Remotely Piloted Aircraft Systems (RPAS) are currently undergoing a remarkable expansion within the field of aviation. Their particular characteristics with respect to traditional manned aircraft enable a very distinct set of applications, and at the same time, result in contrasting design features when compared to them. In view of their potential, the deployment of RPAS has accelerated and their number is increasing exponentially, with the missions being undertaken by them becoming ever more varied and complex. Furthermore, the rapid growth in the interest and presence of these aircraft within the aviation paradigm has led to an intense rulemaking activity, through which Aviation Regulatory Authorities are currently developing airworthiness regulations applicable to RPAS at an accelerated pace so as to ensure their safe integration in the airspace, which is expected to further allow to leverage their potential.
Within this context, it is fundamental to develop original design methodologies that can aid in the configuration synthesis and initial sizing of Remotely Piloted Aircraft (RPA), which is the air vehicle component of the system. Thus, the main objective of this thesis is to develop new conceptual design methodologies for the first stages of fixed-wing RPA design. These kind of methodologies are characterised by the use of rapid procedures that can be employed to explore an expansive design space, so as to select the most promising candidate configurations, which would then be passed over to the preliminary design stage, where higher fidelity approaches are employed, at the cost of greater computational effort.
Firstly, a thorough literature review of current RPA design procedures is conducted, with a particular focus on aircraft computerised design environments, which allows to detect the most relevant disciplines for the different design stages and to identify key gaps within the state-of-the-art. In view of this evaluation, a suite of interconnected conceptual design approaches is developed in this thesis, focusing on three main areas: statistical approaches, airworthiness-based design methodologies, and sizing according to multi-role integral performance requirements.
With respect to the first area, a database of RPAS is compiled, and key design trends are extracted, both using the traditional technique of regression analysis, as well as a novel approach based on the statistical methodology of factor analysis, which allows to extract underlying design trends and their connection with observable variables. The results from this line of work show that novel empirical expressions with adequate statistical significance for the conceptual stage can be extracted, which can be used for rapid sizing of new RPA.
Regarding the airworthiness-based design approaches, after conducting a thorough review of applicable regulations for RPA, a procedure is developed for the systematic extraction of certification requirements applicable for RPA, as well as their integration within initial sizing methodologies. It is then seen that airworthiness requirements constitute crucial restrictions in the design space. The results are greatly dependent on the RPA category, since this affects the regulations applicable to each case.
Finally, a design methodology based on the estimation of multi-role integral performances of RPA is developed. Its main objective is to perform the sizing of an aircraft which can simultaneously comply with the requirements of several missions, as defined in the initial requirements. This enables to leverage the multi-role potential of RPA, as it is increasingly common that the same air vehicle is deployed in very distinct applications.
The combined use of these three approaches leads to an overall conceptual design methodology which enables to tackle initial sizing activities of multi-role RPA attending to certification constraints and leveraging key potential features of these aircraft.
RESUMEN
Los sistemas de aeronaves pilotadas por control remoto (RPAS) están experimentando una notable expansión. Sus características particulares en comparación con las aeronaves tradicionales pilotadas a bordo permiten desarrollar aplicaciones muy diferentes, y a la par conducen a características de diseño distintivas. Recientemente se ha acelerado el despliegue de estas aeronaves, siendo sus misiones cada vez más variadas y complejas. Además, su rápido crecimiento está resultando en una intensa actividad de reglamentación, a través de la cual las Autoridades Reguladoras de Aviación están desarrollando normativa de aeronavegabilidad para RPAS, con el fin de asegurar su integración segura en el espacio aéreo, lo cual se espera que pueda permitirles explotar aún más su potencial.
En este contexto, resulta esencial el desarrollo de metodologías novedosas de diseño que puedan apoyar la síntesis de la configuración y el dimensionado inicial de las aeronaves pilotadas por control remoto (RPA), que es el componente de vehículo aéreo del sistema. Con ello, el principal objetivo de esta Tesis consiste en el desarrollo de metodologías originales de diseño conceptual de RPA de ala fija adecuadas para sus primeras fases de diseño. Este tipo de técnicas se caracterizan por el uso de procedimientos rápidos compatibles con la exploración de un extenso espacio de posibles diseños, para así seleccionar la configuración más prometedora. Esta posteriormente pasaría a la etapa de diseño preliminar, en la que se emplearían métodos de mayor precisión, si bien requiriendo mayores recursos computacionales.
En primer lugar, se lleva a cabo una revisión de la literatura, prestando especial atención a las herramientas computacionales de diseño de aeronaves. Esto permite identificar las disciplinas más relevantes para cada etapa de diseño, y además detectar nichos de investigación. A la vista de este análisis, en esta Tesis se acomete el desarrollo de un conjunto de metodologías de diseño conceptual interrelacionadas, centradas en tres áreas principales: enfoques estadísticos, metodologías de diseño basadas en aeronavegabilidad y dimensionado basado en requisitos de actuaciones integrales multi-rol.
En cuanto al primer ámbito, se elabora una base de datos de RPAS para extraer de ella tendencias de diseño, usando tanto la técnica tradicional de análisis de regresión, como un enfoque novedoso basado en el análisis factorial, que permite extraer tendencias latentes de diseño y revelar su conexión con variables observables. Se muestra que es posible extraer nuevas relaciones empíricas con una significación estadística adecuada, y que estas pueden ser usadas para el dimensionado rápido de nuevos RPA.
Respecto a las metodologías de diseño basadas en aeronavegabilidad, tras llevar a cabo una revisión detallada de normativa aplicable, se desarrolla un procedimiento tanto para la extracción sistemática de requisitos de certificación aplicables a estas aeronaves, como para su integración en metodologías de dimensionado inicial. Se observa que los requisitos de aeronavegabilidad suponen restricciones de diseño críticas en el espacio de diseño. Los resultados dependen en gran medida de la categoría del RPA, ya que de esta depende la normativa aplicable a cada caso.
Finalmente, se elabora una metodología de diseño basada en la estimación de actuaciones integrales multi-rol de RPA. Su objetivo principal es llevar a cabo el dimensionado de una aeronave que cumpla simultáneamente con los requisitos de distintas misiones definidas en sus requisitos iniciales. Esto permite explotar el potencial multi-rol de los RPA, al ser frecuente que el mismo vehículo se emplee en muy diversas aplicaciones.
El uso combinado de estas tres técnicas conduce a un método conjunto de diseño conceptual que permite abordar las actividades de dimensionado inicial de RPA multi-rol con especial atención a requisitos de certificación y permitiendo explotar capacidades clave de estas aeronaves.
Remotely Piloted Aircraft Systems (RPAS) are currently undergoing a remarkable expansion within the field of aviation. Their particular characteristics with respect to traditional manned aircraft enable a very distinct set of applications, and at the same time, result in contrasting design features when compared to them. In view of their potential, the deployment of RPAS has accelerated and their number is increasing exponentially, with the missions being undertaken by them becoming ever more varied and complex. Furthermore, the rapid growth in the interest and presence of these aircraft within the aviation paradigm has led to an intense rulemaking activity, through which Aviation Regulatory Authorities are currently developing airworthiness regulations applicable to RPAS at an accelerated pace so as to ensure their safe integration in the airspace, which is expected to further allow to leverage their potential.
Within this context, it is fundamental to develop original design methodologies that can aid in the configuration synthesis and initial sizing of Remotely Piloted Aircraft (RPA), which is the air vehicle component of the system. Thus, the main objective of this thesis is to develop new conceptual design methodologies for the first stages of fixed-wing RPA design. These kind of methodologies are characterised by the use of rapid procedures that can be employed to explore an expansive design space, so as to select the most promising candidate configurations, which would then be passed over to the preliminary design stage, where higher fidelity approaches are employed, at the cost of greater computational effort.
Firstly, a thorough literature review of current RPA design procedures is conducted, with a particular focus on aircraft computerised design environments, which allows to detect the most relevant disciplines for the different design stages and to identify key gaps within the state-of-the-art. In view of this evaluation, a suite of interconnected conceptual design approaches is developed in this thesis, focusing on three main areas: statistical approaches, airworthiness-based design methodologies, and sizing according to multi-role integral performance requirements.
With respect to the first area, a database of RPAS is compiled, and key design trends are extracted, both using the traditional technique of regression analysis, as well as a novel approach based on the statistical methodology of factor analysis, which allows to extract underlying design trends and their connection with observable variables. The results from this line of work show that novel empirical expressions with adequate statistical significance for the conceptual stage can be extracted, which can be used for rapid sizing of new RPA.
Regarding the airworthiness-based design approaches, after conducting a thorough review of applicable regulations for RPA, a procedure is developed for the systematic extraction of certification requirements applicable for RPA, as well as their integration within initial sizing methodologies. It is then seen that airworthiness requirements constitute crucial restrictions in the design space. The results are greatly dependent on the RPA category, since this affects the regulations applicable to each case.
Finally, a design methodology based on the estimation of multi-role integral performances of RPA is developed. Its main objective is to perform the sizing of an aircraft which can simultaneously comply with the requirements of several missions, as defined in the initial requirements. This enables to leverage the multi-role potential of RPA, as it is increasingly common that the same air vehicle is deployed in very distinct applications.
The combined use of these three approaches leads to an overall conceptual design methodology which enables to tackle initial sizing activities of multi-role RPA attending to certification constraints and leveraging key potential features of these aircraft.
RESUMEN
Los sistemas de aeronaves pilotadas por control remoto (RPAS) están experimentando una notable expansión. Sus características particulares en comparación con las aeronaves tradicionales pilotadas a bordo permiten desarrollar aplicaciones muy diferentes, y a la par conducen a características de diseño distintivas. Recientemente se ha acelerado el despliegue de estas aeronaves, siendo sus misiones cada vez más variadas y complejas. Además, su rápido crecimiento está resultando en una intensa actividad de reglamentación, a través de la cual las Autoridades Reguladoras de Aviación están desarrollando normativa de aeronavegabilidad para RPAS, con el fin de asegurar su integración segura en el espacio aéreo, lo cual se espera que pueda permitirles explotar aún más su potencial.
En este contexto, resulta esencial el desarrollo de metodologías novedosas de diseño que puedan apoyar la síntesis de la configuración y el dimensionado inicial de las aeronaves pilotadas por control remoto (RPA), que es el componente de vehículo aéreo del sistema. Con ello, el principal objetivo de esta Tesis consiste en el desarrollo de metodologías originales de diseño conceptual de RPA de ala fija adecuadas para sus primeras fases de diseño. Este tipo de técnicas se caracterizan por el uso de procedimientos rápidos compatibles con la exploración de un extenso espacio de posibles diseños, para así seleccionar la configuración más prometedora. Esta posteriormente pasaría a la etapa de diseño preliminar, en la que se emplearían métodos de mayor precisión, si bien requiriendo mayores recursos computacionales.
En primer lugar, se lleva a cabo una revisión de la literatura, prestando especial atención a las herramientas computacionales de diseño de aeronaves. Esto permite identificar las disciplinas más relevantes para cada etapa de diseño, y además detectar nichos de investigación. A la vista de este análisis, en esta Tesis se acomete el desarrollo de un conjunto de metodologías de diseño conceptual interrelacionadas, centradas en tres áreas principales: enfoques estadísticos, metodologías de diseño basadas en aeronavegabilidad y dimensionado basado en requisitos de actuaciones integrales multi-rol.
En cuanto al primer ámbito, se elabora una base de datos de RPAS para extraer de ella tendencias de diseño, usando tanto la técnica tradicional de análisis de regresión, como un enfoque novedoso basado en el análisis factorial, que permite extraer tendencias latentes de diseño y revelar su conexión con variables observables. Se muestra que es posible extraer nuevas relaciones empíricas con una significación estadística adecuada, y que estas pueden ser usadas para el dimensionado rápido de nuevos RPA.
Respecto a las metodologías de diseño basadas en aeronavegabilidad, tras llevar a cabo una revisión detallada de normativa aplicable, se desarrolla un procedimiento tanto para la extracción sistemática de requisitos de certificación aplicables a estas aeronaves, como para su integración en metodologías de dimensionado inicial. Se observa que los requisitos de aeronavegabilidad suponen restricciones de diseño críticas en el espacio de diseño. Los resultados dependen en gran medida de la categoría del RPA, ya que de esta depende la normativa aplicable a cada caso.
Finalmente, se elabora una metodología de diseño basada en la estimación de actuaciones integrales multi-rol de RPA. Su objetivo principal es llevar a cabo el dimensionado de una aeronave que cumpla simultáneamente con los requisitos de distintas misiones definidas en sus requisitos iniciales. Esto permite explotar el potencial multi-rol de los RPA, al ser frecuente que el mismo vehículo se emplee en muy diversas aplicaciones.
El uso combinado de estas tres técnicas conduce a un método conjunto de diseño conceptual que permite abordar las actividades de dimensionado inicial de RPA multi-rol con especial atención a requisitos de certificación y permitiendo explotar capacidades clave de estas aeronaves. Read More
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