eSAFE-UAV
Electromagnetic Environmental Effects (E3) on Smart Fuselage and Novel Assembly Technologies in Unmanned Aerial Vehicles (UAV)
SUMMARY: Breakthrough technologies are being incorporated into the fuselages of Unmanned Aerial Vehicles (UAVs), and aircraft in general, for making them smart. Modern fuselages have many more features beyond the specified mechanical and structural ones. A variety of sensors are being embedded into composite fuselages for measuring strain, vibrations, and temperature. Those sensors monitor the health of the fuselage, predicting when maintenance is required. Likewise, the inclusion of Frequency Selective Surfaces (FSS) into the fuselage allows designing its intended electromagnetic (EM) response. Therefore, the fuselage can act as a shield, a filter or as an RF absorber at different bands. Moreover, composite materials are increasingly being used in the aircraft industry due to their mechanical properties and advantages in terms of the manufacturing process. Novel processes focused on accelerating the assembly time while reducing the cost have changed the design of aircraft parts and junctions. Such innovations affect the EM performance of aircraft. Understanding the Electromagnetic Compatibility (EMC) behaviour of smart fuselage technologies are central for mitigating the risks of Electromagnetic Environmental Effects, therefore, allowing safer, highly reliable and robust state-of-the-art composite UAV designs. In this regard, we must characterize the EMC behaviour in elements that can, realistically, be part of the UAV smart fuselage and that are critical for a complete EMC assessment. This includes apertures and multifunctional mechanical joints intended for streamlined assembly, as part of the composite aircraft manufacturing process.
El proyecto de investigación eSAFE-UAV (Efectos Ambientales Electromagnéticos (E3) en Fuselajes Inteligentes y Nuevas Tecnologías de Ensamblado para Vehículos Aéreos no Tripulados) es el tercero de una serie de proyectos donde se estudia la Compatibilidad Electromagnética (EMC, Electromagnetic Compatibility) de este tipo de vehículos.
La EMC desarrolla las técnicas de diseño, modelización, medida y ensayo de los sistemas electrónicos con el objeto de conocer su comportamiento frente a las interferencias electromagnéticas. Los Vehículos Aéreos no Tripulados (UAV, Unmanned Aerial Vehicles) son ampliamente utilizados en la actualidad con multitud de aplicaciones en los diferentes sectores de la actividad económica. Es precisamente esta ubicuidad de los UAV la que multiplica la posibilidad de recibir interferencias electromagnéticas de diversa índole, ya sean de origen natural, como las descargas atmosféricas (rayos) o creadas por el hombre de forma intencionada o no. Por estos motivos es de vital importancia asegurar la EMC de los UAV para conseguir que las misiones o servicios realizados por estos vehículos sean seguros en todas las condiciones de uso.
Asegurar la EMC requiere diversas técnicas de ingeniería, desde el diseño electrónico propiamente dicho a la selección de los materiales que constituyen la aeronave. Pero también técnicas de modelado y simulación numérica, medidas y ensayos con campos electromagnéticos o la caracterización de materiales, entre otras. El avance del conocimiento en todos estos campos y el desarrollo de herramientas novedosas aplicables a procedimientos de simulación y medida requiere de una colaboración multidisciplinar, que en este caso se consigue mediante un proyecto de investigación coordinado ejecutado por la Universitat Politècnica de Catalunya (UPC), el Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial (INTA) y la Universidad de Granada (UGR).
En el proyecto eSAFE-UAV, la UPC investiga técnicas de medida de los campos electromagnéticos en el interior de los UAV cuando estos se ven afectados por interferencias. Para conseguir este objetivo se desarrollan sondas de medida mediante impresión 3D, así como nuevos métodos de medida en el dominio del tiempo que permiten entender mejor el comportamiento de las interferencias electromagnéticas en el interior del fuselaje de la aeronave. El INTA desarrolla un demostrador de UAV que permite evaluar las propiedades EMC del vehículo mediante ensayos. El demostrador se realiza en material composite, por lo que se investigan y desarrollan técnicas de caracterización de los materiales más adecuados, así como del ensamblaje de los mismos. La UGR investiga cómo utilizar técnicas de simulación numérica de campos electromagnéticos aplicadas a los UAV y las interferencias. Para conseguir este objetivo se desarrollan técnicas específicas de modelado, simulación y medida adaptadas a los materiales usados en los UAV, su estructura y la forma de unirlos.
Los resultados que se esperan obtener el subproyecto desarrollado por UPC son los siguientes:
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Medida y análisis de las corrientes que fluyen a lo largo del fuselaje con especial atención a las uniones de materiales composites.
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Evaluación de la efectividad del apantallamiento electromagnético de los fuselajes en UAV construidos con materiales compuestos mediante la medida de los campos eléctrico y magnético. Para ello se desarrollan sondas de medida especificas flexibles y mediante impresión 3D
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Evaluación del comportamiento EMC del demostrador del fuselaje del UAV desarrollado por INTA con medidas y simulaciones numéricas realizadas por UGR.
Sondas flexibles mediante impresión 3D para la medida simultánea de campo eléctrico y magnético dentro del UAV.
Como resultado de este proyecto, la industria aeronáutica podrá producir vehículos que garanticen la funcionalidad adecuada de todos los sistemas electrónicos de los UAV cuando estén bajo la influencia de perturbaciones electromagnéticas. Además, los resultados interdisciplinares obtenidos pueden aplicarse a otras industrias como son automoción, aeroespacial o ferroviaria. En estos sectores se está avanzando rápidamente en el diseño y fabricación de nuevos vehículos de propulsión eléctrica que utilizan materiales compuestos en su estructura. Las metodologías de medición y simulación desarrolladas en este proyecto de investigación aumentarán la confianza de un vehículo sin interferencias, al tiempo que reducen los costos y la confiabilidad de los nuevos sistemas de comunicación y sensores embarcados en los mismos.
Los resultados esperados del subproyecto realizado por el INTA son los siguientes:
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Desarrollo de nuevos métodos y técnicas de medida de caracterización electromagnética de materiales, estructuras, uniones y aperturas presentes en las plataformas aeroespaciales de última generación.
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Diseño, fabricación y caracterización de muestras representativas de los citados materiales y estructuras, y su integración en el demostrador DEMO-E3 para ensayos de EMC.
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Simulación, medida y evaluación del efecto de los materiales y estructuras en los ensayos sobre el DEMO-E3.
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Mejora de los procedimientos de ensayo de EMC en equipos y plataformas aeroespaciales mediante las herramientas y conocimientos desarrollados.
(a) (b) (c)
(a) Banco POLYBENCH para caracterización electromagnética. (b) Diseño y fabricación de demostrador DEMO-E3. (c) DEMO-E3 en configuración de ensayo LIE (lightning Indirect Effects).
Como resultado de este proyecto, la industria aeronáutica podrá producir vehículos que garanticen la funcionalidad adecuada de todos los sistemas electrónicos de los UAV cuando estén bajo la influencia de perturbaciones electromagnéticas. Además, los resultados interdisciplinares obtenidos pueden aplicarse a otras industrias como son automoción, aeroespacial o ferroviaria. En estos sectores se está avanzando rápidamente en el diseño y fabricación de nuevos vehículos de propulsión eléctrica que utilizan materiales compuestos en su estructura. Las metodologías de medida y simulación desarrolladas en este proyecto de investigación aumentarán la robustez a las interferencias de los vehículos desarrollados, al tiempo que reducirán los costes y la fiabilidad de los nuevos sistemas de comunicación y sensores embarcados en los mismos.
Los resultados esperados del subproyecto realizado por la UGR son los siguientes:
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Desarrollo de modelos numéricos macroscópicos que tienen en cuenta la complejidad microscópica de nuevos materiales aeronáuticos, incluyendo materiales metálicos, fibra de carbono, superficies selectivas en frecuencia…
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Desarrollo y validación de algoritmos de simulación precisos para analizar con precisión UAV modernos con detalles geométricos en escalas físicas dispares: sensores, ranuras, uniones, y otros elementos de ensamblaje.
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Implementación de nuevos métodos numéricos para predecir el impacto en la seguridad del UAV de la incertidumbre en los elementos de ensamblaje y en los parámetros de los materiales, así como su degradación con el tiempo.
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Simulación del comportamiento EMC del demostrador del fuselaje del UAV desarrollado por INTA, y validación con medidas de UPC.
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Transferencia y explotación a la industria aeronáutica nacional de simuladores computacionales en EMC para su aplicación a aeronaves modernas (ver figura)
Simulaciones efectuadas por AIRBUS mediante SEMBA-UGRFDTD
Como resultado de este proyecto, la industria aeronáutica podrá producir vehículos que garanticen la funcionalidad adecuada de todos los sistemas electrónicos de los UAV cuando estén bajo la influencia de perturbaciones electromagnéticas. Además, los resultados interdisciplinares obtenidos pueden aplicarse a otras industrias como son automoción, aeroespacial o ferroviaria. En estos sectores se está avanzando rápidamente en el diseño y fabricación de nuevos vehículos de propulsión eléctrica que utilizan materiales compuestos en su estructura. Las metodologías de medición y simulación desarrolladas en este proyecto de investigación aumentarán la confianza de un vehículo sin interferencias, al tiempo que reducen los costos y la confiabilidad de los nuevos sistemas de comunicación y sensores embarcados en los mismos.
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