Multidisciplinary Analysis of Closed, Nonplanar Wing Configurations for Transport Aircraft

Abstract

A multidisciplinary study of an unconventional aircraft configuration was undertaken to determine if such a design could decrease the environmental impact of civil air transportation through fuel burn improvements for given missions. The specific configuration examined was a box-wing. This is a nonplanar wing design where two parallel wings with some degree of streamwise separation were connected at their tips by a vertical wing segment. The box-wing design differs from a conventional aircraft in three key areas: it has the lowest induced drag of any wing design with the same projected area; it can achieve longitudinal stability without a horizontal tail; and the wings form a statically indeterminate truss structure. These three characteristics lead to improved performance in the respective disciplines of aerodynamics, stability and structures. For this reason, the box-wing has been investigated as a possible transport aircraft in several previous studies, each focusing on these disciplines independently.

Trends which improved the performance in one discipline, however, could decrease the performance of the others. A multidisciplinary analysis was required to resolve these interactions and understand the trends which led to reduced fuel consumption for a box-wing design. Novel models for predicting the aerodynamic performance, static longitudinal stability and structural weight of a box-wing aircraft were developed for such an analysis. Optimal box-wing designs were identified, which were compatible with existing transport aircraft certification requirements and operational guidelines. These designs were compared against optimized conventional aircraft to determine what advantage the box-wing configuration possessed.

These findings showed both the interactions between the three key disciplines of aerodynamics, stability and structures, as well as the effect which certification and operational constraints had on the design. Unconventional designs are critical to achieve the fuel burn reductions sought in the next generation of aircraft. The rigorous comparison made between box-wing and conventional configurations showed whether such a designs should be pursued in the development of future transport aircraft. Understanding how the constraints and design choices affect a box-wing's performance helped identify alternate missions which best take advantage of this unconventional design.

Une étude multidisciplinaire d’une configuration d’aile d’aéronef non- conventionnelle fut entreprise afin de déterminer s’il était possible de réduire la consommation de carburant requise pour entreprendre certains profils de vols. La configuration d’ailes sélectionnée pour ce projet était celle d’ailes en anneau, une configuration similaire à celle d’un avion biplan où les extrémités d’ailes horizontales sont rejointes par des segments d’ailes verticaux. Ce type de configuration se démarque des ailes conventionnelles par les trois principes suivants: la traînée par unité de surface induite est moindre que toutes autres configurations d’ailes conventionnelles, la présence d’une telle configuration élimine la nécessité des gouvernes de profondeurs et les ailes en anneaux forment une structure hyperstatique pour laquelle l’amélioration structurelle peut résulter dans la réduction du poids structurel. Ces trois facteurs ont le potentiel de produire de nettes améliorations dans les performances aérodynamiques et en stabilité ainsi que des réductions du poids structurel. Pour ces raisons, plusieurs scientifiques ont déjà poursuivi des études ciblées sur ces avancements potentiels de performance.

Malgré qu’il a été démontré avec succès que certains modèles peuvent en fait améliorer certains aspects de la performance, aucun des modèles d’ailes en anneau proposés à date ont su démontrer une amélioration de performance globale, pour les trois principes mentionnés ci-haut. Ainsi, ce projet a utilisé une étude multidisciplinaire avec l'objectif premier de produire un modèle structurel d'ailes en anneau possédant le potentiel d'amélioration de performance sur l’ensemble des trois principes.

De nouveaux modèles numériques innovants permettant l’amélioration de la performance aérodynamique, la stabilité statique longitudinale ainsi qu’une réduction du poids structurel de l’ensemble d’aile ont été développés avec succès. Ces modèles sont compatibles avec les normes et certifications existantes ainsi qu'avec les standards opérationnels pour les aéronefs de transport. De plus, ces modèles numériques ont été comparés avec des configurations d’ailes conventionnelles optimisées afin d’identifier et de quantifier leurs avantages. Les résultats de cette étude ont démontré que tout en respectant les contraintes opérationnelles et les besoins de certification, les modèles développés pouvaient en fait accroître la performance selon les trois critères mentionnées. Ces résultats démontrent que l’utilisation de configurations non-conventionnelles offre un niveau amélioré de performance pour de nouvelles configurations potentielles d’aéronefs. Grâce aux améliorations en performance, cette étude a aussi identifié de nouveaux types de missions de vols pour lesquelles les ailes en forme d’anneau pourraient être avantageuses.