) Unknown Area Exploration and Target Acquisition. The Forest FireMonitoring algorithm is formulated based on consensus systems theory formulated as a spatiotemporal rendezvous problem in between the quadrotors. The Area Exploration and Target Acquisition algorithm is formulated based on market–based approaches. / Η συγκεκριμένη διατριβή καταπιάνεται με τα προβλήματα της σχεδίασης και ελέγχου μικρού μεγέθους συνεργαζόμενων μη επανδρωμένων αεροσκαφών με έμφαση στα συστήματα Κάθετης Απογείωσης και Προσγείωσης και ιδιαίτερα στη συστήματα τύπου Quadrotor. Μια νέα προσέγγιση για την μοντελοποίηση της δυναμικής του συστήματος η οποία βασίζεται στη θεωρία των Piecewise Affine συστημάτων προτείνεται. Η μοντελοποίηση με βάση τη θεωρία των Piecewise Affine συστημάτων καλύπτει ένα μεγάλο μέρος του φακέλου πτήσης του αεροσκάφους καθότι συνυπολογίζει μέρος της μη-γραμμικότητας του συστήματος ενώ παράλληλα δίνει τη δυνατότητα να χρησιμοποιηθούν τα ιδιαίτερα ανεπτυγμένα εργαλεία του γραμμικού ελέγχου. Αναπτύσσεται νέα πειραματική πλατφόρμα αεροσκάφους τύπου quadrotor η οποία χαρακτηρίζεται από ιδιαίτερες ικανότητες υπολογιστικής ισχύος, αυτόνομη εκτίμηση κατάστασης, πολλαπλή συνδεσιμότητα και αποδοτικό σύστημα πρόωσης. Η τελική πλατφόρμα quadrotor ελικοπτέρου UPATcopter ενσωματώνει μικρουπολογιστικό σύστημα υψηλών δυνατοτήτων, ειδικά συστήματα εκτίμησης κατάστασης τόσο σε εσωτερικούς όσο και σε εξωτερικούς χώρους μέρος των οποίων αναπτύχθηκε στα πλαίσια της διατριβής και αποδοτικό υποσύστημα πρόωσης. Τρεις διαφορετικοί νόμοι ελέγχου αναπτύχθηκαν και δοκιμάστηκαν πειραματικά. Αρχικά δοκιμάσθηκε ένας Constrained Finite Time Optimal Controller, ο οποίος υπολογίζεται πολύ-παραμετρικά και συνυπολογίζει την επίδραση των περιορισμών εισόδου και κατάστασης. Ο συγκεκριμένος ελεγκτής υπολογίσθηκε με βάση μια οικογένεια Piecewise Affine αναπαραστάσεων του υποσυστήματος προσανατολισμού και δοκιμάσθηκε επιτυγχάνοντας αποδοτικό έλεγχο του προσανατολισμού του σκάφους. Ακολούθως δοκιμάσθηκε ένας Switching Model Predictive Control βασισμένος στην Piecewise Affine μοντελοποίηση του συστήματος ο οποίος επίσης συνυπολογίζει την επίδραση των περιορισμών του συστήματος και του ρόλου των διαταραχών. Με τη χρήση αυτού του ελεγκτή επιτεύχθηκε έλεγχος προσανατολισμού και θέσης του αεροσκάφους τόσο σε άπνοια όσο και υπό την επίδραση ισχυρών διαταραχών ανέμου. Επιπρόσθετα, δοκιμάσθηκε ελεγκτής βασισμένος στη θεωρία PID ελέγχου επαυξημένος με ανάδραση γωνιακής επιτάχυνσης του συστήματος. Τέλος, η έρευνα επεκτάθηκε και στις στρατηγικές συνεργασίας μη επανδρωμένων αεροσκαφών προτείνοντας δύο αλγόριθμους. Συγκεκριμένα προτάθηκε αλγόριθμος για την αντιμετώπιση των προβλημάτων επιθεώρησης δασικής πυρκαγιάς και αλγόριθμος εξερεύνησης μιας άγνωστης περιοχής από ομάδα ετερογενών αεροσκαφών.