توسعه مدل آيروالاستيك هواپيماي كامل براي بررسي اثر انعطاف پذيري بر ضرايب ديناميك پروازي آن

Developing an Aero-Elastic Model of a Full Aircraft to Study the Effect of Flexibility on its Flight Dynamics Derivatives

هواپيماهاي بدون سرنشين كه اغلب سبك و انعطاف پذيرند از جمله وسايل پرنده پركاربرد در سال هاي اخير هستند كه بسيار مورد توجه طراحان حوزه هوافضا قرار گرفته اند. نكته مهم در مورد طراحي اين پرنده ها تاثير متقابل تغيير شكل هاي سازه و بارهاي آيروديناميكي است يعني انعطاف پذير بودن پرنده سبب مي شود حين اعمال بارهاي آيروديناميكي تغيير شكل هايي در پرنده ايجاد شود كه سبب تغيير در ضرايب و مشتقات آيروديناميكي آن خواهد شد. در پژوهش حاضر اثر انعطاف پذيري سازه بر مشتقات آيروديناميكي استاتيكي و ديناميكي و به ويژه پايداري عرضي پرنده، مورد مطالعه قرار گرفته و مدلي براي محاسبه سريع اين ضرايب معرفي شده است. اين مدل براساس روش آيروديناميك سريع و تير الاستيك است و براي پرنده كامل و نامقيد ارائه شده است. تحليل سازه با روش مودال و با استفاده از شكل مودهاي تير (با روش اجزا محدود) و محاسبات آيروديناميكي با روش پنل سه بعدي (تركيب چمشه و دابلت) انجام شده و معادلات آيروالاستيك پرنده كامل به صورت همگير و برحسب عملگرهاي ماتريسي توسعه داده شده است. در انتها پس از صحت سنجي هاي انجام شده، براي يك هواپيماي بدون سرنشين، تاثير انعطاف پذيري بر مشتقات در دو حالت مطالعه شده است. در يك حالت ضريب بار ليفت تغيير كرده و پس از تريم كردن پرنده، مشتقات مختلف محاسبه شده است. در حالت ديگر، با تغيير طول بال، مشتقات پرنده به ازاي مقادير مختلف نسبت منظري محاسبه شده است. نتايج نشان مي دهد كه انعطاف پذيري پرنده مورد مطالعه مي تواند تا چند ده برابر حالت صلب، افزايش در برخي مشتقات عرضي پرنده ايجاد كند.

Flexible and lightweight unmanned aerial vehicles (UAVs) have shown their widespread applications in recent years and hence attracted so much attention of various aerospace communities. Due to their high flexibility, the interactions of aerodynamic loading and structure deformations are the dominant factor in their design process. Aerodynamic loading causes a set of deformations in the structure which consequently alters aerodynamic coefficients. In the current study, the effect of UAV flexibility on aerodynamic derivatives and lateral stability of the vehicle was investigated and an efficient method is proposed to provide an accurate estimation of the aerodynamic coefficients. This method is based on fast aerodynamic calculations as well as the modal formulation of elastic beams and is given for a full free-free airplane. Vehicle analysis is conducted by using the Modal beam formulation (through finite element mode shapes) and aerodynamic calculations based upon the 3D panel method (source–doublet combination). The final aero-elastic coupled formulation for the whole system is also given in terms of matrix operators. Verification studies are conducted for a special type of UAV and flexibility effects on derivatives are evaluated in the two states. In a first evaluation, the lift load factor is altered and after trimming the airplane, various aerodynamic derivatives are computed while in the second evaluation, with varying the wingspan length, the aerodynamic derivatives are obtained at each aspect ratio of the wing. Results show that flexibility can enhance some of the stability derivatives of the UAV up to several times.