Aerodynamic efficiency and performance enhancement of fixed-wing unmanned aerial vehicles using novel configurations and techniques

Abstract

Ο σκοπός της διδακτορικής διατριβής είναι η βελτιστοποίηση της αεροδυναμικής απόδοσης και των επιδόσεων Μη-Επανδρωμένων Αεροχημάτων (ΜΕΑ) σταθερής πτέρυγας, μεγάλης αυτονομίας και μέσου ύψους (MALE UAV ή tactical UAV – NATO classification), που επιχειρούν σε συνθήκες πτήσης με Mach < 0.3. Πρόκειται για μια πλήρη τεχνολογική έρευνα, τα βασικά αντικείμενα της οποίας είναι α) η διερεύνηση της ροής γύρω από ΜΕΑ σταθερής πτέρυγας, β) η ανάλυση του ισοζυγίου οπισθέλκουσας δύναμης και εντοπισμός των κύριων πηγών αυτής, γ) η αναζήτηση, καταγραφή, και αξιολόγηση πιθανών τεχνολογιών, γεωμετριών, και τεχνικών για τη βελτίωση της αεροδυναμικής απόδοσης και των επιδόσεων ΜΕΑ (technology screening), δ) η επιλογή και λεπτομερής διερεύνηση των γεωμετριών που δυνητικά προσφέρουν τα περισσότερα πλεονεκτήματα, και ε) η εφαρμογή των παραπάνω σε εφαρμοσμένες μελέτες σχεδιασμού ΜΕΑ για αξιολόγηση και εκτίμηση επιδόσεων. Σε αντίθεση με τις υπάρχουσα βιβλιογραφία, η παρούσα έρευνα προσεγγίζει ολιστικά τον σχεδιασμό και την βελτιστοποίηση των ΜΕΑ σταθερής πτέρυγας, εκκινώντας από θεμελιώδεις ρευστοδυναμικές αναλύσεις, συνεχίζοντας με παραμετρικές αναλύσεις αεροδυναμικής, και κλείνοντας με εφαρμογή σε ολοκληρωμένες μελέτες σχεδιασμού. Για αυτό το σκοπό χρησιμοποιείται μια πληθώρα εργαλείων, που περιλαμβάνουν λογισμικά υπολογιστικής μοντελοποίησης, πειραματικές διατάξεις και τεχνικές, καθώς επίσης και αναλυτικά εργαλεία διαστασιολόγησης, και υπολογισμού παραμέτρων αεροδυναμικής, ευστάθειας και επιδόσεων αεροχημάτων, που αναπτύχθηκαν στα πλαίσια της διατριβής (in-house tools). Αρχικά καθορίζεται και σχεδιάζεται μια γεωμετρία αναφοράς ΜΕΑ, της οποίας οι προδιαγραφές (requirements) και οι επιχειρησιακές συνθήκες (operating conditions) ορίζονται επίσης ως σημεία αναφοράς. Η ροή γύρω από το ΜΕΑ αναλύεται χρησιμοποιώντας τα εργαλεία αεροδυναμικής ανάλυσης και πραγματοποιείται μια ταξινόμηση της οπισθέλκουσας δύναμης (drag bookkeeping), τόσο για την κύρια πτέρυγα, όσο και για την συνολική γεωμετρία του ΜΕΑ. Στη συνέχεια, ερευνάται μια πληθώρα πιθανών επιλογών, τεχνολογιών, τεχνικών και γεωμετριών, που δυνητικά μπορεί να βελτιώσουν την επίδοση των ΜΕΑ σταθερής πτέρυγας. Δύο είδη γεωμετριών επιλέγονται τελικά για ενδελεχή μελέτη και περεταίρω ανάλυση, και συγκεκριμένα, τα winglets και τα σώματα BWB. Οι γεωμετρίες αυτές αναλύονται διεξοδικά σε υπολογιστικό, πειραματικό, και σχεδιαστικό επίπεδο. Όπως πιστοποιείται και από τις σχετικές επιστημονικές δημοσιεύσεις, η έρευνα οδηγεί σε πρωτότυπα συμπεράσματα και παρατηρήσεις που αφορούν τα ροϊκά φαινόμενα, και σε ανάπτυξη εξειδικευμένων μεθοδολογιών σχεδιασμού για εφαρμογές ΜΕΑ σταθερής πτέρυγας. Γίνεται επίσης και αποτίμηση των πλεονεκτημάτων της χρήσης των γεωμετριών αυτών, με τα αποτελέσματα να δείχνουν βελτίωση της τάξεως του 10% και 30% για τα winglets και τις πλατφόρμες BWB αντίστοιχα, όσον αφορά την αεροδυναμική απόδοση. Συνοψίζοντας, η διατριβή επικεντρώνεται στα ΜΕΑ τύπου MALE/tactical, λόγω του ότι αποτελούν το μεγαλύτερο κομμάτι της αγοράς των ΜΕΑ. Ωστόσο, με την προϋπόθεση ότι οι λόγοι ροϊκής ομοιότητας και οι επιχειρησιακές συνθήκες είναι πανομοιότυπες, οι προτεινόμενες μέθοδοι και τα επαγόμενα συμπεράσματα μπορούν να επεκταθούν και σε οποιοδήποτε άλλο αερόχημα σταθερής πτέρυγας, από ΜΕΑ μεγαλύτερης κλίμακας, μέχρι υπερ-ελαφρά ή ελαφρά αεροχήματα και μεταγωγικά αεροσκάφη. Επιπρόσθετα, η έρευνα που αφορά είτε σε στοιχειώδη ρευστοδυναμικά φαινόμενα, όπως είναι οι δίνες ακροπτερυγίου, είτε στις βελτιωτικές διατάξεις (winglets, BWB) έχει προεκτάσεις και σε άλλες εφαρμογές μεγαλύτερης κλίμακας, που αφορούν την κοινωνία και την βιομηχανία, όπως είναι για παράδειγμα τα επιβατηγά αεροσκάφη και οι εναέριες μεταφορές.