Aerodynamics, propulsion and testing of an eVTOL drone

Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) have drawn increasing attention due to their diverse applications and economic benefits. Ranging from infrastructure monitoring to law enforcement, their utility is vast. A recent development is the rise of electric Vertical Take-Off and Landing (eVTOL) UAVs, merging vertical agility with the efficiency and endurance of fixed-wing aircraft. As UAV research progresses, the limitations of traditional configurations become apparent: while multirotors struggle with flight endurance, fixed-wing UAVs lack vertical take-off capabilities. The solution lies in VTOL UAVs, seamlessly integrating vertical and horizontal capabilities, making them ideal for applications like parcel delivery, aerial mapping, and reconnaissance. The purpose of the thesis is to upgrade the hardware, then conduct a comprehensive flight test campaign on an electric VTOL (eVTOL) designed and built in three previous master theses within the Aerospace Systems and Control Laboratory (ASCL) of Politecnico di Milano. Specifically, in [1] the drone has been designed, in [2] it has been built and integrated, and finally in [3] a custom controller has been developed, installed and tested indoor. The resulting vehicle features both vertical and forward flight, has an approximate take-off mass of 6 kg, and with its wide 2.25 m wingspan it is expected to have an endurance of about 100 minutes. Being the first one ever to be completely designed and produced within the Department of Aerospace Science and Technology (DAER), and being its first outdoor flight test campaign, this experimental activity posed countless stimulating challenges and as many opportunities to learn and improve. During the flight test campaign, the progressive encountering of aerodynamic, structural and propulsive limitations encouraged the upgrade to various parts of the aircraft. First, the wing and tail have been redesigned, increasing their size and improving the manufacturing technique to include a glass-fiber cladding which provided significantly enhanced structural stiffness. Then, the forward flight propellers have been changed with a better performing model which underwent also wind tunnel tests to obtain an accurate in-flight thrust estimation model. Finally the aircraft has been tested; the transition and backtransition phases have been progressively tuned and validated, and the fixed-wing portion of flight has been explored yielding to key performance such as stall speed, specific excess power curve and drag polar. The findings from this work constitute a foundation for further testing, and provide several insight on key improvements for future development of the eVTOL project.

Gli aeromobili a pilotaggio remoto (APR, o UAV - Unmanned Aerial Vehicles - in inglese) hanno attirato sempre pi`u attenzione grazie ai numerosi casi applicativi e vantaggi economici. Dal monitoraggio delle infrastrutture al supporto alle forze dell’ordine, la loro utilit`a `e vasta. Uno sviluppo recente `e la diffusione degli UAV elettrici a decollo e atterraggio verticale (eVTOL - dall’inglese electrical Vertical Take-Off and Landing), che uniscono la flessibilit`a del volo verticale con l’efficienza e l’autonomia degli aerei ad ala fissa. Con il progredire della ricerca sugli UAV, i limiti delle configurazioni tradizionali diventano sempre pi`u evidenti. Mentre i multirotori hanno limitazioni sull’autonomia e quindi sulle distanze percorribili, gli UAV ad ala fissa non hanno i vantaggi del decollo verticale. La soluzione risiede negli UAV VTOL, che integrano perfettamente capacit`a verticali e orizzontali, rendendoli ideali per applicazioni come consegne a lunga distanza, mappature aeree e ricognizione. L’obiettivo principale di questa tesi `e quello di condurre una campagna completa di prove di volo su un VTOL elettrico (eVTOL) progettato e interamente costruito durante tre precedenti tesi magistrali all’interno dell’Aerospace Systems and Control Laboratory (ASCL) del Politecnico di Milano. Nello specifico, in [1] il drone `e stato progettato, in [2] `e stato costruito e integrato e infine in [3] `e stato sviluppato un sistema di controllo, poi installato a bordo e testato all’interno del laboratorio. Il velivolo risultante `e in grado di volare sia verticalmente come multirotore che in volo avanzato come ala fissa, ha una massa al decollo di circa 6 kg e con la sua ampia apertura alare di 2,25 m ha un’autonomia stimata di circa 100 minuti. Essendo il primo in assoluto ad essere completamente progettato e costruito all’interno del Dipartimento di Scienza e Tecnologia Aerospaziale (DAER), ed essendo la prima campagna di prove di volo all’aperto a cui `e sottoposto, questa attivit`a sperimentale ha presentato innumerevoli stimolanti sfide e altrettante opportunit`a di apprendere e migliorare. Durante la campagna di prove di volo, il progressivo incontro con limitazioni aerodinamiche, strutturali e propulsive ha spinto all’aggiornamento di varie parti del velivolo. Innanzitutto, l’ala e la coda sono state riprogettate, aumentandone le dimensioni e migliorandone la tecnica produttiva, includendo un rivestimento in fibra di vetro che ha portato migliori caratteristiche strutturali. Successivamente, le eliche per il volo avanzato sono state sostituite con un modello dalle prestazioni migliori che `e stato sottoposto anche a test in galleria del vento per ottenere un modello di stima della spinta accurato. Infine il velivolo `e stato testato: le fasi di transizione in avanti e all’indietro sono state progressivamente messe a punto e validate; la fase di volo in ala fissa `e stata poi studiata ottenendo prestazioni fondamentali come la velocit`a di stallo, la curva di eccesso di potenza specifica e la curva polare. I risultati di questo lavoro costituiscono una base per ulteriori prove e forniscono numerosi spunti per miglioramenti durante lo sviluppo futuro del progetto eVTOL.