Master's Thesis

Aerodynamic design of a Mars drone

Final Thesis 4.08 MB

Author of thesis: Ing. Daniel Střecha

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Edmund Havran

Reviewer: doc. Ing. Pavel Zikmund, Ph.D.

Abstract:

This master’s thesis addresses the aerodynamic design of rotor blades for the MAQ Mars exploration drone, whose conceptual parameters were established in a prior study by Ing. Edmund Havran. The design challenge arises from the extreme conditions of the Martian atmosphere. Its density is approximately 1.5 percent of that of Earth, and its composition is dominated by carbon dioxide, which results in rotor blade operation at very low Reynolds numbers while simultaneously encountering compressibility effects at the blade tip. A simple wedge airfoil parameterized by the position and height
of a control point was selected as the geometric basis. Optimal airfoil geometries for three characteristic radial blade sections were determined using Response Surface Methodology based on a Face-Centered Central Composite Design. The candidate geometries were subsequently verified through steady-state two-dimensional CFD simulations in ANSYS Fluent using the k-omega SST turbulence model. The resulting aerodynamic polars were integrated into a BEMT analytical model to evaluate overall rotor hover performance. The achieved Figure of Merit represents an improvement of approximately 12 percent over the baseline conceptual design. The thesis identifies the principal methodological limitations of the adopted approach and proposes the adoption of the Transition SST model and a full three-dimensional CFD analysis of the complete rotor configuration
as the primary directions for future research.

Keywords:

Mars, drone, rotor blade, wedge airfoil, low Reynolds number, compressible flow, RSM optimization, CFD, ANSYS Fluent, k-omega SST, BEMT

Date of defence

08.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaBznamka

Grading

B

Process of defence

Student prezentoval svoji závěrečnou práci která se zabývala aerodynamickým návrhem dronu pro planetu Mars. V následné rozpravě student popisoval geometrii středového profilu pro CFD analýzu a uváděl kritéria limitující minimální tloušťku listu vrtule včetně způsobů odhadu tohoto parametru. Následná obecná rozprava se týkala vzhledu a funkčnosti samotného koncepčního řešení samotného dronu, rozměrů listu vrtule, rychlosti zvuku v podmínkách planety Mars a vlivu deformace vrtule na její charakteristiky.

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Aerospace Technology (N-LKT-P)

Specialization

Aircraft Design (STL)

Composition of Committee

doc. Ing. Jaroslav Juračka, Ph.D. (předseda)
Ing. Milan Dvořák, Ph.D. (místopředseda)
doc. Ing. Vladimír Daněk, CSc. (člen)
Ing. Miroslav Šplíchal, Ph.D. (člen)
Ing. David Jágr (člen)
Ing. Josef Bajer (člen)
doc. Ing. Jan Zouhar, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
Ing. Edmund Havran

Študent sa zaoberal velmi špecifickou časťou aerodynamiky a to rotormi v netypickom prostredí atmosféry planéty Mars. Práca vychádza z koncepčného návrhu drona na prieskum planéty a detailne sa zameriava na aerodynamickú optimalizáciu rotorov. 

Rešerš správne identifikuje a vysvetľuje všetky potrebné informácie. Ciele práce sú správne nastavené. Metodológia využíva RSM optimalizácie na nájdenie maxím v daných okrajových podmienkach. Je využívaný analytický postup výpočtu pomocou BEMT teórie na základe prevedených CFD simulácií 2D profilov v reze listu rotora. Miernym nedostatkom práce je využitie len troch rezov, avšak sú vybraté tie tri najdôležitejšie. Výsledná geometria je potom založená na interpolácii týchto troch rezov a nie je uvažovaná optimalizácia pôdorysného tvar listu rotora. Napriek tomu je dosiahnuté výrazné zlepšenie aerodynamiky rotora z pôvodného koncepčného návrhu a predložené možné plány pre pokračovanie vývoja. 

V práci sa nachádzajú veľmi mierne nedostatky v grafickej stránke a vo forme uvádzania citácií. Prácu hodnotím ako výbornú a odporúčam jej obhajobu.
Evaluation criteria Grade
Fulfilment of requirements and objectives of assignment B
Working process, extent and suitability of applied methods A
Scholarly contribution and originality A
Ability to interpret achieved results and draw conclusions A
Applicability of results in practice or theory A
Logical arrangement of thesis and its layout A
Grafic layout, used style and language level B
Work with used sources including quotations B
Student's independence when working on the topic A

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
doc. Ing. Pavel Zikmund, Ph.D.

Diplomová práce se zabývá aerodynamickým návrhem rotorových listů marsovského průzkumného dronu MAQ v podmínkách velmi řídké atmosféry Marsu. Autor navazuje na existující konceptuální návrh a zaměřuje se na optimalizaci profilů rotorových listů metodou odezvových ploch a následné ověření prostřednictvím CFD simulací a vyhodnocení pomocí metody BEMT. V závěru práce je uvedeno kritické zhodnocení s návrhem postupu dalších přesnějších výpočtů.

Práce je zpracovaná na velmi dobré úrovni. Mám k ní pouze několik drobných připomínek.

- V práci postrádám přesnější popis geometrie profilů použitých pro CFD analýzu. Není například uvedena tloušťka odtokové hrany, což vede k určité nejednoznačnosti při interpretaci výsledných geometrií. Z obr. 4.5 se zdá, že profil má tupou náběžnou hranu, zatímco podle definice geometrie v kapitole 3.3 by měla být náběžná hrana ostrá. Dále optimalizace v některých případech konverguje k profilům s velmi malou tloušťkou (řádově desetin milimetru). V práci chybí alespoň základní diskuse výrobních, konstrukčních nebo pevnostních omezení, která by mohla minimální tloušťku profilu limitovat.

 - Grafické výstupy CFD analýz jsou zobrazeny v příliš malém měřítku, což ztěžuje jejich interpretaci. Přínosné by bylo zejména doplnění detailních pohledů na oblast náběžné a případně odtokové hrany.

Přes tyto připomínky práci hodnotím jako výbornou / A a doporučuji k obhajobě. 
Evaluation criteria Grade
Fulfilment of requirements and objectives of assignment A
Working process, extent and suitability of applied methods A
Scholarly contribution and originality A
Ability to interpret achieved results and draw conclusions B
Applicability of results in practice or theory B
Logical arrangement of thesis and its layout A
Grafic layout, used style and language level B
Work with used sources including quotations A
Topics for thesis defence:
  1. Uveďte, jaká kritéria mohou limitovat minimální tloušťku listu vrtule a naznačte, jakým způsobem lze tuto minimální tloušťku odhadnout.
  2. Prezentujte detailní geometrii středového profilu pro CFD analýzu (r/R = 0,75).

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová