| Name: | Description: | Size: | Format: | |
|---|---|---|---|---|
| 6.01 MB | Adobe PDF |
Authors
Advisor(s)
Abstract(s)
The conventional aircraft design process results in a compromise solution for its wings
geometry that meets all design requirements and ensures satisfactory performance
throughout its operational envelope. Consequently, the aircraft may operate under
suboptimal performance conditions in various flight conditions. This dissertation presents a novel concept for executing wing morphing in its airfoil degree-of-freedom, which
has the potential applications in small-to-medium size unmanned aerial vehicles, aimed
at enhancing their flight performance across a broader range of flight conditions.
A surrogate model is developed to evaluate the most significant design variables of the
concept in relation to aerodynamic performance metrics – maximum lift coefficient,
maximum lift-to-drag ratio, and the corresponding pitching moment coefficient. A prototype of the concept is implemented to demonstrate proof-of-concept and compare the
experimental results of morphing actuation with those obtained numerically from a computational model. Case studies are conducted using the airfoils “NACA 2412”, “NACA
2415”, and “NACA 4418” to further investigate the potential benefits of morphing, alongside a comparison of the concept’s performance with conventional hinged surfaces.
The results indicate that the concept is capable of enhancing lift-to-drag ratio across a
considerable range of lift coefficients and reducing, in absolute value, the pitching moment coefficient. Furthermore, the concept allows for achieving a 12% higher maximum
lift coefficient and an 88% higher maximum lift-to-drag ratio than that of a conventional
hinged surface. The study concludes that the potential practical implementation of the
concept can reduce take-off and landing distances, decrease the installed power requirements, extend range and endurance, and enable an aircraft to operate efficiently under
varying weight conditions.
O processo de projeto convencional de uma aeronave resulta numa solução de compromisso de uma geometria das suas asas que atende a todos os requisitos de projeto e garante um desempenho satisfatório em todo o seu envelope de operação. Consequentemente, a aeronave pode operar em condições sub-ótimas do seu desempenho em várias condições de voo. A presente dissertação apresenta um conceito novo para executar o morphing na componente do perfil alar de uma asa, que tem potencial para aplicação em aeronaves não-tripuladas de tamanho pequeno-médio, de forma a melhorar o seu desempenho de voo numa maior gama de condições de voo. Um surrogate model é desenvolvido de forma a avaliar as variáveis de projeto do conceito mais importantes nas métricas de desempenho aerodinâmico – coeficiente de sustentação máximo, eficiência aerodinâmica máxima e o correspondente coeficiente de momento de arfagem. Um protótipo do conceito é implementado de forma a executar a prova do conceito e comparar os resultados da atuação experimental de morphing com os resultados obtidos numericamente com um modelo computacional. Casos de estudo são analisados com os perfis alares “NACA 2412”, “NACA 2415” e “NACA 4418” de forma a analisar com maior detalhe os potenciais benefícios de morphing, e uma comparação dos desempenhos do conceito e de superfícies articuladas convencionais é realizada. Os resultados mostram que o conceito tem capacidade para aumentar a eficiência aerodinâmica numa gama considerável de coeficientes de sustentação e reduzir, em valor absoluto, o coeficiente de momento de arfagem. O conceito ainda permite atingir um coeficiente de sustentação máximo 12% superior e uma eficiência aerodinâmica máxima 88% superior a uma superfície articulada convencional. O estudo conclui que uma potencial implementação prática do conceito permite reduzir as distâncias de aterragem e descolagem, reduzir o requisito de potência instalada, aumentar o alcance e a autonomia, e permitir a uma aeronave operar em diferentes condições de peso eficientemente.
O processo de projeto convencional de uma aeronave resulta numa solução de compromisso de uma geometria das suas asas que atende a todos os requisitos de projeto e garante um desempenho satisfatório em todo o seu envelope de operação. Consequentemente, a aeronave pode operar em condições sub-ótimas do seu desempenho em várias condições de voo. A presente dissertação apresenta um conceito novo para executar o morphing na componente do perfil alar de uma asa, que tem potencial para aplicação em aeronaves não-tripuladas de tamanho pequeno-médio, de forma a melhorar o seu desempenho de voo numa maior gama de condições de voo. Um surrogate model é desenvolvido de forma a avaliar as variáveis de projeto do conceito mais importantes nas métricas de desempenho aerodinâmico – coeficiente de sustentação máximo, eficiência aerodinâmica máxima e o correspondente coeficiente de momento de arfagem. Um protótipo do conceito é implementado de forma a executar a prova do conceito e comparar os resultados da atuação experimental de morphing com os resultados obtidos numericamente com um modelo computacional. Casos de estudo são analisados com os perfis alares “NACA 2412”, “NACA 2415” e “NACA 4418” de forma a analisar com maior detalhe os potenciais benefícios de morphing, e uma comparação dos desempenhos do conceito e de superfícies articuladas convencionais é realizada. Os resultados mostram que o conceito tem capacidade para aumentar a eficiência aerodinâmica numa gama considerável de coeficientes de sustentação e reduzir, em valor absoluto, o coeficiente de momento de arfagem. O conceito ainda permite atingir um coeficiente de sustentação máximo 12% superior e uma eficiência aerodinâmica máxima 88% superior a uma superfície articulada convencional. O estudo conclui que uma potencial implementação prática do conceito permite reduzir as distâncias de aterragem e descolagem, reduzir o requisito de potência instalada, aumentar o alcance e a autonomia, e permitir a uma aeronave operar em diferentes condições de peso eficientemente.
Description
Keywords
Airfoil Eficiência Aerodinâmica Kriging Morphing Surrogate Model