Development and optimization of novel morphing wings for the next-generation aircraft

Negahban, Mir Hossein (2025). Development and optimization of novel morphing wings for the next-generation aircraft. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

The aeronautical industry has aimed to reduce its carbon emissions in this era of global warming by adopting various new strategies and technologies. Achieving reduced fuel consumption by aircraft would directly contribute to this goal. Improving the next-generation fleet of aircraft by using these new technologies paves the way for achieving green aviation's ultimate goal of an environmentally friendly aviation industry. This thesis explores nextgeneration wings in the framework of promising morphing wing technology, with the objective of enhancing aircraft aerodynamic performance and efficiency. This research focuses on innovative morphing approaches that could be applied on wings’ trailing edges. Two novel morphing approaches are introduced: the Seamless Morphing Trailing Edge (SMTE) flap, and the twist morphing ailerons and winglet design. The former replaces the conventional main flaps of an aircraft, and the latter replaces the conventional ailerons of a UAV.

For this purpose, 3D aerodynamic shape optimization is performed for each morphing approach using a high-fidelity gradient-based optimization algorithm with a high-fidelity flow solver, OpenFOAM. The framework is based on an object-oriented adjoint-based Open-Source code called DAFoam and uses the Free-Form Deformation (FFD) parametrization technique. FFD is an efficient method in 3D optimization, where 100s or 1000s of design variables are considered in a full wing or a full-scale aircraft optimization. A suitable objective function specifies each morphing approach according to the mission objectives and flight conditions.

Optimization of SMTE flaps for different flight conditions and regimes, including climb, cruise, and gliding descent is conducted using a high-fidelity steady-state aerodynamic shape optimization. A comparative analysis with the results from conventional hinged flaps demonstrates the morphing flap's superiority; indicating up to 3.8% power reduction and a 6.13% increase in climb rate. The SMTE flap also enhances aerodynamic efficiency by up to 17.8% and extends laminar flow on the wing's upper surface compared to a conventional hinged flap. In addition, a 61.2% gain was achieved for endurance improvement compared to that of a clean wing configuration. Finally, the optimized configuration for gliding descent achieved a 43% reduction in the descent rate.

Another high-fidelity gradient-based aerodynamic shape optimization is performed to improve rolling efficiency and reduce induced drag by introducing a novel twist morphing aileron and winglet design. The twist morphing increased the aileron efficiency by 34% and reduced induced drag by 61% compared to a conventional aileron design. In more detail, twist morphing winglets reduced the induced drag by 25.7% in cruise flight, by 16.51% in climb, total drag by up to 7.5%, and overall, enhanced aerodynamic efficiency by up to 9%.

After obtaining promising aerodynamic improvements for an SMTE flap, the study continues by proposing the novel Elephant Trunk Mechanism (ETM), a bio-inspired morphing concept derived from an elephant's flexible and versatile trunk. Structural analysis and topology optimization is performed to examine the feasibility and practicality of the proposed mechanism. The ETM employs tooth-like elements attached to a solid wing box, actuated by wire cables, to achieve smooth downward bending deformation of the trailing edge. Both Finite Element Analysis (FEA) and topology optimization ensure the structural feasibility and stability of the ETM, leading to a reliable and lightweight morphing mechanism.

Finally, an experimental analysis is performed by prototyping the SMTE flap equipped with an Elephant Trunk Mechanism to validate the results obtained from aerodynamic and structural studies. This study is orientated towards the development of morphing trailing edge flaps, but more importantly, it confirms the promising benefits of the SMTE flap in terms of aerodynamic performance and structural feasibility.

These studies demonstrate the potential of morphing wing technologies to significantly improve an aircraft's performance, efficiency, and maneuverability, paving the way for their practical implementation in next-generation aircraft.

Titre traduit

Développement et optimisation de nouvelles ailes déformables pour l'avion de nouvelle génération

Résumé traduit

L’industrie aéronautique a pour objectif de réduire les émissions de carbone dans cette ère dangereuse de réchauffement climatique en adoptant diverses stratégies et technologies nouvelles. Réduire la consommation de carburant d’un avion pourrait considérablement contribuer à cet objectif au sens large. L'amélioration de la flotte d'avions de nouvelle génération grâce à l'utilisation de ces nouvelles technologies ouvre la voie à la réalisation des objectifs de l'aviation verte, à savoir d’une industrie aéronautique respectueuse de l'environnement. En utilisant la technologie prometteuse des ailes déformables, cette thèse explore les ailes de nouvelle génération visant à améliorer leur performance aérodynamique. Cette recherche porte sur des approches de innovantes et spécifiques qui pourraient être applicables sur le bord de fuite des ailes. Deux nouvelles approches pour des ailes déformables sont expliquées dans cette thèse, l'une étant le volet SMTE (Seamless Morphing Trailing Edge) et la seconde la conception d'ailerons et d'ailettes déformables par torsion. La première approche remplace les volets principaux conventionnels d'un avion, et la deuxième approche remplace par ailerons conventionnels au bout de l'aile.

À cette fin, une optimisation de la forme aérodynamique 3D est effectuée pour chaque approche d’aile déformable à l'aide d'un algorithme d'optimisation haute-fidélité. L'algorithme d'optimisation basé sur le gradient est programmé dans le solveur de flux haute-fidélité OpenFOAM. Le code Open Source adjoint orienté objet appelé DAFoam a été utilisé. La technique de paramétrage de déformation de forme libre (FFD), qui est une méthode efficace d'optimisation 3D a aussi été utilisé, Dans cette méthode, des centaines ou des milliers de variables de conception sont prises en compte lorsqu'on parle d'optimisation d'une aile complète ou d'un avion à grande échelle. Chaque approche d’aile déformable est spécifiée par une fonction objectif adaptée en fonction des objectifs de la mission et des conditions de vol. L'optimisation des volets déformables lisse du bord de fuite pour différentes conditions de vol, y compris la montée, la croisière et la descente planée, grâce à l'optimisation de la forme aérodynamique en régime permanent haute-fidélité et l'analyse comparative avec les volets articulés conventionnels démontrent la supériorité du volet déformable, montrant jusqu'à 3,8 % réduction de puissance et 6,13% d’augmentation de taux de montée. Le volet déformable lisse améliore également l'efficacité aérodynamique jusqu'à 17,8 % et étend l’écoulement laminaire sur la surface supérieure de l'aile. De plus, un gain d’endurance de 61,2 % a été réalisé par rapport à celle de la configuration de l’aile. Enfin, la configuration optimisée pour la descente en plané a permis d'obtenir une réduction remarquable de 43 % du taux de descente.

Une autre optimisation de forme aérodynamique basée sur un gradient haute-fidélité est effectuée pour améliorer l'efficacité de roulement et réduire la traînée induite en introduisant une nouvelle conception d'aileron et d'ailette déformable en torsion. L'aileron déformable par torsion a augmenté l'efficacité des ailerons par 34 % et a réduit la traînée induite par 61 % par rapport à leur conceptions conventionnelles. D'autre part, les ailettes déformables en torsion ont réduit la traînée induite par 25,7 % en vol de croisière et par 16,51 % en montée, ainsi elles ont réduit la traînée totale jusqu'à 7,5 % et ont amélioré l'efficacité aérodynamique jusqu'à 9%.

Après avoir obtenu des améliorations aérodynamiques prometteuses grâce au volet SMTE, l'étude a été développé en proposant le nouveau mécanisme de la trompe d'éléphant (ETM), un concept de bio-inspiré dérivé de la trompe flexible et polyvalente d'un éléphant. Une analyse structurelle et une optimisation de la topologie ont été effectuées pour examiner la faisabilité et le caractère pratique du mécanisme proposé. L'ETM utilise des éléments en forme de dents fixés à un caisson d'aile solide, actionnés par des câbles métalliques pour obtenir une déformation vers le bas du bord de fuite. L'analyse par des éléments finis et l'optimisation de la topologie garantissent la faisabilité structurelle et la stabilité de l'ETM, conduisant à un mécanisme de déformation fiable et léger. Enfin, l'analyse expérimentale est réalisée en prototypant le volet SMTE équipé du mécanisme en trompe d'éléphant pour valider les résultats obtenus à partir d'études aérodynamiques et structurelles. Cette étude a non seulement finalisé l'étude approfondie sur le développement d'un volet déformable de bord de fuite, mais plus important encore, elle a confirmé les avantages prometteurs du volet SMTE en termes de performances aérodynamiques et de faisabilité structurelle.

Ces études démontrent le potentiel des technologies d’ailes déformable pour améliorer considérablement les performances, l’efficacité et la maniabilité d’un avion, ouvrant ainsi la voie à leurs mises en oeuvre pratiques dans les avions de nouvelle génération.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment of the degree of doctor of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 235-247).
Mots-clés libres:	aile déformable, optimisation de la forme aérodynamique, volet de bord de fuite à déformation lisse, mécanisme de trompe d'éléphant, aileron déformable par torsion, efficacité de roulage, performances des ailerons, analyse structurelle, optimisation de la topologie, optimisation basée sur le gradient
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Botez, Ruxandra
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	17 sept. 2025 15:54
Dernière modification:	17 sept. 2025 15:54
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3688

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