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Aerodynamic and aeroelastic amplification in adaptive belt-rib airfoils

机译：自适应带肋翼型中的气动和气动弹性放大

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Das Gürtelrippenkonzept für Tragflächen mit veränderlicher Wölbung wurde am DLR (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt) im Rahmen des Projekts Adaptiver Flügel (ADIF) entwickelt. Es basiert auf der Ausnutzung der Strukturflexibilität zur Erzeugung der notwendigen großen Verformungen als Alternative zur Verwendung konventioneller Mechanismen. Das Gürtelrippenkonzept implementiert eine neuartige Entwurfsphilosophie für leichte und formadaptive Strukturen, die den Hauptanforderungen der Verformbarkeit, der Belastbarkeit und des geringen Gewichtes explizit Rechnung trägt. Unter den verschiedenen Möglichkeiten zur Aktivierung einer Gürtelrippenstruktur gestaltet sich die Verwendung multifunktionaler Materialien wie Piezokeramik oder Formgedächtnislegierungen als besonders reizvoll, insbesondere deshalb, weil sie wie die Struktur auf Festkörperelementen basiert und keine beweglichen Bauteile erfordert. Allerdings stoßen Festkörperaktuatoren beim aktuellen Stand der Technik aufgrund der Leistungsanforderungen (hohe zu liefernde mechanische Arbeit, insbesondere bei hohen Luftlasten) an ihre Grenzen.%The belt-rib concept for variable-camber airfoils was developed at DLR (German Aerospace Centre) in the framework of the Adaptive Wing project (ADIF). Based on the idea of exploiting distributed structural flexibility - instead of using articulated mechanisms - in order to produce the required large geometry changes, the belt-rib concept implements a new design philosophy for light shape-adaptable structures in which the basic requirements of large allowable geometrical changes, high load-carrying capability and low weight are explicitly taken into account. Among several options for the activation of a belt-rib airfoil, the use of multifunctional materials like piezoceramics or shape memory alloys is a very attractive one, in particular as a consistent solution with the solid-state construction principle (virtual absence of moveable parts) of the structure. However, the high performance requirements (high actuator work, particularly in presence of high aerodynamic loading) are not likely to be met by multifunctional materials which are available to date. A very promising solution consists in exploiting aerodynamic and aeroelastic amplification effects in order to reduce the energy requirements of the actuator system. A study of such effects is presented in this paper, based on a modal theory of the airfoil mechanics. Due to its modal formulation, the theory can be applied to a conventional airfoil equipped with an additional control surface for camber adaptation as well as to a belt-rib airfoil, despite of the essential differences in the design philosophy. Aerodynamic amplification effects are described by means of an aerodynamic amplification factor, which is a function of the airfoil kinematics and of the aerodynamic load distribution. Quantitative results are presented for the case of the ADIF benchmark structure, the AIRBUS A340 landing flap. Further, aeroelastic amplification effects are analysed and an aeroelastic amplification factor is introduced as a function of properly chosen structural and aerodynamic operators. Some final remarks about the role of this contribution in relationship to the state of the research as well as on perspectives opened by the exploitation of the described amplification effects close the paper.
机译：作为自适应机翼（ADIF）项目的一部分，DLR（德国航空航天中心）开发了可变曲率机翼的带肋肋概念。它是基于使用结构灵活性来生成必要的大变形的一种，作为使用常规机制的替代方法。皮带肋的概念为轻型和形状自适应结构实施了新的设计理念，明确考虑了可变形性，回弹力和重量轻的主要要求。在用于激活带肋结构的各种选择中，使用多功能材料（例如压电陶瓷或形状记忆合金）特别有吸引力，特别是因为像该结构一样，它基于固态元素并且不需要任何移动组件。但是，由于性能要求（要交付的高机械功，尤其是在高空气载荷下），当前最先进的固态执行器已达到极限。％可变室翼型的带肋式概念是在DLR（德国航空航天中心）的框架中开发的适应性机翼项目（ADIF）。基于利用分布式结构灵活性的思想-而不是使用铰接机构-为了产生所需的大尺寸几何形状变化，皮带肋骨概念实现了适用于轻型形状结构的新设计理念，其中大允许的基本要求几何变化，高承载能力和低重量被明确考虑在内。在激活带肋翼型的几种选择中，使用多功能材料（如压电陶瓷或形状记忆合金）是一种非常有吸引力的方法，特别是作为与固态构造原理一致的解决方案（实际上没有活动部件）结构。然而，迄今为止可用的多功能材料不可能满足高性能要求（高致动器工作，特别是在高气动载荷的情况下）。一个非常有前途的解决方案包括利用空气动力和空气弹性放大效应来降低执行器系统的能量需求，本文基于翼型力学的模态理论，对这种效应进行了研究。由于其模态形式，尽管在设计理念上有本质上的差异，该理论仍可应用于配备有附加控制面以适应弯度的常规机翼以及皮带肋式机翼。空气动力放大效应通过空气动力放大系数来描述，该系数是机翼运动学和空气动力载荷分布的函数。给出了针对ADIF基准结构AIRBUS A340着陆襟翼的定量结果。此外，分析了空气弹性放大效应，并根据适当选择的结构和空气动力学算子引入了空气弹性放大系数。关于该贡献在与研究状态的关系中的作用以及通过利用所描述的放大效应所打开的观点的最后评论，在本文的最后。

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