Diseño de aeronave eléctrica tipo VTOL para transporte urbano de personas

79 páginasEl tráfico en gran cantidad de zonas urbanas alrededor del mundo es uno de los mayores problemas para sus habitantes, y la implementación de vehículos de transporte que utilicen la tercera dimensión espacial es inminente. En este trabajo se generó el concepto de una aeronave para el transporte urbano de personas, que además incorpora un sistema de propulsión eléctrico. Esto último con el fin de no contribuir a la abultada contaminación de las zonas urbanas que es generada en gran parte por el sector de transporte. Dicho sistema de propulsión se diseñó de manera detallada mediante la teoría del “blade element”, y las alas se dimensionaron mediante la teoría del “lifting line”, a diferencia del resto de elementos de la aeronave que se diseñaron de manera conceptual y mediante simulaciones de CFD se verificó la competencia de estos.PregradoIngeniero(a) Mecánico(a

Estudio de infraestructuras para aeronaves eVTOL. Aplicación al caso de taxi aéreo en Madrid

En el mundo actual, fruto del crecimiento de las ciudades y la necesidad de movimiento en las mismas, problemas asociados a la congestión en las vías de acceso terrestres y la contaminación atmosférica están alcanzando valores muy preocupantes. La Movilidad Aérea Urbana, un nuevo concepto de transporte que permite emplear la tercera dimensión para el transporte urbano mediante aeronaves completamente eléctricas, se convierte en una idea revolucionaria y de futuro para liderar este cambio. En particular, las aeronaves eléctricas de despegue y aterrizaje vertical (eVTOL) aúnan todas las características para operar en zonas urbanas de manera flexible, sostenible y cada vez más inteligente. Sin embargo, pese a que los avances tecnológicos en estas aeronaves son cada vez mayores, a menudo se tiende a olvidar uno de los mayores obstáculos para que esta idea pueda llevarse a cabo: la infraestructura terrestre que dé soporte a la operación de estos vehículos. De esta manera, el presente Trabajo de Fin de Grado se centra en el análisis y estudio de la infraestructura necesaria para dar soporte a las operaciones con aeronaves eVTOL. El trabajo está estructurado en una primera parte fundamentalmente teórica, donde se analizarán los retos que presenta este nuevo concepto de movilidad y el enfoque que se debe dar a la infraestructura terrestre necesaria, conocida como vertipuertos. Para ello, será necesario el estudio de las características de estas aeronaves, la tendencia de los fabricantes y las limitaciones que imponen en el corto plazo para el desarrollo de la Movilidad Aérea Urbana. A su vez, se contextualizará la ubicación de los vertipuertos en el mapa urbano, distinguiendo entre los distintos elementos que deben contener y realizando un análisis regulatorio de lo que será la normativa actualmente en desarrollo y la extrapolación y adaptación de la legislación actual a este nuevo tipo de aeronaves. Posteriormente, en una segunda fase del trabajo, se expondrán las aplicaciones más destacadas que este medio de transporte ofrece, estudiando con detalle aquellas que mejor adaptación tendrían en entornos urbanos. Para estas aplicaciones, se analizarán los requisitos que la infraestructura terrestre debería cumplir y el proceso de desarrollo esperado en cada una de ellas. Por último, y dentro de un ámbito académico, se pondrán en práctica los conocimientos adquiridos tras este proceso investigativo a través del diseño preliminar de una estación de aerotaxis en la ciudad de Madrid, para lo que será necesario establecer un planteamiento inicial acerca del desarrollo de este servicio en la ciudad durante una primera fase de crecimiento de la Movilidad Aérea Urbana, las ventajas que ofrece a la población y cuáles serían los mayores retos desde un punto de vista constructivo.In the world of today, the growth of cities and the need to move through them develop problems associated with congestion on land access roads and air pollution. Urban Air Mobility, a new transport concept that allows the use of the third dimension for urban transportation by means of fully electric aircrafts, becomes a revolutionary and forward-looking idea to lead this change. In particular, electric vertical take-off and landing (eVTOL) aircrafts combine all the characteristics to operate in urban areas in a flexible, sustainable and increasingly intelligent way. However, despite the increasing technological advances in these aircraft, we often forget one of the biggest barriers: the ground infrastructure to support the operation of these vehicles. Thus, this project is focused on the analysis and study of the necessary infrastructure to support operations with eVTOL aircraft. The thesis is structured in a mainly theoretical first part where the challenges presented by this new concept of mobility and our approach on ground infrastructure, known as vertiports, will be analysed. For this, it will be necessary to study the characteristics of these aircraft, the trend of manufacturers and the limitations which they impose in the short term for the development of Urban Air Mobility. At the same time, the location of vertiports in the urban environment and their infrastructure requirements will be studied based on the current regulations. Subsequently, in a second phase of the work, the most outstanding applications that this means of transport offers will be presented, studying in detail those that would be best adapted to urban environments. For these applications, the requirements that the ground infrastructure should meet and the expected development process for each of them will be analysed. Finally, from an academic point of view, the knowledge acquired after this research process will be put into practice through the preliminary design of an air taxi station in the city of Madrid, which includes an initial approach on its development during a first phase of growth of Urban Air Mobility, the advantages and a constructive analysis of the biggest challenges.Universidad de Sevilla. Grado en Ingeniería Aeroespacia

Conceptualización y diseño de un vehículo aéreo personal

El presente proyecto consiste en realizar un prediseño de un vehículo aéreo personal. La propuesta planteada, proporciona una alternativa de transporte sostenible que combina las ventajas en cuanto a versatilidad y rapidez que supone el transporte aéreo de personas, con la facilidad de pilotaje, estabilidad y control de las nuevas tecnologías, que engloban los vehículos no tripulados o drones. Para definir el diseño del vehículo se han establecido una serie de requerimientos y se han estudiado las diferentes tecnologías de vuelo existentes. Desde un punto de vista más analítico, se ha analizado el comportamiento fluidodinámico de los elementos de propulsión aérea disponibles en el mercado que pudieran ser aplicables al vehículo que se presenta. Se ha modelado el prototipo con la herramienta SolidWorks®, teniendo en cuenta los resultados de los análisis previos y realizando un posterior análisis estructural de los elementos más susceptibles de soportar los mayores esfuerzos. Finalmente, se ha realizado un análisis de los costes de fabricación del vehículo y un análisis del impacto ambiental a lo largo de su ciclo de vida para evaluar la viabilidad de fabricación del producto y su contribución a un futuro sostenible

Nuevos programas, antiguos métodos, nuevos proyectos : Proyectando aero puertos verticales urbanos

Desde los inicios de la actividad aérea, la arquitectura estuvo a su lado para aportar los espacios infraestructurales necesarios para dicha actividad. Hasta finales del siglo XX y comienzos del XXI el aporte proyectual desde la arquitectura estuvo abocado al desarrollo de espacios para la parte pública del sistema aeronáutico, principalmente centrado en el diseño y en la construcción de terminales aeroportuarias de pasajeros y de carga. Este camino vio evolucionar tanto a la industria aeronáutica como a los conceptos arquitectónicos desplegados, arribando a la actualidad con variados métodos de desarrollo proyectual, en una actividad considerada como parte de un sistema integral de transporte de orden mayor. Por otro lado, la concepción actual del transporte estriba en la multimodalidad con énfasis en la diversificación de medios aéreos capaces de atender nuevas demandas en cada escala de la movilidad, promoviendo la diferenciación de medios y centrando su interés en el aprovechamiento del espacio aéreo urbano. La tecnología de despegue vertical de aeronaves, la electrificación total y la capacidad de vuelo autónomo, ha generado en la industria aeronáutica nuevos actores que trabajan en el desarrollo de vehículos de transporte aéreo urbanos y sus infraestructuras asociadas, en el marco de un nuevo concepto: la Movilidad Aérea Urbana, o MAU, la cual requiere de nuevos espacios físicos para su desenvolvimiento, siendo aquí donde interviene la investigación proyectual, de manera de poder definir posibilidades de desarrollo de infraestructuras específicas. En el pasado de la arquitectura, la aparición de nuevos programas ha generado siempre la necesidad de volver a pensar los argumentos, las técnicas y los procesos de la disciplina. Mediante la renovación de los modos creativos y productivos se han combinado técnicas, realizado estudios tipológicos, o drásticamente pensado el grado cero de la arquitectura, para poder así afrontar el proyecto de las nuevas requisitorias de la sociedad o del medio productivo. En el caso actual, nos enfrentamos con variadas posibilidades para enfrentar el proyecto de los nuevos espacios y su integración con el ecosistema urbano. Esta variante modal de transporte contempla, básicamente: despegue, desplazamiento, aterrizaje, repostaje y mantenimiento de aeronaves y la consiguiente necesidad de recibir pasajeros, transporte terrestre, implementos y otros requerimientos físicos para promover su calidad operacional, tanto tecnológica como ambiental, en términos de la calidad del servicio y seguridad hacia las personas. Las nuevas infraestructuras derivadas las denominaremos Aero Puertos Verticales Urbanos (APVU) las cuales podrían considerarse dentro de diferentes dentro categorías proyectuales. Cabe destacar que, como hipótesis de trabajo, se asume la utilización exclusiva de taxis aéreos intraurbanos (transporte de pasajeros, no de carga) como vehículos que sirven a los APVUs, en atención al hecho de que las ciudades aumentan día a día su densidad poblacional y se enfrentan a problemas de tráfico urgentes. Pensado de esta manera, los vuelos intraurbanos serían las redes de alimentación necesarias para los APVUs fuera de las ciudades, pudiendo servir como nuevos centros de conexión interurbanos.Facultad de Arquitectura y Urbanism

Estudio de viabilidad para la creación de la empresa AirStation. Responsable de dar servicio a las operadoras de Unmanned Air Taxis.

This project arises from the need to bring a new mode of transportation to the population. Drones will arrive to cities to takle problems such as traffic congestion and greenhouse gas emissions. In the next 3-5 years, people will be able to travel between cities, to the airport or even to neighboring regions in a more effective, faster and more direct way. The technology has been studied for more than a decade and the first successful results are already beginning to be obtained .However, to ensure the success of Urban Air Mobility (UAM) it is necessary to provide cities with the necessary infrastructure, called vertiport, so that aircraft can land and take off from areas surrounded by buildings in a safe way. This project aims to study the feasibility of a company that would provide service to the companies operating air taxis, for this purpose the barriers and challenges that the sector faces have been identified, not only technological but also social. An ideal location has been sought among a few European candidate cities and the design of the vertiport has been carried out following the design manual recently published by EASA. Finally, the feasibility of the project is demonstrated through the development of a financial study.Objectius de Desenvolupament Sostenible::9 - Indústria, Innovació i InfraestructuraObjectius de Desenvolupament Sostenible::11 - Ciutats i Comunitats Sostenible

Evaluación de la implementación de la UAM en el área metropolitana de Barcelona

This project is based on the idea that Urban Air Mobility (UAM) could define a new mobility paradigm and be a breakthrough for the aviation sector. The objective is to evaluate the possible implementation of this UAM in the Barcelona Metropolitan Area (BMA). Initially, a brief demographic study of Barcelona is carried out followed by an analysis of the mobility patterns in the city of Barcelona. Then, based on a comparative study of the eVTOLs currently available on the market, one has been chosen as the most suitable example of air taxi to circulate in the BMA. After identifying two possible approaches for Urban Air Mobility, the extension of the affected area has been analyzed. Various elements such as the city poles of attraction and the connectivity with other urban transports have been taken into consideration to find the potential locations for the proposed vertiports. Once the vertiports were located, a study of the restricted areas and possible obstacles was conducted in order to design the network of air routes that the air taxis will follow. As a result, it has been possible to compare the gain in time that this urban transport has compared to the private transport. An analysis about the capacity of this network of air routes has been done, in order to check if this new urban air mobility is not only beneficial for the individual, saving time, but also for society as a whole, decongesting the entrance corridors to Barcelona and reducing pollution within the area. Finally, a study of the operating cost of this transport system and the cost to be paid by the passenger per mile traveled has been made. The price it is remarkable, but it is expected to decrease considerably in the coming years, thanks to technological advances.Objectius de Desenvolupament Sostenible::11 - Ciutats i Comunitats SosteniblesObjectius de Desenvolupament Sostenible::9 - Indústria, Innovació i Infraestructur

Diseño preliminar de un sistema de propulsión eléctrico para un vehículo de movilidad aérea urbana

Este trabajo se centra en estudiar las características del sistema de propulsión de un vehículo dedicado a la movilidad aérea urbana. Para ello primero se explicarán los motivos por los que los vehículos de este tipo se encuentran en pleno auge y el por qué del uso de propulsión eléctrica. Posteriormente, se realizarán los cálculos necesarios para el dimensionamiento del sistema propulsivo y se tomarán las decisiones oportunas para la elección de los elementos que lo compondrán. Por último, se analizarán los resultados obtenidos y se estudiará la viabilidad del proyecto.This text is focused on the study of the caracteristics of the propulsion system of a vehicle destined to the urban air mobility. First of all, the reasons with this type of vehicles are so interesting will be explained, and why to use electric propulsion. Afterwards, the calculation of the necesary power have to be carried out, so that the sizing of the propulsion system can be done and, consequently, the components of it can be choosen. Finally, the results will be analized and the viability of the proyect will be studied.Universidad de Sevilla. Grado en Ingeniería Aeroespacia

Movilidad urbana aérea. Aplicación de bus aéreo Barcelona-Madrid

Rapid population growth in urban areas is causing major congestion in today's transport system, increasing road traffic. Consequently, the creation of a means of transport is necessary in order to guarantee fast, safe and sustainable travel for the population. The creation of Urban Air Mobility (UAM) opens up traffic to the sky with the use of eVTOL (electric Vertical Take-off and Landing) aircraft whose distance travelled is shorter compared to ground transport. This paper explains the challenges to be met by the UAM and the services that can be offered by these aircraft, which, apart from offering a taxi service, include health, rescue, parcel and medicine delivery and fire-fighting services. In addition, the necessary infrastructures and their characteristics are presented and the noise pollution generated by eVTOL aircraft is explained. After having clarified the concepts necessary for the success of a UAM service, a practical case is studied based on the service of an air bus that transfers 40 users from Madrid to Barcelona in just one hour. The case study will focus on the creation of a vertiport (infrastructure necessary for the take-off and landing of aircraft) suitable for the cities of Madrid and Barcelona, in addition to the choice of an emergency vertiport located in the city of Zaragoza. On the one hand, the areas will be analysed meteorologically in order to detect any possible limitations that might hinder the design of the infrastructure. On the other hand, with the characteristics of the aircraft, a runway will be designed with its appropriate safety areas. Finally, different aids will be implemented to facilitate the use of the infrastructure. The results of the work include the graphic design of the infrastructures and the necessary visual aids

Estimació de la demanda y modelo operativo de los aerotaxis

El mundo del transporte evoluciona constantemente para cumplir con una demanda de movilidad cada vez más importante. Diferentes compañías de VTC (Vehículo de Transporte con Conductor) han revolucionado el sistema de transporte tradicional del taxi en las ciudades, por la facilidad y calidad que este servicio ofrece a sus clientes. No obstante, la problemática de la contaminación y la sobrecarga del tráfico son problemas todavía muy presentes en la sociedad. El informe de evaluación de la calidad del aire [1], presentado por la Agencia de Salud Pública de Barcelona, afirma que los niveles contaminantes de la ciudad superan desde hace un tiempo los recomendados por la Organización Mundial de la Salud. También pone de manifiesto que los valores de la mayoría de los contaminantes están relacionados con el tráfico de la ciudad. Esto mismo está ocurriendo en numerosas ciudades. Por ello, en el contexto de este proyecto se propone una nueva forma de movilidad urbana: los aerotaxis. En los últimos años, los vehículos aéreos eléctricos buscan posicionarse como una alternativa válida para trasladarse dentro de los congestionadas ciudades urbanas o interurbanas. Así pues, esta nueva modalidad aparece como una solución que puede minimizar en gran medida el impacto tan negativo que suponen tanto la contaminación acústica como el tráfico generado en las ciudades y carreteras que se puede observar a diario. Con tal de aproximarse un poco más a la realidad y poder llevar el proyecto a cabo, se ha considerado necesario estructurar el proyecto en tres diferentes partes: en primer lugar, realizar un estudio de mercado para conocer el estado del arte de estos vehículos y determinar qué tipo de aeronaves serían las más adecuadas para dar el servicio. Una vez hecho esto, se podrá estimar la demanda que podría tener esta nueva forma de movilidad, habiendo establecido las rutas más concurridas en España, cuáles de estas se ven más afectadas por el tráfico; etc. Por último, y una vez conocidas las condiciones generales, se podrá establecer un modelo operativo para su implementació

Diseño y análisis de un ala mediante elementos finito

Resumen: el presente Trabajo Fin de Grado consiste en el diseño preliminar y análisis de la estructura de un ala de un vehículo VTOL (Vertical Take Off and Landing). El objetivo principal es diseñar una estructura interna que soporte las solicitaciones externas en fase de crucero. Para ello, en primer lugar, se han calculado las cargas de presión aerodinámica que afectan al ala. Después, se han escogido los materiales, en este caso, aleaciones de aluminio y material compuesto. A continuación, se ha creado un modelo mediante elementos finitos del diseño preliminar, considerando unas condiciones de contorno específicas, para, posteriormente, proceder a su análisis y optimización. Por último, se han comparado los resultados entre los diferentes análisis, y se ha añadido un apartado final en el que se describen los pasos posteriores a dar para alcanzar el modelo final.Laburpena: gradu amaierako lan hau VTOL baten hegoaren atariko diseinuan eta analisian datza. Oinarrizko helburua gurutzaldi-fasean dauden kanpoko indarrak jasan behar dituen barneko egitura diseinatzea da. Horretarako, lehendabizi, hegoan eragiten dituzten aerodinamika presioa kargak kalkulatu dira. Ondoren, materialak aukeratu dira, kasu honetan, aluminiozko aleazioak eta material konposatuak. Jarraian, atariko diseinu modeloa, elementu finituen bidez, sortu da, inguru egoera espezifikoa kontuan hartuz. Segidan, analisia eta optimizazioa egin dira. Amaitzeko, analisi ezberdinen emaitzak konparatu dira eta beste atal bat gehitu da, azkenengo modeloa lortzeko eman behar diren hurrengo hurratsak aipatuz.Abstract: this thesis consists on the preliminary design and analysis of a VTOL (Vertical Take Off and Landing) wing structure. The main objective is to design an internal structure which supports the external force in cruise phase. To get this point, firstly, aerodynamic pressure charges, which affect the wing, have been calculated. After that, the materials have been choosen, in this case aluminium alloys and composite material. Then, a finite element method model has been created, taking into account some specific boundary conditions to analyze and optimize the prelimanary design. Finally, the results of the different analysis have been compared, and a final section has been added in order to describe the next steps to get the final model