Computational fluid dynamics (CFD) has become a significant tool routinely used in design and optimization in aerospace industry. Typical flows may be characterized by high-speed and compressible flow features and, in many cases, by massive flow separation and unsteadiness. Accurate and efficient numerical solution of time-dependent problems is hence required, and the efficiency of standard dual-time stepping methods used for unsteady flows in many CFD codes has been found inadequate for large-scale industrial problems. This has motivated the present work, in which major effort is made to replace the explicit relaxation methods with implicit time integration schemes. The CFD flow solver considered in this work is Edge, a node-based solver for unstructured grids based on a dual, edge-based formulation. Edge is the Swedish national CFD tool for computing compressible flow, used at the Swedish aircraft manufacturer SAAB, and developed at FOI, lately in collaboration with external national and international partners. The work is initially devoted to the implementation of an implicit Lower-Upper Symmetric Gauss-Seidel (LU-SGS) type of relaxation in Edge with the purpose to speed up the convergence to steady state. The convergence of LU-SGS has been firstly accelerated by basing the implicit operator on a flux splitting method of matrix dissipation type. An increase of the diagonal dominance of the system matrix was the principal motivation. Then the code has been optimized by means of performance tools Intel Vtune and CrayPAT, improving the run time. It was found that the ordering of the unknowns significantly influences the convergence. Thus, different ordering techniques have been investigated. Finding the optimal ordering method is a very hard problem and the results obtained are mostly illustrative. Finally, to improve convergence speed on the stretched computational grids used for boundary layers LU-SGS has been combined with the line-implicit method. / QC 20120626

The pursuit of precision and flexibility in satellite missions has led to an increased number of formation flying missions being developed. These systems consist of multiple satellites flying at close distances (from a few kilometres to a few meters) to achieve common objectives. This master thesis delves into the domain of the Guidance, Navigation and Control (GNC) for formation flying satellite systems, aiming to propose a novel architecture of different sets of sensors capable of determining absolute and relative positioning of the formation, ensuring mission success. This research begins by providing an overall status of existing and tested in-space systems. It will be complemented with novel and other systems already tested and promising new technologies in development. The thesis then delves into the design of an absolute and a relative Extended Kalman Filter (EKF) for distributed Synthetic Aperture Radar (SAR) systems implemented as part of an in-house simulator. Concluding with the results when using simulated Global Navigation Satellite Systems (GNSS) data as the filter input. Finally, the thesis will be completed with a trade-off analysis of the sensor systems, which could be used in formation-flying satellite systems in the near future. The outcome of this thesis is a novel proposal of a set of sensors to be brought to space navigation, with a corresponding detailed trade-off analysis. Additionally, to validate some of the sensor systems, an EKF is proposed, implemented and tested with the results from an in-house formation flying simulator. This master thesis report is the outcome of the work done during an internship at the Microwave and Radar Institute of the Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR) – German Aerospace Center – in Oberpfaffenhofen, Bavaria, Germany.

The student inclusive Green Raven project of the KTH-Aero faculty requireda small blended wing model of their new flying wing design. The small scalemodel will be used for various flight tests. The goal of this specific project was tocreate an internal structure for the small scale model, including an outer shell.Two-dimensional drawings were created and tested in a simulation software.The model was then drawn in cad. Lastly the wing was strength tested inAnsys mechanical. The beams in the structure are made of Scots pine due toits accessibility and good strength to weight ratio. The outer shell is made outof fiberglass. A quick connection between the wing and the main body wasimplemented for easy transportation. All final testing indicate that the finaldesign had sufficient strength regarding the initial load requirements.

This study was performed to investigate aerodynamic characteristics of the 37.5% scaled­ down Green Raven MK18 airframe, to evaluate boundary corrections method, and to investigate on support interference. A wind tunnel test was originally planned on June 2021 at a Large­Low­Speed Wind Tunnel at University of Bristol; however, due to COVID­19 travel restrictions, the test has been postponed to November 2021. In or­der to supplement the work and data directly required for the test, computational fluid dynamics (CFD) investigations were performed in free air and in wind tunnel condi­tions, both with and without support interference, at a Reynolds number of 7E+05. The simulations utilized an incompressible Reynolds-­Averaged­-Navier.­Stokes equa­tion accompanied with k − ω SST for turbulent modelling. Corrections factors were obtained to compensate for wall interference, and results indicate a satisfactory agree­ment between free ­air and wind­ tunnel corrected data for wall interference. The sup­ port structure interferes with the aerodynamic loads produced by the model. Lift and drag decrease, and pitching moment increases compared to WT without support structure condition. / Denna studie utfördes för att undersöka aerodynamiska egenskaper hos det nedskalade Green Raven MK18­flygplanet för 37.5%, för att utvärdera gränskorrigeringsmetoden och för att undersöka stödinterferens. Ett vindtunneltest planerades ursprungligen i juni 2021 vid en stor­låghastighets vindtunnel vid University of Bristol. Men på grund av resebegränsningar för covid­19 har testet skjutits upp till november 2021. För att komplettera det arbete och de data som direkt krävs för testet, utfördes CFD under­ sökningar (Computational Fluid Dynamics) i fri luft och i vindtunnelförhållanden, både med och utan supportinterferens, med ett Reynolds­tal på 7E+05. Simuleringarna använde en inkompressibel Reynolds­Averaged­Navier­Stokes­ekvation tillsammans med k − ω SST för turbulent modellering. Korrigeringsfaktorer erhölls för att kom­ pensera för väggstörningar, och resultaten tyder på en tillfredsställande överensstäm­ melse mellan frilufts­ och vindtunnelkorrigerade data för väggstörningar. Stödstruk­ turen stör de aerodynamiska belastningar som modellen producerar. Lyft och drag minskar och stigningsmomentet ökar jämfört med WT utan stödstruktur.

Scania works continuously to develop internal combustion engines and after treatment systems which can achieve low pollutant emissions and high efficiency. A major principal that Scania adopted for this goal is the Simulation Driven Development (SDD) process. Here computer aided simulations aid to develop designs and improve characteristics all the while reducing the iterative prototyping and testing process. Currently, parametric modelling and Design of Experiments (DoE) is a proven and major mode of exploring designs within the various stakeholder fields of development; namely structural, fluid mechanics and acoustics.  Topology optimisation in fluid flow is a new field which promises quick exploration of design spaces. The result of topology optimisation are unintuitive designs that could serve as baseline designs which can further reduce the design process. The objective of the thesis was to explore topology optimisation and investigate a way to incorporate topology optimisation in the design process at Scania CV AB. For this task Tosca Fluid by Dassault Systèmes was chosen for its optimisation capabilities, which uses back-flow as the criteria of optimisation. The case study was conducted based on the MTX diesel one box inlet end-plate which was used as reference. The dimensional constraints of the reference product were used to model and utilise the developed workflow. Since this task involved the use of substrates for exhaust gas filtration, it was imperative to explore uniformity of flow over the substrate as an additional optimisation criterion. The project studied modelling design spaces to satisfy the design criteria and the shortcoming the software currently poses have been documented in this report. The report also mentions the tasks involved in setting up simulation cases to work well with Tosca Fluid. In the current stage of the thesis work it was not possible to incorporate uniformity as an additional criterion and hence fails in using Tosca Fluid to optimise topology for turn volumes involving the use of substrates. / Scania arbetar kontinuerligt med att utveckla förbränningsmotorer och efterbehandlings system som kan uppnå låga föroreningar och hög effektivitet. En viktig princip som Scania antog för detta mål är processen Simulation Driven Development (SDD). Här hjälper datorstödda simuleringar att utveckla mönster och förbättra egenskaper samtidigt som den iterativa prototyp- och testprocessen reduceras. För närvarande är parametrisk modellering och Design of Experiments (DoE) ett beprövat och viktigt sätt att utforska konstruktioner inom de olika intressenternas utvecklingsområden; nämligen konstruktion, fluidmekanik och akustik. Topologioptimering i vätskeflöde är ett nytt område som lovar snabb utforskning av designutrymmen. Resultatet av topologioptimering är icke-intuitiva konstruktioner som kan fungera som baslinjedesigner som ytterligare kan minska designprocessen. Syftet med avhandlingen var att utforska topologioptimering och undersöka ett sätt att integrera topologioptimering i designprocessen på Scania CV AB. För denna uppgift valdes Tosca Fluid av Dassault Systèmes för sina optimeringsmöjligheter, som använder återflöddet som kriterier för optimering. Fallstudien genomfördes baserat på MTX diesel först låda inloppsändplatta som användes som referens. Referensproduktens dimensionella begränsningar användes för att modellera och använda det utvecklade arbetsflödet. Eftersom denna uppgift innebar användning av substrat för avgas filtrering, var det absolut nödvändigt att undersöka flödets enhetlighet som ett ytterligare optimerings kriterium. Projektet studerade modellerings designutrymmen för att uppfylla design kriterierna och den brist programvaran för närvarande har dokumenterats i denna rapport. Rapporten nämner också de uppgifter som är involverade i att skapa simuleringsfall för att fungera bra med Tosca Fluid. I det aktuella skedet av avhandlings arbetet var det inte möjligt att införliva enhetlighet som ett ytterligare kriterium och misslyckas därför med att använda Tosca Fluid för att optimera topologi för sväng volymer som involverar användning av substrat.

In recent times the unmanned quadcopter aircraft has been used for a widening range of applications, but for longer distances it still falls short of conventional airplanes in terms of energy usage. There exists hybrid configurations of unmanned aircraft which combine the mobility of quadcopters and the range of fixed-wing aircraft. The transition between the hovering mode and the gliding mode, however, is a complex non-linear control problem. To solve this a recent study applied a neural network as a closed loop controller. This controller was capable of seamless mode transition and could be trained for any copter configuration using reinforcement learning. The work presented here focuses on improvements to the method of controller design established by said study, mainly focusing on increased realism of the aerodynamic simulations and the addition of control surfaces for increased maneuverability. These improvements resulted in a lift of 37% of the total copter weight and a higher achievable top speed of 8 m/s before instability occurs. To verify these improvements were not only present in the simulations a physical prototype was also constructed which when tested succeeded in hovering flight but failed to sustain any significant forward flight. / På senare tid har obemannade quadcopters kraftigt expanderat sina användningsområden, men för längre sträckor slås de fortfarande av konventionella flygplan när det gäller energiåtgång. Det finns hybridkonfigurationer av obemannade farkoster som kombinerar quadcopterns rörlighet och räckvidden av flygplan. Övergången mellan hovrande läge och horisontell flygning är emellertid ett komplext icke-linjärt reglerproblem. För att lösa detta använde en nyligen genomförd studie ett neuralt nätverk som en regulator i ett återkopplat system. Den här styrenheten kunde sömlöst övergå mellan flyglägen och kunde tränas för valfri copterkonfiguration med hjälp av reinforcement learning. Arbetet som presenteras här fokuserar på förbättringar av metoden för regulatordesign som fastställts av nämnda studie, främst med fokus på ökad realism av de aerodynamiska simuleringarna och tillägget av kontrollytor för ökad manövrerbarhet. Dessa förbättringar resulterade i en genererad lyftkraft upp till 37% av farkostens vikt och en förhöjd maxhastighet till 8 m/s före instabilitet. För att verifiera dessa resultat i verkligheten konstruerades en fysisk prototyp som vid försök lyckades stabilisera sig i hovrande läge men inte upprätthålla någon signifikant framåtfart.

The work summarized in this report aims to investigate how a drone airplane design can be optimized to create a safer and more efficient sea rescue by providing staff with an early picture, performing search missions and aiding communication through visual contact. A flying wing is in theory one of the most efficient designs for a fixed wing aircraft, at the same time as it also offers high structural efficiency for its given size. In this report, an overview of aerodynamics, stability and flying quality for a flying wing is discussed and analysed. XFLR5 was used for this project, and a comparison between the analytical results and wind tunnel test data for a prototype was conducted. A strong correlation was found between the theoretical analyses and the wind tunnel data. A simple control solution using only one set of elevons has been proposed and simulated, resulting in Level 1 dynamic stability for all modes except Dutch-roll (where the drone’s damping is 𝜁𝑑𝑟=0.07 and the requirement for Level 1 is 𝜁𝑑𝑟=0.08). For the range of angle of attack used, the autopilot system will have to trim the drone in flight to achieve stability. As the drone only has one set of control surfaces there will be a loss of efficiency in this scenario, meaning that 𝐶𝐿/𝐶𝐷 = 15.7 for loiter speed of 15 𝑚/𝑠 and 7.9 for full speed at 35 𝑚/𝑠. In regular flight, with a total mass <1 𝑘𝑔, the drone is able to fly at full speed for 214 𝑘𝑚 or loiter for 6.3 ℎ with a battery package of 130 𝑊ℎ. As such, the objective of this project was achieved, and the proposed design met the given requirements. / betet som sammanfattas i denna rapport syftar till att undersöka huruvida ett drönar-flygplan bäst kan utformas för att skapa en säkrare och effektivare sjöräddning genom att ge räddningspersonalen en tidig överblick, utföra sökuppdrag och bistå till kommunikation genom visuell kontakt. En flygande vinge är i teorin en av de mest effektiva konstruktionerna för ett flygplan, likaså erbjuder den en hög strukturell effektivitet för en given storlek. I denna rapport diskuteras och genomförs en översikt över aerodynamik, stabilitet och flygkvalitet hos en flygande vinge. XFLR5 användes för detta projekt, och en jämförelse mellan analysresultaten och ett vindtunneltest med en prototyp genomfördes. I allmänhet är överenskommelsen mellan de teoretiska analyserna och vindtunneldatan god. En enkel lösning som enbart består av en uppsättning kontrollytor har föreslagits och simulerats, vilket resulterar i en Nivå 1 dynamisk stabilitet för alla lägen utom Dutch-roll, där drönarens dämpning är 𝜁𝑑𝑟 = 0.07 och kravet för Nivå 1 är 𝜁𝑑𝑟 = 0.08. Autopilotsystemet behöver trimma drönaren under flygning för att uppnå nödvändig stabilitet för det spann av attackvinklar som används, med endast en uppsättning kontrollytor, vilket minskar effektiviteten för BWB-drönaren till 𝐶𝐿/𝐶𝐷=15.7 för cirkuleringshastigheten på 15 𝑚/𝑠 och 7.9 för full hastighet vid 35 𝑚/𝑠. Drönaren kan flyga i full hastighet i 214 𝑘𝑚 eller cirkulera runt olycksplatsen under 6.3 timmar med ett batteripaket på 130 𝑊ℎ, med en vikt som är lägre än 1 𝑘𝑔. Målen med detta projekt uppnåddes och drönaren utformades enligt kraven.

Formation flying of satellites describes a mission in which a set of satellites arrange their position with respect to one another. In this paper, satellite formation flying guidance and control algorithms are investigated in terms of required velocity increment Delta-v, and tracking error for a Chief/Deputy satellite system. Different control methods covering continuous and impulsive laws are implemented and tested for Low Earth Orbit (LEO). Sliding Mode, Feedback Linearization and Model Predictive Controllers are compared to an Impulsive Feedback Law which tracks the mean orbital element differences. Sliding Mode and Feedback Linearization controllers use the same dynamic model which includes Earth Oblateness perturbations. On the other hand, Model Predictive Control with Multi-Objective Cost Function is based on the Clohessy–Wiltshire equations, which do not account for any perturbation and do not cover the eccentricity of the orbit. The comparison was done for two different missions both including Earth Oblateness effects only. A relative orbit mission, which was based on the Prisma Satellite Mission and a rendezvous mission, was implemented. The reference trajectory for the controllers was generated with Yamanaka and Ankersen’s state transition matrix, while a separate method was used for the Impulsive Law. In both of the missions, it was observed that the implemented Impulsive Law outperformed in terms of Delta-v, 1.2 to 3.5 times smaller than the continuous control approaches, while the continuous controllers had a smaller tracking error, 2 to 8.3 times less, both in terms of root mean square error and maximum error in the steady state. Finally, this study shows that the tracking error and Delta-v has inversely proportional relationship. / Formationsflygning av satelliter innebär att en grupp satelliter flyger tillsammans och anpassar sina relativa lägen i förhållande till varandra. I detta examensarbete studerades regleralgoritmer för formationsflygande satelliter med fokus på bränsleförbrukning och positionsavvikelse genom ”Chief & Deputy”-metoden. Olika reglermetoder har studerats, t.ex. Sliding Mode- och Feedback Linearization-reglering för formationsflygningsfall i låg jordbana med J2-störning samt en Model Predictive-reglering för fall med relativ rörelse baserad på Clohessy-Wiltshire-ekvationerna. Vidare studerades en reglermetod baserad på impulsframdrivning. De fyra reglermetoderna implementerades på två olika rymduppdrag. Först ett uppdrag baserat på Prisma-satelliterna för två satelliter i relativ omloppsbana och sedan ett Rendezvous-uppdrag. Referensbanan för alla reglermetoder, utom för implusmetoden, har tagits fram med hjälp av Yamanakas och Ankersens tillståndsmatris. Resultaten visar att den implementerade impulsmetoden presterar bättre med avseende på bränsleförbrukning, medan de kontinuerliga reglermetoderna producerade mindre relativ positionsavvikelse, både med avseende på kvadratiskt medelvärde och maximalt värde.

This thesis focuses on the optimization of the electric aircraft propeller in order to increaseflight performance. Electric aircraft have limited energy, particularly the electricmotor torque compared to the fuel engine torque. For that, redesign of the propeller forelectric aircraft is important in order to improve the propeller efficiency. The airplanepropeller theory for Glauert is selected as a design method and incorporated with Brattimprovements of the theory. Glauert theory is a combination of the axial momentum andblade element theory. Pipistrel Alpha Electro airplane specifications have been chosen asa model for the design method. Utilization of variable pitch propeller and the influence ofnumber of blades has been investigated. The obtained design results show that the variablepitch propellers at cruise speed and altitude 3000 m reducing the power consumptionby 0.14 kWh and increase the propeller efficiency by 0.4% compared to the fixed pitchpropeller. Variable pitch propeller improvement was pretty good for electric aircraft. Theoptimum blade number for the design specifications is 3 blades. / Denna rapport har som fokus att optimera propellern på ett eldrivet flygplan för att förbättraflygprestationen. Eldrivna flygplan har begränsad energi, i synnerhet motorns vridmomenti jämförelse med bränslemotorns vridmoment. Därav behöver propellern designas om föratt uppnå en större verkningsgrad i propellern. Glauerts teori om flygplanspropellrar haranvänts som metod för designen där vissa modifieringar i teorin har tillämpats enligt Brattför att förbättra teorin. Glauerts teori är en kombination mellan axiell momentum- ochbladelement teori. Specifikationerna för Pipistrel Alpha Electro flygplan har använts sommodell i design metoden. Utnyttjande av propeller med justerbara bladvinklar samt antalblads påverkan har undersökts. De erhållna designresultaten visade att propellern medjusterbara bladvinklar vid planflykt på 3000 m höjd har sparat 0,14 kWh samt ökat propellernsverkningsgrad med 0,4% jämfört med propellern med icke justerbara bladvinklar.Propeller med justerbara stigning var lämplig för elflygplan. Det optimala antalet blad fördesignspecifikationerna är 3 blad.

In the context of an aviation industry whose top priority is to face the sustainability challenge, the growing civil UAV branch is not an exception. Hydrogen-powered UAVs equipped with PEM (Polymer Electrolyte Membrane) fuel cells are more and more frequently identified as the most convincing and promising technology, particularly for long-endurance mission requirements. However, the onboard carriage of a hydrogen fuel cell leads to unexplored internal flow characteristics, including the introduction of water vapour. The purpose of this master thesis is to develop a valid CFD model and methodology for the internal flow simulation of hydrogen-powered UAVs. Given the strict environmental operational requirements of PEM fuel cells, the intended application of the model is to effectively assess the evolution of the internal bay flow temperature and humidity fields. An explicit-time fourth-order Runge-Kutta projection method is tested successfully on a sample 2D case setup. The case geometry and flow conditions are inspired by the Green Raven UAV project conceived by the Department of Aeronautical and Vehicle Engineering at KTH. / I samband med en flygindustri vars högsta prioritet är att bemöta hållbarhetsutma- ningen är den växande civila UAV-sektorn inget undantag. Vätgasdrivna UAV:er utrustade med PEM (Polymer Electrolyte Membrane) bränsleceller betecknas allt oftare som den mest övertygande och lovande teknologin, särskilt för att de ska kunna utföra långvariga uppdrag. Den ombordgående transporten av en vätebränslecell leder emellertid till outforskade inre flödesfenomen, inklusive alstrad vattenånga. Syftet med detta examensarbete är att utveckla en lämplig CFD-modell och metodik för intern flödesimulering av vätgasdrivna UAV. Med tanke på de strikta miljökraven för PEM-bränsleceller är modellens avsedda tillämpning att eektivt utvärdera utvecklingen av de inre flödestemperaturerna och luftfuktighetsfälten. En tidsexplicit Runge-Kutta-projektionsmetod av fjärde ordningen testas framgångsrikt på ett 2D-exempel. Fallets geometri och flödesförhållanden är inspirerade av Green Raven UAV-projektet som utförts på Farkost och Flyg avdelningen på KTH.