Studies on Unmanned Atmospheric Flight

Thumbnail Image

Files

isbn9789526067322.pdf (2.57 MB)

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

School of Engineering | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2016-04-29
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Authors

Date

2016

Department

Konetekniikan laitos
Department of Mechanical Engineering

Major/Subject

Mcode

Degree programme

Language

en

Pages

76 + app. 94

Series

Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 59/2016

Abstract

The thesis deals with topics emerging in the field of aerial flight of unmanned vehicles. In this framework, aerodynamics, flight mechanics, flight control and the guidance of unmanned vehicles are discussed. In addition, some issues related to vehicle design and flight optimization are considered. An underlying principle of the thesis has been to increase general knowledge concerning the flight of unmanned airborne vehicles. The work was carried out in order to benefit the industry. It is also hoped that the wide perspective of the thesis will support education on the university level. In the scope of pure aerodynamics, the thesis proposes a modification to the well-known Newtonian Flow theory. The Newtonian theory does not take into account information propagation to upstream and is applicable only for very high speed flows. The modification implicitly incorporates shock-wave effects addressing the information limited to travel upstream. This novel approach extends the method to cover also low and moderate supersonic speeds. The method was developed mainly for optimization purposes and the simple law form makes it easy to use in this context. The work portion concerning unguided vehicle flight mechanics is also linked to the real world through the pursuit to develop, in co-operation with industry, a "safe" bullet. In this part, high angle-of-attack aerodynamic interactions and the flight mechanics of a fast spinning bullet are studied in order to understand the phenomena of the fall of an upwards fired bullet. The ultimate goal is to ensure, under strongly unstable flight, retarding the impact velocity of a falling bullet beyond lethal. The vehicle instability mechanism is caused by an aerodynamic interaction called the Magnus effect.  The third issue of the thesis is flight control and particularly a smart-structure based passive means to stabilize the flight of an unguided vehicle and minimize disturbance effects on the flight. Linear and non-linear theory studies are utilized and a concept of properly delayed turning fins is proposed. The fourth topic covers unmanned vehicle guidance.The transposed Hamiltonian reveals linearized system sensitivities and provides a powerful tool for any system analysis over the typical time-domain considerations. The approach is not as widely used as it should be, which is probably due to the quite obscure way of presenting the theory in textbooks under the title of "adjoint".  Finally, the thesis considers the effects of atmospheric turbulence on the momentary orientation of an airborne vehicle. The turbulence influences the radar cross section (RCS) of a vehicle and furthermore recognition of the target.

Tämä väitöskirja keskittyy miehittämättömien lentolaitteiden lennon tutkimukseen. Käsiteltäviä aihealueita ovat aerodynamiikka, lentomekaniikka, lennonohjaus ja hakeutuminen. Lisäksi tarkasteltaan optimointia mm. lentolaitteen ilmanvastuksen minimoinnin yhteydessä. Aerodynamiikan osa-alueella opinnäytteessä ehdotetaan Newtonin virtausteoriaan muutosta siten, että se ottaisi huomioon tiivistysaaltojen vaikutuksen virtauskentässä. Klassinen Newtonin teoria on käytännössä käytettävissä vain erittäin suurilla, hypersoonisilla nopeuksilla. Ehdotettu modifikaatio laajentaa menetelmän käytettävyyttä pienille ylisoonisille Machin luvuille asti. Kehitettyä menetelmää käytetään tässä työssä mm. runkomaisen geometrian painevastuksen minimoinnissa. Toisessa väitöksen osa-alueessa tarkastellaan luodin lentomekaniikka ja aerodynamiikkaa suurilla kohtauskulmilla. Tavoitteena on löytää mekanismeja, joilla nopeasti pyörivä luoti saadaan lennon loppuvaiheen alisoonisella alueella pysyvästi epästabiiliksi. Erityisesti nk. Magnus-ilmiön hyödyntämistä tutkitaan työssä numeerisin virtaussimuloinnein ja ratalaskuin. Esimerkiksi ylöspäin ammutun luodin iskeytymisnopeus olisi epästabiilin loppulennon tapauksessa pienehkö ja vastaavasti mahdollisen osuman aiheuttamat haitat vähäisiä. Kolmantena osa-alueena tutkitaan lentolaitteen lennon vakavoittamista älykkään rakenteen avulla. Työn tuloksena ehdotetaan siipien kiinnitykseen joustavaa mekanismia, joka vaimentaa lentolaitteen lennon aikaisia heilahteluja. Sopivasti viivästettynä mekanismi myös palauttaa ohjaamattoman lentolaitteen halutulle, alkuperäiselle lentoradalle. Neljäntenä osa-alueena työssä tarkastellaan adjoint-mallin (liittomallin) käyttöä ohjuksen maaliin hakeutumisessa. Tarkastelussa muodostetaan lineaarinen malli (Hamiltonian) hakeutumissilmukasta, jolloin laaditun yhtälöryhmän liittomalli tarjoaa mahdollisuuden integroida käänteisesti tarkastellun systeemin herkkyyksiä. Yhdellä tietokoneajolla voidaan tällöin korvata huomattava määrä ajan suhteen tehtyjä tarkasteluja. Menetelmää käytetään työssä arvioitaessa lentokoneelle sopivaa, lähes optimaalista tapaa liikehtiä ohjusta väistettäessä. Viidentenä aihepiirinä työssä on ilmakehän häiriöiden vaikutus lentolaitteen asentoheilahteluun ja tätä kautta hetkelliseen tutkapoikkipinta-alaan ja kohteen tunnistettavuuteen.

Description

Supervising professor

Siikonen, Timo, Prof., Aalto University, Department of Applied Mechanics, Finland

Keywords

flight mechanics, aerodynamics, lentomekaniikka, aerodynamiikka

Other note

Parts

  • [Publication 1]: Timo Sailaranta, Tomi Honkanen, Arttu Laaksonen and Ari Siltavuori. Bullet Turning at Trajectory Apex. ASCE Journal of Aerospace Engineering, Vol. 27, iss. 5, ISSN (print): 0893-1321, ISSN (online): 1943-5525, ASCE 2013.
    DOI: 10.1061/(ASCE)AS.1943-5525.0000349 View at publisher
  • [Publication 2]: Timo Sailaranta and Ari Siltavuori. Adjoint Analysis of Guided Projectile Terminal Phase. ASME Journal of Applied Mechanics, August 05 2011, ASME 2011.
  • [Publication 3]: Timo Sailaranta and Ari Siltavuori. A Passive Method to Stabilize an Airborne Vehicle. Defence Technology, Vol. 10 Issue 2, pages 124-130, ISSN: 2214-9147, Elsevier 2014.
    DOI: 10.1016/j.dt.2014.04.001 View at publisher
  • [Publication 4]: Timo Sailaranta, Tomi Honkanen and Ari Siltavuori. An Improvement of the Newtonian Method to Estimate Supersonic Vehicle Drag. ASCE Journal of Aerospace Engineering, Vol. 28, iss. 5, ISSN (print): 0893-1321, ISSN (online): 1943-5525, ASCE 2014.
    DOI: 10.1061/(ASCE)AS.1943-5525.0000454 View at publisher
  • [Publication 5]: Minna Väilä, Juha Jylhä, Timo Sailaranta, Henna Perälä, Ville Väisänen and Ari Visa. Incorporating a Stochastic Model of the Target Orientation into a Momentary RCS Distribution. 2015 IEEE International Radar Conference, Arlington VA, USA.
    DOI: 10.1109/RADAR.2015.7131135 View at publisher

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:ISBN:978-952-60-6732-2

Collections

[diss] Insinööritieteiden korkeakoulu / ENG