Multidisciplinary parametrization and optimization of novel aircraft and propulsion architectures
Authors: Νασούλης Χρήστος 
Published: July 2024

Η παρούσα διατριβή διερευνά τον προκαταρκτικό σχεδιασμό καινοτομικών αρχιτεκτονικών αεροσκαφών και συστημάτων πρόωσης σε ένα διεπιστημονικό πλαίσιο μεικτής πιστότητας, με στόχο τη μείωση των περιβαλλοντικών επιπτώσεων του τομέα των αερομεταφορών, όπως αυτή υπαγορεύεται από τα στρατηγικά σχέδια της Ευρωπαϊκής Ένωσης για κλιματική ουδετερότητα έως το 2050. Το υπολογιστικό πλαίσιο που αναπτύχθηκε βασίζεται στη μοντελοποίηση, με χρήση μοντέλων πολλαπλής πιστότητας, ξεκινώντας από μηδενικά και μονοδιάστατα μοντέλα που αφορούν τη διαστασιολόγηση του αεροσκάφους, την τοποθέτηση των εξαρτημάτων σε αυτό, τον υπολογισμό της ευστάθειάς του, τη διαστασιολόγηση του συστήματος πρόωσης, την αξιολόγηση του κύκλου ζωής και του άμεσου λειτουργικού κόστους, στοχεύοντας στη διερεύνηση του σχεδιαστικού χώρου των διαφόρων αρχιτεκτονικών υβριδικής ηλεκτρικής πρόωσης. Επιπλέον, χρησιμοποιούνται επικυρωμένα μοντέλα προσομοίωσης υπολογιστικής ρευστομηχανικής υψηλής πιστότητας, για την αξιολόγηση της εξωτερικής αεροδυναμικής του αεροσκάφους, της διαδικασίας πλήρωσης μιας νέου τύπου δεξαμενής υγρού υδρογόνου, και των φαινομένων μεταφοράς μάζας πτητικών οργανικών ενώσεων σε καμπίνες αεροσκαφών. Τέλος, πραγματοποιείται η δομική μοντελοποίηση βασικών εξαρτημάτων του αεροσκάφους, όπως του πλαισίου των πτερύγων, της κρυογονικής δεξαμενής καυσίμου υγρού υδρογόνου και του κουτιού των μπαταριών. Αρχικά, τίθεται μια σειρά από ερευνητικά ερωτήματα σχετικά με τη σκοπιμότητα και την αγορά στην οποία στοχεύει η υβριδική-ηλεκτρική πρόωση, τις προσεγγίσεις διαστασιολόγησης τέτοιων αεροσκαφών που πρέπει να ακολουθηθούν, τον αριθμό των κλάδων που πρέπει να εξεταστούν στην προκαταρκτική φάση και τα οφέλη των δια- φόρων διαμορφώσεων υβριδικής-ηλεκτρικής πρόωσης υπό διάφορες τεχνολογικές παραδοχές. Ταυτόχρονα, αναζητούνται και συζητούνται οι προκλήσεις στη σχεδίαση νέων συστημάτων πρόωσης και στην ανάπτυξη των υπολογιστικών μοντέλων τους. Επιπλέον, παρέχεται το θεωρητικό υπόβαθρο των αρχιτεκτονικών υβριδικής-ηλεκτρικής πρόωσης και των στρατηγικών της διαχείρισης ισχύος και ενέργειας, καθώς και μια αρχική συζήτηση σχετικά με τις υφιστάμενες προδιαγραφές πιστοποίησης αεροσκαφών, τους περιορισμούς τους και τα πιθανά εμπόδια στην περαιτέρω ανάπτυξη νέων αρχιτεκτονικών πρόωσης. Ακολούθως, παρουσιάζονται οι μέθοδοι χαμηλότερης πιστότητας που αναπτύχθηκαν για τη διαστασιολόγηση καινοτομικών αεροσκαφών, με έμφαση στην υβριδική- ηλεκτρική πρόωση, ξεκινώντας με τον ορισμό των απαιτήσεων για το αεροσκάφος και το σύστημα πρόωσης. Αναπτύσσονται δύο διαφορετικές προσεγγίσεις διαστασιολόγησης: μία που βασίζεται στον υπολογισμό του βάρους και λαμβάνει υπόψη ένα ελαστικό σύστημα πρόωσης, και μία δεύτερη που βασίζεται στην ισχύ και την ενέργεια, περιλαμβάνοντας και τους υπολογισμούς βάρους της πρώτης μεθόδου, η οποία ακολουθεί σπονδυλωτή σχεδίαση και επιτρέπει την σε βάθος ανάλυση του υβριδικού-ηλεκτρικού αεροσκάφους τόσο σε επίπεδο εξαρτημάτων όσο και σε επίπεδο συστήματος. Η πρώτη μέθοδος χρησιμοποιείται για τη διερεύνηση του σχεδιαστικού χώρου της παράλληλης υβριδικής αρχιτεκτονικής, ώστε να αποκτηθούν γνώσεις σχετικά με την επίδραση της μέγιστης εμβέλειας, του υψομέτρου πτήσης, του βαθμού υβριδοποίησης, και της ειδικής ενέργειας των μπαταριών στη μέγιστη μάζα απογείωσης του αεροσκάφους. Αντίστοιχα, η δεύτερη μέθοδος χρησιμοποιείται για την προκαταρκτική αξιολόγηση και σύγκριση του σχεδιασμού πολλαπλών υβριδικών-ηλεκτρικών αρχιτεκτονικών, όπως η εν σειρά και η εν παραλλήλω, ως σύστημα, για διαφορετικά σενάρια τεχνολογικών εξελίξεων. Τέλος, περιγράφονται και χρησιμοποιούνται οι μεθοδολογίες αξιολόγησης του κύκλου ζωής και του άμεσου λειτουργικού κόστους συγκρίνοντας τις υβριδικές αρχιτεκτονικές εν σειρά και εν παραλλήλω, για διαφορετικές παραλλαγές, εξετάζοντας τα παραπάνω τεχνολογικά σενάρια. Η ανάλυση αυτή στοχεύει στον προσδιορισμό των πιθανών πλεονεκτημάτων, των περιορισμών αλλά και της ευαισθησίας των παραπάνω αεροσκαφών σε τεχνολογικές βελτιώσεις όσον αφορά τις επιδόσεις, τη διαστασιολόγηση, τις περιβαλλοντικές και οικονομικές επιπτώσεις. Σε επόμενο κεφάλαιο, πραγματοποιείται η μοντελοποίηση ορισμένων στοιχείων καινοτομικών αεροσκαφών χρησιμοποιώντας μοντέλα υψηλής πιστότητας, εστιάζοντας τόσο στην υπολογιστική ρευστομηχανική όσο και στις δομικές αναλύσεις. Αρχικά, διεξάγεται η εξωτερική αεροδυναμική αξιολόγηση της πτέρυγας αεροσκάφους και ενός υβριδικού κινητήρα για διάφορες τιμές βασικών γεωμετρικών χαρακτηριστικών της πτέρυγας, στοχεύοντας στην εκπαίδευση ενός μοντέλου ικανού να προβλέπει βασικούς αεροδυναμικούς συντελεστές με ελάχιστο υπολογιστικό κόστος. Στη συνέχεια, διεξάγεται η δομική αξιολόγηση του πλαισίου της πτέρυγας για ένα υβριδικό-ηλεκτρικό αεροσκάφος με στόχο την αντιμετώπιση της αποθήκευσης μπαταριών σε αυτήν και τη βελτιστοποίηση της διάταξής του, ώστε αυτό να αντέχει στις νέες συνθήκες φόρτισης. Επιπλέον, αξιολογείται η δομική συμπεριφορά ενός σχεδίου κουτιού μπαταριών για μια κατάσταση φόρτισης με επιβράδυνση 20g, η οποία δοκιμάζεται προς όλες τις κατευθύνσεις. Τέλος, προσομοιώνεται και αξιολογείται η διαδικασία πλήρωσης και η επίδρασή της στη δομική ακεραιότητα μιας σύνθετης δεξαμενής καυσίμου υγρού υδρογόνου. Παρακάτω, περιγράφεται η ενοποίηση των μοντέλων χαμηλότερης πιστότητας που αναπτύχθηκαν για τη διεπιστημονική αξιολόγηση του σχεδιασμού καινοτομικών αεροσκαφών σε ένα ενιαίο και εύχρηστο πλαίσιο, με γραφικό περιβάλλον εργασίας χρήστη, όπου εξηγούνται διεξοδικά τα μενού και οι λειτουργίες του εργαλείου, ενώ παρουσιάζονται επίσης οι λειτουργικότητες της ανάλυσης αβεβαιότητας και του σχεδιασμού πειράματος. Στο τελευταίο κεφάλαιο του κορμού, επιδεικνύονται οι δυνατότητες της διαστασιολόγησης αεροσκαφών και της δημιουργίας γεωμετρίας, που προσφέρει το παραπάνω εργαλείο, χρησιμοποιώντας μια μικρή καμπίνα αεροσκάφους για την αξιολόγηση της άνεσης των επιβατών σε αυτήν, όσον αφορά την αντίληψη οσμών από πτητικές οργανικές ουσίες, επεκτείνοντας τη διεπιστημονική προσέγγιση της παρούσας εργασίας, ώστε να συμπεριλάβει πτυχές της αεροπορικής ιατρικής. Τέλος, παρουσιάζονται τα συμπεράσματα καθώς και προτάσεις για μελλοντική εργασία.