Reynolds and Mach number effects on the aerodynamics and design of airfoils for the Martian atmosphere

Recently, an increasing interest towards the Martian exploration by means of fixed-wing aircraft has spread in the scientific community. However, since the aerodynamic characteristics on the Red Planet are quite unusual due to its rarefied, cold and windy atmosphere, it is necessary to acquire a deeper knowledge of the low-Reynolds regime. This thesis contributes to that, as it aims at studying the flow properties around an airfoil flying on Mars, especially focusing on the effects of Mach and Reynolds on the aerodynamic performance. Firstly, the Ishii airfoil was taken as a meaningful reference and its surrounding flowfield was simulated by means of a RANS solver available in SU2. Large separations and peculiar structures, such as the LSB, have been identified as the main responsible for the small lift-to-drag ratio. Then, other simulations have been carried out changing the Reynolds and Mach numbers. The results have highlighted a great sensitivity of the aerodynamic coefficients on these non-dimensional parameters due to their capability of acting on the LSB. Eventually, the original Ishii airfoil has been optimized for 9 flight conditions by means of both a global (genetic algorithm) and a local (SLSQP and adjoint) method. The resulting geometries have been used to study the effects of Mach and Reynolds on the optimized design, as well. Moreover, the airfoils have been gathered to form a database to use in the preliminary sizing of a future Martian aircraft. The outcomes of this work can set the basis for further and deeper aerodynamics studies regarding the low-Reynolds regime and flight in the Martian atmosphere, or they can even inspire innovative optimization techniques.

Negli ultimi anni, si è diffuso all’interno della comunità scientifica un interesse sempre maggiore nei confronti dell’esplorazione di Marte per mezzo di velivoli ad ala fissa. Tuttavia, dato che le proprietà aerodinamiche sul Pianeta Rosso sono piuttosto particolari a causa della sua atmosfera fredda e rarefatta, caratterizzata da forti venti, si è reso necessario approfondire la conoscenza del regime a basso Reynolds. Per questo motivo, la presente tesi si prefigge l’obiettivo di studiare le caratteristiche di una corrente attorno ad un profilo alare in volo su Marte, concentrandosi particolarmente sugli effetti di Mach e Reynolds sulla prestazione aerodinamica. Innanzitutto, si è selezionato il profilo Ishii come riferimento significativo e il relativo campo di moto è stato simulato attraverso un risolutore RANS disponibile su SU2. Si è quindi osservato che la ridotta efficienza del profilo in tale regime è da attribuirsi principalmente alle forti separazioni dello strato limite e alle peculiari strutture assunte dalla corrente, tra cui le bolle di separazione laminare (LSB). Successivamente, sono state effettuate ulteriori simulazioni variando i numeri di Mach e Reynolds. I risultati hanno evidenziato una grande dipendenza dei coefficienti aerodinamici da tali parametri adimensionali, poiché questi ultimi sono in grado di modificare la formazione e lo sviluppo della bolla di separazione. Infine, il profilo Ishii di partenza è stato ottimizzato per 9 condizioni di volo attraverso tecniche sia globali (algoritmo genetico), sia locali (algoritmo SLSQP basato sul metodo dell’aggiunto). Le geometrie ottenute sono state quindi utilizzate per studiare gli effetti di Mach e Reynolds sulla forma assunta dai profili ottimizzati. Inoltre, i design risultanti sono stati riuniti a formare un database da utilizzare nella fase preliminare di dimensionamento di futuri velivoli per Marte. I risultati di questa tesi costituiscono la base per ulteriori studi di aerodinamica riguardanti il regime a basso Reynolds e il volo in atmosfera marziana, e potrebbero persino ispirare tecniche di ottimizzazione innovative.