Optimized fixed-wing drone characteristics for operations on Titan, Venus and Mars

Several approaches are used classically to expand Space exploration. Recently, in order to explore in a cost-efficient manner, new types of planetary exploration vehicles, such as Unmanned Aerial Vehicles, have been increasingly used because of their numerous benefits. Moreover, modular robotic systems for Space exploration applications are also catching on lately. These systems are composed of modules that can change their shape by rearranging their connectivity, allowing them to adapt to new circumstances or recover from damage. Applying the modular robotic system idea to drones for Space exploration resulted in the meta-drone concept, a set of multiple individual drones that can join to form a larger multi-functional air vehicle, allowing new kinds of missions with greater scientific return. Knowing their units in detail is necessary to study such complex systems. Thus, a first-level analysis proves essential to estimate the resources the individual drone uses on a celestial body. For this reason, this work focuses on the performance comparison of various drone typologies operating on Titan, Venus and Mars. After having explored the atmospheric features of these celestial bodies together with their viable exploration altitude ranges and reviewed past drone concepts designed for extraterrestrial exploration, Chapter 3 defines the optimal altitude, within the viable altitude range, for a steady-state flight of Fixed-Wing (FW) and Lighter-Than-Air (LTA) drones, as well as for hovering helicopters, providing also forecast indicative power values and the indicative velocity at which transitioning from an FW to an LTA drone becomes advantageous for a given mass. Then, it focuses exclusively on FW drones. First, it mainly computes reference values for various parameters for battery-powered FW drone configurations flying at maximum endurance/range steady-state conditions in the atmosphere of a given celestial body at the specified heights defined formerly. Finally, for a given celestial body, it evaluates the optimal FW drone configuration minimizing the thrust employed for a specific flight duration with respect to the horizontal distance travelled and assesses whether this configuration matches the optimal configuration in terms of lower power consumption and thrust.

Per favorire l'esplorazione spaziale sono utilizzati classicamente diversi approcci. Recentemente, per esplorare in modo più economico, sono stati utilizzati sempre più spesso nuovi tipi di veicoli per l'esplorazione planetaria, come gli UAV, a motivo dei loro numerosi vantaggi. Inoltre, ultimamente si sta diffondendo anche l'uso di sistemi robotici modulari per l'esplorazione spaziale. In generale, questi sistemi sono composti da moduli che possono cambiare la forma del sistema complesso riorganizzando le loro connessioni, consentendo loro di adattarsi a nuove circostanze o di riparare un danno. Applicando l'idea di sistema robotico modulare ai droni per l'esplorazione spaziale è nato il concetto di meta-drone, ossia un insieme di diverse unità di droni che possono unirsi per formare un veicolo aereo multifunzionale più grande, consentendo nuovi tipi di missioni con un maggiore ritorno scientifico. Per studiare sistemi così complessi è necessario conoscere nel dettaglio le singole unità che lo compongono. Pertanto, è essenziale un'analisi di primo livello per stimare le risorse che il singolo drone utilizza su un dato corpo celeste. Per questo motivo, il presente lavoro si concentra sul confronto delle prestazioni di varie tipologie di droni che operano su Titano, Venere e Marte. Dopo aver esplorato le caratteristiche atmosferiche di questi corpi celesti e i loro intervalli di altitudine fattibili per l'esplorazione e aver passato in rassegna alcuni concepts passati di drone per l'esplorazione extraterrestre, il Capitolo 3 definisce l'altitudine ottimale, tra quelle all'interno dell'intervallo di altitudine fattibile per l'esplorazione, per il volo in condizioni stazionarie di droni a configurazione fixed-wing (FW) e lighter-than-air (LTA), nonché per il sorvolo degli elicotteri, fornendo anche valori indicativi di potenza prevista e la velocità indicativa alla quale la transizione da un drone FW a uno LTA diventa vantaggiosa per una determinata massa. Il capitolo poi si concentra esclusivamente sui droni FW. In primo luogo, fornisce alcuni valori di riferimento di vari parametri per le configurazioni di droni FW alimentati a batteria che volano in condizioni stazionarie di massima autonomia di distanza/oraria nell'atmosfera di un dato corpo celeste alle altezze specificate in precedenza. Infine, per un dato corpo celeste, si valuta la configurazione ottimale del drone FW che minimizza la forza di spinta impiegata per una specifica durata di volo rispetto alla distanza orizzontale percorsa e valuta se questa configurazione corrisponde a quella ottimale in termini di minor consumo di energia e minore forza di spinta.