Preliminary design of a fixed wing eVTOL UAV with autocharging capabilities

A fixed-wing aircraft with Vertical Takeoff and Landing (VTOL) is a new type of aircraft that inherits the hovering, VTOL, and maneuvering properties of multicopters and the power-efficient cruising of a fixed-wing aircraft. This thesis presents a comprehensive method for fixed-wing VTOL electric UAV preliminary sizing. The method uses a newly developed integrated analysis that combines fixed-wing aircraft sizing methods and the VTOL propulsion sizing method. The classical airplane design approach was adapted to accommodate the unique char- acteristics of the eVTOL UAV concept, resulting in a tailored design methodology. The sizing process followed an iterative approach, leveraging existing drone data as a reference point. The UAV is analyzed for its aerodynamic, performance, and stability analysis, using low-fidelity aerodynamic simulations. Wing, fuselage, and empennage are designed and modeled first on XFLR5 [6], then a more detailed version is analyzed in OpenVSP [21]. The objective is to find the results for endurance and range. In parallel the conceptual design of an auto-charging system has been conducted, focusing on the working principle and adaptation for the designed UAV. The study includes a comparative analysis between wireless and wired charging methods, evaluating the advantages and disadvantages of each configuration. The objective of the thesis is to determine the endurance performance of the UAV, for both VTOL mode and forward flight, and to estimate the charging time of the auto-charging system.

Un aeromobile ad ala fissa con decollo e atterraggio verticale (VTOL) è un nuovo tipo di velivolo che eredita le proprietà di stazionamento, decollo e atterraggio verticale e manovrabilità dei multicotteri, e i vantaggi in termini di consumo energetico di un aero- mobile a ala fissa. Questa tesi presenta un metodo esaustivo per il dimensionamento preliminare di un UAV elettrico ad ala fissa con decollo e atterraggio verticale. Il metodo utilizza un’approccio che combina i metodi di dimensionamento degli aeromobili ad ala fissa e il di dimensionamento della propulsione VTOL. L’approccio classico per il dimensionamento di un aeromobile è stato adattato per ac- cogliere le caratteristiche uniche del concetto di UAV eVTOL. Il processo di dimensiona- mento ha seguito un approccio iterativo, prendendo dati esistenti di droni già in commercio come punto di riferimento. Simulazioni aerodinamiche a bassa fedeltà sono state utilizzate per studiare l’aerodinamica, le prestazioni e la stabilità del drone. Ala, fusoliera ed impennaggi sono stati progettati e modellati inizialmente su XFLR5 [6], successivamente una versione più dettagliata è stata analizzata in OpenVSP [21]. L’obbiettivo è di trovare l’autonomia e la distanza di volo. Parallelamente è stata condotta la progettazione concettuale di un sistema di ricarica automatico, focalizzandosi sul principio di funzionamento e sull’adattamento per l’UAV progettato. Lo studio include un’analisi comparativa tra i metodi di ricarica wireless e cablata, valu- tando i vantaggi e gli svantaggi di ciascuna configurazione. L’obiettivo della tesi è determinare le prestazioni dell’UAV, sia in modalità VTOL che in crociera, e stimare il tempo di ricarica del sistema di ricarica automatico