بررسی عملکرد آیرودینامیکی یک مدل تجربی بال شکل‌پذیر با طول دهنۀ متغیر

علوم کاربردی و محاسباتی در مکانیک

مقاله 6، دوره 27، شماره 1 - شماره پیاپی 13، اسفند 1394، صفحه 35-50   

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

شناسه دیجیتال (DOI): 10.22067/fum-mech.v27i1.38491

نویسندگان

عباس طربی^{* 1}؛ سجاد قاسملو²؛ محمود مانی³

¹صنعتی مالک اشتر

²دانشگاه مالک اشتر

³امیر کبیر

چکیده

در تحقیق حاضر، طرح شکل‌پذیر بال با طول دهنۀ متغیر روی بال یک پهپاد به‌منظور دست‌یابی به عملکرد بهینه در رژیم‌های مختلف پروازی در تونل باد مورد بررسی قرارگرفته است. برای اجرای این طرح، یک بال شکل‌پذیر به‌همراه مکانیزم‌های مربوط به آن طراحی، ساخته و تست ‌شده است. آزمایش‌ها در یک تونل باد سرعت‌‌پایین در سرعت‌های 35، 60 و 80 متر بر ثانیه در محدودۀ عدد ‌رینولدز بین 250×〖10〗^3 تا 620×〖10〗^3 انجام‌گرفته است.‌ برای اجرای طرح شکل‌پذیر، تغییر طول بال نسبت به بال پایه، 38 درصد و میزان تغییر ضریب منظری نیز 74 درصد می‌باشد. نتایج تجربی نشان‌دهندۀ بهبود ویژگی‌های آیرودینامیکی بال شکل‌پذیر نسبت به بال پایه می‌باشد، این مسئله به فرم کاهش پسای القایی و نیروی رانش موردنیاز و افزایش ضریب برآ، راندمان آیرودینامیکی و افزایش مداومت و برد پرواز ظاهرشده است. طبق نتایج، مداومت و برد پروازی بال شکل‌پذیر نسبت به بال پایه به‌ترتیب 17 و 5 درصد افزایش داشته است. مطالعات تجربی انجام‌شده نشان می‌دهد که بیشترین راندمان آیرودینامیکی مدل بال در زاویۀ حمله 4 درجه و حداکثر مقدار آن 8/14 برای بال پایه، 3/16 برای بال شکل‌پذیر با افزایش طول 50 درصد(5 سانتی‌متر) و 4/17 درصد برای بال شکل‌پذیر با افزایش طول 100 درصد
(10 سانتی‌متر) می‌باشد. در این تحقیق هم‌چنین نشان داده ‌شده است که چگونه می‌توان از طرح بال شکل‌پذیر به‌عنوان یک روش جایگزین برای کنترل حرکات غلت به‌جای روش کنترل غلت سنتی (سطوح کنترل شهپر) استفاده نمود. به‌نحوی‌ که در مقایسه با کنترل غلت معمولی استفاده از روش طول متغیر قدرت کنترل غلت را افزایش خواهد داد.

کلیدواژه‌ها

بال شکل‌پذیر؛ بال با طول متغیر؛ تونل باد؛ برد و مداومت پرواز؛ ضرایب آیرودینامیکی

مراجع

1. Galantai, V.P., "Design and Analysis of Morphing Wing for Unmanned Aerial Vehicles", phD Thesis,Department of Mechanical and Engineering,University of Toronto,(2010).

2. Joshi, S.P., Tidwell, Z., Crossley, W.A. and Ramakrishnan, S., "Comparison of Morphing Wing Strategies Based Upon Aircraft Performance Impacts", 45th AIAA/ASME/ASCE/AHS/ASC Structures, Structural Dynamics & Materials Conference, Palm Springs, California, April 19-22, (2004).

3. SH, M.A. and Kumar, C.A., "A Review of Unmanned Aerial Vehicle and their Morphing Concepts Evolution and Implications for the Present Day Technology", International Journal of Mechanical Engineering and Technology (IJMET), Vol. 4, No. 4, pp. 348-356, July - August (2013).

4. Weisshaar, T.A., "Morphing aircraft technology-new shapes for aircraft design", Purdue Univ Lafayette In, (2006).

5. AeroVisions Inc., http://www.canosoarus.com., Accessed 22 May (2011).

6. Arrison, L., Birocco, K., Gaylord, C., Herndon, B., Manion, K. and Metheny, M., "2002-2003 AE/ME Morphing Wing Design", Spring Semester Final Report, Virginia Tech Aerospace Engineering Senior Design Project, (2003).

7. Neal, D.A., Good, M.G., Johnston, C.O., Robertshaw, H.H., Mason, W.H. and Inman, D.J., "Desing and Wind-Tunnel Analysis of a Fully Adaptive Aircraft Configuration", In: 45th AIAA/ASME/ASCE/AHS/ASC Structures, Structural Dynamics, and Materials Conference, Palm Springs, April 19-22, (2004).

8. Bae, J.S., Seigler, T.M. and Inman, D.J., "Aerodynamic and Static Aeroelastic Characteristics of a Variable-Span Morphing Wing", Journal of Aircraft, Vol. 42, No. 2, pp. 528-534, (2005).

9. Han, C., Lee, S. and Ruy, K., "Experimental Study of a Telescopic Wing Inside Channel", Engineering Notes, Journal of Aircraft, Vol. 44, No. 3, pp. 1029-1030, (2007).

10. Gamboa, P., Aleixo, P., Vale, J., Lau, F. and Suleman, A., "Design and Testing of a Morphing Wing for an Experimental UAV", University of Beria Interior Covilha (Portugal), Nov. (2007).

11. do Vale, J.L., Leite, A., Lau, F. and Suleman, A., "Aero-Structural Optimization and Performance Evaluation of a Morphing Wing with Variable Span and Camber", Journal of Intelligent Material Systems and Structures, vol. 22, 10: pp. 1057-1073., July(2011).

12. Ajaj, R.M., Saavedra Flores , E.I., Friswell, M.I., Allegri, G., Woods, B.K.S., Isikveren, A.T. and Dettmer, W.G., "The Zigzag wingbox for a span morphing wing", Aerospace Science and Technology, Vol. 28, No. 1, pp. 364-375, (2013).

13. Beaverstock, C.S., Ajaj, R.M., Friswell, M.I., De Breuker, R. and Werter, N.P.M., "Optimizing Mission Performance for a Morphing MAV", Ankara International Aerospace Conference, METU, Ankara Turkey, 11-13 September (2013).

14. Zi-Wu, G. and Yong-Liang, Y., "Study on Aerodynamics and Mechanisms of Elementary Morphing Models for Flapping Wing in Bat Forward Flight", Journal of Arshiv preprint, Arshiv:1403.6824,Journal of Physics and Fluid Dynamics,27 May (2014) .

15. Gopalarathnam, A., Ramasubramanian, M.K. and Wu, F., "Innovative Revolutionary Airspace Designs Advanced Aircraft Wing Concept with Micro- and Macro-Morphing Capability", Department of Mechanical and Aerospace Engineering, North Carolina State University Students supported: Jeffrey Jepson and Qifu Li, 16 May (2003).

16. Li, M., Chen, W.M., Guan, D. and Li, W., "Experimental Validation of Improving Aircraft Rolling Power Using Piezoelectric Actuators", Chinese Journal of Aeronautics, Vol. 18, No. 2, May (2005).

17. Stanford, B., Ifju, P., Albertani, R. and Shyy, W., "Fixed membrane wings for micro air vehicles: Experimental characterization, numerical modeling, and tailoring", Progress in Aerospace Sciences , Vol. 44, No. 4, pp. 258–294, (2008).

18. Bagassi, S., Francia, D. and Persiani, F., "Preliminary Study of a New UAV Concept: The Variable Geometry Vehicle", 27th International Congress of the Aeronautical Sciences,Nice France,19-24 September (2010).

19. Circiu, I. and Prisacariu, V., "Command and Control of the Flying Wing in the Morphing Concept", Review of the Air Force Academy, Vol. 11, No. 1(23), (2013).

20. Probst, T.A., David, B. and Kochersberger, K., "Design and Flight Test of a Morphing UAV Flight Control System", 51st AIAA Aerospace Sciences Meeting including the New Horizons Forum and Aerospace Exposition, Grapevine (Dallas/ft. Worth region),Texas,7-10 January (2013).

21. Tropea, C., yarin, A.L. and Foss, J.F., "Springer handbook of experimental fluid mechanics", Vol. 1, pp. 1047-1060, (2007).

22. Utsunomiya, H., Nagao, F., Ueno, Y. and Noda, M., "Basic study of blockage effects on bluff bodies", Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, Vol. 49, No. 1, pp. 247-256, (1993).

23. Turki, S., Abbassi, H. and Nasrallah, S.B.," Effect of the blockage ratio on the flow in a channel with a built-in square cylinder", Computational Mechanics, Vol. 33, No. 1, pp. 22-29, (2003).

24. Kuchemann, D., "The Aerodynamic Design of Aircraft", Progress in aeronautical sciences, Pergamon, London, (1978).

25. Sadraey, M., "Aircraft Design: A Systems Engineering Approach", John Wiley & Sons, Vol. 71, (2012).

26. Anderson, J.D., "Aircraft Performance and Design", McGraw-Hill, New York, pp. 199-314, (1999).

27. Henry, G.G.,"Roll Control for UAVs by Use of a Variable Span Morphing Wing", Thesis Master of Science, University of Maryland, pp. 24-30, (2005).