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Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 11994 (2023) Citare questo articolo

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L'ottimizzazione della progettazione multidisciplinare (MDO) consente di raggiungere una soluzione migliore rispetto all'ottimizzazione di ciascuna disciplina in modo indipendente. In particolare la struttura ottimale di un drone varia a seconda del materiale selezionato. L'impronta di \(CO_2\) di un drone High Altitude Long Endurance (HALE) a energia solare è ottimizzata qui, dove i materiali strutturali utilizzati sono una delle variabili di progettazione. L'ottimizzazione viene eseguita utilizzando una versione modificata di OpenAeroStruct, un framework basato su OpenMDAO. Il nostro framework EcoHale è convalidato su un classico test HALE nella comunità MDO (FBhale) costruito utilizzando codici ad alta fedeltà rispetto al nostro approccio a bassa fedeltà. L'originalità del nostro lavoro è quella di includere due discipline specifiche (energia e ambiente) per adattarsi ad un nuovo problema di minimizzazione della \(CO_2\). La scelta degli eco-materiali viene effettuata nel ciclo globale MDO da una scelta di materiali discreti. Ciò si ottiene attraverso un rilassamento variabile, consentendo l'uso di algoritmi di ottimizzazione continua ispirati all'ottimizzazione della topologia multimateriale. I nostri risultati mostrano che, nel nostro caso specifico di drone elettrico, il materiale ottimale in termini di impronta di \(CO_2\) è anche il materiale ottimale in termini di peso. Apre la porta a nuove ricerche sui materiali microarchitetturati digitali che ridurranno l’impronta di \(CO_2\) del drone.

I droni High Altitude Long Endurance (HALE) alimentati dall’energia solare potrebbero rappresentare un’alternativa ai satelliti per alcune missioni. Le celle a energia solare e le batterie consentono loro di volare per alcuni anni, il che, aggiunto alla loro elevata altitudine (superiore a 20 km), li rende adatti a missioni simili a quelle dei satelliti1. I droni HALE possono offrire una copertura permanente di un punto o essere riposizionati e sono riparabili, a differenza dei satelliti che sono in orbita. La loro altitudine inferiore può offrire una migliore risoluzione per l’osservazione della Terra, ma comporta anche una copertura più ridotta. Il loro più grande vantaggio è il costo inferiore rispetto ai satelliti. I droni HALE potrebbero anche essere più rispettosi dell’ambiente poiché non richiedono un lanciatore ad alto consumo energetico. Questo vantaggio può essere accresciuto se si presta particolare attenzione al loro impatto ambientale. Per un drone HALE completamente elettrico, la maggior parte di questo impatto deriva dai materiali utilizzati e dalla produzione del drone. L'analisi e l'ottimizzazione della progettazione multidisciplinare (MDAO), spesso compressa in MDO, consente di raggiungere una soluzione migliore rispetto all'ottimizzazione di ciascuna disciplina in modo indipendente sviluppando un'architettura efficiente2. Il quadro numerico più avanzato è sviluppato dalla NASA3. L'MDO è stato applicato con successo alla progettazione ecocompatibile degli aerei commerciali4. Tuttavia, i requisiti di missione dei droni HALE sono molto diversi da quelli degli aerei commerciali. Oltre alle caratteristiche sopra menzionate, la velocità di volo non è un requisito poiché volano in traiettorie chiuse. Inoltre, per raccogliere sufficiente energia solare è necessaria un'ampia superficie alare. Questi requisiti portano a progetti molto diversi, con proporzioni elevate. La progettazione dei droni HALE è già stata ampiamente studiata. È stata effettuata l'ottimizzazione della configurazione globale di un drone ultraleggero a energia solare con una campata di 3,2 m utilizzando una metodologia analitica per la progettazione concettuale di tale velivolo5. Un altro documento correlato si è concentrato sullo sviluppo di uno strumento multidisciplinare per l'analisi, la progettazione e l'ottimizzazione degli UAV HALE che agiscono come "satelliti atmosferici" con un concetto di proporzioni estreme (apertura alare di 500 piedi) utilizzando approcci standard, che vanno dalla progettazione concettuale e missione analisi, ai metodi preliminari di progettazione degli aeromobili6. In Montagnier et al.7 la massa dell'ala flessibile è stata minimizzata utilizzando materiali compositi. Il diagramma della velocità di crociera rispetto al coefficiente di portanza ha rivelato una soluzione ottimale con un carico utile di circa il 4% della massa totale di 817 kg per un'apertura alare di 69 m. Dal punto di vista sperimentale: sono stati realizzati prototipi in scala, per prove meccaniche8,9 o studi aeroelastici10,11. Più recentemente, è stata sviluppata una struttura per veicoli con progettazione multi-fedeltà12. Botero et al.13 hanno applicato questo quadro al progetto di un UAV solare, evidenziando il fatto che l'energia richiesta per il veicolo più grande è circa il doppio di quella di quello più piccolo (stessa apertura alare di 10 m ma carico utile diverso). I veicoli non sono ottimizzati per un obiettivo. L'ottimizzatore viene utilizzato per trovare un veicolo fattibile utilizzando i vincoli principalmente legati all'energia. Sono state effettuate ottimizzazioni per ottenere una maggiore fedeltà14 ed è stato creato un quadro di progettazione15. Tuttavia, tutti questi studi si sono concentrati esclusivamente sull’ottimizzazione della massa e non hanno considerato l’impatto ambientale dei droni. Lo scopo di questo lavoro è colmare questa lacuna in un’ottimizzazione dell’impatto ambientale globale, a bassa fedeltà ma veloce, utilizzando strumenti open source al fine di produrre ricerca riproducibile.