فناوری در مهندسی هوافضا

فناوری در مهندسی هوافضا

طراحی و بهینه‌سازی آیرودینامیکی با استفاده از اصلاح منحنی توزیع فشار در پرنده بال ثابت

نوع مقاله : علمی پژوهشی

نویسندگان
1 دانشجوی کارشناسی ارشد، دانشکده مهندسی فناوری‌های نوین، دانشگاه شهید بهشتی، تهران، ایران
2 دانشکده مهندسی فناوری‌های نوین، دانشگاه شهید بهشتی، تهران، ایران
چکیده
پرنده‌های بال‌ثابت از انواع سازه‌های هوانوردی هستند که با طراحی یک بال به صورت ثابت و بدون حرکت بر روی بدنه متصل می‌شود و با ایجاد نیروی برآ توسط بال توان پرواز برای پرنده ایجاد می‌شود. این نوع از پرنده به دلیل بازده آیرودینامیکی بالا و توانایی پرواز در مسیرهای طولانی نسبت به انواع دیگر پرنده‌ها، در مقالات مرتبط با طراحی وسایل پرنده مورد توجه قرار گرفته‌اند. در این مقاله طراحی مفهومی و بهینه‌سازی یک پرنده بال ثابت انجام شده است. به همین منظور، ابتدا پژوهش‌های پیشین و نمونه‌های مختلف بررسی و سپس ماموریت پرنده تعیین شده است. در طراحی این پرنده به مسائل مختلف در حوزه آیرودینامیک و دینامیک پرواز پرنده پرداخته خواهد شد تا با بهینه‌سازی پرنده در این حوزه‌ها به یک طراحی مناسب دست یافت. رفع نویز موجود در نمودارهای توزیع فشار روی سطح ایرفویل و تغییر ایرفویل با استفاده از تغییر منحنی توزیع فشار از بهینه‌سازی‌های انجام شده در این مقاله است. همچنین تاثیر تغییر شکل دم و همچنین تغییر در اندازه و محل سطوح کنترلی پرنده نیز مورد بررسی قرار گرفته است. در نهایت با شبیه‌سازی‌های مختلف بر روی این پرنده توانایی پرواز مستقیم و مانور پرنده مورد بررسی قرار خواهد گرفت. مانور شیرجه نیز که یکی از بحرانی‌ترین مانورهای این پرنده به شمار می‌رود در ادامه به صورت مجزا بررسی شده و توانایی بازیابی پرنده از این حالت و انتقال به پرواز مستقیم بررسی گردیده است. در نهایت نتایج بدست آمده از شبیه‌سازی‌ها، توانایی پرواز مستقیم و مانور این پرنده را تایید می‌کند.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

Design, Aerodynamic Optimization Using Pressure Distribution Curve Modification in Fixed-Wing Aerial Vehicle

نویسندگان English

Pouya Norouzi 1
M. Navabi 2
1 New Technologies Engineering Faculty, Shahid Beheshti University, Tehran, Iran
2 Faculty of New Technologies Engineering,, Shahid Beheshti University, Tehran, Iran
چکیده English

Fixed-wing aerial vehicles are a class of aeronautical structures in which a rigid, non-moving wing is attached to the fuselage, and flight is enabled through the generation of aerodynamic lift by the wing. Due to their high aerodynamic efficiency and capability for long-range flight, this type of aerial vehicle has received significant attention in studies related to design of flying vehicles. In this study, the design of a fixed-wing aerial vehicle has been presented. To this end, previous researches has been thoroughly reviewed. Based on these evaluations, the primary mission requirements and operational objectives of the designed aerial vehicle have been defined. The design process addresses key issues in aerodynamics and flight dynamics in order to achieve an appropriate and optimized configuration. The optimization efforts include reducing noise in the pressure distribution plots over the airfoil surface and modifying the airfoil through adjustments to the pressure distribution curve. In addition, the effects of changes in tail geometry, as well as variations in the size and placement of the vehicle’s control surfaces, are investigated. Finally various simulations are performed to evaluate the vehicle’s ability to maintain steady, level flight and to assess its maneuvering performance. The dive maneuver, considered one of the most critical flight conditions for this vehicle. Therefore, the vehicle’s capability to recover from a dive and transition smoothly back into level flight is analyzed in detail. The simulation results ultimately confirm the vehicle’s capability to achieve stable straight-and-level flight and satisfactory maneuverability.

کلیدواژه‌ها English

Aerodynamic Optimization
Pressure Distribution Modification
Six-Degree-of-Freedom Simulation
Mode's Roots Analysis
Fixed-Wing Aerial Vehicle Design
[1].    MarketsandMarkets. "Agriculture Drones Market." MarketsandMarkets. [Online]. Available: "https://www.marketsandmarkets.com/Market-Reports/agriculture-drones-market-23709764.html" (Accessed 1.15.2025(.
[2].   G. Cai, K. -Y. Lum, B. M. Chen and T. H. Lee, "A brief overview on miniature fixed-wing unmanned aerial vehicles," IEEE ICCA 2010, Xiamen, China, 2010, pp. 285-290, https://doi.org/10.1109/ICCA.2010.5524453.
[3].    C. Thipyopas and J.-M. Moschetta, "A Fixed-Wing Biplane MAV for Low Speed Missions," International Journal of Micro Air Vehicles, vol. 1, no. 1, pp. 13-33, 2009.. https://doi.org/10.1260/1756-8293.1.1.13
[4].   J. L. Lin, C. Y. Wei, and C. Y. Lin, "Design and testing of fixed‐wing MAVs," Aircraft Engineering and Aerospace Technology, vol. 79, no. 4, pp. 346-351, 2007. https://doi.org/10.1108/00022660710758213
[5].    M. Keennon and J. Grasmeyer, "Development of Two MAVs and Vision of the Future of MAV Design," in AIAA International Air and Space Symposium and Exposition: The Next 100 Years, 2014. https://doi.org/10.2514/6.2003-2901.
[6].   J. Ahn and D. Lee, "Airfoil Designs and Free-Flight Tests of a Fixed Wing MAV Design," in 30th AIAA Applied Aerodynamics Conference, 2012. https://doi.org/10.2514/6.2012-2774
[7].    P. Cosyn and J. Vierendeels, "Design of fixed wing micro air vehicles," The Aeronautical Journal, vol. 111, no. 1119, pp. 315-326, 2016. https://doi.org/10.1017/S0001924000004565
[8].    M. Hassanalian and A. Abdelkefi, "Design, manufacturing, and flight testing of a fixed wing micro air vehicle with Zimmerman planform," Meccanica, vol. 52, no. 6, pp. 1265-1282, 2016. https://doi.org/10.1007/s11012-016-0475-2
[9].    S. Fari, "Guidance and Control for a fixed-wing UAV," Master of Science, School of Industrial and Information Engineering, Politecnico Di Milano, 2017. https://doi.org/10.13140/RG.2.2.24973.28641
[10]. Zhang, Yixuan, Qinyang Zhao, Peifu Mao, Qiaofeng Bai, Fuzhong Li, and Svitlana Pavlova. 2024. "Design and Control of an Ultra-Low-Cost Logistic Delivery Fixed-Wing UAV" Applied Sciences 14, no. 11: 4358. https://doi.org/10.3390/app1411435
[11]. A. Psarros et al., "Detail and structural design of a fixed-wing BWB UAV," Journal of Physics: Conference Series, vol. 2716, no. 1, p. 012069, 2024/03/01 2024, https://doi.org/10.1088/1742-6596/2716/1/012069.
[12]. N. Z. B. Taufik and N. A. A. Qasem, "Enhancing aerodynamics performance: A redesign approach for the forward-swept fixed-wing UAV," Transportation Research Procedia, vol. 84, pp. 649-656, 2025/01/01/ 2025, https://doi.org/10.1016/j.trpro.2025.03.120.
[13]. Ö. Dündar, M. Bilici, and T. Ünler, "Design and performance analyses of a fixed wing battery VTOL UAV," Engineering Science and Technology, an International Journal, vol. 23, no. 5, pp. 1182-1193, 2020/10/01/ 2020, https://doi.org/10.1016/j.jestch.2020.02.002.
[14]. H. Zhu, W. Zhang, and J. Sun, "Multimodal bioinspired flapping-wing vehicle (M−bioFMAV): Design and aerodynamic optimization for agricultural plant protection in greenhouses," Computers and Electronics in Agriculture, vol. 241, p. 111261, 2026/02/01/ 2026, doi: https://doi.org/10.1016/j.compag.2025.111261.
[15]. W. Li and B. Wu, "Computational fluid dynamics investigation of aerodynamics for agricultural drones," Computers and Electronics in Agriculture, vol. 227, p. 109528, 2024/12/01/ 2024, doi: https://doi.org/10.1016/j.compag.2024.109528.
[16]. T. S. Tao and R. J. Hansman, "Development of an In-Flight-Deployable Micro-UAV," in 54th AIAA Aerospace Sciences Meeting. http://hdl.handle.net/1721.1/114244
[17]. CanSat Competition 2024 Design Requirements, A. R. Institute, Aerispace Research Institute, 2024. [Online]. Available: https://www.ari.ac.ir/images/sampledata/jm_m aktab/cansat/1402/ekteshafi-1402.pdf
[18]. J. Roskam, Airplane Flight Dynamics and Automatic Flight Controls (no. p. 1). Design Analysis and Research Corporation, 1998.
[19].    P. H. Zipfel, Modeling and simulation of aerospace vehicle dynamics, 2nd ed. (AIAA education series). Reston, Va: American Institute of Aeronautics and Astronautics, 2007.
 

  • تاریخ دریافت 08 شهریور 1404
  • تاریخ بازنگری 26 شهریور 1404
  • تاریخ پذیرش 03 مهر 1404
  • تاریخ اولین انتشار 03 مهر 1404