Fixed wing UAV performance flight testing

Aware of the exponential growth of the drones industry and their applications in the recent years, this thesis work consists in the realization of an experimental UAV with the aim of carrying out flight tests typical of manned aircrafts, with both educational and research valence, with potential applications in the field of qualification and certification of unmanned aerial vehicles. More specifically we used as flying platform an electric powered glider model produced by Multiplex controlled by an on-board microcomputer derived from an Arduino board distributed by 3D Robotics and described as an “open source autopilot” specific for model aircrafts. Some sensors not originally included in the system equipment, specifically angle of attack and angle of sideslip vanes, were integrated in the system to complete the set of necessary data for our tests. In order to compare the experimental results with an ideal model and to have a preliminary idea of the forces acting on the aircraft, two simplified numerical simulations were calculated for the airfoil and for the complete airplane using XFoil and AVL software. Various wind tunnel tests were performed to get a preliminary characterization of the wing aerodynamics, to calibrate the new sensors and to collect those data such as the propeller traction which are impossible to collect in-flight. Once the “hardware” system was ready, all energies were put into the development and validation of some automatic flight modes that would reproduce the standard maneuvers, precise and repeatable, that a trained pilot would perform in a flight test campaign for a manned aircraft. The whole flight test campaign was carried out at the aircraft models field of the GAT club located in San Vito di Gaggiano close to Milano (Italy) for a total of four full days of flights. Once all the necessary data were collected from the established repetitions of the flight tests, the post-processing phase started, namely the raw data reduction and filtering activity and the final results presentation comprehensive of the CL-alpha, CD-alpha and parabolic polar graphs, stall speed in different flight configurations, optimum glide and climb ratio.

Vista la recente crescita del settore dei droni e del loro utilizzo, il presente lavoro di tesi consiste nella realizzazione di un UAV sperimentale finalizzato all’esecuzione di prove di volo tipiche dei velivoli pilotati, con valenza sia didattica sia di ricerca, con potenziali applicazioni nell’ambito della qualificazione e certificazione di velivoli senza pilota. Nello specifico si è utilizzata come piattaforma volante un motoaliante elettrico radiocomandato prodotto dalla Multiplex controllato da un computer di bordo di derivazione Arduino distribuito dalla 3D Robotics specifico per applicazioni aeromodellistiche. Alcuni sensori non presenti nella suite imbarcata originariamente, ed in particolare i rilevatori di angolo di incidenza e deriva, sono stati integrate nel sistema per completare il set di parametri necessari. Per avere un confronto con i dati sperimentali e un’idea preliminare delle forze in gioco, si è creato un semplice modello numerico del profilo dell’ala e del velivolo completo ricavando poi i dati di interesse attraverso un calcolo semplificato utilizzando i software XFoil e AVL. Varie prove sono state eseguite in galleria del vento per fornire una prima caratterizzazione sperimentale dell’aerodinamica dell’ala, per calibrare i nuovi sensori e per raccogliere quei dati come la trazione fornita dal sistema propulsivo che non è possibile determinare in volo. Pronto il sistema “hardware”, si è passati allo sviluppo e validazione di alcuni modi di volo automatici, precisi e ripetibili, che riproducano delle manovre standard come quelle che un pilota addestrato eseguirebbe in una campagna di sperimentazione in volo su di un velivolo pilotato. La campagna di prove di volo si è interamente svolta al campo volo del club per aeromodelli GAT (Gruppo Aeromodellistico Trezzanese) sito in San Vito di Gaggiano (MI) per un totale di quattro giornate di voli. Una volta raccolti tutti i dati necessari dalle prove di volo stabilite si è passati alla fase di post-processing ossia all’attività di riduzione e filtraggio dei dati ed infine alla presentazione dei risultati che comprendono i grafici di CL-alpha, CD-alpha, polare parabolica, velocità di stallo in diverse configurazioni di volo, velocità di salita e di discesa ottime.