دانش و فناوری هوافضا

دانش و فناوری هوافضا

تحلیل و بهینه‌سازی ساختار سطح مقطع بال‌های باد شونده و ارائه طرح جدید الهام گرفته از طبیعت

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
ایمان معمار 1
جعفر قنبری 2
علی محمد شیروانی 3
1 کارشناسی ارشد، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی قم
2 استادیار، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی قم
3 کارشناسی ارشد، دانشکده مهندسی هوافضا، دانشگاه صنعتی مالک اشتر
چکیده
بال‌های هوشمند یا تغییر شکل پذیر در طراحی هواپیماها و پهپادها مورد توجه قرار دارند. استفاده از بال‌های تغییر شکل پذیر باعث می‌شود پرنده در حالت‌های مختلف پروازی خود، شکل و پروفیل‌های متناسبی را در بال‌های خود داشته باشد. این کار مزیت‌های فراوانی دارد که از جمله آنها می‌توان به عدم الزام یکسان بودن ابعاد اولیه و پروازی پرنده اشاره کرد. یکی از انواع بال‌های تغییر شکل پذیر، بال‌های بادشونده هستند که در آنها سازه بال از موادی مانند الاستومرهای تقویت شده ساخته می‌شود و در حالت اولیه بصورت جمع‌شده در داخل بدنه پرنده قرار می‌گیرد. بال‌ها در زمان مناسب با اعمال فشار گاز،  باد شده و گسترش می‌یابند. در این مقاله، انواع بال‌های باد شونده و تغییر شکل پذیر بررسی شده و پارامتر‌های مهم طراحی مانند شکل و تعداد بافل‌ها در عملکرد بال مطالعه می‌شوند. همچنین با الهام از ساختار پر پرندگان، طرح جدیدی ارائه شده و با انجام بهینه‌سازی، پارامترهای طراحی آن استخراج شده است. نتایج این پژوهش نشان داده است که عملکرد طرح جدید نسبت به طرح اولیه بهبود قابل ملاحظه‌ای از نظر سازه‌ای و آیرودینامیکی یافته است. نیروی برآ برای بال با بافل های مستطیلی برای سرعت حرکت ۷۵ متر بر ثانیه و زاویه حمله صفر ۷۶۹ نیوتن بدست آمد در حالیکه این مقدار برای بافل های با الهام از پر ۱۰۷۰ نیوتن حاصل شد. در عین حال، نیروی پسا برای بافل مستطیلی ۶۴ نیوتن و برای بافل الهام گرفته از پر شکل ۴۳ نیوتن بدست آمد که نشان دهنده عملکرد بهتر این نوع طراحی می باشد.
کلیدواژه‌ها
پرنده هدایت پذیر از دور
بال شکل پذیر
بال باد شونده
بهینه سازی
الهام از طبیعت

موضوعات

عنوان مقاله English

Analysis and optimization of the cross-sectional structure of inflatable wings and proposing a novel bio-inspired design

نویسندگان English

Iman Memar 1
Jaafar Ghanbari 2
Ali Mohammad Shirvani 3
1 Graduated Student, Department of Mechanical Engineering, Qom University of Technology, Qom
2 Assistant Professor, Department of Mechanical Engineering, Qom University of Technology, Qom
3 Graduate Student, Department of Aerospace Engineering, Maleke Ashtar University of Technology, Isfahan
چکیده English

Intelligent or deformable wings are gaining researchers’ attraction in the design of airplanes and drones. The use of deformable wings allows the air vehicles to have appropriate shapes and profiles in its wings in different flight modes which has many advantages, among which we can point out that the initial on-ground, and flight-mode dimensions of the vehicle are not required to be the same. One type of deformable wings are inflatable wings, in which the wing structure is made of materials such as reinforced elastomers, and in the initial state, it is folded inside the vehicle’s body. The wings inflate and expand by applying gas pressure. In this article, the types of inflatable and deformable wings are reviewed and important design parameters such as the shape and number of baffles in wing performance are studied. Also, inspired by the structure of bird feathers, a new design has been presented and its design parameters have been extracted by optimization. The results of this research have shown that the performance of the new design compared to the original one has been significantly improved in terms of structure and aerodynamics.

کلیدواژه‌ها English

Unmanned Air Vehicles
Morphing wings
Inflatable wings
Optimization
[1] S. La, W. Y. Joe, M. Akbar, and B. Alsaidi, Surveys on Skin Design for Morphing Wing Aircraft: Status and Challenges, AIAA Aerospace Sciences Meeting, American Institute of Aeronautics and Astronautics, 2018.
[2] D. Cadogan, T. Smith, F. Uhelsky, and M. Mackusick, Morphing Inflatable Wing Development for Compact Package Unmanned Aerial Vehicles, 45th AIAA/ASME/ASCE/AHS/ASC Structures, Structural Dynamics &ampamp Materials Conference, American Institute of Aeronautics and Astronautics, 2004.
[3] S. D. Landon, S. P. Magleby, and B. D. Jensen, A Compliant Rotating Joint for Deployable Wings on Small UAVs, 31st Mechanisms and Robotics Conference, Parts A and B, ASMEDC, 2007.
[4] N. A. Dollah, M. R. Saad, and A. CheIdris, Inflatable structure for aerospace application: Historical perspective and future outlook, Journal of Fundamental and Applied Sciences, vol. 9, no. 3S, p. 317, 2018.
[5] N. Mandlekar, M. Joshi, and B. S. Butola, A review on specialty elastomers based potential inflatable structures and applications, Advanced Industrial and Engineering Polymer Research, vol. 5, no. 1, pp. 33–45, 2022.
[6] S. Smith, J. Jacob, R. Jones, S. Scarborough, and D. Cadogan, A High-Altitude Test of Inflatable Wings for Low-Density Flight Applications, 47th AIAA/ASME/ASCE/AHS/ASC Structures, Structural Dynamics, and Materials Conference, 2006.
[7] Z. Wang and H. Wang, Inflatable Wing Design Parameter Optimization Using Orthogonal Testing and Support Vector Machines, Chinese Journal of Aeronautics, vol. 25, no. 6, pp. 887–895, 2012.
[8] B. Bezuidenhout, Design methodology for an inflatable membrane aerofoil using numerical shape optimization, PhD Thesis, Stellenbosch University, Stellenbosch, South Africa. 2020.
[9] P. Gaddam, J. Hill, and J. Jacob, Aerostructural Interaction and Optimization of Inflatable Wings, 40th Fluid Dynamics Conference and Exhibit, American Institute of Aeronautics and Astronautics, 2010.
[10]  J. D. Jacob, S. W. Smith, D. Cadogan, and S. Scarborough, Expanding the Small UAV Design Space with Inflatable Wings, SAE Technical Paper, 2007.
[11]  S. J. I. Walker, A. D. McDonald, T. Niki, and G. S. Aglietti, Initial performance assessment of hybrid inflatable structures, Acta Astronaut, vol. 68, no. 7–8, pp. 1185–1192, 2011.
[12]  K. M. McNamara, W. Carroll, T. Tsukada, B. Loh, and J. D. Jacob, Pressure Maintenance of High-Altitude Inflatable Kite Systems, AIAA Aviation Forum, American Institute of Aeronautics and Astronautics, 2020.
[13]  A. Brown and E. Johnson, Modeling and Flight Testing of the Longitudinal Dynamics of an Inflatable Wing UAV, AIAA Atmospheric Flight Mechanics Conference, American Institute of Aeronautics and Astronautics, 2011.
[14]  D. Reasor, R. LeBeau, S. Smith, and J. Jacob, Flight Testing and Simulation of a Mars Aircraft Design Using Inflatable Wings, 45th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, American Institute of Aeronautics and Astronautics, 2007.
[15]  A. Simpson, N. Coulombe, J. Jacob, and S. Smith, Morphing of Inflatable Wings, 46th AIAA/ASME/ASCE/AHS/ASC Structures, Structural Dynamics and Materials Conference, American Institute of Aeronautics and Astronautics, 2005.
[16]  A. Simpson, M. Usui, S. Smith, and J. Jacob, Aeromechanics of Inflatable Airfoils, 34th AIAA Fluid Dynamics Conference and Exhibit, American Institute of Aeronautics and Astronautics, 2004.
[17]  A. Simpson et al., Flying on air: UAV flight testing with inflatable wing technology, AIAA 3rd Unmanned-Unlimited Technical Conference, Workshop, and Exhibit, vol. 2, pp. 855–869, 2004.
دانش و فناوری هوافضا
دوره 13، شماره 1
شهریور 1403
صفحه 81-96