Interaction of fragments and blast loads with Unmanned Aerial Vehicles

The military scenarios of recent years see an increasing use of Unmanned Aerial Vehicles (UAVs), both for surveillance purposes and for ground attacks. Since UAVs are smaller and lighter than attack aircraft such as fighter jets, they are not equipped with developed defense systems and for this reason the issue of their vulnerability to external threats is of primary importance. Furthermore, there are types of UAVs which have high economic value and strategic importance, representing assets that need to be protected. Vulnerability is identified as the inability of a system to withstand the damage caused by a man made hostile environment. Threats to which a UAV may be subjected during its use are either air-to-air or ground-to-air type enemy weapons systems. In particular, more critical threats are caused by proximity-fuzed missiles, whose origins can be traced back to World War II, and laser cannons, which are more recent. Only proximity-fuzed missiles are considered in this thesis as they are widely used given their versatility. Thus, the scope of this thesis is to lay the bases for a vulnerability assessment of UAVs subjected to the threat of a proximity-fuzed missile. Therefore, the operating principle and the two damage mechanisms following the detonation of the warhead, namely, fragment penetration and blast loading, will be described in detail. Fragment penetration represents the major threat among the two, but modeling this phenomenon is usually expensive or subject to considerable approximations. Therefore, simple equations for modeling fragment penetration in metal and composite structures are proposed in this thesis, starting from experimental analyses available in the public literature so as to ensure accurate results. The aim is to create a starting point for the development of a software where only few data are required to obtain accurate and fast results. Similarly, time-consuming or approximated models are also characteristic of shock wave impacts on structures. In this work, semi-empirical equations are employed to create the blast load, and the latter is applied to the structure representing the wing of a UAV. The approximation of the wing considering the semi-monocoque model allows an analytical evaluation of the structure, so as to enhance the creation of a software that takes the peak pressure and the characteristics of the wing as input, and outputs the safety coefficients of the elements composing the structure.

Gli scenari militari degli ultimi anni vedono un utilizzo sempre più intenso di velivoli senza equipaggio (UAV, dall'inglese Unmanned Aerial Vehicles), sia per scopi di sorveglianza che per attacchi al suolo. Dal momento che glu UAV sono più piccoli e più legegri rispetto ai velivoli da combattimento come, ad esempio, i caccia, non sono in possesso di sviluppati sistemi di difesa e per questo motivo il tema della loro vulnerabilità a minacce esterne risulta di fondamentale importanza. Inoltre, ci sono tipi di UAV che hanno un alto valore economico e un'alta importanza strategica, rappresentando dunque un asset che deve essere protetto. Con vulnerabilità si identifica l'inabilità di un sistema di far fronte alla minaccia di un'entità ostile. Le minacce a cui un UAV può essere sottoposto durante il suo utilizzo sono sistemi di armamento nemici di tipo aria-aria o di tipo terra-aria. In particolare, maggiori criticità sono date da missili con spoletta di prossimità, le cui origini sono riconducibili alla Seconda Guerra Mondiale, e cannoni laser, di recente origine. In questa tesi vengono considerati solamente missili con spoletta di prossimità in quanto largamente utilizzati vista la loro versatilità. Dunque, l'obiettivo di questa tesi è quello di porre le basi per uno studio della vulnerabilità di un UAV sottoposto alla minaccia di un missile con spoletta di prossimità. Pertanto, verranno descritti, il principio di funzionamento e i due meccanismi di danno a seguito dell’esplosione, ovvero la penetrazione di frammenti e l'impatto con l’onda d’urto. La penetrazione di frammenti rappresenta la minaccia maggiore tra le due, ma la modellazione di tale fenomeno è solitamente dispendiosa o soggetta a notevoli approssimazioni. In questa tesi vengono quindi proposte delle semplici equazioni per la modellazione della penetrazione di frammenti in strutture in metallo ed in composito, partendo da analisi sperimentali disponibili in letteratura in modo da garantire risultati accurati. Lo scopo è creare un punto di partenza per lo sviluppo di un software in cui sia sufficiente inserire pochi dati per ottenere dei risultati precisi e rapidi. Modellazioni altrettanto dispendiose o soggette ad approssimazioni sono caratteristiche anche di impatti di strutture con onde d'urto. In questo lavoro vengono utilizzate delle equazioni semi-empiriche per la creazione del carico esplosivo, e quest'ultimo viene applicato alla struttura rappresentantiva dell'ala di un UAV. L'approssimazione dell'ala tramite il modello a semiguscio permette una valutazione analitica della struttura, in modo da favorire la creazione di un ambiente di calcolo che prenda come input il picco di pressione dell'onda d'urto e le caratteristiche dell’ala, fornendo come output i coefficienti di sicurezza degli elementi che compongono la struttura stessa.