Design and optimization of a morphing wing for a reconnaissance drone

Abstract

[ES] Las alas con geometría variable, que tienen la capacidad de modificar su forma en pleno vuelo, ofrecen un considerable potencial para optimizar el rendimiento de vehículos de ala fija. No obstante, el diseño eficiente de estas sigue siendo un desafío, especialmente en lo que respecta a la ubicación óptima de los actuadores y la estructura interna flexible. Este estudio aborda esta problemática introduciendo un innovador método para el diseño de alas de curvatura adaptable. Se ha desarrollado un código de optimización simultánea aero-mecánica para determinar el número óptimo, la ubicación y la magnitud de los actuadores. Este enfoque integra el rendimiento aerodinámico, modelado con XFOIL, y la deformación estructural de la piel adaptable, simulada a través de un método de elementos finitos (MEF) propio especializado en estructuras laminares planas. Adicionalmente, se implementa un mecanismo interno flexible, optimizado topológicamente mediante un código propio de MEF isentrópico en 2D. Para conectar ambos modelos estructurales, la flexibilidad de la piel se modeló mediante resortes equivalentes posicionados en los puntos de salida de los actuadores. La aplicación de estos métodos en un vehículo aéreo no tripulado (UAV) de reconocimiento de tamaño medio demuestra una reducción del consumo de energía en velocidades de reconocimiento. Un cálculo adicional de las leyes de control longitudinal demuestra que el UAV mantiene su estabilidad en todo el espectro de vuelo. Un análisis estructural adicional confirma la integridad tanto de la piel flexible como de los actuadores. En resumen, esta investigación representa un avance significativo en el diseño de alas con geometría variable, prometiendo mejoras en la eficiencia y el rendimiento de los UAVs.

[EN] Morphing wings, which adjust their shape during flight, offer considerable potential for enhancing the performance of fixed wing vehicles. However, efficient design remains a challenge, particularly in ensuring optimal actuator placement and compliant inner structures. This research addresses this gap by introducing a novel design method for compliant camber morphing wings. An innovative simultaneous aero-mechanical optimization code was developed to determine the optimal number, placement, and magnitude of actuators. This was achieved by integrating aerodynamic performance, modelled using XFOIL, with the structural deformation of the morphing skin, using a proprietary composite flat shell finite element method (FEM) code. Furthermore, to design the compliant inner structure, a topology optimization compliant mechanism code was developed using an in-house 2D isentropic FEM code. Skin compliance was modelled within this topology optimization using equivalent spring stiffness positioned at the optimal actuator outputs. Application of these methods on a medium-sized reconnaissance Unmanned Aerial Vehicle (UAV) demonstrated reduced power consumption at loitering speeds. A computed static longitudinal control law further showcased feasible control throughout the flight envelope. Finally, structural analysis confirmed the integrity of both the compliant skins and actuators. Overall, this research presents a significant advanceme in the design of morphing wings, promising improved UAV performance and efficiency.