Diseño de la integración estructural de un sistema de espectrometría de masas a un dron octocóptero para la caracterización de gases volcánicos

Abstract

En este trabajo se propone el diseño de los elementos estructurales necesarios para el acople de un instrumento científico a un dron multirotor, con el fin de realizar mediciones de la composición gaseosa de plumas volcánicas a distancia. El instrumento usa tecnología de espectrometría de masas compacta y está basado en un prototipo diseñado por el laboratorio GasLab, del CICANUM, en la Universidad de Costa Rica. Se estudian las características propias del instrumento para diseñar su cámara de vacío, luego se diseña la integración mecánica del resto de componentes y se diseñan los elementos necesarios para el acople al dron disponible para la aplicación, el Italdron Bigone 8HSE. Se agregan componentes opcionales como refuerzos para el dron y una carcasa hermética para el instrumento.

Los diseños propuestos se basan en datos experimentales de vibración, características físicas de los componentes del instrumento y del dron. Los elementos se evalúan mediante modelado computacional y el análisis se enfoca en la disminución de su masa, facilidad de mantenimiento en el campo y bajos costos de manufactura.

Se concluye con una propuesta de ensamble total que tiene una masa de unos 7,1 kg, lo que resultaría ser un 16\% más ligero que el modelo base inicial, y que, según modelado computacional, cumple con los requerimientos mecánicos de la aplicación. Para la masa final del instrumento, el Italdron podría no lograr transportar el instrumento a alturas superiores a los 1000 m.s.n.m de forma segura, debido a que el tiempo de vuelo disponible podría ser muy bajo en esas circunstancias y podría no ser suficiente para completar las misiones de monitoreo en las que se pretende implementar el equipo. Se recomienda realizar pruebas de levantamiento en campo a diferentes alturas y evaluar su desempeño en esas condiciones, antes de anclarle el instrumento a grandes alturas. De la misma manera, se recomienda construir prototipos de los elementos mecánicos, ensamblar el sistema para hacer pruebas físicas y evaluar su comportamiento final. Se propone considerar el dron DJI Agras-T30 para la aplicación, pues podría volar a los 4000 m.s.n.m o un 60% más de tiempo con baterías extra.

This work proposes the design of the structural elements necessary for the coupling of a scientific instrument to a multirotor drone, in order to measure the gaseous composition of volcanic plumes from a distance. The instrument uses compact mass spectrometry technology and is based on a prototype designed by the CICANUM GasLab laboratory at the University of Costa Rica. The characteristics of the instrument are studied to design its vacuum chamber, then the mechanical integration of the rest of the components is designed and the necessary elements are designed for coupling to the drone available for the application, the Italdron Bigone 8HSE. Optional components such as reinforcements for the drone and a watertight enclosure (POD) for the instrument will be added, but optional due to mass limitations. The proposed designs are based on experimental vibration data, physical characteristics of the instrument and drone components. Elements are evaluated using computational modeling, and analysis focuses on decrease in mass, ease of field maintenance, and low manufacturing costs. It concludes with a total assembly proposal that has a mass of about 7.1 kg, which would turn out to be 16% lighter than the initial base model, and that, according to computational modeling, meets the mechanical requirements of the application. For the final mass of the instrument, the Italdron might not be able to safely transport the instrument to heights above 1000 meters above mean sea level (AMSL) as the available flight time might be very low in those circumstances and might not be sufficient to complete the missions. monitoring in which the equipment is intended to be implemented. It is recommended to carry out field survey tests at different heights and evaluate its performance in those conditions, before anchoring the instrument at great heights. In the same way, it is recommended to build prototypes of the mechanical elements, assemble the system to carry out physical tests and evaluate its final behavior. It is proposed to consider the DJI Agras-T30 drone for the application, since it could fly at 4000 m AMSL or 60% more time with extra batteries.