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Scientific Reports volume 13, Artigo número: 11994 (2023) Citar este artigo

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A Otimização de Design Multidisciplinar (MDO) permite alcançar uma solução melhor do que otimizar cada disciplina independentemente. Em particular, a estrutura ideal de um drone varia dependendo do material selecionado. A pegada \(CO_2\) de um drone High Altitude Long Endurance (HALE) movido a energia solar é otimizada aqui, onde os materiais estruturais utilizados são uma das variáveis ​​do projeto. A otimização é realizada usando uma versão modificada do OpenAeroStruct, um framework baseado em OpenMDAO. Nossa estrutura EcoHale é validada em um caso de teste HALE clássico na comunidade MDO (FBhale) construído usando códigos de alta fidelidade em comparação com nossa abordagem de baixa fidelidade. A originalidade do nosso trabalho é incluir duas disciplinas específicas (energia e meio ambiente) para adaptação a um novo problema de minimização de \(CO_2\). A escolha dos eco-materiais é realizada no circuito MDO global a partir de uma escolha de materiais discretos. Isto é conseguido através de uma relaxação variável, permitindo o uso de algoritmos de otimização contínua inspirados na otimização de topologia multimaterial. Nossos resultados mostram que, em nosso caso específico de drone elétrico, o material ideal em termos de pegada \(CO_2\) é também o material ideal em termos de peso. Isso abre as portas para novas pesquisas em materiais microarquiteturados digitais que diminuirão a pegada de \(CO_2\) do drone.

Drones de alta altitude e longa resistência (HALE) movidos a energia solar podem ser uma alternativa aos satélites para algumas missões. Suas células e baterias de energia solar permitem-lhes voar por alguns anos, o que somado à altitude elevada (acima de 20 km) os torna aptos para missões semelhantes às dos satélites1. Os drones HALE podem oferecer cobertura permanente de um ponto ou ser reposicionados e são reparáveis, ao contrário dos satélites, que estão em órbita. A sua altitude mais baixa pode oferecer melhor resolução para observação da Terra, mas também resulta numa cobertura menor. Sua maior vantagem é o custo menor em comparação aos satélites. Os drones HALE também poderiam ser mais ecológicos, pois não requerem um lançador que consome muita energia. Esta vantagem pode ser reforçada se for dada especial atenção ao seu impacto ambiental. Para um drone HALE totalmente elétrico, a maior parte desse impacto vem dos materiais utilizados e da fabricação do drone. A Análise e Otimização de Projeto Multidisciplinar (MDAO), muitas vezes compactada em MDO, permite alcançar uma solução melhor do que otimizar cada disciplina de forma independente, desenvolvendo uma arquitetura eficiente2. A estrutura numérica mais avançada é desenvolvida pela NASA3. O MDO foi aplicado com sucesso ao ecodesign de aviões comerciais4. No entanto, os requisitos da missão dos drones HALE são muito diferentes dos aviões comerciais. Além das características citadas, a velocidade de voo não é um requisito, pois voam em trajetórias fechadas. Além disso, é necessária uma grande área de superfície de asa para reunir energia solar suficiente. Esses requisitos levam a designs muito diferentes, com proporções elevadas. O design dos drones HALE já foi extensivamente estudado. A otimização da configuração global foi feita para um drone ultraleve movido a energia solar de 3,2 m de envergadura, usando metodologia analítica para o projeto conceitual de tal aeronave5. Outro artigo relacionado focou no desenvolvimento de uma ferramenta multidisciplinar para análise, projeto e otimização de UAVs HALE que atuam como “satélites atmosféricos” com um conceito de proporção extrema (500 pés de envergadura de asa) usando abordagens padrão, que vão desde projeto conceitual e missão análise, até métodos preliminares de projeto de aeronaves6. Em Montagnier et al.7 a massa da asa flexível foi minimizada utilizando materiais compósitos. O diagrama velocidade de cruzeiro versus coeficiente de sustentação revelou uma solução ideal com uma carga útil de aproximadamente 4% da massa total de 817 kg para uma envergadura de 69 m. Do ponto de vista experimental: têm sido fabricados protótipos em escala, para ensaios mecânicos8,9 ou estudos aeroelásticos10,11. Mais recentemente, foi desenvolvida uma estrutura de veículos de design multifidelidade12. Botero et al.13 aplicaram esta estrutura a um projeto de UAV Solar, destacando o fato de que a energia necessária para o veículo maior é aproximadamente o dobro da do menor (mesma envergadura de 10 m, mas carga útil diferente). Os veículos não estão otimizados para um objetivo. O otimizador é usado para encontrar um veículo viável usando principalmente as restrições relacionadas à energia. Foram realizadas otimizações buscando maior fidelidade14 e construído um framework de design15. No entanto, todos estes estudos focaram-se apenas na otimização de massa e não consideraram a pegada ambiental dos drones. O objetivo deste trabalho é preencher essa lacuna em uma otimização global, de baixa fidelidade, mas rápida, do impacto ambiental, usando ferramentas de código aberto, a fim de produzir pesquisas reproduzíveis.