モーフィング航空機の舵面・全機スケールにおける構造・空力・制御連成解析手法の構築

开发变形飞机控制面和整机尺度的结构、空气动力学和控制耦合分析方法

• 批准号: 22KJ0892
• 负责人: 曽根田 健輔
• 金额: $ 1.09万
• 依托单位: The University of Tokyo
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2023
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2023-03-08 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22KJ0892/
• 关键词: モーフィング; 多分野連成; 空力弾性; 飛行制御

次世代航空機では、翼形状を滑らかに変化させるモーフィング技術により、航空機の更なる性能向上が期待されている。本研究では、このモーフィング技術を適用した舵面を有する航空機について、舵面・全機の両スケールを考慮した多分野連成解析技術の確立を目的とし、以下の三項目に取り組んだ。（１）舵面スケールでの連成解析：モーフィング翼に関する従来研究は、静的な構造空力連成を考慮した性能評価が主であった。本研究では、モーフィングに伴う変形を考慮できる計算効率に優れた構造空力連成モデルに翼の空力特性に関する制御を導入し、構造・空力・制御連成モデルを構築した。数値解析より、非常に柔軟なモーフィング構造設計を行うと、外乱に対する制御性能が低下することを示した。（２）全機スケールでの連成モデル構築：（１）で構築している構造空力連成モデルと飛行力学モデルを連成させ、航空機全体の剛体飛行運動を考慮した連成問題を取り扱うことができる解析手法を構築した。構築した解析手法は他の解析コードとの比較を通じ、その妥当性を検証した。この解析手法は、モーフィング翼において重要なキャンバー変形を考慮できる点が、従来手法から拡張されている。（３）モーフィング航空機の飛行制御シミュレーション：開発した解析手法に飛行運動に関する制御を組み込み、モーフィング構造の剛性の異なる機体モデルに対し、飛行制御シミュレーションを実施した。モーフィング構造を非常に柔軟な設計とすると、空気力の影響が大きくなり、それに伴う弾性変形の影響から、飛行制御性能が悪化することが示された。一方、適度な剛性を確保することで、この問題を避け、従来舵面の代替として機能することが示された。

在下一代飞机中，平滑改变机翼形状的变形技术有望进一步提高飞机性能。在本研究中，我们针对应用该变形技术的控制面飞机，进行了以下三项工作，旨在建立一种既考虑控制面尺度又考虑整个飞机的多学科耦合分析技术。 (1)控制面尺度耦合分析：以往对变形机翼的研究主要集中在考虑静态结构气动力耦合的性能评估上。在本研究中，我们将机翼气动特性的控制引入到计算效率优异、能够考虑变形引起的变形的结构-气动耦合模型中，构建了结构-气动-控制耦合模型。数值分析表明，高度灵活的变形结构设计降低了抗干扰的控制性能。 (2)建立整个飞机尺度的耦合模型：将(1)中构建的结构气动耦合模型与飞行动力学模型耦合，以处理考虑整个飞机的刚体飞行运动的耦合问题。可以做到这一点的分析方法。通过与其他分析代码的比较，验证了所构建分析方法的有效性。这种分析方法是对传统方法的扩展，因为它可以考虑弯度变形，这对于变形机翼很重要。 (3)变形飞行器飞行控制仿真：将飞行运动控制纳入所开发的分析方法中，对不同变形结构刚度的飞行器模型进行飞行控制仿真。研究表明，如果变形结构设计得非常灵活，气动力的影响就会变大，由此产生的弹性变形会恶化飞行控制性能。另一方面，事实证明，通过确保适当的刚性，可以避免这个问题，并且该系统可以作为传统控制表面的替代方案。

项目成果

Coupled Aeroelasticity and Flight Dynamics of Active Morphing Aircraft

主动变形飞机的气动弹性与飞行动力学耦合

• 发表时间: 2023
• 作者: Kensuke Soneda; Natsuki Tsushima; Tomohiro Yokozeki; Taro Imamura
• 通讯作者: Taro Imamura

Aeroelastic Flight Simulations of Aircraft with Morphing Wings

机翼变形飞机的气动弹性飞行模拟

• 发表时间: 2022
• 作者: Kensuke Soneda; Natsuki Tsushima; Tomohiro Yokozeki; Taro Imamura
• 通讯作者: Taro Imamura

空力弾性と飛行力学の連成によるモーフィング航空機の縦運動における突風応答解析

气动弹性与飞行动力学耦合的变形飞机纵向运动阵风响应分析

• 发表时间: 2022
• 作者: 曽根田健輔;津島夏輝
• 通讯作者: 津島夏輝

Aeroservoelastic characteristics of a corrugated morphing control surface

波纹变形控制面的气动伺服弹性特性

• DOI: 10.1007/s42405-022-00474-3
• 发表时间: 2022
• 影响因子: 1.7
• 作者: K. Soneda; N. Tsushima; T. Yokozeki; T. Imamura
• 通讯作者: T. Imamura

Multi-fidelity aeroelastic model for corrugated morphing structures

波纹变形结构的多保真气动弹性模型

• DOI: 10.2514/1.c036692
• 发表时间: 2023
• 影响因子: 2.2
• 作者: K. Soneda; T. Yokozeki; T. Imamura; N. Tsushima
• 通讯作者: N. Tsushima