A Systematic Approach to Designing Low Altitude Long Endurance Solar-Powered Unmanned Aerial Vehicles

Abstract

Long endurance solar powered flight missions are highly sensitive to the available solar power and onboard energy capacity. The location and time of year are critical factors which determine whether a specific design will be able to fly continuously for more than 24 hours. The onboard energy capacity must be sufficient to support a continuous power draw throughout the night until sufficient solar power is available in the morning to recharge the batteries. The extended endurance has practical applications including intelligence, surveillance, reconnaissance, signals relay, and environmental monitoring. Current endurance record holders and other successful solar powered Unmanned Aerial Vehicle (UAV) designs feature glider-like wings and sleek fuselage designs. There is minimal justification that a glider is the most suitable for low altitude solar UAVs. To determine the most promising UAV configuration for long endurance solar flight, this work includes a detailed parametric comparison analyzing different combinations of the vehicle configuration, the battery capacity, the number of solar cells, and the wing planform. Results show that configurations with a T-tail empennage are the most promising and that the intended payload has a significant influence on the other optimal design traits. Of the configurations with the T-tail, it is inconclusive as to which wing configuration is most promising: a clean wing or one with nacelles intersecting the span. Both wing configurations are carried forward through the UAV optimization, where each wing configuration with a T-tail is optimized for two different payload cases. From the optimization results, a clean wing and T-tail solar UAV has the greatest potential for long endurance missions for year-round operations for a sample case based in Kingston, ON. A final geometry is proposed for production featuring a 10 ft wingspan and maximum takeoff weight of 9.3 lbf. Lastly, the properties of the proposed solar UAV are connected to a trajectory and control optimization tool to determine suitable and practical flight strategies for maximizing energy margins of this solar UAV.

Les missions de temps de vol plus longues alimentées par l'énergie solaire sont très sensibles à l'énergie solaire disponible et a à la capacité énergétique embarquée. L'endroit géographique et la période de l'année sont facteurs crucials qui déterminent si une design peut voler sans pause pour plus de 24 heures. La capacité énergétique embarquée doit être suffisante pour répondre à la consommation d'électricité tout au long de la nuit, jusqu'à ce que l'énergie solaire soit suffisante le lendemain matin pour recharger les batteries. Le temps de vol plus long a des applications pratiques comme le renseignement, la surveillance, la reconnaissance, le relais de signaux, et la surveillance environnementale. Les détenteurs courants des records de temps de vol et d'autres modèles de véhicules aériens sans pilote (ASP) à l'énergie solaire à réussite sont dotés d'ailes planeur et d'un fuselage profilé. Il n'y a que peu de justification qu'une aile planeur est le plus approprié pour les ASP solaires volant à basse altitude. Pour déterminer la configuration de l'ASP plus appropriée pour les missions de temps de vol longue, cette thèse inclue une comparaison paramétrique avec les combinaisons différentes du type de configuration, de la capacité des batteries, du nombre de cellules solaires, et de la forme de l'aile. Les résultats démontrent que les configurations avec un empennage en T sont les plus appropriées et que les charges utiles ont une influence considérable sur les autres caractéristiques de design. Parmi les configurations à empennage en T, il n'est pas possible de conclure quelle configuration d'aile est la plus appropriée : une aile sans nacelles ou une aile avec des nacelles qui coupent l'envergure. Les deux configurations de l'aile sont utiliser dans l'optimisation de l'ASP avec deux cas des charges utiles. L'optimisation conclue qu'une configuration sans nacelles avec un empennage en T présent le plus grand potentiel pour les missions de temps de vol long dans le cadre d'opérations tout au long de l'année pour un cas d'échantillon basé à Kingston, en Ontario. Une configuration finale est proposée pour la production avec un envergure de 10 ft et un poids maximal au décollage de 9.3 lbf. Enfin, les caractéristiques du ASP proposé sont associées à un outil d'optimisation de trajectoire et de commande afin de déterminer des stratégies de vol appropriées et pratiques afin de maximiser les marges énergétiques de cet ASP solaire.