طراحی و بهینه‌سازی وزن یک هشت‌پره هیبریدی سرنشین‌دار

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 استادیار، دانشکده مهندسی، دانشگاه کردستان

2 گروه مهندسی مکانیک، دانشکده مهندسی، دانشگاه کردستان، سنندج، ایران

چکیده
این تحقیق به طراحی مفهومی و بهینه‌سازی یک هشت‌پره هیبرید-الکتریکی برای حمل بار یا مسافر می‌پردازد. این وسیله از یک موتور وانکل متصل به یک ژنراتور برق برای راه‌اندازی موتورهای بدون جاروبک و شارژ باتری‌ها استفاده می‌کند. یک الگوریتم ژنتیک برای بهینه‌سازی وزن کل و نیروی رانش به کار گرفته شده است. متغیرهای طراحی شامل قدرت موتور، ظرفیت مخزن سوخت، ظرفیت و تعداد سلول‌های باتری، ثابت سرعت موتور بدون جاروبک، جریان الکتریکی کنترل‌کننده‌های سرعت، طول بازو، قطر مقطع عرضی بازوها، شعاع پروانه و سرعت زاویه‌ای پروانه می‌باشد. در الگوریتم مورد استفاده، نسبت جرم به وزن موتور به عنوان یک پارامتر ورودی کلیدی برای بررسی تأثیر فناوری بر طراحی نهایی در نظر گرفته شده است. در این مطالعه، دو تابع هدف بهینه‌سازی استفاده می‌شوند: ۱- حداکثر کردن نسبت سوخت به وزن ناخالص و ۲- حداکثر کردن نسبت نیروی رانش به وزن. نتایج عددی نشان می‌دهد که با طراحی‌های ارائه شده توسط تابع هدف اول، پروازهای طولانی به طول حدود ۱۰۰۰ کیلومتر قابل دستیابی است، که به دلیل ظرفیت بالای سوخت آن‌ها می‌باشد. طبق محاسبات ما، عملکرد کلی پیکربندی‌های هشت‌پره به‌دست‌آمده از تابع هدف دوم و برای نسبت‌های جرم به قدرت موتور a=0.3 و a=0.6 (کیلوگرم بر کیلووات) بسیار به هم نزدیک است. به عبارت دیگر، پیشرفت بیشتر در نسبت جرم به وزن موتورهای وانکل منجر به بهبود قابل توجهی در وسایل نقلیه VTOL (عمود پرواز و فرود) کوتاه‌برد نمی‌شود.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله English

Design and weight optimization of a manned hybrid octocopter

نویسندگان English

Sirwan Farhadi 1
Mostafa Sanjari Sarmad 2
1 Department of Mechanical Engineering, University of Kurdistan
2 Department of Mechanical Engineering, University of Kurdistan, Sanandaj, Iran
چکیده English

This research aims to conceptually and optimally design a hybrid-electric octocopter to carry cargo or passengers. The drone uses a Wankel engine connected to an electricity generator to drive the brushless motors or charge the batteries. A genetic algorithm is employed to optimize the total weight and thrust force. The design variables include the engine power, fuel tank capacity, capacity and number of battery cells, brushless motor speed constant, speed controllers’ amperage, arm length, arms cross-section diameter, propeller radius, and propeller angular velocity. The engine’s mass-to-weight ratio is considered a key input parameter of the algorithm used to study the effect of technology on the final design. Two optimization objective functions are used: 1. maximizing the fuel-to-gross weight ratio and, 2. maximizing the thrust-to-weight ratio. Numerical results show that long flight ranges of order 1000 km are achievable with the designs presented by the first objective function, thanks to their large fuel capacity. According to our calculations, the overall performance of the octocopter configurations obtained by the second objective function with engine mass-to-power ratios of a=0.3 and a=0.6 (kg/kW) is very close. In other words, further advancement in Wankel engines’ mass-to-weight ratio does not result in considerable improvements in short-range VTOL vehicles.

کلیدواژه‌ها English

Hybrid octocopter
Weight optimization
Genetic algorithm
Wankel engine
[1] Wayne J, Christopher S, Eduardo S. Concept Vehicles for VTOL Air Taxi Operations. AHS Technical Conference on Aeromechanics Design for Transformative Vertical Flight. San Francisco, CA, 2018.
[2] Johnson W, Silva C. NASA concept vehicles and the engineering of advanced air mobility aircraft. The Aeronautical Journal. (2022); 126(1295): 59-91.
[3] Kraenzler M, Schmitt M, Stumpf E. Conceptual design study on electrical vertical takeoff and landing aircraft for urban air mobility applications. AIAA Aviation 2019 Forum. 2019: 3124.
[4] Bacchini A, Cestino E. Electric VTOL Configurations Comparison, Aerospace. 2019; 6(3): 26.
[5] Zhu, He, Nie H, Zhang L, Wei X, Zhang M. Design and assessment of octocopter drones with improved aerodynamic efficiency and performance. Aerospace Science and Technology. 2020;106: 106206.
[6] Zong J, Zhu B, Hou Z, Yang X, Zhai J. Evaluation and Comparison of Hybrid Wing VTOL UAV with Four Different Electric Propulsion Systems. Aerospace. 2021; 8: 256.
[7] Bershadsky D, Haviland S. Electric Multirotor Propulsion System Sizing for Performance Prediction and Design Optimization, 57th AIAA/ASCE/AHS/ASC Structures, Structural Dynamics, and Materials Conference. 2016.
[8] Briggs D, Gary E. Multi-dimensional Optimization of Gasoline-fueled Variable Pitch Multirotor Aircraft. 2016, DOI: 10.6084/M9.FIGSHARE.3172726.V2
[9] Hendricks ES, Falck RD, Gray JS, Aretskin-Hariton E, Ingraham D, Chapman JW, Schnulo SL, Chin J, Jasa JP, Bergeson JD. Multidisciplinary optimization of a turboelectric tiltwing urban air mobility aircraft. AIAA Aviation 2019 Forum. 2019: 3551.
[10] Delbecq S, Budinger M, Ochotorena A, Reysset A, Defaÿ F. Efficient sizing and optimization of multirotor drones based on scaling laws and similarity models. Aerospace Science and Technology. 2020; 102: 105873.
[11] Zhang Q, Chen J, Yang L, Dong W, Sheng X, Zhu X. Structure Optimization and Implementation of a Lightweight Sandwiched Quadcopter. Intelligent Robotics and Applications, Springer, Cham, 2015: 220-229.
[12] Vepa KS, Sagar NVSS. Design, optimization and manufacturing of quad copter frame using FDM. International Journal of Engineering and Advanced Technology. 2019; 8(5): 2249-8958.
[13] Finger DF, Götten F, Braun C, Bil C. Mass, primary energy, and cost: the impact of optimization objectives on the initial sizing of hybrid-electric general aviation aircraft. CEAS Aeronautical Journal. 2020; 11: 713-30.
[14] Courtin C, Hansman RJ. Model development for a comparison of VTOL and STOL electric aircraft using geometric programming. AIAA Aviation 2019 Forum; 2019: 3477.
[15] Ye XI, Savvarisal A, Tsourdos A, Zhang D, Jason GU. Review of hybrid electric powered aircraft, its conceptual design and energy management methodologies. Chinese Journal of Aeronautics. 2021; 34(4): 432- 50.
[16] Okoduwa JI, Ibhadode OO, Cao Y. Optimized Structural Design of a Reciprocating Wing for the Reciprocating Airfoil (RA)-Driven Vertical Take-Off and Landing (VTOL) Aircraft. Actuators. 2025; 14(3):104.
[17] Schmidt JL, Xu H, Datta A. Experimental Exploration of Hybrid-Electric Power for VTOL Aeromechanics Design. In AIAA SCITECH 2025 Forum. 2025: 0899.
[18] An S, Cai G, Peng X, Dai M, Yang G. The Design of Improved Series Hybrid Power System Based on Compound-Wing VTOL. Drones (2504-446X). 2024, 8(11).
[19] Cheng HE, Yuqi TO, Xinglu XI, Gang CH. Integrated optimization of energy management strategy and mission path for hybrid-electric VTOL UAVs in cargo transportation. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica. 2024, 45(14).
[20] Basgall B, Moorthamers B, Darrah D, D'Silva A, Liu W, Anemaat WA. Conceptual Design of RUFUS, an Uncrewed Ducted Fan VTOL Aircraft. InAIAA AVIATION FORUM AND ASCEND 2024. 2024: 4428.
[21] Fernandes RG, Bramhall CW, Anderson RP, Currier PN, Ricklick MA, Collins KB. Experimental Quantification of Hybrid-Electric Propulsion Systems for Aerospace Applications. InAIAA SCITECH 2024 Forum. 2024: 0022.
[22] Donateo T, De Pascalis CL, Ficarella A. Design of a Hybrid Electric UAV through Multi-Objective Optimisation. AVT-RSY-323 Research Symposium on Hybrid/Electric Aero-Propulsion Systems for Military Application. 2019: 1-13.
[23] Aguilar FJ, Godiño JA. Innovative power train configurations for aircraft auxiliary power units focused on reducing carbon footprint. Aerospace Science and Technology. 2020; 106: 106109.
[24] https://www.aerosociety.com/news/friedrichshafen-s-future-flying-machines/accessed: 6/1/2022.
[25] https://www.mazda.com/en/innovation/technology/env/hre/ accessed 6/1/2022.
[26] Arellano-Quintana VM, Portilla-Flores EA, Merchan-Cruz EA, Nino-Suarez PA. Multirotor design optimization using a genetic algorithm. 2016 International Conference on Unmanned Aircraft Systems (ICUAS); 2016: 1313-1318.
[27] Agarwal U. Multirotor performance optimization using genetic algorithm. 7th International Symposium on Embedded Computing and System Design (ISED); 2017: 1-5.
[28] Ye J, Wang J, Song T, Zhu Y, Wu Z, Tang P. Propulsion optimization of a quadcopter in forward state. Aerospace Science and Technology. 2021; 113: 106703.
[29] https://TMotor.com, accessed 9/10/2018.
[30] https://www.aieuk.com, accessed 6/19/2022.
[31] https://tek-tanks.com, accessed 6/19/2022.
[32] Theys B, De Schutter J. Forward flight tests of a quadcopter unmanned aerial vehicle with various spherical body diameters. International Journal of Micro Air Vehicles. 2020; 12: 1756829320923565.
[33] Rezende RN, Barros E, Perez V. General Aviation 2025-A study for electric propulsion. 2018 joint propulsion conference. 2018: 4900.
[34] Trancossi M, Pascoa J. Energetic, environmental and range estimation of hybrid and all-electric transformation of an existing light utility commuter aircraft. SAE Technical Paper; 2018 Oct 30.
[35] https://rotronpower.com, accessed 6/15/2022.
دوره 4، شماره 3
پاییز 1403
صفحه 425-448

  • تاریخ دریافت 09 دی 1403
  • تاریخ بازنگری 25 اسفند 1403
  • تاریخ پذیرش 16 فروردین 1404