Designa och bygga en flygande sond för atmosfärsmätningar: Från konceptuell design till funktionell produkt

Abstract

Väderfenomen och atmosfäriska partiklar har stor påverkan på jordens klimatsystem och spelar en viktig roll i bland annat molnbildning, strålningsbalans och nederbördsprocesser. Samtidigt är direkta mätningar av dessa processer på hög höjd ofta komplexa, kostsamma och tekniskt utmanande. Syftet med detta kandidatarbete var därför att undersöka och utveckla ett koncept för ett luftburet mätsystem avsett för atmosfäriska tester och partikelmätningar. Partikelanalys i atmosfären är ett eftertraktat men ofta underutvecklat fält, med brist på verklig mätdata.

Arbetet genomförs i två delar. Den första behandlar en omfattande koncept- och bakgrundsstudie inom fältet för att utforska och fastställa det bästa farkostalternativet utefter projektets uppdragsprofil. Avsnittet behandlar även de tekniska och operationella krav som specificeras. Bland de undersökta alternativen behandlas raketer, flygplan, väderballonger och drönare i form av rotorplattformar och fixed wing. Dessa alternativ jämfördes med hjälp av en förundersökning och Kesselringanalys för att identifiera den mest lämpliga och optimala lösningen utefter uppdraget.

Den andra delen fokuserade på utvecklingen av en komplett drönarplattform i form av en oktocopterlösning. Konstruktionen utvecklades med fokus på modularitet, höga lastkapaciteter och integration av ett antal utvalda sensorsystem. Stor hänsyn togs till den strukturella komponenten av drönaren, så som styvhet, genomsvepande ankarpunkter, vibrationshantering, luftflöden och ventilation för komponenter, naturlig luftström runt atmosfära mätinstrument, fri sikt för andra sensorer, tillgänglighet för elektronik och batterihantering. Drönaren bygger på en skal- och skelettstruktur huvudsakligen i kolfiber, för att minimera vikt och maximera hållfasthet.

Arbetet omfattar konceptutveckling, skisser, CAD modellering med konstruktions analys, materialval, simulering samt konstruktion och av samtliga komponenter i en flygduglig slutprodukt. Resultatet blev en stor oktocopterplattform för en mängd olika applikationer inom atmosfära mätningar och vidare forskning inom drönarbaserade mätinstrument.