Estudio de la Dinámica de un Concepto de Aeronave X-HALE-UAV: Un Enfoque Multicuerpo

Abstract

El estudio y diseño de vehículos aéreos no tripulados (UAVs), extremadamente flexibles (X), que pueden volar a gran altitud y con gran autonomía (HALE), son destructores de antiguos paradigmas, ya que han sido concebidos como plataformas espaciales, flexibles y móviles, resultando una alternativa viable a los actuales satélites de comunicaciones. En este trabajo se presenta una plataforma numérica que permite estudiar el comportamiento dinámico del concepto simplificado de un X-HALE-UAV. La aeronave se modela como una colección de cuerpos rígidos, conectados entre sí por articulaciones flexibles. Las ecuaciones que gobiernan la dinámica del UAV se derivan mediante un enfoque energético basado en las ecuaciones de Lagrange para sistemas con restricciones. Las ecuaciones de movimiento obtenidas mediante este enfoque son del tipo diferenciales-algebraicas (DAEs) de índice 3. Estas ecuaciones de restricción son incluidas en la formulación de las ecuaciones de movimiento por medio de multiplicadores de Lagrange. La integración de todas las ecuaciones gobernantes, resultantes, se realiza en forma numérica, simultánea e interactiva en el dominio del tiempo mediante diferentes esquemas de integración, tales como el algoritmo predictor-corrector de 4to orden de Hamming y el algoritmo de Newmark, entre otros. Con el objetivo de evaluar la eficiencia y robustez de la herramienta de simulación desarrollada, se comparan resultados con problemas bien documentados, en la literatura. Finalmente, se presenta el desarrollo de simulaciones numéricas, para estudiar el comportamiento dinámico de un concepto simplificado de X-HALE-UAV, considerando el efecto de ráfagas ascendentes y/o laterales sobre la aeronave. Adicionalmente, se estudia la influencia de una forma sencilla de daño estructural en el ala, el cual se modela como un cambio brusco de la rigidez asociada a una de las conexiones flexibles entre tramos de alas sobre la dinámica del sistema.