[논문 리뷰] Large-scale multidisciplinary design optimization of the NASA lift-plus-cruise concept using a novel aircraft design framework

Marius L. Ruh, Darshan Sarojini외 3명|arXiv (Cornell University)|2023. 04. 25.

Advanced Aircraft Design and TechnologiesEnvironmental Science인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 eVTOL 항공기의 대규모 다학수적 설계 최적화(MDO)를 가능하게 하는 기하 중심의, 미분 가능한 항공기 설계 프레임워크인 CADDEE를 제시한다. 기울기 기반 최적화와 100개 이상의 설계 변수, 저해상도 물리 모델을 사용하여 CADDEE는 데스크톱 컴퓨터에서 1시간 이내에 나사우주국의 Lift+Cruise eVTOL 개념의 이整体 중량을 11.4% 감소시켰으며, 이는 초기 단계의 eVTOL 개념 설계에서의 효율성과 확장성의 잠재력을 입증한다.

ABSTRACT

The conceptual design of eVTOL aircraft is a high-dimensional optimization problem that involves large numbers of continuous design parameters. Therefore, eVTOL design method would benefit from numerical optimization algorithms capable of systematically searching these high-dimensional parameters spaces, using comprehensive and multidisciplinary models of the aircraft. By leveraging recent progress in sensitivity analysis methods, a computational framework called the Comprehensive Aircraft high-Dimensional DEsign Environment (CADDEE) has been developed for large-scale multidisciplinary design optimization (MDO) of electric air taxis. CADDEE uses a geometry-centric approach that propagates geometry changes in a differentiable manner to meshes for physics-based models of arbitrary fidelity level. The paper demonstrates the capabilities of this new aircraft design tool, by presenting large-scale MDO results for NASA's Lift+Cruise eVTOL concept. MDO with over 100 design variables, 17 constraints, and low-fidelity predictive models for key disciplines is demonstrated with an optimization time of less than one hour with a desktop computer. The results show a reduction in gross weight of 11.4% and suggest that CADDEE can be valuable in the conceptual design and optimization of eVTOL aircraft.

연구 동기 및 목표

• eVTOL 차량의 고차원적이고 미탐색된 설계 공간을 탐색하는 데 있어 전통적인 항공기 설계 프레임워크의 한계를 해결하기 위해.
• 수백 개의 설계 변수를 다룰 수 있는 다학수적 물리 기반 모델을 활용할 수 있는 종합적이고 확장 가능한 MDO 프레임워크를 개발하기 위해.
• 자동화된 민감도 분석과 기하 중심의 미분 가능 기하학 전파를 통해 효율적인 기울기 기반 최적화를 가능하게 하기 위해.
• 실제 eVTOL 개념—나사우주국의 Lift+Cruise—에 프레임워크를 검증하여 주요 설계 트레이드오���과 성능 향상을 규명하기 위해.
• 저해상도 모델이 고도화된 민감도 방법과 통합될 경우, 초기 개념 설계 단계에서 신뢰할 수 있고 빠른 최적화 결과를 도출할 수 있음을 입증하기 위해.

제안 방법

• CADDEE는 기하 구조의 변화가 물리 기반 메esh와 모델로 미분 가능한 매핑을 통해 부드럽게 전파되는 기하 중심 설계 접근법을 사용한다.
• 이 프레임워크는 애드조인트 기반 민감도 계산을 자동화하는 대수 모델링 언어를 사용하여 대규모 최적화를 위한 효율적인 기울기 평가를 가능하게 한다.
• 항공역학, 추진, 구조, 항공소음 등 주요 분야의 물리 기반 모델을 저해상도로 통합하며, 블레이드 에лем항법(BEMT)을 사용한 로터 및 XFOIL을 사용한 날개단면 등 기존의 방법을 활용한다.
• 대규모 변수와 제약 조건을 효율적으로 처리하기 위해 SNOPT(순차적 정수계획법(SQP) 알고리즘)를 사용하여 최적화를 해결한다.
• 설계 변수로는 기하학적 매개변수(예: 스파이드 길이, 로터 지름, 허브 길이), 추진 매개변수(예: 모터 크기, 배터리 질량), 구성 레이아웃 등이 포함된다.
• 제약 조건으로는 로터 소음 수준, 구조적 중량, 조종성 등이 있으며, 성능 목표는 이整体 중량 최소화와 범위 최대화에 집중된다.

Figure 2 : Illustration of the use of mapped arrays to create a camber surface mesh for the wing and horizontal tail.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 100개 이상의 변수를 가진 eVTOL 항공기의 고차원 설계 공간을 효율적으로 탐색할 수 있는, 기하 중심의 미분 가능 MDO 프레임워크는 가능한가?
• RQ2 자동화된 민감도 분석과 결합된 저해상도 물리 모델이 초기 개념 설계 단계에서 신뢰할 수 있고 신속한 최적화 결과를 도출할 수 있는가?
• RQ3 Lift+Cruise eVTOL 구성에서 주요 설계 동력원과 제약 요소는 무엇인가? (예: 로터 소음, 배터리 기술)
• RQ4 복잡한 다학수적 eVTOL 개념을 최적화할 때 프레임워크의 계산 효율성은 기존 방법과 비교하여 어떻게 되는가?
• RQ5 실제 제약 조건 하에서 단일 최적화 런 동안 상당한 중량 감소와 성능 향상을 식별할 수 있는가?

주요 결과

• CADDEE 프레임워크는 100개 이상의 설계 변수와 17개의 제약 조건을 사용하여 나사우주국의 Lift+Cruise eVTOL 개념의 이整体 중량을 11.4% 감소시켰다.
• 최적화는 표준 데스크톱 컴퓨터에서 1시간 이내에 완료되어 높은 계산 효율성을 입증했다.
• 프레임워크는 기존 연구와 일치하는 바, 로터 소음과 배터리 기술을 설계 공간에서의 주요 제약 요소로 성공적으로 규명했다.
• 기하 중심의 미분 가능 기하학 전파를 통해 모든 설계 변수에 대해 정확하고 부드러운 민감도 계산이 가능하여 강력한 기울기 기반 최적화를 지원했다.
• 추진, 항공역학, 구조 분야의 저해상도 모델은 초기 단계 최적화에 충분한 정확도를 제공하면서도 계산의 실현 가능성을 유지했다.
• 결과는 CADDEE가 개념 설계 단계에서 대규모 다학수적 최적화를 수행할 수 있음을 검증하며, 향후 eVTOL 플랫폼에 대한 확장 가능한 솔루션을 제공한다.

Figure 3 : Illustration of the use of mapped arrays to compute high-level geometric quantities.