Aerodynamic optimization of a supersonic business jet wing. Fuselage configuration using Cartesian Euler CFD and hybrid E-H Mopso-Ga optimization algorithm

SupersoniccivilflightcanpotentiallyberevivedchancewithSupersonicBusiness Jets,orSSBJ,thankstosmallerandlighterconfigurationsbeingmuchmorefeasible fromoperativeandeconomicpointsofview, ifcomparedtolargesupersonicliners. The main aerodynamic phenomena of supersonic flight, wave drag and sonic boom, are outlined, alongside relevant trade offs that deeply influence supersonic operative environments: a SSBJ aerodynamic configuration is then considered and subjected to aerodynamic optimization, with respect to a conceptual design stage. A simplified configuration, formed by the fuselage and the main lifting surface, is involved: a wave drag - oriented approach is considered to define a proper design space. Bothfuselageandwingwillbesubjectedtoshapevariationandoptimization, as well as their mutual position within the complete configuration. A total of 2 direct aerodynamic objectives are considered: aerodynamic efficiency E at Mach 1.4 and range factor G at Mach 1.6, both to be maximized. Increases in G is equivalent to range maximization. Efficiency E improvements help indirect sonic boom mitigation to be achieved a priori, before direct optimization efforts are involved. Direct sonic boom optimization is to be performed within more detailed design stages, by means of ground pressure signature shaping. A mixed - fidelity approach is used to evaluate aerodynamic performances. A high - fidelity, cartesian Euler CFD solver, Cart3D, is employed to evaluate inviscid contributes: the cartesian approach has been selected thanks to the volume mesh generation process being highly fast and robust. Multi - grid simulations effectively accelerate solution convergence. A low - fidelity technique, based on a compressible flat plate - boundary layer analogy, is used to simulate viscous aspects. The choice of the optimization algorithm is outlined with respect to the here considered preliminary design phase: Genetic Algorithms, or GA, and Particle Swarm Optimization techniques, or PSO, come to represent a proper choice, thanks to high global search capabilities. A new, hybrid PSO - GA algorithm is developed and used: hybrid elitist, Multi - Objective Particle Swarm Optimization - Genetic Algorithm, or e-h-MOPSO-GA. The algorithm features are discussed, with particular respect to elitist selection and inequality constraints treatment. Theresultingoptimizationframeworkprovedhighlyeffectiveinsolvingtheassigned optimization task, both in terms of objectives improvement and global optima exploitation: most interesting, aerodynamic features that are theoretically well known to reduce wave drag are somewhat rediscovered throughout the optimization process, despite being explicitly imposed neither to geometric parametrization nor to the objective functions.

Un nuovo inizio per il volo civile supersonico potrebbe essere costituito dai Business Jet supersonici, o SSBJ: ciò grazie alla maggiore convenienza consentita, rispetto a grandi liner supersonici, dall’uso di configurazioni più piccole e leggere. I principali fenomeni relativi al volo supersonico, la resistenza d’onda e il bang sonico, sono esposti insieme ai compromessi progettuali richiesti da condizioni supersoniche: una configurazione aerodinamica di tipo SSBJ è in seguito sottoposta a ottimizzazione aerodinamica, nell’ambito di una fase di progetto concettuale. Si considererà una configurazione semplificata, costituita dalla fusoliera e dalla superficiealareprincipale: lospaziodidesignammessosaràdefinitoinmodotaleda promuovere la riduzione della resistenza d’onda. Ala e fusoliera saranno entrambe soggette al processo di ottimizzazione, così come il posizionamento reciproco. Gli obiettivi aerodinamici considerati sono 2: efficienza aerodinamica E a Mach 1.4 e indice aerodinamico G di autonomia chilometrica, entrambi da massimizzare. Ogni aumento di G è equivalente a un miglioramento in autonomia; gli incrementi di efficienza E consentono di diminuire in modo indiretto l’intensità del bang sonico. Quest’ultimo dovrà successivamente essere soggetto a successive attività di ottimizzazione diretta, che coinvolgeranno il campo di pressione risultante al suolo. Nel valutare le prestazioni aerodinamiche è stato adoperato un approccio ad accuratezzaibrida. IcontributinonviscosiallaresistenzasonodeterminaticonCart3D, un solutore delle equazioni di Eulero la cui formulazione cartesiana consente un processo estremamente robusto e veloce per generazione automatizzata della mesh di volume. Le caratteristiche di convergenza sono inoltre esaltate dall’esecuzione di simulazioni multigriglia. I fenomeni viscosi sono invece simulati per messo di un approcio semi - empirico, basato sull’analogia di lastra piana. La selezione dell’algoritmo di ottimizzazione è motivata dalla fase progettuale considerata, di natura concettuale: gli algoritmi genetici, o GA, e le tecniche di ottimizzazione a sciami di particelle, o PSO, rappresentano una scelta appropriata, grazie alle ottime capacità di ricerca globale. Un nuovo algoritmo ibrido tra le tecnichePSOeGA,denominatoe-h-MOPSO-GA,èstatoinparticolaresviluppato e applicato al problema in oggetto. Le principali caratteristiche di tale formulazione sonoestesamentepresentate, conparticolareattenzioneallafasediselezione elitaria e alle metodologie di trattamento dei vincoli di diseguaglianza. Il processo di ottimizzazione così ottenuto risulta estremamente efficace nel risolvere il problema assegnato, in termini di miglioramento negli indici E e G di interesse e di raggiungimento di ottimi globali.