Numerical assessment and experimental testing of a full-scale morphing aileron and its large-bandwidth actuation system

Within the framework of the European project HERWINGT, in which Politecnico di Milano is responsible for the design, manufacturing, and testing of a morphing aileron, this thesis represents the intermediate stage between the structural design phase and the wind tunnel tests. The core of this work consists of both experimental and numerical analyses performed on the full-scale model of the morphing aileron, aiming to characterize its behavior and prepare it for the wind tunnel campaign. To this purpose, in addition to the CAD modeling and manufacturing of some components whose initial design was incomplete or missing, a tuning of the control system was carried out to ensure a dynamic response of the actuation system that met the design requirement of an operational frequency range of [0–10 Hz]. High-fidelity numerical simulations were then performed to analyze the aerodynamic performance of the 2D airfoil profile under sinusoidal oscillatory motion of the control surface at different frequencies. These simulations provided results to be validated during the wind tunnel tests and allowed for a numerical comparison between the morphing and the conventional (hinged) aileron configurations. In addition to these activities, a numerical analysis of the airfoil equipped with the morphing aileron under off-design conditions was conducted through an optimization process in the transonic flight regime. This analysis, which focused on the methodological details, highlighted the excellent aerodynamic performance and adaptability of the airfoil under varying flight conditions. Therefore, this work experimentally and numerically assessed the capability of the physical model to meet the initial design requirements. The results demonstrated the superior aerodynamic performance of the morphing aileron compared to the conventional one, as well as its adaptability to off-design flight conditions, thus confirming the significant potential of morphing technologies for future aerodynamic applications.

Nell’ambito del progetto europeo HERWINGT, in cui il Politecnico di Milano ha il compito di progettare, realizzare e testare una superficie di controllo morphing, ovvero un alettone morphing, questa tesi si posiziona nella fase intermedia tra la progettazione della struttura e i test in galleria del vento. Infatti, protagoniste di questo lavoro sono analisi sperimentali e numeriche del modello in piena scala dell’alettone morphing, con l’obiettivo di analizzarne il comportamento e prepararlo per i futuri test in galleria del vento. A tale scopo, oltre alla modellazione CAD per la produzione di alcuni componenti del modello, il cui design iniziale era incompleto o assente, è stato effettuato il tuning del sistema di controllo per garantire un comportamento dinamico del motore che soddisfacesse il requisito di progetto di un range operativo di [0-10 Hz]. Sono state poi svolte simulazioni numeriche ad alta fedeltà per analizzare le prestazioni aerodinamiche del modello 2D nel caso di moto sinusoidale oscillatorio della superficie di controllo a diverse frequenze, ottenendo risultati da validare in galleria del vento e confrontando a livello numerico le prestazioni dell’alettone morphing con quelle del corrispettivo alettone rigido. A corredo di queste attività, un’analisi numerica del comportamento del profilo alare con alettone morphing in condizioni di fuori progetto è stata realizzata tramite un’ottimizzazione del profilo in condizioni di volo transonico. Essa, affrontata principalmente da un punto di vista metodologico, ha evidenziato le ottime proprietà aerodinamiche e di adattabilità alle condizioni di volo. In questo lavoro si sono quindi testate e verificate le capacità del modello fisico di raggiungere alcuni requisiti iniziali di progetto. Sono state dimostrate numericamente le maggiori prestazioni aerodinamiche dell’alettone morphing rispetto alla configurazione tradizionale e anche le ottime capacità del profilo alare in esame di adattarsi a condizioni di volo lontane da quelle di progetto, evidenziando quindi le grandi possibilità che questa tecnologia morphing è in grado di fornire.