Master's Thesis

Aerodynamic optimization of medical support delivery fixed wing UAV

Final Thesis 7.02 MB

Author of thesis: Bc. Marek Havlíček

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Jan Navrátil, Ph.D.

Reviewer: doc. Ing. Vladimír Daněk, CSc.

Abstract:

This diploma thesis focuses on the aerostructural optimization of a small UAV wing designed for the transport of medical supplies. Using UAVs for logistics is currently a rapidly growing approach to supplying remote areas that lack infrastructure or have terrain so difficult that traditional transport methods are inefficient. Aerostructural optimization helps to increase the efficiency of these vehicles, thereby reducing costs.
The aim of the thesis is to determine the requirements and define a typical mission for the UAV. Based on these requirements, a conceptual design of the UAV is created. Subsequently, the wing design strategy is presented, where the first stage wing design is based on statistical data. In the second stage, conceptual optimization is used to determine the ideal flight conditions and basic wing geometry, which is followed by the selection of an appropriate airfoil. The third stage builds upon these results, utilizing aerostructural optimization to determine the optimal wing planform and washout. The fourth stage wing design takes into account the manufacturability of the proposed wing. Last but not least, the initial sizing of the propulsion system is performed, along with a propwash analysis using a combination of the Actuator disc theory and a cylindrical vortex wake model. The thesis concludes with a brief description of the powerplant integration and the implementation of flaps and ailerons.

Keywords:

Aerostructural optimization, small UAV, wing design, medical supplies.

Date of defence

08.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Student prezentoval svoji závěrečnou práci ve které řešil aerodynamickou optimalizaci UAV s pevnou nosnou plochou pro distribuci zdravotní pomoci. V následné rozpravě student popisoval stanovení minimálního poloměru zatáčky a výrobní postup nosné konstrukce křídla. Následná obecná rozprava se týkala zvolené pohonné jednotky, toho jak podmínky zvolené lokality ovlivnily návrh UAV, charakteristik užitečné hmotnosti letounu a materiálů ze kterých byl letoun vyroben.

Language of thesis

English

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. Jan Navrátil, Ph.D.

Diplomová práce studenta Bc. Marka Havlíčka se zabývá návrhem a aerodynamickou optimalizací bezpilotního prostředku určeného především pro dopravu lékařského vybavení do odlehlých oblastí. Téma práce je aktuální a zahrnuje řešení komplexního inženýrského problému, který vyžaduje propojení poznatků z oblasti aerodynamiky, návrhu letadel a numerických metod.

Po odborné stránce je práce zpracována na velmi vysoké úrovni. Student prokázal schopnost samostatně aplikovat znalosti získané během studia na řešení konkrétního technického problému a zároveň si osvojit nové postupy, zejména metody matematické optimalizace, které následně úspěšně implementoval do procesu návrhu.

Během řešení postupoval systematicky a samostatně. Konzultace s vedoucím využíval účelně, přičemž většinu dílčích problémů dokázal řešit vlastní iniciativou. Oceňuji zejména jeho schopnost kriticky vyhodnocovat získané výsledky a na jejich základě navrhovat a realizovat další kroky vedoucí k dosažení stanovených cílů.

Práce je logicky strukturována a jednotlivé kapitoly na sebe přirozeně navazují. Jazyková i grafická úroveň práce je velmi dobrá a v textu se nevyskytují žádné významnější stylistické ani formální nedostatky.

Diplomová práce splňuje zadání ve všech bodech a svým rozsahem i kvalitou zpracování odpovídá požadavkům kladeným na diplomovou práci.

Práci doporučuji k obhajobě a hodnotím ji stupněm A – výborně.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosažené výsledky a vyvozovat z nich závěry A
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis A
Práce s literaturou včetně citací A
Samostatnost studenta při zpracování tématu A

Grade proposed by supervisor: A

Předložená diplomová práce Marka Havlíčka na téma "Aerodynamická optimalizace UAV s pevnou nosnou plochou pro distribuci zdravotní pomoci" je napsána v angličtině a obsahuje 138 stran, včetně příloh.

Cílem práce byl rozbor požadavků na UAV s pevnými křídly pro doručování zdravotnického materiálu a návrh možných misí v typických oblastech. Dále měl být proveden aerodynamický koncepční návrh a detailní aerodynamická optimalizace konceptu pro zvolenou misi.

Zadané úlohy jsou řešeny v  osmi kapitolách. V úvodní části se diplomant věnuje rozboru možných koncepčních uspořádání UAV. Následuje zpracování obsáhlé statistiky základních návrhových parametrů, na základě nichž je vytvořen koncepční návrh bezpilotního letounu. Diplomant zvolil klasické uspořádání letounu. Poté navazuje primární návrh křídla, který je založen na statistických datech. Diplomant je při řešení velmi skoupý na podrobnější popisy postupů, vždy uvádí až výsledky formou tabulky. Není zřejmé, které parametry jsou výchozí, a které jsou výsledkem výpočtu. Práce je velmi obtížně kontrolovatelná. Diplomant, oproti běžným zvyklostem v odborných pracích, nepoužívá číslování rovnic. Nejsou uváděny ani v potřebném pořadí. Například vztah pro CLc je uveden na str. 68, ale je potřebný již na str. 60 pro výpočet této hodnoty do tab.4. Zbytečně se dublují rovnice, stačila by odvolávka, kdyby rovnice byly číslovány. V kapitole 5.2 na straně 67 nahoře, z uvedeného vztahu lze jen stěží vypočítat vytrvalost, protože to vyžaduje předchozí výpočet doletu. Není zřejmé, jak byl dolet stanoven. V téže kapitole je zvolen za strukturální parametr zjedodušený vztah pro ohybový moment křídla. Myslíte, že je to pro optimalizaci postačující? V této fázi návrhu je tvar křídla již daný a rzozložení vztlaku lze stanovit a z něj i reálnější průběh ohybového momentu. Jen tak mimochodem, hodnota maxmaximálního násobku musí figurova již ve vztahu pro Mo uvedený na str. 69 nahoře.  

Ve druhé fázi je koncepční optimalizace použita k určení ideálních letových podmínek a základní geometrie křídla, načež následuje výběr vhodného profilu křídla. Třetí fáze navazuje na tyto výsledky a využívá aerostrukturální optimalizaci k určení optimálního tvaru křídla a jeho zkroucení. Pro optimalizační proces používá programový systém "OpenAeroStruct". Zde by bylo užitečné trochu uvedený systém popsat. Čtvrtá fáze návrhu křídla zohledňuje vyrobitelnost navrhovaného křídla. V neposlední řadě je provedeno počáteční dimenzování pohonného systému spolu s analýzou vrtule s využitím kombinace teorie propulzoru a modelu válcového vírového úplavu s uvážením zkrucování proudu vzduchu za vrtulí. Práce je zakončena stručným popisem zakomponování pohonné jednotky a návrhem vztlakových klapek a křidélek.

Diplomant splnil zadané cíle jen částečně, nebyl zpracován aerodynamický návrh celého letounu, nýbrž jen křídla. Diplomovou práci doporučuji k obhajobě.

Formální připominky k diplomové práci:

Diagramy na obr. 59 a obr. 66 jsou zbytečně identické.

Některé obrázky jsou bez lupy téměř nečitelné (např. obr. 72 a hlavně  obr. 88,  obr. 89).

Str. 62. Dynamická viskozita má rozměr kg/(m s). Vztah uvedený dole je dimenzionálně nehomogenní.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání C
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod C
Vlastní přínos a originalita C
Schopnost interpretovat dosaž. výsledky a vyvozovat z nich závěry B
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii B
Logické uspořádání práce a formální náležitosti C
Grafická, stylistická úprava a pravopis B
Práce s literaturou včetně citací B
Topics for thesis defence:
  1. Jak byl v procesu řešení zakomponován vliv minimálního poloměru zatáčky Rmin. Vztah pro Rmin je funkcí rychlosti. A pro jakou rychlost byl uvažován.
  2. Jaký předpokládáte výrobní postup trubkového nosníku křídla, jehož průměr se mění od 5 mm na konci křídla do 42 mm v kořeni křídla při konstantní tloušťce stěny 1 mm?

Grade proposed by reviewer: C

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová