Multidisciplinary optimization of multi-lobe structures for hypersonic vehicles

Abstract

[Abstract] This work presents a comprehensive investigation into hypersonic cruise vehicles, aim- ing to significantly decrease the travel duration of long-distance journeys, such as the Madrid-Sydney route, to less than 4 hours. Achieving this goal necessitates the analysis of multiple engineering disciplines and the utilization of advanced modeling and design techniques. The culmination of these efforts will lead to the development of efficient configurations, representing future architectures capable of achieving low emissions while adhering to industry safety standards. The design of high-speed passenger ve- hicles is subject to very demanding conditions compared to traditional aircraft. This is due to the high loads and temperatures induced by the flows created in supersonic and hypersonic regimes. To solve these aspects, it is necessary to select suitable ma- terials and structural concepts that are adapted to the special characteristics of the vehicle. Multi-bubble architectures are an alternative for structures subjected to in- ternal pressures, mainly fuel tanks and passenger cabins. This concept uses several curved arches to form the volume, increasing the inertia and obtaining high mechan- ical performance. The main drawback is the difficulty in integrating them with the rest of the vehicle without incurring in excessive stress levels. For this reason is neces- sary to design additional schemes that are able to solve these deficiencies with respect to traditional fuselages. Structural optimization is a fundamental design tool in the field of aerospace engineering, commonly used in the design and production phases. In this type of industry, a small material saving can mean a clear decrease in the cost of the final prototype. Therefore, taking advantage of this tool for the design of hypersonic prototypes of is a key point. In this thesis, multi-bubble configurations ap- plied to hypersonic aircraft are studied. To size the components, several optimization technique are developed using different parametric models, obtaining complete designs that satisfy the imposed conditions.

[Resumen] En este trabajo se estudian las configuraciones de multiburbuja aplicadas a los aviones hipersónicos. Para el dimensionamiento de los componentes se desarrollan varias técnicas de optimización utilizando diferentes modelos paramétricos, obteniendo diseños completos que satisfagan las condiciones impuestas. Este estudio presenta una in- vestigación exhaustiva sobre los vehículos hipersónicos de crucero, con el objetivo de reducir significativamente la duración de los viajes de larga distancia, como la ruta Madrid-Sídney, a menos de 4 horas. La consecución de este objetivo requiere el análisis de múltiples disciplinas de ingeniería y la utilización de técnicas avanzadas de modelización y diseño. La culminación de estos esfuerzos conducirá al desarrollo de configuraciones eficientes, representativas de futuras arquitecturas capaces de lograr bajas emisiones cumpliendo las normas de seguridad del sector. El diseño de vehículos de pasajeros de alta velocidad está sujeto a condiciones muy exigentes en comparación con las aeronaves tradicionales. Esto se debe a las elevadas cargas y temperaturas inducidas por los flujos creados en los regímenes supersónico e hipersónico. Para resolver estos aspectos, es necesario seleccionar materiales adecuados y conceptos estructurales que se adapten a las características especiales del vehículo. Las arquitecturas multiburbuja son una alternativa para las estructuras sometidas a presiones internas, principalmente los depósitos de combustible y las cabinas de pasajeros. Este concepto utiliza varios arcos curvos para formar el volumen, aumentando la inercia y obteniendo altas prestaciones mecánicas. El principal inconveniente es la dificultad de integrarlos con el resto del vehículo sin incurrir en niveles de tensión excesivos. Por este motivo es necesario diseñar esquemas adicionales que sean capaces de solventar estas deficiencias respecto a los fuselajes tradicionales. La optimización estructural es una herramienta de diseño fundamental en el campo de la ingeniería aeroespacial, utilizada habitualmente en las fases de diseño y producción. En este tipo de industria, un pequeño ahorro de material puede suponer una clara disminución del coste del prototipo final. Por ello, aprovechar esta herramienta para el diseño de prototipos hipersónicos de es un punto clave. En esta tesis se estudian configuraciones multiburbuja aplicadas a aeronaves hipersónicas. Para dimensionar los componentes, se desarrollan varias técnicas de optimización utilizando diferentes modelos paramétricos, obteniendo diseños completos que satisfacen las condiciones impuestas

[Resumo] Este traballo presenta unha ampla investigación sobre vehículos de cruceiro hipersónicos, co obxectivo de reducir significativamente a duración dos traxectos de longa distancia, como a ruta Madrid-Sídney, a menos de 4 horas. A consecución deste obxectivo require a análise de múltiples disciplinas de enxeñería e o uso de técnicas avanzadas de modelado e deseño. A culminación destes esforzos levará ao desenvolvemento de configuracións eficientes, representativas de futuras arquitecturas capaces de acadar baixas emisións ao tempo que cumpren os estándares de seguridade da industria. O deseño de vehículos de pasaxeiros de alta velocidade está suxeito a condicións moi esixentes en comparación coas aeronaves tradicionais. Isto débese ás altas cargas e temperaturas inducidas polos fluxos creados nos réximes supersónico e hipersónico. Para resolver estes aspectos, é necesario seleccionar materiais e conceptos estruturais axeitados que se adapten ás características especiais do vehículo. As arquitecturas multibubble son unha alternativa para estruturas sometidas a presións internas, principalmente depósitos de combustible e cabinas de pasaxeiros. Este concepto utiliza varios arcos curvos para formar o volume, aumentando a inercia e obtendo un alto rendemento mecánico. O principal inconveniente é a dificultade de integralos co resto do vehículo sen incorrer en niveis de estrés excesivo. Por este motivo, é necesario deseñar esquemas adicionais que sexan capaces de solucionar estas deficiencias con respecto ás células tradicionais. A optimización estrutural é unha ferramenta de deseño fundamental no campo da enx- eñaría aeroespacial, utilizada habitualmente nas fases de deseño e produción. Neste tipo de industrias, un pequeno aforro de material pode supoñer unha clara redución do custo do prototipo final. Por iso, aproveitar esta ferramenta para o deseño de prototipos hipersónicos é un punto clave. Nesta tese estúdanse as configuracións multiburbulla aplicadas a aeronaves hipersónicas. Para dimensionar os compoñentes desenvólvense varias técnicas de optimización utilizando diferentes modelos paramétricos, obtendo deseños completos que satisfagan as condicións impostas.