Optimización estructural y material de un vehículo aéreo autónomo integrado con sensores utilizando KMU-3 CFRP

Área de la Ciencia:

• Ciencias de los materiales e ingeniería
• Ingeniería Aeroespacial
• Materiales compuestos

Sus antecedentes:

• Los sistemas aeroespaciales requieren materiales robustos para condiciones ambientales extremas, en particular para los pseudo satélites de gran altitud (HAPS).
• Las operaciones sostenidas a altitudes de hasta 30 km requieren materiales avanzados capaces de soportar condiciones estratosféricas.

Objetivo del estudio:

• Seleccionar y aplicar materiales compuestos para sistemas aeroespaciales que operan en entornos extremos, centrándose en HAPS.
• Desarrollar un vehículo aéreo autónomo ligero y estructuralmente sólido (AAV) para misiones de larga duración a gran altitud.

Principales métodos:

• Se utilizó material compuesto KMU-3 (fibras de carbono de alto módulo en la matriz epoxi 5-211B) para el desarrollo de la estructura de la armadura.
• Propiedades mecánicas, térmicas y aerodinámicas evaluadas mediante simulaciones del método de elementos finitos (FEM) y análisis de dinámica de fluidos computacional (CFD).
• Desarrolló y probó una nueva técnica de unión térmica para juntas compuestas y validó diseños a través de prototipos experimentales.

Principales resultados:

• Las estructuras de armadura ultrafinas (0,1 mm de espesor de pared) KMU-3 demostraron integridad estructural bajo cargas dinámicas, logrando un diseño ligero (45 kg).
• La nueva técnica de unión térmica produjo juntas con una resistencia a la cizalladura de 40 MPa y una vida útil de fatiga de > 10^6 ciclos.
• La orientación optimizada de la fibra y la matriz epoxi proporcionaron una excelente resistencia a las tensiones mecánicas y la radiación, con propiedades estables de -60 °C a +80 °C.

Conclusiones:

• Las estructuras de armadura ultrafinas de peso ligero (45 kg) validadas que utilizan material compuesto KMU-3 son adecuadas para HAPS de próxima generación.
• Los materiales desarrollados y las técnicas de adherencia permiten prolongar la duración de las misiones en condiciones estratosféricas adversas.
• Esta investigación proporciona un marco sólido para el diseño de vehículos aéreos autónomos avanzados para operaciones a altitudes extremas.