Preliminary design of a fixed-wing VTOL UAV for Martian flight

NASA Mission to Mars 2020 marked a historic achievement for space exploration, since, for the first time, remotely controlled flight on an extraterrestrial atmosphere was accomplished by Ingenuity, the Mars Helicopter. This important result fostered interest towards large-scale exploration of Mars. In the future, long-range missions could be performed in Martian environment by fixed-wing UAVs, which would allow for larger payloads and greater range. However, the rarefied atmospheric conditions on Mars produce several effects on the design of a fixed-wing UAV compared to those for terrestrial applications. The thin Martian atmosphere is characterised by very low density and glacial temperature, affecting significantly the aerodynamics of the UAV, therefore its overall performance. This thesis presents the conceptual and preliminary design of a vertical take-off and landing fixed-wing UAV for the Martian environment, in the framework of a scientific mission for the large-scale aerial exploration of the Red Planet. In addition, a comparative study is carried out between the Martian drone design and that of a UAV designed to carry out a similar mission on Earth, to highlight design similitudes and differences, and their dependence on the planet characteristics. An outlook towards similar design for UAV operating in the Venus and Titan atmosphere concludes the thesis.

La missione NASA Mission to Mars 2020 segnò un traguardo storico nella saga dell'esplorazione spaziale. Infatti, per la prima volta nella storia venne effettuato un volo a controllo remoto in un'atmosfera extraterrestre, grazie ad Ingenuity, l'elicottero marziano. Questo risultato straordinario favorì la crescita di un grande interesse verso l'esplorazione di Marte su larga scala. In futuro, potranno essere effettuate alcune missioni ad elevata autonomia nell'ambiente marziano grazie all'utilizzo di droni ad ala fissa, i quali consentiranno di trasportare carichi paganti più elevati e per distanze maggiori. Tuttavia, le condizioni atmosferiche che si trovano su Marte provocano diversi effetti nella progettazione di velivoli ad ala fissa ed a pilotaggio remoto, rispetto a quanto di consueto per le applicazioni terrestri. L'atmosfera marziana è caratterizzata da una densità molto bassa e da temperature glaciali, influenzando notevolmente le caratteristiche aerodinamiche del drone e, di conseguenza, le sue prestazioni complessive. Questa tesi presenta la progettazione concettuale e preliminare di un drone a decollo ed atterraggio verticale pensato per l'ambiente marziano, nel contesto di una missione scientifica per l'esplorazione su larga scala del Pianeta Rosso. Inoltre, presenta uno studio comparativo tra la progettazione del drone marziano e quello di un UAV progettato per compiere una missione analoga sulla Terra, con lo scopo di evidenziarne similarità e differenze, e la loro dipendenza dalle diverse caratteristiche planetarie. Uno sguardo verso la progettazione di droni ad ala fissa per missioni su Venere e Titano conclude il lavoro di questa tesi.