Overview

Το υποσύστημα Structural στο Aeronautics, είναι υπεύθυνο για ένα μέρος του σχεδιασμού και της κατασκευής του αεροσκάφους.

Η συνεισφορά του υποσυστήματος στο έργο του Aeronautics, κατανοείται καλύτερα μέσα από τις φάσεις σχεδιασμού και μεθόδους κατασκευής.

Conceptual Design

Κατά την φάση του π΄ρωιμου σχεδιασμόυ, οι μηχανικοί του υποσυστήματος χρειάζεται να κάνουν μια αρχική εκτίμηση του βαάρους του UAV, όπως και να υπολογίσουν τις αναλογίες βάρους μεταξύ διαφορετικών στοιχείων του αεροσκάφους ως προς την συνολική μάζα του. Ο στόχος είναι η μείωση του βάρους και η επιτυχής μεγιστοποίηση του οφέλιμου φορτίου που μπορεί να μεταφέρει το UAV.

Επιπλέον, απαιτείται από το υποσύστημα η προσέγγιση του κέντρου βάρους στην επιθυμητή θέση που ορίζεται από το υποσύστημα των Αεροδυναμιστών.

Για την εκτίμηση των παραπάνω παραμέτρων εχουμε αναπτύξει εραγλεία τύπου κώδικα MATLAB, που είναι ικανά να προβλέπουν με ένα ορισμένο επίπεδο ακρίβειας, το βάρος και το κέντρο βάρους του UAV. Τα εργαλεία χρησιμοποιούν ως είσοδο τις αρχικές διαστάσεις που παρέχονται από το υποσύστημα των αεροδυναμιστών και υπολογίζουν το βάρος, παράλληλα με μια εκτίμηση του κέντρου βάρους μαζί με ένα διάγραμμα απεικόνησης του αεροσκάφους. Τα παραπάνω επιβεβαιώνονται με ένα αρχικό 3D CAD του UAV.

Είναι εμφανές πως στην αρχική φάση του σχεδιασμού, η συνεργασία μεταξύ του υποσύστηματος των Structural και Aerodynamics είναι εξαιρετικής σημασίας. 

Κατα τη διάρκεια της φάσης του conceptual design, το υποσύστημα είναι υπεύθυνο για την επιλογή υλικών του UAV. H αποστολή του αεροσκάφους, μαζί με την εκτίμηση του βάρους του, είναι απαραίτητο να ληφθούν υπόψη ώστε τα επιλεγμένα υλικά να αντέξουν όλες τις καταπονίσεις και τα φορτία που θα προκληθούν κατά την πτήση. Το υποσύστημα πραγματοποιεί μελέτες σε διάφορα υλικά κυρίως μέσω έρευνας και επιλέγει το καταλληλότερο.

Τα σύνθετα υλικά, όπως το Carbon Fiber ή το Fiberglass, είναι εξαιρετικές επιλογές στην αεροδιαστημική βιομηχανία λόγω των προηγμένων ιδιοτήτων τους, καθώς παρέχουν την απαιτούμενη αντοχή διατηρώντας το βάρος του αεροσκάφους στο ελάχιστο.

Δεδομένου ότι χρησιμοποιούμε κυρίως σύνθετα υλικά, είναι πολύ σημαντικό να εκτιμήσουμε με μεγάλη ακρίβεια τις ορθότροπες ή οιονεί-ισότροπες ιδιότητές τους. Ο στόχος ενός μηχανικού είναι να εκτιμήσει το ABD matrix ενός πολυστρωματικού σύνθετου υλικού και στην περίπτωσή μας, αυτό επιτυγχάνεται με την κλασική θεωρία πολύστρωτων πλακών.

Preliminary Design

Στο στάδιο του preliminary design, μία από τις αρμοδιότητες του υποσυστήματος των κατασκευαστών είναι ο πιο ακριβής υπολογισμός των μεταβλητών που επηρεάζουν το βάρος και το Κέντρο Βάρους του αεροσκάφους.

Αυτό επιτυγχάνεται μέσω της δημιουργίας ενός λεπτομερούς μοντέλου CAD μαζί με τον ακριβή υπολογισμό μάζας των σύνθετων τμημάτων του αεροσκάφους μέσω ενός εργαλείου βασισμένου σε κώδικα που έχουμε αναπτύξει. Κατά τη διάρκεια αυτής της διαδικασίας, το υποσύστημα διαμορφώνει επίσης όλες τις επιμέρους συναρμογές των στοιχείων του UAV.

Πιο συγκεκριμένα σε αυτή τη φάση σχεδιασμού, ένας μηχανικός καθορίζει τη διαμόρφωση της συναρμογής της κύριας πτέρυγας με την άτρακτο, τη συναρμογή της ουράς με την άτρακτο, ακολουθεί μια διαδικασία διαστασιολόγησης του συστήματος προσγείωσης, εξετάζει τις διαδρομές καλωδίωσης για τα avioinics συστήματα κ.λ.π.

Το πιο σημαντικό βήμα για το υποσύστημα στο στάδιο του preliminary design είναι η επικύρωση της δομικής ακεραιότητας και δυναμικής αντοχής του αεροσκάφους. Αυτό επιτυγχάνεται μέσω ανάλυσεων πεπερασμένων στοιχείων λόγω της γεωμετρικής πολυπλοκότητας και της πληθώρας δομικών στοιχείων.

Η ανάλυση πεπερασμένων στοιχείων είναι χρονοβόρα λόγω των εκτεταμένων εργασιών που πρέπει να εκτελεστούν στο στάδιο της προεπεξεργασίας. Για το λόγο αυτό, η δομική FEA εκτελείται μόνο στις συναρμογές πτέρυγας-ατράκτου και bulkhead κινητήρα.

Τα αποτελέσματα κάθε στατικής ανάλυσης διαβάζονται ως τάσεις σε κάθε στρώση των στρωματοποιημένων ιδιοτήτων που δίνουμε στις γεωμετρίες με τη μέθοδο αξιολόγησης των κριτηρίων αστοχίας και πιο συγκεκριμένα τον αποθεματικό συντελεστή Tsai-Wu.

Η δομική ανάλυση τέτοιων κατασκευών είναι ένα κρίσιμο βήμα του σχεδιασμού, καθώς μας κατευθύνει να κάνουμε αλλαγές στα εσωτερικά εξαρτήματα (ribs, spars bulkheads) προς ώφελος του βάρους του αεροσκάφους, και  καθορίζει τον προσανατολισμό του στρώματος ή της ενίσχυσης της κατασκευής ως σύνολο.

Το τελευταίο βήμα στο στάδιο του preliminary design είναι η διασταύρωση κάθε μελέτης για το αερόχημα από όλα τα υποσυστήματα και η κατασκευή του UAV. Το υποσύστημα είναι υπεύθυνο για τον καθορισμό των μεθόδων κατασκευής για κάθε τμήμα και συναρμογή του UAV. Τα στοιχεία του πρέπει να κατασκευάζονται με τον πλέον βέλτιστο τρόπο για να επιτευχθούν τα αποτελέσματα που εκτιμήθηκαν από τις αναλύσεις CFD και Structural FEA που διεξήχθησαν προηγουμένως.

Το υποσύστημα χρησιμοποιεί γνωστές μεθόδους κατασκευής όπως το vacuum resin infusion  και σε ορισμένα σενάρια, μπορεί να χρειαστεί να διαμορφώσουν μόνοι τους τρόπους κατασκευής.

Construction

Το υποσύστημα είναι επίσης υπεύθυνο για την κατασκευή του αεροσκάφους.

Παρόλο που όλα τα μέλη του Aeronautics project συμβάλλουν στην κατασκευή ενός UAV, τα μέλη του υποσυστήματος Structural αναθέτουν τα καθήκοντα και διασφαλίζουν ότι η κατασκευή στοιχείων και οι συναρμογές τους εκτελούνται σωστά και με τη σωστή σειρά που καθορίζεται από το πλάνο κατασκευής.

Επιπλέον, το πλανο κατασκευής περιέχει όλες τις πληροφορίες που απαιτούνται για την κατασκευή ενός UAV ενώ, αναφέρεται επίσης στον εξοπλισμό ασφαλείας και στον αριθμό των ατόμων που απαιτούνται σε κάθε στάδιο της διαδικασίας.

Detailed Design & Flights

Η τελική ευθύνη του υποσυστήματος λαμβάνει χώρα κατά τη διάρκεια των πτήσεων και αποτελεί μέρος του detailed design.

Κατα τη μελέτη της απόδοσης πτήσης και λαμβάνοντας υπόψη την ανατροφοδότητση του πιλότου για τη σταθερότητα και την αντοχ΄΄η του αεροσκάφους, το υποσύστημα Structural μαζί με το Aerodynamics Design βελτιστοποιούν τις διαστάσεις και τα δομικά στοιχεία του αεροσκάφους όπου χρειάζεται.