17) GILI - Piattaforme Stratosferiche · 2015-09-04 · PIERO A. GILI DIMEAS - Politecnico diTorino Dipartimento diIngegneriaMeccanica e Aerospaziale CASA(DELL’AVIATORE Giovedì(18(giugno

HAP-LTA: Problematiche e Prospettive

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Gruppo di LavoroPIATTAFORME STRATOSFERICHE

PIERO A. GILI DIMEAS - Politecnico di Torino

Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Aerospaziale

CASA DELL’AVIATOREGiovedì 18 giugno 2015

Sessione “LTA Stratosferico”

CESMACentro Studi Militari AeronauticiGdL Piattaforme Stratosferiche




2GILI: HAP-LTA: Problematiche e Prospettive

Domini Applicativi delle Piattaforme Stratosferiche LTA

I vantaggi delle piattaforme HAA hanno indotto nel tempo a dare sempre maggior credito alla possibilità di un loro utilizzo come valido complemento a satelliti e UAV (Unmanned AerialVehicle) e diversi progetti di ricerca e sviluppo sono stati finanziati sia in ambito civile sia militare. I principali Domini Applicativi previsti per questo tipo di piattaforme sono:

1. Telecomunicazioni2. Osservazione e Monitoraggio3. Navigazione4. Produzione di Energia5. Accesso e Osservazione dello Spazio





Osservazione e MonitoraggioUn elenco, non esaustivo, degli ambiti applicativi di High Altitude Platform (HAP) per Osservazione e Monitoraggio della Terra comprende:

• Analisi dell’ Atmosfera• Oceanografia e risorse marine• Glaciologia• Geologia, geomorfologia, geodesia• Climatologia• Vegetazione e Agricoltura• Gestione del territorio• Previsione e controllo di eventi catastrofici• Topografia e cartografia• Idrologia e idrogeologia• Inquinamento

ciascuno di questi identifica specifici scenari applicativi, con conseguenti requisiti di risoluzione spaziale, spettrale e radiometrica.





Domini applicativi con potenzialità future





Perché LTA e da quando si ripensa all’LTA





I vantaggi che NRAC ha evidenziato





I limiti che l’NRAC ha riscontrato

La nuova tecnologia deve superare queste limitazioni





Le potenzialità individuate dall’NRAC (nel 2005)





Caratteristiche delle piattaforme HAA progettate

IN SVILUPPOREALIZZATE





• Il sistema energetico di bordo ibrido (FC, FTV, Batterie/Supercap)• L’involucro e le sue problematiche (perdita di gas leggero)• Elettronica resistente alle radiazioni• Gestione e stoccaggio sicuro di gas (idrogeno, ossigeno)• Obstacle detection and collision avoidance (come per tutti gli UAV)

Le tecnologie abilitantiL’importanza delle FC per l’LTABisogna portare a bordo zavorra(perdita di gas attuale circa 1% del Vgas/sett.)

Indispensabile per la certificazione

Ciò su cui è necessario investire

Riduzione %Lunghezza

Aumento %Payload

I componenti “critici”





il sistema energetico di bordo





I parametri in gioco (con FC+FTV): quota, dimensioni, payload

Quota z [m]

Quota z [m]

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

0 4000 8000 12000 16000 20000 24000

W/Wmax

P/Pmax

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

0 4000 8000 12000 16000 20000 24000

L/Lmax

V/Vmax

L = lunghezza di riferimentoV = volume di riferimento

W = peso della piattaformaP = potenza installata

Ø Definita l’architettura (nella fattispecie non convenzionale)Ø Valori adimensionalizzati su quelli massimiØ Andamenti puramente qualitativi

Esistono dimensioniminime al disotto delle quali non è possibilerealizzare un LTA





Possibili caratteristiche di massima della piattaforma

Requisiti prestazionali e di missioneCaratteristiche e parametridi massima della piattaforma

ØPayload 200 kg

ØQuota operativa 20000 m

ØDurata (target) 6 mesi

ØPotenza per il payload 1 kW

ØVelocità massima 20 m/s

ØTraiettoria di missione - hovering- loiter- trasferimento

ØVolume 44000 m³ (L=110 m)ØSuperficie esterna7700 m² (W=1800 kg)ØVolume di gasalla partenza 3200 m³ (B=3500 kg)

ØSuperficie FTV 800 m² (P=160 kW, W=100 kg)ØPotenza installata 260 kWØEnergiabatt./supercap 100 kWh (W=150 kg)

ØPotenza FC 200 kW (W=400 kg)(e gestione FC, gas e aria)

ØPeso struttura 300 kgØPeso motori 400 kgØZavorra 150 kgØPeso al decollo 3500 kg





A che cosa si pensa:decollo e salita

1

2

3

4 5

Il decollo può avvenire nel modo classico o, posizionata la piattaforma su una opportuna rampa, “a razzo”





A che cosa si pensa: salita, crociera, hovering e/o loiter1 2 3

4

La salita può compiersi con diversi assetti, alla quota operativa il gas ha riempito completamente il volume a disposizione e la guida e in controllo avviene con il sistema thrust vectoringdi bordo





A che cosa si pensa: discesa ed atterraggio

In discesa il gas si ricomprime,la forma è mantenuta con una leggera sovra-pressionetra interno ed esterno del pallone,l’atterraggio avviene come con un qualsiasi elicottero

1 2

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Grazie dell’attenzioneDomande?

• Adesso• Dopo• Quando volete: Politecnico di Torino - DIMEAS

Tel.: 0110906854e-mail: [email protected]

Un Dirigibile Innovativo ad Alimentazione Elettrica

CASA DELL’AVIATOREMartedì 24 giugno 2014



18

Gli effetti dei comandi di volo





I parametri in gioco sull’LTA (solo FC): quota, payload, enduranceesistono dimensioni minime al disotto dellequali non è possibile realizzare un LTA





Considerazioni sui Requisiti di MissioneSeppure a uno stage iniziale il livello di dettaglio delle applicazioni, identificate nei vari domini applicativi, ha permesso di derivare, una prima serie di requisiti di missione, riportati nella slide precedente, e la cui sintesi è la seguente:

• Il peso del payload per queste missioni varia da un minimo di 20 kg ad un massimo di 400 kg. Considerando plausibile che una singola piattaforma possa alloggiare più di un payload, si può ragionevolmente ipotizzare un payload in un range di peso da 200kg a 400kg;

• La quota operativa richiesta è di circa 20km;• Il target per la durata di missione deve essere di circa 12 mesi;• La traiettoria può essere sia di tipo loiter che geostazionaria;• Il requisito di potenza chiesto dai payLoad ha un range che varia da 25 W a 800 W e, anche

considerando la possibilità di imbarcare più Payload contemporaneamente, dovremmo considerare esigenze medie di circa 1 kW..

Dall’analisi dello stato dell’arte presentata è possibile derivare che nessuna piattaforma ad ala fissa, anche quelle in fase di sviluppo, è in grado di ottemperare a questi requisiti. Al contrario, se pur con dimensioni ad oggi notevoli, alcune delle piattaforme LTA stratosferiche in sviluppo, potrebbero essere in grado di soddisfare i requisiti di missione.





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