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

Abstract

The goal of the current thesis is the aerodynamic and performance optimization of aerial vehicles that operate in the low speed, subsonic regime (Mach < 0.3) and more specifically, of Medium Altitude Long Endurance (MALE and tactical – NATO classification) fixed-wing Unmanned Aerial Vehicles (UAVs). It is a step-by-step research investigation, the objectives of which are a) the investigation of the flow field around fixed-wing UAVs, b) the drag breakdown analysis and identification of the main sources of drag, c) the research of possible layouts and techniques for fixed-wing UAVs efficiency and performance augmentation (technology screening), d) the selection and detailed investigation of the layouts with the greatest potential for fixed-wing UAV applications, and e) the application of methods and layouts to surveillance MALE UAVs design studies for method validation and performance evaluation. Following a unique approach in the field of unmanned aircraft, a holistic approach is employed for the design and aerodynamic enhancement of fixed-wing UAVs, which initiates from fundamental fluid mechanics research studies, moves on to detailed applied aerodynamics investigations, and concludes with applied design studies. The research is supported by a wide variety of tools, to ensure an all-round approach. Namely, high-fidelity (CFD) computational tools, are combined with custom aircraft design and aerodynamic and stability analysis tools, as well as properly modified experimental facilities and measurement techniques. The first step is the sizing and development of a reference MALE UAV configuration, which serves as a a reference platform, whereas the corresponding mission requirements and operating conditions serve as a reference point as well. A thorough flow field study around the UAV is made, leading to detailed drag bookkeeping analyses. Based on this analysis, a wide variety of technologies, layouts and techniques, are investigated, as possible options for the aerodynamic efficiency and performance enhancement of fixed-wing UAVs. Two layout options are eventually selected for further research, namely the winglets and BWB configurations. Those configurations are thoroughly investigated using computational, experimental, and layout design tools, leading to unique findings (unique observations in the field of fluid mechanics, calculation of previously missing aerodynamic trends, and development of dedicated sizing methodologies, amongst others) and scientific publications. The platforms are evaluated through custom design studies, which indicatively show a formidable increase of 10% and 30% for the winglets and the BWB configurations respectively, in terms of aerodynamic efficiency. Summarizing, the analysis emphasizes on fixed-wing MALE/tactical UAVs, since they rank first in terms of market share amongst the UAV categories. However, due to the similarities in operational conditions as well as flow similarity properties, they can also be expanded to any other fixed-wing aerial vehicle that operates in a similar regime, ranging from both smaller and larger UAVs, to light airplanes and cargo aircraft. Moreover, the experimental and computational work in the fields of fundamental fluid mechanics (e.g. the tip vortex phenomenon), and applied aerodynamics (winglets, BWBs), can provide valuable information for larger-scale applications that concern the society and the industry, such as commercial jets and aerial transportation.

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.