طراحی مفهومی و بهینه‌سازی کشتی هوایی ارتفاع بالا به‌وسیلة الگوریتم ژنتیک

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 کارشناس ‌ارشد / مجتمع دانشگاهی هوافضا، دانشگاه صنعتی مالک ‌اشتر، تهران

2 عضو هیات علمی / مجتمع دانشگاهی هوافضا، دانشگاه صنعتی مالک ‌اشتر، تهران

چکیده

در این مقاله روشی جهت طراحی مفهومی کشتی‌های هوایی ارتفاع بالا ارائه شده ‌است. با در نظر گرفتن یک بار محموله و به‌کمک روش ارائه‌شده، طراحی برای یک نمونة خاص انجام شد و پس از اعتبارسنجی طراحی انجام‌شده، بهینه‌سازی شکل بدنة کشتی هوایی به‌کمک الگوریتم ژنتیک و براساس تابعی ترکیبی شامل مساحت سطح، درگ محیطی و تنش حلقه‌ای وارد بر پوسته صورت گرفت. ابعاد هندسی، ضریب درگ حجمی، حداقل تنش حلقه‌ای وارد بر پوسته و وزن اجزای مختلف از جمله پارامترهای خروجی این روش طراحی می‌باشد. از نتایج به‌دست آمده مشاهده می‌شود که طراحی‌ انجام‌شده به‌وسیلة متدولوژی حاضر مطابقت خوبی با یک نمونة عملی انجام‌شده دارد. همچنین به‌کمک این روش، طراحی جهت کمترین پسای آیرودینامیکی، کمترین وزن و کمترین مساحت سطح پوسته به‌صورت جداگانه و به‌وسیلة الگوریتم ژنتیک حاصل شد. در ادامه برخی تحلیل‌های حساسیت انجام شد و میزان حساسیت طول کشتی هوایی به‌عنوان مهمترین پارامتر هندسی کشتی هوایی نسبت به پارامترهای متفاوت طراحی به‌دست آمد. در پایان براساس مقادیر به‌دست آمده در یکی از بهینه‌سازی‌های انجام‌شده چیدمانی کلی برای زیرسیستم‌های متفاوت پیشنهاد شد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Conceptual design & optimization of high altitude airship by genetic algorithm

نویسندگان [English]

  • Mahmoud Hashempour 1
  • Mehran Nosratollahi 2
چکیده [English]

This paper presents a methodology for conceptual design of long endurance stratospheric airships and establishes a baseline of specifications for a conventional configuration stratosphere airship, according to given performance and operational requirements. The methodology is validated by other design concepts, which previously developed for similar missions. The shape optimization of airship was introduced into the design process, and several optimum objectives can be selected including minimum drag, minimum surface area and minimum weight. Also, a multi-objective function was used to take account of various factors which influence airship subsystems- e.g. aerodynamics, structures, energy and weight- to determine the optimal shape of airship. An algorithm for generating the shape is developed and appropriate mathematical models for subsystems are constructed. Simulation results show the optimized shape gives an improvement in the multi-objective function compared with a reference shape. The baseline specifications of stratospheric airships designed for various shapes by this methodology are presented.

کلیدواژه‌ها [English]

  • high altitude Airship (HAA)
  • Conceptual design
  • multi-objective optimization Design
  • genetic algorithm
  • Sensitivity analysis
  • lighter than air vehicle (LTA)
  • stratosphere

[1] R. S. Pant, Methodology for Determination of Baseline Specifications of a Nonrigid Airship, Journal of Aircraft, Vol. 45, No. 6, pp. 2177-2182, 2008.

[2] J. A. Krausman, Investigation of various parameters affecting altitude performance of tethered aerostate, 11th Lighter-than-Air Systems Technology Conference, Clearwater Beach, FL, USA, 1995.

[3] M. A. Lobbia, R. H. Gong, A modular sizing model for high altitude/ long endurance airships, 44th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit Reno, Nevada, USA, 2006.

[4] Q. Wang, Others, A methodology for optimization, design and analysis of stratosphere airship, The Aeronautical Journal, Vol. 113, No. 1146, pp.533-540, 2009.

[5] Q. Z. Chen, M. Zhu, K. Sun, Analysis to effects on conceptual parameters of stratospheric airship with specified factors, Academy publisher, Journal of computers, Vol. 6, No. 5, pp. 1055-1062, 2011.

[6] T. A. Talay, Introduction to the Aerodynamics of Flight, NASA SP-367, Washington, USA, 1975.

[7] N. Yamamoto, We find an equation of egg shaped curved, TDCC LAB, Accessed on 25 june 2017; http://www.geocities.jp/nyjp07/index_egg_E.html.

[8] G. Khoury, J. Gillett, Airship technology, Cambridge University Press, 1999.

[9] A. J. Colozza, Initial Feasibility Assessment of a High Altitude Long Endurance Airship, NASA/CR-212724, 2003.

[10] M. Munk, The aerodynamic forces on airship hulls, National Advisory Committee for Aeronautics (NACA), Report No. 184, 1924.

[11] A. Noth, R. Siegwart, W. Engel, Design of solar powered airplanes for continuous flight, Doctoral Dissertation, Autonomous system laboratory, Institute of technology Zurich (ETHZ), Switzerland, 2007.

[12] G. Kantor, D. Wettergreen, J. Ostrowski, S. Singh, Collection of environment data from an airship platform, SPIE Conference on sensor fusion and decentralized control, USA, 2001.

[13] T. Muneer, Solar radiation and daylight models, Second edition, Elsevier Butterworth-Heinemann, Oxford, 2004.

[14] M. Nordestgaard, N. Bartel, L. Ravenscroft, M. Arjomandi, Design and Build a Small Airship, project report, University of Adelaide, Australia, 2007.

[15] A. C. Gawal, A. A. Raina, R.S. Pant, Design, Fabrication and Operation of Remotely Controlled Airships in India, 18th AIAA Lighter-Than-Air Systems Technology Conference, Seattle, Washangton, 2009.

[16] E. R. Moomey, Technical feasibility of loitering Lighter-Than-Air Near-space maneuvering vehicles, Master of science thesis, Department of Aeronautics and Astronautics, Air Force Institute of Technology, Ohio, USA, 2005.

[17] G. Romeo, G. Frulla, E. Cestino, Design of a high-altitude long-endurance solar-powerd unmanned air vehicle for multi-payload and operations, Journal of Aerospace Engineering, Vol. 221, No. 2, pp.199-216, 2007.

[18] J. B. Mueller, M. A. Paluszek, Y. Zhao, Development of an Aerodynamic Model and Control Law Design for a High Altitude Airship, AIAA 3rd unmanned unlimited technical conference, Chicago, Illinois, 2004.

[19] M. Kia, Genetic Algorithms in MATLAB, Tehran, Kian Rayaneh Sabz Publ., 2009. (in Persianفارسی )

[20] Q. Wang, J. Chen, G. Fu, D. Duan, An approach for shape optimization of stratosphere airships based on multidisciplinary design optimization, Journal of Zhejiang University Vol. 10, No. 11, pp. 1609-1616, 2009.