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Airfoil Optimization and 3D Rotor Aerodynamics Exploration for Mars Helicopter using Direct Numerical Simulation

Park, Seongjoong und Wilke, Gunther Andreas und Hong, Yoonpyo und Yee, Kwanjung (2025) Airfoil Optimization and 3D Rotor Aerodynamics Exploration for Mars Helicopter using Direct Numerical Simulation. 51st European Rotorcraft Forum, 2025-09-09 - 2025-09-11, Venice, Italy.

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Kurzfassung

This study presents a Direct Numerical Simulation (DNS) based airfoil design optimization and 3D rotor aerodynamic analysis tailored to the challenging low Reynolds number environment of the Martian atmosphere. To enhance the hover performance of the Mars Airborne Explorer (MAE) during Pit craters exploration, airfoils are optimized at three radial stations of the blade to minimize mean drag across a range of design lift coefficients. The optimization employs Improved Geometric Parameterization (IGP) method with Non-Uniform Rational B-Splines (NURBS) and surrogate-based efficient global optimization to efficiently explore the design space. The optimized airfoils demonstrate 21–28% reductions in mean drag compared to the baseline clf5605 airfoil. This improvement is primarily achieved through Sharp Raised-Lip (SRL) and thin-cambered geometries, which force leading-edge shear layer separation and reduce skin-friction drag. The optimized airfoils are integrated into a full 3D rotor and evaluated under hover conditions. Results show a 7% increase in Figure of Merit and a 7.6% reduction in power coefficient at the design thrust condition. The comparison of 2D and 3D behaviors of the optimized airfoils reveals that the midboard region exhibited similar characteristics in both 2D and 3D, while in the outboard tip region, spanwise flow induces unsteadiness, resulting in behavioral differences. Furthermore, an off-design analysis is carried out to investigate the rotor’s performance variations across a broad thrust range.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/216542/
Dokumentart:Konferenzbeitrag (Vortrag)
Zusätzliche Informationen:The authors gratefully acknowledge the scientific support and HPC resources provided by the German Aerospace Center (DLR). The HPC system CARA is partially funded by ”Saxon State Ministry for Economic Affairs, Labour and Transport” and ”Federal Ministry for Economic Affairs and Climate Action”.
Titel:Airfoil Optimization and 3D Rotor Aerodynamics Exploration for Mars Helicopter using Direct Numerical Simulation
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Park, Seongjoongeric2237 (at) snu.ac.krNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Wilke, Gunther AndreasGunther.Wilke (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0002-1915-5307NICHT SPEZIFIZIERT
Hong, Yoonpyoyoonpyo.hong (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Yee, KwanjungSNU, kyjee (at) snu.ac.krNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Datum:11 September 2025
Referierte Publikation:Nein
Open Access:Nein
Gold Open Access:Nein
In SCOPUS:Nein
In ISI Web of Science:Nein
Status:veröffentlicht
Stichwörter:Martian Helicopter, DNS, Rotorcraft
Veranstaltungstitel:51st European Rotorcraft Forum
Veranstaltungsort:Venice, Italy
Veranstaltungsart:internationale Konferenz
Veranstaltungsbeginn:9 September 2025
Veranstaltungsende:11 September 2025
HGF - Forschungsbereich:Luftfahrt, Raumfahrt und Verkehr
HGF - Programm:Luftfahrt
HGF - Programmthema:Effizientes Luftfahrzeug
DLR - Schwerpunkt:Luftfahrt
DLR - Forschungsgebiet:L EV - Effizientes Luftfahrzeug
DLR - Teilgebiet (Projekt, Vorhaben):L - Virtueller Hubschrauber und Validierung
Standort: Braunschweig
Institute & Einrichtungen:Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik > Hubschrauber, BS
Hinterlegt von: Wilke, Gunther Andreas
Hinterlegt am:27 Okt 2025 08:45
Letzte Änderung:27 Okt 2025 08:45

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