Improvement and optimisation of gyroplane performance

• Autorzy: Stalewski W.

Warianty tytułu

PL

Poprawa i optymalizacja osiągów wiatrakowca

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The aim of this study was to investigate possibilities of improving performance characteristics of light gyroplane, as well to propose new or improved solutions enhancing performance of this type of rotorcraft. The study has been conducted based on computational methods of Computational Fluid Dynamics, Flight Dynamics, Computer Aided Design and Optimisation. Results of the research confirm that using advanced computational methods it is possible to improve significantly the performance characteristics of light gyroplane. It can be chieved both through optimisation of the main rotor design and flight control strategy. An unconventional approach to rotorcraft optimisation has been presented, distinguishing by the fact that the objective was calculated based on computer imulations of selected states of gyroplane flight. One of the optimised main rotors had already been examined during flight tests, which confirmed its good performance‑and‑exploitation properties and its advantage over classic gyroplane rotors. Developed by the author the family of gyroplane airfoils is a valuable alternative to classic airfoils utilised so far. The same applies to the blades built based on those airfoils. In particular, it concerns the unconventional design of the rotor blade of span-variable: chord and relative thickness. The developed methodology of numerical optimisation of flight‑control strategy during the jump takeoff of the gyroplane presents an original approach to those problems and may be valuable tool supporting gyroplane-pilot training.

PL

Celem pracy było zbadanie możliwości poprawy właściwości eksploatacyjnych lekkiego wiatrakowca, jak również zaproponowanie nowych lub ulepszonych rozwiązań zwiększających osiągi tego typu wiropłatów. Prace badawcze przeprowadzono w oparciu o metody Obliczeniowa Mechaniki Płynów, Mechaniki Lotu, Komputerowego Wspomagania Projektowania i Optymalizacji Inżynieryjnej. Wyniki zrealizowanych badań potwierdzają, że przy użyciu zaawansowanych metod obliczeniowych można znacznie poprawić właściwości osiągowe lekkiego wiatrakowca. Można to osiągnąć zarówno poprzez optymalizację konstrukcji wirnika nośnego jak i poprzez optymalizację strategii kontroli lotu wiatrakowca. Przedstawiono niekonwencjonalne podejście do optymalizacji wiropłatów, wyróżniające się tym, że funkcja celu była obliczana na podstawie komputerowej symulacji wybranych stanów lotu wiatrakowca. Jeden z nowo zaprojektowanych wirników został już przetestowany podczas prób w locie, które potwierdziły jego dobre osiągi i właściwości eksploatacyjne oraz przewagę tego wirnika nad konstrukcjami klasycznymi. Opracowana przez autora rodzina dedykowanych profili wiatrakowcowych stanowi konkurencyjną alternatywę w stosunku do klasycznych profili aerodynamicznych stosowanych zazwyczaj do konstrukcji łopat wiatrakowca. To samo odnosi się do łopat wirnika nośnego zbudowanych w oparciu o nowo zaprojektowane profile. W szczególności dotyczy to konstrukcji niekonwencjonalnych łopat wirnika charakteryzujących się zmiennymi wzdłuż rozpiętości: cięciwą i względną grubością przekrojów łopaty. Opracowana metodologia numerycznej optymalizacji strategii kontroli lotu podczas bezrozbiegowego startu wiatrakowca, prezentuje oryginalne podejście do tego typu problemów i może stanowić cenne narzędzie wspomagające proces szkolenia pilotów wiatrakowców.

Słowa kluczowe

EN

rotorcraft performance; gyroplane; jump takeoff; main rotor; design and optimisation

PL

osiągi wiropłatów; wiatrakowiec; bezrozbiegowy start; wirnik główny; projektowanie i optymalizacja

• Wydawca: Wydawnictwa Naukowe Instytutu Lotnictwa
• Czasopismo: Prace Instytutu Lotnictwa
• Rocznik: 2017
• Tom: Nr 4 (249)
• Strony: 103--122
• Opis fizyczny: Bibliogr. 22 poz., rys., tab., wykr., wzory

Twórcy

autor

Stalewski W.

• Institute of Aviation, Al. Krakowska 110/114, 02-256 Warsaw, Poland

Bibliografia

• [1] ANSYS Inc., “ANSYS FLUENT User’s Guide. Release 14.5”, 2013, available at: http://www.ansys.com
• [2] Capon, P. T. , 1979, Cierva’s First Autogiros, Aeroplane Monthly, Vol. 7, No. 4, May 1979, pp. 234-240.
• [3] Cieślak S., 2011, Analiza możliwości zwiększenia prędkości przelotowej i zmniejszenia poziomu hałasu wiatrakowca (“Analysis of the possibility of increasing cruise speed and reduce autogiro’s noise”), Prace Instytutu Lotnictwa, Nr 219, s. 31-38. (in Polish)
• [4] Cieślak S., 2011, Analiza wpływu czynników konstrukcyjnych oraz parametrów sterowania na czas trwania i wysokość bezrozbiegowego startu wiatrakowca (”Analysis of the impact of design factors and control parameters on duration and height of autogiro’s jump start”), Prace Instytutu Lotnictwa, Nr 219, s. 39-46. (in Polish)
• [5] Drela M., Youngren H., Scherrer M., and Deperrois A., 2012, “XFLR 5”, available at: http://www.xflr5.com/xflr5.htm
• [6] Floros M.W., Johnson W., Performance Analysis of the Slowed Rotor Compound Helicopter Configuration, Journal of the American Helicopter Society. Presented at the AHS 4th Decennial Specialists’ Conference on Aeromechanics, San Francisco, California, 21th- 23th January, 2004.
• [7] Harwood P., Flying ‘New Generation’ Gyrocopter, A guide for converting pilots! http://www.gyrocopterschool.com/gyrocopter autogyro gyroplane/how to fly gyros/
• [8] http://airfoiltools.com/airfoil/details?airfoil=n8h12-il
• [9] http://wirnikautorotacyjny.pl/, website of the project “Modern Gyroplane Main Rotor”, (UDA POIG.01.03.01 14 007/12), co financed by the European Regional Development Fund under the Operational Programme Innovative Economy 2007-2013.
• [10] Nocedal J. and Wright S.J., 2006, Numerical Optimization, Springer Verlag, 2nd ed., Berlin - New York.
• [11] Pietrosiński, M., 2015, “Wpływ geometrii profilu lotniczego łopaty wirnika głównego na osiągi wiatrakowca” (Eng. : “The Influence of the Main Rotor Blade Airfoil Geometry on the Gyroplane Performance”), Transactions of the Institute of Aviation, 4 (241), s. 62-72.
• [12] Stalewski W., 2012, “Parametric Modelling of Aerodynamic Objects the Key to Successful Design and Optimisation”, Aerotecnica Missili e Spazio. Italian Association of Aeronautics and Astronautics (AIDAA). 1/2 (90), March-June 2012.
• [13] Stalewski W. and Żółtak J. 2012, “Optimisation of the Helicopter Fuselage with Simulation of Main and Tail Rotor Influence”, in Proceedings of the 28th ICAS Congress of the International Council of the Aeronautical Sciences, ICAS, Brisbane, Australia, September 2012, ICAS, 1, pp. 256-266.
• [14] Stalewski W., Projektowanie i optymalizacja aerodynamiczna wiropłatów, (Eng.: Aerodynamic Design and Optimisation of Rotorcraft). Wydawnictwa Naukowe Instytutu Lotnictwa, 2017.
• [15] Stalewski W., 2013, “URANS Simulations of On or Near the Ground Flight of the Gyroplane”, in Proceedings of 39th European Rotorcraft Forum, ERF, Moscow, 3-6 September 2013, Russian Helicopters, pp. 55-57.
• [16] Stalewski W., Zalewski W., 2011, Analiza obliczeniowa własności erodynamicznych wirnika nośnego wiatrakowca w stanie lotu ustalonego (autorotacji) (“Computational analysis of aerodynamic performance of gyroplane main rotor under cruise flight condition (autorotation)”), Prace Instytutu Lotnictwa, Nr 219. s. 269-279. (in Polish)
• [17] Stalewski W., Zalewski W., 2011, Analiza wybranych stanów lotu wiatrakowca w oparciu o obliczeniowe charakterystyki aerodynamiczne jego komponentów (“Analysis of selected states of gyroplane flight based on computational aerodynamic characteristics of its components”), Prace Instytutu Lotnictwa, Nr 219, s. 280-288. (in Polish)
• [18] Stalewski W., Zalewski W., 2011, Symulacja pracy wirnika nośnego wiatrakowca w początkowej fazie pionowego startu (“Computational simulation of operation of gyroplane main rotor in initial phase of vertical take off”), Prace Instytutu Lotnictwa, Nr 219, s. 289-296. (in Polish)
• [19] Stalewski W., Żółtak J., 2012, Optimisation of the Helicopter Fuselage with Simulation of Main and Tail Rotor Influence, Proceedings of the 28th ICAS Congress of the International Council of the Aeronautical Sciences, ICAS, Brisbane, Australia, 23 - 28 September, 2012, ICAS 2012 CD-ROM Proceedings.
• [20] Stivers L.S., Rice F.J., 1946, Aerodynamic Characteristics of Four NACA Airfoil Sections Designed for Helicopter Rotor Blades. National Advisory for Aeronutics. NACA RB No. L5K02. http://naca.central.cranfield.ac.uk/reports/1946/naca-rb-l5k02.pdf
• [21] Szczepanik T., Dąbrowska J., 2009, Wiatrakowce, jako przewidywany kierunek rozwoju wiropłatów w XXI wieku (“Gyroplanes, as the predicted direction for the rotorcraft development in the 21st century”), Prace Instytutu Lotnictwa, Nr 201 (6/2009), s. 177-222. (in Polish)
• [22] Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Autogyro

Uwagi

EN

The research leading to these results was co financed by the European Regional Development Fund under the Operational Programme Innovative Economy 2007-2013, within the project “Modern Gyroplane Main Rotor”.

PL

Opracowanie rekordu w ramach umowy 509/P-DUN/2018 ze środków MNiSW przeznaczonych na działalność upowszechniającą naukę (2018).