Μέθοδοι βελτιστοποίησης με την χρήση υπολογιστικής ρευστομηχανικής με εφαρμογή σε καινοτόμες πλατφόρμες μη επανδρωμένων αεροχημάτων

Abstract

The objective of the present thesis is the development of a comprehensive design and optimization methodology for fixed-wing Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) with a Blended-Wing-Body (BWB) configuration, operating at low subsonic speeds during the conceptual and preliminary design stages. The methodology is based on Computational Fluid Dynamics (CFD) analyses and constitutes a complete step-by-step research investigation, with its primary goals summarized as follows: •Determination of optimal BWB UAV configurations for various performance criteria related to aerodynamic efficiency, stability, and overall mission effectiveness, through evaluation of the influence of different design parameters. •Evaluation of the impact of canard design parameters on the aerodynamic behavior and longitudinal stability of BWB UAVs. •Evaluation of the influence of slat design parameters on the aerodynamic performance and longitudinal stability of BWB UAVs. •Assessment of the potential performance improvements of BWB UAVs through the integration of renewable energy sources. •Evaluation and ranking of the synergetic integration of innovative technologies on BWB UAV platforms. To achieve the above objectives, an applied aerodynamics approach was followed, incorporating a wide range of tools to ensure holistic treatment of the problem. These include 1) analytical tools for sizing and performance estimation and stability evaluation of UAV, 2) high-fidelity CFD analysis, 3) Design of Experiments (DOE), and 3) the Technology Identification, Evaluation, and Selection (TIES) methodology. It is worth noting that the sizing and estimation tools were adapted to the needs of the reference platforms of the present thesis, while the DOE and TIES methodologies were customized to interface with CFD analyses and accommodate the design needs of novel configurations such as BWB UAVs. In recent years, the design and mass production of fixed-wing UAVs capable of fulfilling a wide range of missions has increased dramatically, due to rapid developments in the aerospace industry and electro-optical systems. The lightweight, simple, and cost-effective construction, low operational cost, absence of crew (and therefore no risk to human life), as well as the ability to operate under hazardous conditions for extended durations, are only some of the UAVs' advantages. They are capable of undertaking missions such as border and forest surveillance, fire detection, search and rescue, payload delivery, and humanitarian assistance. Among various configurations, the Blended-Wing-Body (BWB) stands out as a promising and efficient configuration, offering significant aerodynamic advantages compared to conventional tube-and-wing aircraft. These benefits include increased aerodynamic efficiency and internal volume. Full-scale development of BWB configurations is limited by issues such as cabin pressurization and passenger comfort and evacuation. However, employing BWB as a UAV platform eliminates these constraints, allowing full exploitation of its benefits. Low-fidelity or handbook-based methods often lead to misleading results when applied to BWB UAV design, underscoring the need for high-fidelity approaches such as CFD to accurately assess the aerodynamic performance. Therefore, there is a clear need for a CFD-aided design and optimization methodology for BWB UAVs, which simultaneously reduces the required computational effort while preserving accuracy and reliability. In the 21st century, special emphasis has been placed on state-of-the-art (SoA) and beyond-SoA technologies in the aerospace sector. Preliminary studies underline the necessity of extending this focus to fixed-wing UAVs, with three key areas identified: 1) Disruptive configuration layouts, aimed at enhancing aerodynamic performance and operational capability, 2) Flow control techniques (FCT), either active (AFCT) or passive (PFCT), for mission-adaptive aerodynamic behavior, 3) innovative propulsion architectures, including hybrid-electric approaches, to reduce specific fuel consumption (SFC) and emissions. The literature review revealed that, despite the presence of several studies on fixed-wing UAVs, most focus on either the development of a single platform configuration or limited parametric studies without adopting any well-established optimization methodology. Particularly for BWB UAVs, there is a noticeable absence of design trends, which are crucial during the conceptual and preliminary design stages for estimating geometry and weight. Moreover, existing studies on the application of innovative technologies focus on individual cases, lacking a unified framework to assess synergetic integration. This highlights the need for a holistic methodology that enables the evaluation of combined technologies and their collective impact on UAV aerodynamic performance. The scientific contribution and innovation of this dissertation can be summarized as follows: •Development of a CFD-based shape optimization methodology for BWB UAVs applicable to early and preliminary design stages, incorporating both aerodynamic performance and stability. •Identification of design trends for BWB UAVs, which are currently missing from the literature and can support future design efforts. •Identification of design trends for improving BWB performance through canards and slats integration. •Development of an evaluation methodology for the synergetic integration of innovative technologies on BWB UAVs. •Establishment of a holistic design and optimization methodology combining layout optimization and technologies synergetic integration, enabling significant enhancement of BWB UAV performance and expanding operational capabilities. Initially, the work focuses on a CFD-aided design methodology for BWB UAVs, combined with the Taguchi DOE method and ANOVA for the analysis of the results. The parametric approach targets both aerodynamic efficiency and longitudinal stability, affecting critical shape-defining parameters such as aspect ratio (AR), taper ratio (λ), and quarter-chord sweep (Λc/4). The methodology enables determination of optimal parameter combinations for selected performance metrics. Importantly, the approach leads to a 67%–96% reduction in computational effort compared to full-factorial analysis, without compromising accuracy, which is a key factor when dealing with novel layouts like BWB. The canard geometry study revealed that canard incidence angle (ic) and sweep (Λ) are the most influential design parameters affecting both performance and stability. Regarding innovative technologies, slats were found to increase CLmax by up to 10%, while only increasing GTOW by 0.5%, and were shown to delay pitch-break to higher angles of attack. Solar-powered propulsion was also assessed, though it offered no significant performance advantage in isolation. However, when combined with other technologies, it could contribute to greater overall efficiency. Finally, through a structured and systematic process, four key technologies were identified for synergetic integration on BWB UAVs: slats, wing fences, morphing control surfaces, and hybrid-electric propulsion system (Turboprop Parallel Hybrid). These technologies, individually and in combination, are shown to improve BWB performance and are thus recommended for integration in future BWB UAV design.The proposed methodology can also be extended to other classes of fixed-wing aircraft, including light manned, commercial, and transport aircraft, and the conclusions are expected to serve as a reference framework for future optimization studies on BWB configurations.

Ο σκοπός της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η ανάπτυξη μιας ολοκληρωμένης μεθοδολογίας σχεδιασμού και βελτιστοποίησης Μη-Επανδρωμένων Αεροχημάτων (ΜΕΑ) σταθερής πτέρυγας διαμόρφωσης Blended Wing Body (BWB) τα οποία επιχειρούν σε χαμηλές ταχύτητες, κατά τα στάδια του πρώιμου και του προκαταρκτικού σχεδιασμού, βασισμένης σε αναλύσεις Υπολογιστικής Ρευστομηχανικής (Computational Fluid Dynamics – CFD). Πρόκειται για μια πλήρη τεχνολογική έρευνα οι βασικοί στόχοι της οποίας συνοψίζονται ως εξής: •Καθορισμός βέλτιστων γεωμετριών BWB ΜΕΑ για διάφορα κριτήρια απόδοσης, που αφορούν τις επιδόσεις, την αεροδυναμική και την ευστάθεια, μέσω της αξιολόγησης της επίδρασης διαφορετικών σχεδιαστικών παραμέτρων. •Αξιολόγηση της επίδρασης διαφορετικών σχεδιαστικών παραμέτρων των canards στην αεροδυναμική και την ευστάθεια BWB ΜΕΑ. •Αξιολόγηση της επίδρασης διαφορετικών σχεδιαστικών παραμέτρων των slats στην αεροδυναμική και την ευστάθεια BWB ΜΕΑ. •Αξιολόγηση της πιθανής βελτίωσης απόδοσης BWB ΜΕΑ με τη χρήση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. •Αξιολόγηση και ιεράρχηση της συνεργατικής εφαρμογής καινοτόμων τεχνολογιών σε BWB ΜΕΑ. Για την επίτευξη των παραπάνω στόχων ακολουθήθηκε μια προσέγγιση εφαρμοσμένης αεροδυναμικής (applied aerodynamics) και αξιοποιήθηκε ευρύ φάσμα εργαλείων, διασφαλίζοντας έτσι μια ολιστική αντιμετώπιση των επιμέρους ζητημάτων. Μεταξύ των εργαλείων που χρησιμοποιήθηκαν είναι τα εξής: 1) αναλυτικά εργαλεία διαστασιολόγησης και εκτίμησης επιδόσεων και ευστάθειας ΜΕΑ, 2) υπολογιστικά εργαλεία υψηλής πιστότητας CFD, 3) Σχεδιασμός Πειραμάτων (Design of Experiments -DOE) και 4) μέθοδος Ταυτοποίησης, Αξιολόγησης και Επιλογής Τεχνολογιών (Technology Identification, Evaluation, and Selection - TIES). Αξίζει να σημειωθεί ότι τα εργαλεία διαστασιολόγησης και εκτίμησης επιδόσεων και ευστάθειας ΜΕΑ προσαρμόστηκαν στις ανάγκες των πλατφορμών αναφοράς της παρούσας διατριβής, ενώ οι μέθοδοι DOE και TIES προσαρμόστηκαν κατάλληλα ώστε να συνδυαστούν με τις αναλύσεις CFD και να εναρμονιστούν με τις ανάγκες σχεδιασμού καινοτόμων διαμορφώσεων, όπως τα BWB MEA.Τα τελευταία χρόνια ο σχεδιασμός και η μαζική παραγωγή των Μη Επανδρωμένων Αεροχημάτων (ΜΕΑ) σταθερής πτέρυγας, ικανών να εκτελέσουν μια πληθώρα εφαρμογών, έχει αυξηθεί δραματικά, λόγω των ραγδαίων εξελίξεων στην αεροπορική βιομηχανία, και τη βιομηχανία ηλεκτροπτικών συστημάτων. Η ελαφριά, απλή και φθηνή κατασκευή, το χαμηλό επιχειρησιακό κόστος, η έλλειψη πληρώματος, άρα και το μηδενικό ρίσκο για την ανθρώπινη ζωή, όπως και η ικανότητα να επιχειρούν σε επικίνδυνες συνθήκες και για πολλές ώρες, είναι μόνο μερικά από τα πλεονεκτήματα των ΜΕΑ. Είναι ικανά να εκτελέσουν μια πληθώρα αποστολών, όπως π.χ. αποστολές επιτήρησης θαλάσσιων συνόρων και δασικών εκτάσεων, εντοπισμού πυρκαγιάς, έρευνας και διάσωσης και μεταφοράς και διανομής ωφέλιμου φορτίου ή και παροχής ανθρωπιστικής βοήθειας. Επιπλέον, η διαμόρφωση BWB η οποία αποτελεί μια καινοτόμο και αποδοτική αρχιτεκτονική σχεδίασης, η οποία προσφέρει σημαντικά αεροδυναμικά πλεονεκτήματα σε σχέση με τις συμβατικές διαμορφώσεις σωλήνα-και-πτέρυγας (tube-and-wing). Αυτά τα πλεονεκτήματα έγκειται στην αυξημένη αεροδυναμική απόδοση και στον αυξημένο εσωτερικό όγκο. Η ανάπτυξη των BWB σε πλήρη κλίμακα περιορίζεται από ζητήματα που σχετίζονται με την πίεση καμπίνας, καθώς και με την εκκένωση και την άνεση των επιβατών. Ωστόσο, η χρήση της διαμόρφωσης BWB ως πλατφόρμας MEA, όπου δεν υφίστανται οι παραπάνω περιορισμοί, επιτρέπει την πλήρη αξιοποίηση των πλεονεκτημάτων της. Η χρήση μεθόδων χαμηλής πιστότητας ή μεθόδων που βασίζονται σε εγχειρίδια σχεδιασμού μπορεί να οδηγήσει σε παραπλανητικά αποτελέσματα, κατά το σχεδιασμό ενός ΜΕΑ με διαμόρφωση BWB MEA. Αυτό, με τη σειρά του, καθιστά αναγκαία τη χρήση μιας προσέγγισης υψηλής πιστότητας, όπως το CFD, για την αεροδυναμική ανάλυση. Από τα παραπάνω, είναι εμφανής η ανάγκη για ανάπτυξη μιας μεθοδολογίας σχεδιασμού και βελτιστοποίησης για BWB MEA, η οποία θα βασίζεται σε αναλύσεις CFD, προσπαθώντας ταυτόχρονα να μειώσει το χρόνο των αναλύσεων αυτών, διατηρώντας την ποιότητα και την ακρίβεια των αποτελεσμάτων. Τέλος, στον 21ο αιώνα έχει δοθεί ιδιαίτερη έμφαση στον κλάδο της Αεροναυτικής σε τεχνολογίες αιχμής (State of the Art - SoΑ) και σε καινοτόμες τεχνολογίες πέραν της υπάρχουσας τεχνολογικής κατάστασης (beyond SoA), ενώ προκαταρκτικές μελέτες αναδεικνύουν τη σημασία επέκτασης αυτής της προσέγγισης και στα ΜΕΑ σταθερής πτέρυγας. Συγκεκριμένα, η έρευνα επικεντρώνεται σε τρεις βασικές κατηγορίες: 1) Ανατρεπτικές γεωμετρικές διατάξεις (disruptive configuration layouts), που στοχεύουν στη βελτίωση της αεροδυναμικής απόδοσης και των επιδόσεων, 2) Τεχνικές Ελέγχου Ροής (Flow Control Techniques), οι οποίες μεταβάλλουν τη ροή με σκοπό την βελτίωση της αεροδυναμικής συμπεριφοράς, είτε κατ’ απαίτηση στη διάρκεια της αποστολής (Ενεργός Έλεγχος Ροής - Active Flow Control ή AFC), είτε μόνιμα (Παθητικός Έλεγχος Ροής - Passive Flow Control ή PFC), και 3). Καινοτόμα συστήματα και αρχιτεκτονικές πρόωσης, τα οποία περιλαμβάνουν υβριδικές-ηλεκτρικές προσεγγίσεις, με στόχο τη μείωση του ειδικού λόγου κατανάλωσης καυσίμου (Specific Fuel Consumption - SFC) και των εκπομπών (θορύβου και ρύπων). Η βιβλιογραφική ανασκόπηση ανέδειξε ότι, παρά την πληθώρα μελετών για ΜΕΑ σταθερής πτέρυγας, οι περισσότερες από αυτές εστιάζουν στην ανάπτυξη και ανάλυση μίας μόνο διαμόρφωσης πλατφόρμας είτε σε παραμετρικές μελέτες με περιορισμένο σχεδιαστικό χώρο και χωρίς την εφαρμογή κάποιας καθιερωμένης μεθόδου βελτιστοποίησης. Επιπρόσθετα ειδικότερα για τα BWB MEA αναγνωρίστηκε, η έλλειψη σχεδιαστικών τάσεων (design trends), οι οποίες είναι πολύ χρήσιμες και απαραίτητες στις φάσεις του πρώιμου και του προκαταρκτικού σχεδιασμού, όπου πρέπει να γίνουν οι πρώτες εκτιμήσεις για το σχήμα και το βάρος του ΜΕΑ. Από τις έρευνες που έχουν διενεργηθεί έως τώρα για την εφαρμογή καινοτόμων τεχνολογιών σε ΜΕΑ, και ειδικότερα σε αυτά με διαμόρφωση BWB, είναι προφανές ότι η συστηματική αξιολόγηση και ιεράρχηση των καινοτόμων τεχνολογιών είναι απαραίτητη για την αποτελεσματική ανάπτυξη ενός ΜΕΑ και μπορεί να προσφέρει σημαντικά πλεονεκτήματα στην αεροδυναμική του απόδοση και στις επιδόσεις του. Παρόλα αυτά, όλες οι μελέτες εστιάζουν στην εφαρμογή μιας καινοτόμου τεχνολογίας ανά περίπτωση. Διαπιστώθηκε, λοιπόν, η ανάγκη να χρησιμοποιηθεί μια ολιστική μεθοδολογία που να επιτρέπει την αξιολόγηση της συνέργειας διαφόρων καινοτόμων τεχνολογιών και να επιτρέπει στους ερευνητές να διερευνήσουν την επίδρασή τους στην αεροδυναμική απόδοση και τη βελτίωση των επιδόσεων ενός ΜΕΑ. Η καινοτομία και η συνεισφορά της παρούσας διατριβής στην επιστημονική κοινότητα εντοπίζονται στα εξής σημεία: •Αναπτύχθηκε μεθοδολογία βελτιστοποίησης σχήματος BWB MEA, βασισμένη σε αναλύσεις Υπολογιστικής Ρευστομηχανικής (CFD), για εφαρμογή στις φάσεις του πρώιμου και του προκαταρκτικού σχεδιασμού, λαμβάνοντας υπόψιν τόσο την αεροδυναμική όσο και την ευστάθεια. •Εξάχθηκαν κατευθυντήριες γραμμές (design trends) για το σχεδιασμό BWB MEA, οι οποίες έως τώρα απουσιάζουν από την τρέχουσα βιβλιογραφία και δύνανται να χρησιμοποιηθούν από μελλοντικές μελέτες στις φάσεις του πρώιμου και του προκαταρκτικού σχεδιασμού. •Εξάχθηκαν κατευθυντήριες γραμμές (design trends) για την βελτίωση της αεροδυναμικής απόδοσης BWB MEA με την ενσωμάτωση διατάξεων canards και slats. •Αναπτύχθηκε εργαλείο αξιολόγησης της επίδρασης καινοτόμων τεχνολογιών σε BWB MEA με στόχο τη βελτιστοποίηση των επιδόσεων του. •Αναπτύχθηκε ολιστική μεθοδολογία σχεδιασμού και βελτιστοποίησης BWB MEA, η οποία θα συνδυάζει τη βελτιστοποίηση του εξωτερικού σχήματος με τη ενσωμάτωση καινοτόμων τεχνολογιών για περαιτέρω επαύξηση της αεροδυναμικής απόδοσης και των επιδόσεων τους, επιτρέποντας τη διεύρυνση των επιχειρησιακών τους ικανοτήτων. Στο πλαίσιο της παρούσας διατριβής, αρχικά, έμφαση δίνεται στην ανάπτυξη μιας μεθοδολογίας σχεδιασμού και βελτιστοποίησης για BWB MEA, βασισμένη σε αναλύσεις CFD υψηλής πιστότητας, συνδυασμένες με τις μεθόδους Taguchi και ANOVA, για την ανάλυση των αποτελεσμάτων. Η προσέγγιση είναι πολυπαραμετρική, εστιάζει στη βελτιστοποίηση τόσο της αεροδυναμικής απόδοσης όσο και της ευστάθειας, επηρεάζοντας βασικές παραμέτρους του σχήματος ενός ΜΕΑ, όπως π.χ. είναι το διάταμα (AR), ο λόγος εγκλεισμού (λ) και η οπισθόκλιση (Λ) και επιτρέπει το καθορισμό του βέλτιστου συνδυασμού αυτών για επιλεγμένα κριτήρια απόδοσης. Η μεθοδολογία που αναπτύχθηκε επιτρέπει σημαντική μείωση του απαιτούμενου υπολογιστικού χρόνου (67% - 96% σε σύγκριση με μια πλήρως παραγοντική ανάλυση) και των απαιτούμενων πόρων της διαδικασίας βελτιστοποίησης, διατηρώντας ταυτόχρονα την ακρίβεια των υπολογιστικών μοντελοποιήσεων, κάτι που είναι πολύ σημαντικό κατά τη διάρκεια σχεδιασμού μιας καινοτόμας πλατφόρμας όπως είναι η πλατφόρμα με διαμόρφωση BWB. Μέσω της παραπάνω προσέγγισης, γίνεται εφικτό να εξαχθούν οι απαραίτητες σχεδιαστικές τάσεις (design trends) ενός BWB ΜΕΑ, με σκοπό να καλυφθεί το ερευνητικό κενό που υπάρχει λόγο της καινοτομίας της πλατφόρμας και να διευκολυνθούν μελλοντικές μελέτες στην αρχική εκτίμηση βάρους και στη δημιουργία του πρώτου σχεδίου που απαιτείται κατά τη φάση του πρώιμου και του προκαταρκτικού σχεδιασμού. Διαπιστώθηκε ότι οι σημαντικότεροι παράμετροι που διέπουν το σχεδιασμό ενός BWB MEA σταθερής πτέρυγας είναι το διάταμα (AR), ο λόγος εγκλεισμού (λ) και η οπισθόκλιση στο c/4 (Λc/4). Oι παραμετρικές μελέτες της γεωμετρίας των canards ανέδειξαν τον κρίσιμο ρόλο των παραμέτρων σχεδιασμού τους στην αεροδυναμική απόδοση και τη διαμήκη ευστάθεια ενός ΒWB MEA. Η γωνία τοποθέτησης των canards (ic) και η οπισθόκλιση (Λ) είναι οι πιο επιδραστικές παράμετροι κατά το σχεδιασμό τους. Όσο αφορά την εφαρμογή καινοτόμων τεχνολογιών η παρούσα διατριβή εστίασε στη μεμονωμένη εφαρμογή των slats και τη χρήση των ΑΠΕ (ηλιακής ενέργειας) για τη πρόωση ενός BWB MEA. Σχετικά με τη χρήση των ΑΠΕ πέραν της τεκμηρίωσης της σκοπιμότητας (feasibility) των εναλλακτικών διαμορφώσεων, δεν προκύπτει σαφές πλεονέκτημα όσον αφορά την απόδοση. Παρόλα αυτά πρόκειται για μια καινοτόμα τεχνολογία η οποία σε συνδυασμό με άλλες τεχνολογίες μπορεί να οδηγήσει σε περαιτέρω αύξηση ενός BWB MEA. Η χρήση των slats επιτρέπει την αύξηση του CLmax έως 10%, αντίστοιχα, με πολύ μικρή αύξηση του GTOW ίση με 0.5% και έχει σημαντική συνεισφορά στο φαινόμενο του pitch break, μετατοπίζοντας την εμφάνιση του σε υψηλότερες γωνίες προσβολής σε σύγκριση ένα BWB MEA χωρίς slats. Επιπρόσθετα, μέσω μιας μεθοδευμένης και συστηματικής διαδικασίας, η παρούσα διατριβή αναγνώρισε καινοτόμες τεχνολογίες που είναι ικανές να προσφέρουν σημαντική βελτίωση στην αεροδυναμική απόδοση ενός BWB MEA και επιτρέπει την αξιολόγηση τόσο της μεμονωμένης όσο και της συνεργατική τους εφαρμογής σε αυτό. Συγκεκριμένα, τα slats, οι πτερυγικοί φράχτες (wing fences), οι μορφοποιούμενες επιφάνειες ελέγχου (morphing control surfaces) και ένα υβριδικό ηλεκτρικό σύστημα πρόωσης αναγνωρίστηκαν ως τέσσερις τεχνολογίες που δύναται είτε μεμονωμένα είτε συνδυαστικά να βελτιώσουν σημαντικά την απόδοση ενός BWB MEA σταθερής πτέρυγας και προτείνονται από τη παρούσα διατριβή για την εφαρμογή τους κατά τη διαδικασία σχεδιασμού ενός BWB MEA σταθερής πτέρυγας. Τέλος, η προτεινόμενη μεθοδολογία μπορεί να εφαρμοστεί και σε άλλες κατηγορίες αεροχημάτων σταθερής πτέρυγας, πέραν των ΜΕΑ, όπως ελαφρά επανδρωμένα, επιβατηγά ή μεταγωγικά, ενώ τα συμπεράσματα δύναται να αποτελέσουν σημείο αναφοράς για μελλοντικές προσπάθειες βελτιστοποίησης διαμορφώσεων τύπου BWB.