Distributed electric propulsion applied to micro aerial vehicles

Micro Aerial Vehicles were originally defined as a category of aircraft with the maximum dimension of 150 mm, a maximum mass of 50 g and operating at speeds around 10 m/s. At their typical Reynolds numbers of 50,000 or lower, conventional airfoils experience a significant degradation in aerodynamic performance. Zero-thickness airfoils that are em- ployed to mitigate the drop of performance, decrease the vehicle’s payload capabilities. Recently developed Distributed Electric Propulsion (DEP) was applied on conventional aircraft to improve their aerodynamic characteristics at lower flight velocities. This work focused primarily on the development of an original capability to investigate a novel ap- plication of DEP to MAVs aimed at improving the performance of conventional airfoils at low and very-low Re numbers. Wind tunnel testing was performed at the Politecnico di Milano using a six-axis micro-sting balance for force and moments estimates. The model, with a rectangular wing of 200 mm wingspan and an Eppler E231 airfoil, was powered by six DC micro-motors and six micro-propellers evenly distributed along the wingspan and blowing on the wing. The numerical investigation was carried out using DUST, a parti- cle–panel solver, augmented by XFOIL, NeuralFoil, and SU2 for detailed airfoil analyses. The good agreement between numerical and experimental results validated the applica- tion of numerical models to the subject configurations. Experimental results at 0° angle of attack with the wing in the propeller’s wakes showed an increase of the CL by 83.8% at Re=26471 and by 162% at Re=13235 with reference to the wing without propellers. At a angle of attack of 7.5° and a propellers’ speed of 60000 RPM, numerical results showed that lift is primarily wing generated, with wing’s CL increasing by 112.7% at Re=26471 and 303% at Re=13235.

I Micro Aerial Vehicles (MAV) sono stati originariamente definiti come una categoria di velivoli con dimensioni massime di 150 mm, una massa pari o inferiore a 50 g e in grado di operare a velocità di 10 m/s. Con numeri di Reynolds operativi dei MAV pari o inferiori a 50.000, i profili alari convenzionali subiscono un significativo degrado delle prestazioni aerodinamiche. I profili alari a spessore nullo, impiegati per mitigare il calo delle prestazioni, riducono significativamente la capacità di carico utile del veicolo. La propulsione elettrica distribuita (DEP) di recente sviluppo è stata applicata ai velivoli convenzionali per migliorarne le caratteristiche aerodinamiche a velocità di volo inferiori. Questo lavoro si è concentrato principalmente sullo sviluppo di un nuovo metodo per stu- diare l’applicazione della DEP ai MAV volta a migliorare le prestazioni dei profili alari convenzionali a numeri di Reynolds bassi. I test in galleria del vento sono stati eseguiti presso il Politecnico di Milano utilizzando una micro-bilancia a sei assi per la misura di forze e momenti. Il modello, con un’ala rettangolare di 200 mm di apertura alare e un profilo alare Eppler E231, era alimentato da sei micro-motori a corrente continua e sei micro-eliche distribuite uniformemente lungo l’apertura alare. L’indagine numer- ica è stata condotta utilizzando DUST, un risolutore a particelle-pannelli, supportato da XFOIL, NeuralFoil e SU2 per analisi dettagliate del profilo alare. La buona concordanza tra risultati numerici e sperimentali ha convalidato la fattibilità dell’applicazione dei mod- elli numerici alle configurazioni in oggetto. I risultati sperimentali a 0° hanno mostrato che le eliche aumentavano il CL dell’ala dell’83,8% a Re=26471 e del 162% a Re=13235. A 7,5° e 60000 giri al minuto, i risultati numerici hanno mostrato che la portanza è an- cora generata principalmente dall’ala, con il CL di quest’ultima che aumenta del 112,7% a Re=26471 e del 303% a Re=13235.