Tesis:
Aeroelastic Analysis and Stability of a Hose-Drogue System with Aerodynamic Grid Fins for Aerial Refueling
- Autor: SALEHI PANIAGUA, Andres Keyvan
- Título: Aeroelastic Analysis and Stability of a Hose-Drogue System with Aerodynamic Grid Fins for Aerial Refueling
- Fecha: 2025
- Materia:
- Escuela: E.T.S.I. AERONÁUTICA Y DEL ESPACIO
- Departamentos: AERONAVES Y VEHICULOS ESPACIALES
- Acceso electrónico: https://oa.upm.es/86458/
- Director/a 1º: GARCÍA-FOGEDA NÚÑEZ, Pablo
- Resumen: Aerial refueling extends the range, endurance and operational flexibility of military aircraft by allowing fuel transfer mid-flight from a tanker to a receiver aircraft. The hose-drogue system, one of the most widely used configurations for this purpose, relies on a flexible hose stabilized by a drogue at its end to guide the receiver aircraft during refueling. However, this setup is inherently susceptible to dynamic instabilities, particularly in turbulent or high-speed conditions, which can lead to severe oscillations, posing significant risks of structural failure and potentially jeopardizing the refueling operation.
The main purpose of this thesis is to develop a robust mathematical model to analyze the dynamic and aeroelastic behavior of the hose-drogue system, with a focus on identifying and characterizing its flutter boundaries. In addition, this study not only aims to provide the first in-depth flutter analysis for hose-drogue refueling systems but also proposes a method to improve stability by integrating a grid fins prototype attached at the hose-drogue junction. Grid fins consist of a lattice structure formed by a series of small aerodynamic surfaces arranged within a box-like frame, and their use has important advantages with respect to conventional planar fins.
The first stage of this research involves accurately characterizing the hose itself, as it is a complex structure with limited existing data. This characterization is achieved through static and dynamic tests, which provide key mechanical properties essential for the model's development. With these properties defined, a model for the hose-drogue system is developed, integrating both structural and aerodynamic considerations of the hose. This model enables the calculation of both the static equilibrium position of the system and its dynamic response to small perturbations. Using this foundation, a comprehensive aeroelastic analysis is conducted, allowing for the determination of flutter conditions, including speeds, frequencies, and modal shapes, under various flight conditions and hose configurations.
To assess the effect of grid fins, a detailed aerodynamic model is created, capturing both the steady and unsteady aerodynamic forces generated by these fins with a method based on a Doublet-Lattice code and the Unit-Grid Fin approach. Wind tunnel data is used to validate the steady-state forces. The grid fins are then integrated into the hose-drogue model. The enhanced hose-drogue-fins model allows for a comparative study of the aeroelastic behavior of the system with and without fins, illustrating how the inclusion of fins influences the flutter boundaries and stability margins of the system. This comparative analysis reveals that grid fins can significantly improve the stability of the system, thereby raising flutter thresholds.
Additionally, the study investigates the behavior of the system during the critical phase when the drogue makes contact with the receiver aircraft. While the primary analysis focuses on the flutter conditions of the free hose, understanding the dynamic response during contact is essential, as this phase is crucial for successful fuel transfer.
In summary, this thesis provides a novel, validated model for the analysis of the aeroelastic stability in hose-drogue refueling systems, with a specific focus on flutter conditions and the study of a new configuration with a grid fins prototype included. The results offer important insights into the role of aeroelastic interactions in refueling operations, potentially guiding the development of more resilient refueling systems and informing future studies into active control mechanisms, additional phases of the refueling process, and alternative stabilizing configurations.
RESUMEN
El reabastecimiento en vuelo extiende el alcance y la flexibilidad operativa de las aeronaves militares mediante la transferencia de combustible en vuelo desde un avión tanquero a una aeronave receptora. El sistema de cesta-manguera, uno de los más utilizados, emplea una manguera flexible estabilizada por una cesta en su extremo para guiar a la aeronave receptora durante el reabastecimiento. Sin embargo, este sistema es inherentemente susceptible a inestabilidades dinámicas, especialmente en condiciones de turbulencia o alta velocidad, lo que puede provocar oscilaciones severas que representan un riesgo de fallo estructural y comprometen la operación de reabastecimiento.
El principal objetivo de la tesis es desarrollar un modelo matemático robusto para analizar el comportamiento dinámico y aeroelástico de un sistema cesta-manguera, centrado principalmente en caracterizar sus condiciones de flameo. Asimismo, este estudio no solo pretende ofrecer el primer análisis profundo de flameo de sistemas cesta-manguera para reabastecimiento en vuelo, sino también proponer un método para mejorar la estabilidad del sistema mediante la integración de un prototipo de aletas tipo rejilla. Estas aletas consisten en una estructura formada por una serie de pequeñas superficies aerodinámicas, y su uso presenta importantes ventajas con respecto a las aletas planas convencionales.
La primera fase de esta investigación implica caracterizar con precisión la manguera, ya que se trata de una estructura compleja con datos muy limitados. Esta caracterización se logra mediante ensayos estáticos y dinámicos que proporcionan propiedades mecánicas esenciales para el desarrollo posterior del trabajo. Con estas propiedades definidas, se desarrolla un modelo para el sistema cesta-manguera, integrando tanto las consideraciones estructurales como aerodinámicas de la manguera. Este modelo permite calcular la posición de equilibrio estático del sistema y su respuesta dinámica ante pequeñas perturbaciones. Con estos resultados, se realiza un análisis aeroelástico exhaustivo para determinar las condiciones de flameo (velocidades, frecuencias y formas modales) bajo diversas condiciones de vuelo y configuraciones de manguera. Asimismo, se estudia el comportamiento del sistema durante la fase en la que la cesta hace contacto con el receptor. Aunque el análisis principal se centra en el flameo de la manguera libre, entender la respuesta dinámica durante el contacto es de gran importancia, ya que esta fase es crucial para el éxito de la transferencia de combustible.
Para evaluar el efecto de las aletas de rejilla, se crea un modelo aerodinámico detallado que incluye tanto las fuerzas aerodinámicas estacionarias como no-estacionarias generadas por estas aletas, mediante un método basado en un código Doublet-Lattice y el concepto de aleta de rejilla unitaria. Las fuerzas estacionarias se validan mediante datos experimentales de ensayos en túnel de viento. Las aletas se integran en el sistema cesta-manguera, creando una nueva configuración modificada de manguera-cesta-aletas. Este modelo mejorado permite un estudio comparativo del comportamiento dinámico y aeroelástico del sistema con y sin aletas, revelando que su inclusión puede mejorar significativamente el margen de estabilidad del sistema, retrasando la aparición de flameo.
En resumen, esta tesis proporciona un modelo novedoso y validado para analizar la estabilidad aeroelástica de los sistemas de reabastecimiento con cesta-manguera, con un enfoque específico en las condiciones de flameo y el estudio de una nueva configuración con un prototipo de aletas de rejilla. Los resultados ofrecen valiosas perspectivas sobre el papel de las interacciones aeroelásticas en las operaciones de reabastecimiento, lo que podría guiar el desarrollo de sistemas más resilientes y analizar futuros estudios sobre mecanismos de control activo, fases adicionales del proceso de reabastecimiento y configuraciones estabilizadoras alternativas.