Helicopter blade morphing strategies aimed at mitigating environmental impact

• Autorzy: Pagano A. , Ameduri S. , Cokonaj V. , Prachar A. , Zachariadis Z. , Drikakis D.

Warianty tytułu

PL

Strategie aktywnego kształtowania profilu łopat helikoptera w celu redukcji negatywnego wpływu ich pracy na środowisko

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The requirement of mitigating the environmental impact of helicopters has been addressed globally within the FRIENDCOPTER Project in the sense that several aspects (such as noise abatement, vibration reduction, fuel consumption) have been studied in parallel with different approaches among which there is the active blade control. In the work at hand, attention is paid on two topics aimed at mitigating helicopter environmental impact through a morphing strategy: the aerodynamic optimization of a blade section whose camber can be affected by an actuator and the design of a SMA based static twist concept, aimed at extending the helicopter flight envelope. The latter device is based on a SMA rod which is integrated in the spanwise direction within the blade structure at different positions. The actuator, when heated, transmits a torque couple which induces twist onto the blade. The twist variation due to the SMA device activation has been predicted by a FE approach (MSC/Marc software implemented with the SMA Brinson model). Finally, rotor performance in hover has been estimated with the actuator in power on and off positions, highlighting benefits coming from several spanwise integrations/distributions of the SMA device.

PL

Wymóg jak najmniejszej uciążliwości helikopterów na otaczające środowisko został wyartykułowany w projekcje europejskim FRIENDCOPTER, w którym kilka zagadnień (takich jak redukcja hałasu, drgań, obniżanie zużycia paliwa) poddano równoległym badaniom, łącznie z problemem odpowiedniego kształtowania profilu łopat wirnika głównego do osiągnięcia tych celów. W prezentowanej pracy uwagę skupiono na ograniczaniu środowiskowej uciążliwości helikopterów poprzez przyjęcie dwóch koncepcji kształtowania łopat wirnika – aerodynamiczną optymalizację przekroju łopaty, której kształt może być deformowany za pomocą aktuatorów oraz wprowadzenie stopów z pamięcią kształtu (SMA) do skręcania profilu łopaty, co pozwala na rozszerzenie obwiednich osiągów helikoptera. Drugie rozwiązanie zostało oparte na zastosowaniu prętów SMA zintegrowanych z łopatą w kilku miejscach wzdłuż jej długości. Aktuatory SMA generują pary momentów skręcających przy podgrzaniu. Modelowanie tego efektu opisano za pomocą metody elementów skończonych (przy użyciu modelu Brinson SMA i oprogramowania MSC/Marc). Na koniec przedyskutowano wydajność wirnika głównego dla helikoptera w zawisie przy włączonym i wyłączonym układzie sterowania. Podkreślono korzyści uzyskane z wzdłużnego wkomponowania w łopatę wirnika kilku aktuatorów SMA.

Słowa kluczowe

EN

blade twist; airfoil camber control; SMA; morphing; main rotor

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Mechaniki Teoretycznej i Stosowanej
• Czasopismo: Journal of Theoretical and Applied Mechanics
• Rocznik: 2011
• Tom: Vol. 49 nr 4
• Strony: 1233--1259
• Opis fizyczny: Bibliogr. 26 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Pagano A.

autor

Ameduri S.

autor

Cokonaj V.

autor

Prachar A.

autor

Zachariadis Z.

autor

Drikakis D.

• C.I.R.A, The Italian Aerospace Research Centre, Capua (CE), Italia,

Bibliografia

• 1. Altmikus A.A., Bailly B.J., 2005, FRIENDCOPTER Report on Reference Rotor, Deliverable No.: D5.1-2, 17 May
• 2. Brinson L.C., Bekker A., Huang M., 1996, Deformation of shape memory alloys due to thermo-induced transformation, J. of Intelligent Material Systems and Structures, 7, 1, 97-107
• 3. Buehler W.J., Gilfrich J.V.,Wiley R.C., 1963, Effect of low-temperature phase changes on the mechanical properties of alloys near composition TiNi, Journal of Applied Physics, 34, 1475
• 4. Chopra I., 2002a, Review of state of art of smart structures and integrated systems, 42nd AIAA/ ASME/ASCE/AHS/ASC Structures, Structural Dynamics, and Materials Conference, Seattle, WA, AIAA Journal, 40, 11
• 5. Chopra I., 2002b, Status of application of smart structures technology to rotorcraft systems, presented at the innovation in rotorcraft technology, Royal Aeronautical Society, London, UK, June 25-26, 1997 and AHS Journal
• 6. Davidson F.M., Liang C., Lobitz D.W., 1996, Investigation of torsional shape memory alloy actuators, Proc. SPIE, 2717, 672-682, Smart Structures and Materials 1996: Smart Structures and Integrated Systems, Inderjit Chopra (Edit.)
• 7. Drikakis D., 2003, Advances in turbulent flow computations using highresolution methods, Progress in Aerospace Science, 39, 405-424
• 8. Drikakis D., Durst F., 1994, Investigation of flux formulae in shock wave turbulent boundary layer interaction, International Journal for Numerical Methods in Fluids, 18, 385-413
• 9. Drikakis D., Tsangaris S., 1993, On the solution of the compressible NavierStokes equations using improved flux vector splitting methods, Applied Mathematical Modelling, 17, 282-297
• 10. Enenkl B., 1988, 1/2.5 Scaled Model Rotor of the Hingeless BO105 Main Rotor, MBB Technical Documentation, 26.10.1988
• 11. Jaeggi D.M., Asselin-Miller C.S., Parks G.T., Kipouros T., Bell T., Clarkson P.J., 2004, Multi-objective parallel tabu search, Lecture Notes in Computer Science, 3242, 732-741
• 12. Jayasimha A., Chopra I., 2003, Behavior of torsional shape memory alloy actuators, 44th AIAA/ASME/ASCE/AHS Conference, Norfolk, Virginia
• 13. Liang C., Davidson F.M., Schetky L.M., Straub F.K., 1996, Applications of torsional shape memory alloy actuators for active rotor blade control: opportunities and limitations, Proc. SPIE, 2717, 672-682, Smart Structures and Materials 1996: Smart Structures and Integrated Systems, Inderjit Chopra (Edit.)
• 14. Liang C., Rogers C.A., 1990, One-dimensional thermomechanical constitutive relations for shape memory material, J. of Intelligent Material Systems and Structures, 1, 2, 207-234
• 15. OPTIMUS, Optimization environment, Software Package, Ver. 5.2, Noesis solutions, Belgium, 2006
• 16. Pagano A., 2003, Investigations within the ADYN Project: a Year of Activities, CIRA doc. N. CIRA-TR-02-503, January
• 17. Prahlad H., Chopra I., 2002, Chracterization of SMA Torsional Actuators for Active Twist of Tilt Rotor Blades, 43rd AIAA/ASME/ASCE/AHS/ASC Conference, Denver, Colorado
• 18. Prahlad H., Chopra I., 2007, Modeling and experimental characterization of SMA torsional actuators, Journal of Intelligent Material Systems and Structures, 18, 1, 29-38
• 19. Shu C.W., 1997, Essentially Non-Oscillatory and Weighted Essentially NonOscillatory Schemes for Hyperbolic Conservation Laws, NASA CR-97-206253
• 20. Schultz K.J., Splettstoesser W., Junker B., Wagner W., Schoell E., Arnauld G., Mercker E., Pengel K., Fertis D., 1996, A Parametric Wind Tunnel Test on Rotorcraft Aerodynamics and Aeroacoustics (HELISHA-PE) – Test Documentation and Representative Results, DLR IB 129-96/25, June
• 21. Steger J.L., Warming R.F., 1981, Flux vector splitting of the inviscid gasdynamic equations with application to finite-difference methods, Journal of Computational Physics, 40, 263-293
• 22. Tanaka K., 1986, A Thermomechanical sketch of shape memory effect: onedimensional tensile behaviour, Res. Mech., 18, 3, 251-263
• 23. Toro E.F., Spruce M., Speares W., 1994, Restoration of the contact surface in the HLL-Riemann solver, Shock Waves, 4, 1, 25-34
• 24. Warmbrodt W., Peterson R.L., 1984, Hover test of a full-scale hingeless rotor, NASA Technical Memorandum, 85990
• 25. www.friendcopter.org, Integrated Project of the European 6th Framework Programme: Integration of Technologies in Support of a Passenger and Environmentally Friendly Helicopter
• 26. www.pointwise.com/gridgen