Conceptual design synthesis and optimization of flying wing unmanned combat air vehicle

การออกแบบและการหาค่าที่เหมาะสมขั้นต้นของเครื่องบินรบไร้คนขับชนิดปีกบิน

Name: Boonchai Watjatrakul

Organization : King Mongkut's Institute of Technology North Bangkok. Faculty of Engineering

Email : boonchai.w@eng.kmutnb.ac.th

Name: Udomkiat Nontakaew

Organization : King Mongkut's Institute of Technology North Bangkok. Faculty of Engineering

Email : udomkiat.n@eng.kmutnb.ac.th

Name: Smith, Howard

keyword: Flying wing unmanned combat air vehicle

LCSH: AIRPLANES -- DESIGN AND CONSTRUCTION

LCSH: FIGHTER PLANES -- DESIGN AND CONSTRUCTION

Classification :.LCCS: TL685.35

LCSH: Drone aircraft

Abstract: It has been widely agreed that Unmanned Combat Air Vehicle (UCAV) presents many advantages over today manned combat aircraft, and the UCAV is being considered as an effective and affordable weapon system in the near future. The lack of aircrew onboard makes UCAV more desirable for use in the most danger of aerial combat missions which the loss or capture of the aircrew would be unacceptable. Without human onboard, the vehicle can be built, smaller, lighter, cheaper and more efficient. In addition, the UCAV capability as a reusable platform provides a more cost effective attack weapon over the cruise missile. As the flying wing appears to be the most promising configuration due to aerodynamic efficiency and inherently stealthy, the flying wing UCAV is of particular interest for this study. In this study, an initial sizing and optimization tool is developed for UCAV flying wing design to investigate the influence of design requirements and to explore the characteristic of the flying wing type. The design tool is able to model the cranked wing planform. The simple structure layout consisting of a front spar, a rear spar and ribs forming a wing box is chosen with a weapon bay located underneath a single turbofan engine at the centerline section. The semi-analytical wing mass estimation of a cranked wing planform is developed and employed to provide more accurate wing mass prediction. The aerodynamic loads are evaluated using an analytical code based on the lifting-surface theory. Longitudinal trim and static stability, and lateral and directional stabilities and control sizing are considered in which inboard elevons are used to provide longitudinal and lateral controls, and outboard split-drag rudders are employed for directional control. The LSGRG2 optimizer is integrated into to the design synthesis to obtain the optimum design. The take-off mass is taken as the objective function to be minimized. The tool is employed to investigate the effect of stability requirement on the design. It is found that the required static margin has a significant impact on the design in which relaxing the static margin leads to a smaller and lighter design. The wing sweep of the flying wing design is mainly determined by the stability requirement rather than the typical aerodynamic requirement of the wing drag reduction at high subsonic speed flight. The study also shows that the single leading-edge cranked planform is more efficient for a long range (or larger payload) design due to more aerodynamic efficiency; and flexibility to control the aircraft center of gravity. and static margin of the outboard wing in comparison with the straight leading-edge planform. The design tool can be used effectively for sensitivity study to provide more insight into the design and in tum decision making at the initial design stage.

Abstract: ในปัจจุบันเป็นที่ยอมรับกันโดยทั่วไปว่า เครื่องบินรบไร้คนขับ (Unmanned Combat Air Vehicle, UCAV) มีข้อได้เปรียบเหนือกว่าเครื่องบินรบทั่วไปที่ใช้ในปัจจุบันและมีแนวโน้มว่าเครื่องบินรบไร้คนขับนั้นจะถูกนำมาใช้ ในการทำการรบในอนาคตอันใกล้นี้การที่ไม่มีนักบินบนเครื่องบินทำให้เครื่องบินรบไว้คนขับมีความเหมาะสมกับ ภารกิจที่เสี่ยงอันคราย ซึ่งอาจจะทำให้นักบินถูกจับหรือเสียชีวิต ได้และการที่ไม่มีนักบินบนเครื่องบินนั้นทำให้ น้ำหนักลดลง และราคาถูกลง เครื่องบินสามารถที่จะถูกออกแบบให้มีประสิทธิภาพมากขึ้นมีขนาดเล็กลง นอกจากนี้เครื่องบินรบไร้คนขับนั้นยังสามารถนำกลับมาใช้ในการรบได้หลายครั้งซึ่งเป็นข้อได้ เปรียบเหนือการใช้ จรวจขีปนาวุธในการรบอีกด้วย เครื่องบินที่มีรูปร่างลักษณะเป็นแบบปีกบินไว้รับความสนใจที่จะนำมาใช้เป็น เครื่องบินรบไร้คนขับเป็นอย่างมากเนื่องจากประสิทธิภาพด้านอากาศพลศาสตร์ที่ดีกว่า และการมีคุณลักษณะในการ อำพรางตัวโดยธรรมชาติของรูปร่างปีกบิน ดังนั้นในการวิจัยในครั้งนี้จึงได้มุ่งเน้นไปถึงการศึกษาการออกแบบ ขั้นต้นของเครื่องบินรบไร้คนขับชนิดปีกบิน ในการศึกษาในครั้งนี้ โปรแกรมการออกแบบและหาค่าที่เหมาะสมขั้นต้นของเครื่องบินรบไร้คนขับชนิด ปีกบินให้ถูกพัฒนาขึ้นเพื่อศึกษาเถึงอิทธิพลของข้อกำหนดและความต้องการในการออกแบบ และศึกษาคุณลักษณะ เฉพาะของเครื่องบินประเภทปีกบิน โปรแกรมนี้สามารถที่จะจำลองปีกบินที่เป็นแบบ cranked wing โดยใช้ โครงสร้างภายในของปีกอย่างง่ายซึ่งประกอบด้วยคานหน้า คานหลัง และโครงขวาง และมีช่องบรรจุขีปนาวุธ ภายในอยู่ต้านล่างของห้องเครื่องยนต์ที่กึ่งกลางลำตัวของเครื่องบิน วิธีการคำนวณหาน้ำหนักโครงสร้างของปีกแบบ cranked wing ได้ถูกพัฒนาขึ้นและนำมาใช้ทำให้การประมาณค่าน้ำหนักโครงสร้างของปีกมีความแม่นยำมากยิ่งขึ้น ภาระด้านอากศพลศาสตร์ถูกคำนวณจากทฤษฎีพื้นผิวแรงยก (lining-surface theory) ที่สอคคล้องกับรูปร่างของปีก ในขณะนั้น สเถียรภาพและการกวบคุมการบินในแกนยาวแกนขวางและแกนดิ่งได้ถูกนำมาพิจารณาในการ ออกแบบ โดยการใช้ elevons ทั้งในการควบคุมการขึ้น-ลงของหัวเครื่อง (pitch control) และการเลี้ยว (roll control) และใช้ split-drag rudders ในการควบคุมทิศทางของหัวเครื่อง (directional control) ขบวนการในการหาค่าที่ เหมาะสมจะใช้โปรแกรม LSGRG optimizer เชื่อมต่อกับส่วนในการออกแบบ (design synthesis) โดยใช้น้ำหนัก ของเครื่องบินก่อนวิ่งขึ้น (takeoff mass) เป็นตัวบ่งชี้ถึงเครื่องบินที่เหมาะสมที่สุด (optimum design) ซึ่งเครื่องบิน จะต้องมีน้ำหนักของเครื่องก่อนวิ่งขึ้นน้อยที่สุดภายใต้เงื่อนไขในการออกแบบที่กำหนดไว้ จากการศึกษาโดยใช้ โปรแกรมที่พัฒนาขึ้นนี้พบว่า การยอมให้เสถียรภาพในแนวแกนยาวลดลง จะส่งผลให้เครื่องบินมีขนาดเล็กลงและ น้ำหนักลดลงซึ่งทำให้ประสิทธิภาพของเครื่องบินดีขึ้น นอกจากมียังพบว่ามุมรู้ปีกของเครื่องบินชนิดปีกบินนั้นถูก กำหนดโดยความต้องการด้านเสถียรภาพมากกว่าความต้องการที่จะลดแรงต้านอากาศพลศาสตร์เช่นปรากฏในเครื่อง บินประเภทอื่น จากการศึกษาในครั้งนี้ยังพบว่าปีกที่มี single lending-edge cranked planform ซึ่งมีมุมสู้ปีกด้านในและ ด้านนอกที่ไม่เท่ากันนั้น มิความเหมาะสมกับเครื่องบินที่ต้องการบินระยะทางไกลหรือต้องการบรรทุกน้ำหนักมาก ทั้งนี้เนื่องจากการที่มุมลู่ปีกของปีกด้านบอกสามารถออกแบบให้มีขนาดน้อย ซึ่งทำให้มีประสิทธิภาพด้านอากาศ พลศาสตร์ที่ดีขึ้น และยังทำให้มีความยืดหยุ่นในการควบคุมตำแหน่งของจุดศูนย์กลางน้ำหนักและเสถียรภาพในการ บินที่มากขึ้น โปรแกรมที่พัฒนาขึ้นนี้สามารถนำไปใช้ในการศึกษาผลกระทบของการเปลี่ยนแปลงค่าตัวแปร ในการ ออกแบบ ความต้องการและเงื่อนไขข้อจำกัดในการออกแบบต่อเครื่องบินซึ่งจะช่วยให้ผู้ออกแบบเข้าใจกระบวนการ อยากแบบของเครื่องบินรบไร้คนขับชนิดปีกบินได้ดียิ่งขึ้น

King Mongkut's University of Technology North Bangkok. Central Library

Address: BANGKOK

Email: library@kmutnb.ac.th

Name: Office of the Higher Education Commission

Role: funding agency

Name: Thailand Research Fund

Role: funding agency

Created: 2007

Modified: 2564-06-04

Issued: 2021-06-04

งานวิจัย/Research report

application/pdf

eng

©copyrights King Mongkut's University of Technology North Bangkok

ลำดับที่.	ชื่อแฟ้มข้อมูล	ขนาดแฟ้มข้อมูล	จำนวนเข้าถึง	วัน-เวลาเข้าถึงล่าสุด
1	B16198712.pdf	2.66 MB	4	2023-11-23 11:58:41

ใช้เวลา

0.034383 วินาที