Performance comparison of the optimized inverted joined wing airplane concept and classical configuration airplanes

• Autorzy: Sieradzki A. , Dziubiński A. , Galiński C.

Identyfikatory

DOI

10.1515/meceng-2016-0026

Warianty tytułu

PL

Porównanie osiągów zoptymalizowanego samolotu w odwróconym układzie skrzydeł połączonych z samolotami o klasycznej konfiguracji

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The joined wing concept is an unconventional airplane configuration, known since the mid-twenties of the last century. It has several possible advantages, like reduction of the induced drag and weight due to the closed wing concept. The inverted joined wing variant is its rarely considered version, with the front wing being situated above the aft wing. The following paper presents a performance prediction of the recently optimized configuration of this airplane. Flight characteristics obtained numerically were compared with the performance of two classical configuration airplanes of similar category. Their computational fluid dynamics (CFD) models were created basing on available documentation, photographs and some inverse engineering methods. The analysis included simulations performed for a scale of 3-meter wingspan inverted joined wing demonstrator and also for real-scale manned airplanes. Therefore, the results of CFD calculations allowed us to assess the competitiveness of the presented concept, as compared to the most technologically advanced airplanes designed and manufactured to date. At the end of the paper, the areas where the inverted joined wing is better than conventional airplane were predicted and new research possibilities were described.

PL

Układ skrzydeł połączonych jest niekonwencjonalną konfiguracją samolotu, znaną od lat 20. ubiegłego stulecia. Cechuje go kilka istotnych zalet, takich jak redukcja oporu indukowanego oraz masy samolotu, ze względu na koncepcję zamkniętego skrzydła. Samolot w odwróconym układzie skrzydeł połączonych jest rzadko rozpatrywanym wariantem tej konfiguracji, z przednim skrzydłem usytuowanym nad skrzydłem tylnym. Niniejszy artykuł przedstawia oszacowanie osiągów zoptymalizowanej wersji tego typu samolotu. Charakterystyki aerodynamiczne, uzyskane na drodze obliczeń numerycznych CFD (Computational Fluid Dynamics – obliczeniowa mechanika płynów), zostały porównane z osiągami dwóch samolotów zbliżonej kategorii o układzie klasycznym. Ich modele obliczeniowe zostały stworzone bazując na dostępnej dokumentacji, zdjęciach oraz metodach projektowania odwrotnego. Analiza obejmowała symulacje wykonane dla skali bezzałogowego demonstratora o rozpiętości skrzydeł 3 m oraz pełnowymiarowej skali, odpowiadającej załogowym samolotom. Tym sposobem, wyniki obliczeń CFD pozwoliły ocenić konkurencyjność zaprezentowanej koncepcji, w porównaniu do najbardziej zaawansowanych technologicznie, obecnie projektowanych i budowanych, samolotów. Na końcu artykułu wskazano obszary, w których odwrócony układ skrzydeł połączonych charakteryzują potencjalnie lepsze osiągi niż układ konwencjonalny i zaproponowano dalszy możliwy kierunek prac.

Słowa kluczowe

EN

joined wing; performance; computational fluid dynamics; CFD

PL

układ skrzydeł połączonych; osiągi; obliczeniowa mechanika płynów; CFD

• Wydawca: Komitet Budowy Maszyn PAN
• Czasopismo: Archive of Mechanical Engineering
• Rocznik: 2016
• Tom: Vol. LXIII, nr 3
• Strony: 455--470
• Opis fizyczny: Bibliogr. 24 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Sieradzki A.

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

autor

Dziubiński A.

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

autor

Galiński C.

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

Bibliografia

• [1] L. Prandtl. Induced drag of multiplanes. NACA TN 182, 1924.
• [2] Z. Goraj, P. Kulicki, and M. Lasek. Aircraft stability analysis for strongly coupled aerodynamic configuration. Journal of Theoretical and Applied Mechanics, 35(1):137–158, 1997.
• [3] J. Wolkovitch. The joined wing – an overview. Journal of Aircraft, 23(3):161–178, 1986.
• [4] S. Danilecki. Zamknięte skrzydło – zalety i wady (I). (The joined wing – advantages and disadvantages (I)). Technika Lotnicza i Astronautyczna (Aviation and Astronautics Technique), 9:4–6, 1988 (in Polish).
• [5] S. Danilecki. Zamknięte skrzydło – zalety i wady (II). (The joined wing – advantages and disadvantages (II)). Technika Lotnicza i Astronautyczna (Aviation and Astronautics Technique), 10:8–10, 1988 (in Polish).
• [6] I. Kroo, S. Smith, and J. Gallman. Aerodynamic and structural studies of joined-wing aircraft. Journal of Aircraft, 28(1):74–81, 1991.
• [7] J.E. Burkhalter, D.J. Spring, and M.K. Key. Downwash for joined-wing airframe with control surface deflections. Journal of Aircraft, 29(3):458–464, 1992.
• [8] J.W. Gallman, S.C. Smith, and I.M. Kroo. Optimization of joined-wing aircraft. Journal of Aircraft, 30(6):897–905, 1993.
• [9] M. Blair, R.A. Canfield, and R.W. Roberts. Joined-wing aeroelastic design with geometric nonlinearity. Journal of Aircraft, 42(4):832–848, 2005.
• [10] C.C. Rasmussen, R.A. Canfield, and M. Blair. Joined-wing sensor-craft configuration design. Journal of Aircraft, 43(5):1470–1478, 2006.
• [11] V.L. Bond, R.A. Canfield, M. da Luz Madruga Santos Matos, A. Suleman, and M. Blair. Joined-wing wind-tunnel test for longitudinal control via aftwing twist. Journal of Aircraft, 47(5):1481–1489, 2010.
• [12] P.W. Jansen, R.E. Perez, and J.R.R.A. Martins. Aerostructural optimization of nonplanar lifting surfaces. Journal of Aircraft, 47(5):1490–1503, 2010.
• [13] N. Paletta, M. Belardo, and M. Pecora. Load alleviation on a joined-wing unmanned aircraft. Journal of Aircraft, 47(6):2005–2016, 2010.
• [14] G. Bindolino, G. Ghiringhelli, S. Ricci, and M. Terraneo. Multilevel structural optimization for preliminary wing-box weight estimation. Journal of Aircraft, 47(2):475–489, 2010.
• [15] C. Galinski. Results of testing of models of joint-wing utility class aircraft. SAE Aerospace Atlantic Conference, Dayton, Ohio, 7-10 April, 1992. Paper No. 921013.
• [16] P. Mamla and C. Galinski. Basic induced drag study of the joined-wing aircraft. Journal of Aircraft, 46(4):1438–1440, 2009.
• [17] C. Galinski, J. Hajduk, A. Dziubinski, and A. Sieradzki. Progress in inverted joined wing scaled demonstrator programme. 5th CEAS Air&Space Conference, Delft, 7-11 Sept., 2015.
• [18] C. Galinski and J. Hajduk. Assumptions of the joined wing flying model programme. Transactions of the Institute of Aviation, 238(1):7–21, 2015.
• [19] W. Stalewski. Aerodynamic optimization of joined-wing aeroplane. 6th International Conference on Experiments/Process/System Modelling/Simulation/Optimization, Athens, 8-11 July, 2015.
• [20] W. Stalewski. Parametric modelling of aerodynamic objects-the key to successful design and optimisation. Aerotecnica Missili e Spazio, 29(1/2):23–31, 2012.
• [21] W. Stalewski and J. Zoltak. Optimisation of the helicopter fuselage with simulation of main and tail rotor influence. In Proceedings of the ICAS Congress, Brisbane, 2012. Paper 2012–1.4.1.
• [22] W. Stalewski and J. Zoltak. Multi-objective and multidisciplinary optimization of wing for small airplane. In Proceedings of the CEAS Congress, pages 1483–1492, Venice, 24-28 Oct. 2011.
• [23] ANSYS: Fluent User’s Guide, ANSYS 14.5 Help.
• [24] H. Schlichting. Boundary-Layer Theory. McGraw-Hill, 7 edition, 1979.

Uwagi

PL

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę.