توسعه مدل آیروالاستیک هواپیمای کامل برای بررسی اثر انعطاف‌پذیری بر ضرایب دینامیک پروازی آن

هواپیماهای بدون سرنشین که اغلب سبک و انعطاف پذیرند از جمله وسایل پرنده پرکاربرد در سال های اخیر هستند که بسیار مورد توجه طراحان حوزه هوافضا قرار گرفته اند. نکته مهم در مورد طراحی این پرنده ها تاثیر متقابل تغییر شکل های سازه و بارهای آیرودینامیکی است یعنی انعطاف پذیر بودن پرنده سبب می شود حین اعمال بارهای آیرودینامیکی تغییر شکل هایی در پرنده ایجاد شود که سبب تغییر در ضرایب و مشتقات آیرودینامیکی آن خواهد شد. در پژوهش حاضر اثر انعطاف پذیری سازه بر مشتقات آیرودینامیکی استاتیکی و دینامیکی و به ویژه پایداری عرضی پرنده، مورد مطالعه قرار گرفته و مدلی برای محاسبه سریع این ضرایب معرفی شده است. این مدل براساس روش آیرودینامیک سریع و تیر الاستیک است و برای پرنده کامل و نامقید ارائه شده است. تحلیل سازه با روش مودال و با استفاده از شکل مودهای تیر (با روش اجزا محدود) و محاسبات آیرودینامیکی با روش پنل سه بعدی (ترکیب چمشه و دابلت) انجام شده و معادلات آیروالاستیک پرنده کامل به صورت همگیر و برحسب عملگرهای ماتریسی توسعه داده شده است. در انتها پس از صحت سنجی های انجام شده، برای یک هواپیمای بدون سرنشین، تاثیر انعطاف پذیری بر مشتقات در دو حالت مطالعه شده است. در یک حالت ضریب بار لیفت تغییر کرده و پس از تریم کردن پرنده، مشتقات مختلف محاسبه شده است. در حالت دیگر، با تغییر طول بال، مشتقات پرنده به ازای مقادیر مختلف نسبت منظری محاسبه شده است. نتایج نشان می دهد که انعطاف پذیری پرنده مورد مطالعه می تواند تا چند ده برابر حالت صلب، افزایش در برخی مشتقات عرضی پرنده ایجاد کند.

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

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 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 formulation of elastic beams and is given for a full freefree 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 ndash;doublet combination). The final aeroelastic coupled formulation 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.