Micro air vehicles (MAVs) are small remote controlled aircraft used by military personnel for reconnaissance and are currently powered by batteries. The MAVs rely on the battery for propulsion, navigation, and reconnaissance equipment. The thrust of this research is to develop a fuel cell system capable of higher power densities, higher power to weight ratios, and increased overall power output than the batteries in use today. To this end, a feasibility study is first conducted to determine if fuel cells could be used to replace batteries as the MAV power source and what fuel cell configurations would show the best performance. Hydrogen, methanol, and formic acid fuel cells are considered, using a conventional flat-plate design and a novel micro-tubular design. Several micro-tubular fuel cells (MTFCs) are tested to show that these cells are a possibility for power production in MAVs. Those tested are developed and improved in collaboration between Luna Innovations, Inc. and the Center for Energy Systems Research at Virginia Tech and then manufactured by Luna Innovations, Inc. Also, an isothermal, lumped-parameter (LP) model for MTFCs is developed to predict behavior. The use of this LP model aids in understanding the dominant losses of the cell and ways of improving cell performance. Results from the feasibility study indicate that by using methanol powered MTFCs a 50% increase in overall energy output is possible, while also decreasing the mass of the power production system. Through testing and an iterative design process, an increase of three orders of magnitude of the maximum power production of the MTFCs constructed by Luna Innovations, Inc., has been realized. Results of the LP MTFC model are compared with the experimental results from the MTFC testing and tubular cells from the literature. / Master of Science

La croissance de la demande de systèmes de communication sans fil à fréquences micro-ondes impose l'utilisation de technologies de production en masse. Le secteur industriel des circuits micro-ondes fait face au défi de trouver des méthodes de fabrication qui lui permet d'optimiser la performance des dispositifs, leur fiabilité et les coûts de production. Pendant des années, la fabrication en couche mince s'est imposée comme la technologie qui a dominé les marchés des circuits sans fil micro-ondes. Cependant, dans les années récentes, les progrès obtenus dans les matériaux utilisés pour la fabrication en couche épaisse et les avantages que cette dernière offre à la production en masse a provoqué une résurgence de cette technologie dans la fabrication de circuits de communication sans fil micro-ondes. Dans ce contexte, on a réalisé un mémoire de maîtrise qui vise à appliquer la technologie de fabrication en couche épaisse pour obtenir des lignes microruban à faibles pertes et des composants passifs micro-ondes fonctionnels. Ainsi, on a commencé par développer une méthode de fabrication qui utilise la sérigraphie comme système d'impression. Par la suite on a utilisé des instruments avec technologie de pointe pour caractériser les lignes microruban. Les résultats démontrent clairement que la méthode de fabrication développée permet de réaliser des lignes capables de fonctionner au-delà de 10 GHz tout en ayant des faibles pertes. Grâce à ces résultats, on a été capable d'utiliser la méthode de fabrication développée pour réaliser des composants passifs micro-ondes. Ainsi, on a fabriqué et caractérisé des microcâblages, des inductances et des filtres à lignes couplées. Les résultats obtenus à partir de la caractérisation des dispositifs démontrent que les composants fabriqués sont fonctionnels et qu'ils pourraient être utilisés dans plusieurs applications micro-ondes. Par conséquent, on a réalisé une modélisation préliminaire des microcâblages et des inductances afin de les inclure dans la bibliothèque des composants du logiciel de CAO. Ces modèles proposés permettront de réaliser des simulations des circuits. Les résultats permettent de confirmer que la technologie de fabrication en couche épaisse présente le potentiel nécessaire pour s'établir comme une technologie de choix pour la fabrication de circuits à fréquence micro-ondes.

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Micro cutting is becoming increasingly important since miniature and micro components/products have become more and more demanded in precision engineering applications and consumer goods in a daily life. Meanwhile, it has not been thoroughly investigated yet. Scientific understanding of the fundamentals in micro cutting mechanics and physics is vital for micro manufacturing of micro or miniature components and products. Consequently, the scientific investigation on micro cutting mechanics is critically needed, particularly on its key fundamental aspects on which a systematic approach and key enabling technologies are developed for micro manufacturing. Therefore, three key fundamental aspects of micro cutting mechanics have been identified for this PhD project and a comprehensive systematic research has been performed through both theoretical and experiment-based investigations. The three aspects of micro cutting mechanics mainly include dynamic stiffness investigation, innovative micro cutting force modelling, and the study on micro cutting heat, temperature and their partitioned distribution. All experiment-based investigations are undertaken on a diamond turning machine test rig supported with a fast tool servo (FTS) using different reconfigured experimental setups. The finite element (FE)-based analysis is conducted to further support the in-depth analysis on the micro cutting phenomena especially the modelling and simulation of micro cutting force and temperature. Accordingly, both micro cutting force modelling and micro cutting temperature are investigated using modelling and simulation supported by well-designed experimental cutting trials and validations. The investigation on dynamic stiffness in the micro cutting system is focused on its effects on the micro cutting process and its control strategies. The burrs formation and machining accuracy are explored in relation with control of the dynamic stiffness. Furthermore, the control algorithm for dynamic stiffness is developed accordingly in order to minimise burrs formation and stabilize the micro cutting accuracy. The micro cutting force modelling is performed based on specific cutting force, i.e. modelling the cutting force at the unit cutting length or area as coined as the amplitude aspect of the proposed cutting force modelling. The cutting force against a dynamically varied cutting time interval is proposed as the spatial aspect of the cutting force formulation. The amplitude aspect can provide the insight into the micro cutting phenomena particularly in relation with the chip formation and size-effects. The spatial aspect, using a on the wavelet transform (WT) technique and standard deviation analysis can render the dynamic behaviour of the micro cutting force, particularly representing the dynamic effects of the cutting process and its correlation with tool wear. The micro cutting temperature is investigated to formulate the scientific understanding of cutting temperature, heat and their partitioned distribution particularly at the tool-workpiece-chip interface zone in ultraprecision and micro cutting using a diamond cutting tool. The contribution to knowledge at this aspect is to represent the partitioned cutting heat in the micro cutting process and their different behaviours compared to the conventional metal cutting. The scientific approach to modelling micro cutting application (MMCA), i.e. based on modelling-simulation combined with experimental validation, is further evaluated and validated to illustrate the overall benefits of this research investigation through micro cutting of single crystal silicon (for ultraprecision machining of large-sized infrared devices). This approach is established in light of combining all the three aspects of the above investigation on micro cutting mechanics. The research results show the approach can lead to industrial scale advantages for ultraprecision and micro cutting but driven by the scientific understanding of micro manufacturing technology. The systematic investigation on dynamic stiffness control, micro cutting force modelling, micro cutting heat and temperature and their integrated approach can contribute well to the future micro cutting applications.

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The aim of this research is to provide analysis of the rural non-farm sector in Nigeria by investigating inter-linkages between farm and non-farm activities. By critical analysis using quantitative and qualitative research methods to investigate farm and non-farm sectors, the research attempts to reveal the complex linkages between these activities undertaken by rural households. The analysis employs household surveys aimed at collecting primary data undertaken to investigate various aspects of rural livelihoods including sources of income, employment, diversification and determinants of household income. The research provides analysis of Rural Micro and Small Enterprises (RMSEs) in the non-farm sector. It investigates the sources of rural livelihoods, which are primarily based on farming activities. However, farming in this area is still carried out by about 80 percent of households in a traditional subsistence system with crude implements and in scattered plots of about 2.0 hectares or less. This subsistence farming system has resulted in increasing changes in decision making, along with dynamic processes of socio-economic and cultural changes including assets and resources which households depend on for their survival. Diversification of income activities has become an important aspect of rural livelihoods due to continued low agricultural income and output. Non-farm income activities have the potential to reduce rising rural unemployment, providing more income opportunities for young people, women and other vulnerable groups. It can provide capital for investment in child education, home improvement, asset formation and on-farm innovation or expansion. This research argues for an integrated approach towards rural development and poverty reduction through the promotion of both agriculture and non-agricultural sectors. Analysis of household income structure and determinants indicate that non-farm income accounts for about 44% of total household income and non-farm income has become an important source of capital for on-farm and off-farm investment. Ownership of non-farm enterprise, household labour force, level of education, age, farm size (land), financial capital (level of savings) and access to basic infrastructure are the main determinants of household income. Using disaggregated and distributional data the study found variations in effect of the various factors on household income on different groups of households.

Certaines données satellitaires ne sont pas utilisées à cause des acquisitions bruitées qui ne reflètent pas les distributions des grandeurs géophysiques du sol, telle que l’humidité du sol. La cause primordiale dans les micro-ondes passives vient des interférences radio fréquence (RFI). Ainsi, les températures apparentes mesurées par un satellite comme SMOS par exemple atteignent souvent des valeurs qui conduisent à des échecs d’inversion de l’humidité du sol. L’objectif de notre projet est d’étudier le phénomène des RFI à petite échelle, son impact sur les micro-ondes passives en bande L à partir des mesures au sol réalisées à l’aide de radiomètres. Une fois l’impact caractérisé de manière rigoureuse, une méthode de filtrage adaptatif a été développée pour corriger les effets. Le projet est composé de trois parties principales. La mise en place d’une expérimentation est réalisée afin de faire des mesures au sol à l’aide de deux radiomètres en bande L. Les mesures sont faites dans des conditions variables et plusieurs scénarios ont été considérés. Ensuite, les données sont collectées et analysées. Cette phase a abouti au développement d’un filtre qui permet d’atténuer l’effet des RFI sur les températures de brillance bruitées. Enfin, le filtre proposé dans le projet a été appliqué sur des données aéroportées en bande L prises sur le site Boreal Ecosystem Research and Monitoring Sites (BERMS) en Saskatchewan. L’expérimentation s’est déroulée à la station SIRENE de l’Université de Sherbrooke. Les instruments ont été mis en place et les radiomètres ont été calibrés en premier lieu pour s’assurer de la fiabilité des mesures. L’émetteur a servi comme une source d’interférence pour les radiomètres. Il était placé à des positions différentes vis-à-vis de ces derniers, et émettait à des puissances variables. Les différents scénarios considérés étaient utiles pour étudier l’effet de la position de la source RFI, ainsi que l’effet de la puissance émise par celle-là sur les températures mesurées par les radiomètres. Pour les mesures, nous avons utilisé un radiomètre multi-bandes qui nous a permis d’étudier l’impact de la bande passante sur les RFI. L’analyse et le traitement des données prises ont conduit au développement d’un filtre coupe-bande permettant de corriger les températures bruitées lorsque les caractéristiques du bruit sont connues. Ce filtre a été appliqué sur des données aéroportées bruitées. Le bruit a pu être atténué pour les températures en polarisation V. Les résultats de l’application du filtre sont satisfaisants dans l’ensemble malgré le volume important de données bruitées sur la zone d’étude. En ce qui concerne les données de la polarisation H, elles n’ont pu être corrigées, car elles étaient presque entièrement bruitées. Le mémoire porte sur une expérimentation originale, car les expériences du genre sont très rares dans la littérature. L’étude s’appuie sur deux radiomètres en bande L, ce qui est très particulier, compte tenu de la rareté de ces instruments.