Performance comparison of the optimized inverted joined wing airplane concept and classical configuration airplanes

The joined wing concept is an unconventional airplane configuration, known since the mid-twenties of the last century. It has several possible advantages, like reduction of the induced drag and weight due to the closed wing concept. The inverted joined wing variant is its rarely considered version, with the front wing being situated above the aft wing. The following paper presents a performance prediction of the recently optimized configuration of this airplane. Flight characteristics obtained numerically were compared with the performance of two classical configuration airplanes of similar category. Their computational fluid dynamics (CFD) models were created basing on available documentation, photographs and some inverse engineering methods. The analysis included simulations performed for a scale of 3-meter wingspan inverted joined wing demonstrator and also for real-scale manned airplanes. Therefore, the results of CFD calculations allowed us to assess the competitiveness of the presented concept, as compared to the most technologically advanced airplanes designed and manufactured to date. At the end of the paper, the areas where the inverted joined wing is better than conventional airplane were predicted and new research possibilities were described.

Układ skrzydeł połączonych jest niekonwencjonalną konfiguracją samolotu, znaną od lat 20. ubiegłego stulecia. Cechuje go kilka istotnych zalet, takich jak redukcja oporu indukowanego oraz masy samolotu, ze względu na koncepcję zamkniętego skrzydła. Samolot w odwróconym układzie skrzydeł połączonych jest rzadko rozpatrywanym wariantem tej konfiguracji, z przednim skrzydłem usytuowanym nad skrzydłem tylnym. Niniejszy artykuł przedstawia oszacowanie osiągów zoptymalizowanej wersji tego typu samolotu. Charakterystyki aerodynamiczne, uzyskane na drodze obliczeń numerycznych CFD (Computational Fluid Dynamics – obliczeniowa mechanika płynów), zostały porównane z osiągami dwóch samolotów zbliżonej kategorii o układzie klasycznym. Ich modele obliczeniowe zostały stworzone bazując na dostępnej dokumentacji, zdjęciach oraz metodach projektowania odwrotnego. Analiza obejmowała symulacje wykonane dla skali bezzałogowego demonstratora o rozpiętości skrzydeł 3 m oraz pełnowymiarowej skali, odpowiadającej załogowym samolotom. Tym sposobem, wyniki obliczeń CFD pozwoliły ocenić konkurencyjność zaprezentowanej koncepcji, w porównaniu do najbardziej zaawansowanych technologicznie, obecnie projektowanych i budowanych, samolotów. Na końcu artykułu wskazano obszary, w których odwrócony układ skrzydeł połączonych charakteryzują potencjalnie lepsze osiągi niż układ konwencjonalny i zaproponowano dalszy możliwy kierunek prac.