Denna rapport behandlar en konceptstudie av ett solcellsdrivet obemannat höghöjdsflygplan, förkortat HALE UAV, och innefattar bland annat en kort beskrivning av ingående delar, design och utformning, prestanda och energi beräkningar samt modeller för solstrålning och väder i atmosfären. Inspirationen till projektet gavs av det solcellsdrivna flygplanet Zephyr och har även utgjort utgångspunkten för detta arbete. Syftet med studien har varit att ta reda på hur mycket energi som krävs för att ett flygplan av denna typ ska kunna operera och hur stor del av jorden den skulle kunna täcka om den endast drivs av solceller under antagandet att ideala förhållanden råder. Utvecklingen av obemannade flygplan har gått snabbt de senaste 30 åren och i takt med de ökande miljöproblemen kommer flygplan som är mer miljövänliga att bli mer populära. Flygplan av denna typ har idag stora användningsområden och kan bland annat användas för spaning och övervakning men även som plattformar för exempelvis internet och telefoni. Med Zephyr som utgångspunkt har rimliga värden på flygplanets utformning kunnat bestämmas. Totalvikten blev 53 kg med ett vingspann på 22,5 meter och en motoreffekt på 2x450 W. Olika vingprofiler har analyserats och valet blev Wortmann FX 74-CL5-140 på grund av en hög lyftkraftskoefficient, anpassad för låga Reynolds tal samt ett mycket stort förhållande mellan lyftkraft och motstånd. Solcellerna som används för att ta tillvara på energin lagrad i solstrålningen valdes till amorfa kiselsolceller med en verkningsgrad på 20 % och batterierna för att lagra energin valdes till litium-svavel med en massa på 15,9 kg och en energidensitet på 500 Wh/kg. Beräkningar av planets prestanda har gjorts med de utdelade kompendierna som grund och de innehåller mer detaljerade beskrivningar om respektive beräkningar och lösningsgång. Olika flygfall har analyserats för att erhålla en så energisnål flygning som möjligt vilket resulterade i planflykt under dagtid och en blandning mellan glidflykt och stigning under natten. Energiåtgången beräknades till cirka 6.1 kWh under dagtid och cirka 6 kWh under natten. Den använda solstrålningsmodellen approximerar hur solstrålningen varierar under en dag samt under olika tider på året. Beräkningar för hur mycket energi som är tillgänglig vid olika latituder och höjder har gjorts och sedan jämförts med flygplanet minimala behov för att flyga. Med ett behov på minst 15 kWh per dag resulterade det i att flygplanet måste flyga på latituder under cirka 40°N i december och latituder på under 60°N i februari och oktober. Som hjälpmedel vid beräkningar och analys av vingprofiler har programvarorna MATLAB samt XFLR5 använts. / This report treats a concept study of a solar powered HALE UAV (High Altitude Long Endurance Unmanned Aerial Vehicle) and includes amongst others a short description of the parts, design, performance and energy calculations as well as a few models for solar radiation and weather/atmosphere. The inspiration was given by the solar powered airplane Zephyr, which has been the starting point for this project. The purpose of the study has been to find out how much energy is needed for this type of an airplane to be able to perform and how big area of the earth it could cover if only powered by the energy solar cells collect under the assumption of ideal conditions. The development of UAVs have been rapid during the past 30 years and considering the increasing environmental problems, environmental forms of flight will only become more and more popular. Airplanes of this type currently have many major uses, for instance they can be used for surveillance and observations as well as platforms for internet and telephony. Reasonable values of the aircraft design has been able to be determined using Zephyr as a starting point. The total weight of the airplane is set to 53 kg with a wingspan of 22.5 m using 2 motors at 450 W each. Different airfoils have been analyzed and a Wortmann FX 74-CL5-140 was chosen due to a high lift coefficient, designed for low Reynolds numbers and a very high lift to drag ratio. The solar cells used to take advantage of the energy of the suns radiation was elected to amorphous silicon solar cells with an efficiency at 20 % and the batteries used to store the energy are 15.9 kg of lithium-sulfur batteries with a specific energy at 500 Wh/kg. Calculations of the airplanes performance were conducted using mainly the distributed compendiums made by the examiner Arne Karlsson, which contain a more detailed description of the formulas. Different flight cases have been analyzed to get a clear picture of what is the most energy efficient flying schedule which resulted in level flight during the day and a mixture of glide and climb during the night. This gives an expected energy usage at approximately 6.1 kWh during the day and roughly 6 kWh during the night. A solar radiation model has been used to approximate how the energy varies in a day and during different times of the year. Calculations of how much energy there is available at different latitudes and heights were made and then compared with the minimal energy consumption the flight requires. Assuming the airplane needs 15 kWh per day to function (this is including a safety factor), the airplane needs to fly on latitudes below 40°N in December and on latitudes below 60°N in October. MATLAB and XFLR5 have been used for calculations and investigating the airfoils.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:UPSALLA1/oai:DiVA.org:kth-173388 |
| Date | January 2015 |
| Creators | Kempe, Emma, Söderman, Filip |
| Publisher | KTH, Farkost och flyg |
| Source Sets | DiVA Archive at Upsalla University |
| Language | Swedish |
| Detected Language | Swedish |
| Type | Student thesis, info:eu-repo/semantics/bachelorThesis, text |
| Format | application/pdf |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
Page generated in 0.007 seconds