Risposta e stabilità aeroelastica di velivoli Tiltrotor

Abstract

Il presente lavoro di tesi si è incentrato sulla costruzione di un modello di soluzione aeroservoelastica adatto alla Risposta ed alla Stabilità di velivoli Tiltrotor in volo rettilineo uniforme. I punti focali della ricerca triennale di dottorato sono stati: • La costruzione, a partire dai modelli classici di travi rotanti sviluppati in [4] e [7], di un modello strutturale complesso per il rotore, adatto a descrivere configurazioni con pale ad asse non rettilineo e con caratteristiche aero-strutturali di sezione genericamente variabili, arricchito dai gradi di libertà relativi al moto dell’hub. • La definizione di un modello avanzato per l’ala, in cui essa e scomposta in parte interna ed esterna, per rappresentare al meglio la struttura ed il conseguente percorso seguito dalle sollecitazioni che dal rotore raggiungono la fusoliera unendosi agli effetti aerodinamici sull’ala. • La definizione di una metodologia per interfacciare la struttura complessa del punto precedente con un solutore BEM (Boundary Element Method) per l’aerodinamica 3D, onde catturare i fenomeni di interferenza aerodinamica e di impatto scia-corpi e calcolare al meglio i carichi vibratori scaricati in fusoliera, che da detti fenomeni si sono dimostrati fortemente influenzati. • approcciare il problema della riduzione delle vibrazioni precedentemente identificate con metodi innovativi relativi all’HHC (Higher Harmonic Control) ed all’uso simultaneo di IBC (Individual Blade Control) come le smartspring. I modelli sviluppati sono stati applicati sia su una configurazione di Tiltrotor innovativa basata sul progetto ERICA di Agusta-Westland, sia su una configurazione convenzionale basata sul Bell XV-15 Sono state eseguite sia indagini di dinamica strutturale che di stabilit` aeroelastica, per il rotore e per l’ala, per la quale ci si e concentrati sul fenomeno del Whirl-flutter. Si è poi analizzata la risposta all’equilibrio in termini di carichi vibratori scaricati al mozzo ed alla radice dell’ala, che in funzionamento periodico e governata dalle armoniche multiple della frequenza giro del rotore e del numero di pale Nblade Ω. I carichi sono stati valutati in più condizioni di volo e con più livelli di interazione tra i modelli aerodinamico e strutturale, evidenziando i limiti di ciascun procedimento nella valutazione. Altresì è stato individuato l’impatto di caratteristiche strutturali, soprattutto dell’ala, sui carichi vibratori, anche sulle armoniche superiori rispetto alla fondamentale: la modellazione strutturale è apparsa importante in quanto masse e geometrie influenzano fortemente i modi e quindi la funzione di trasferimento del sistema che può amplificare notevolmente i carichi in ingresso, fino, nei casi più sfortunati, a risonanze delle frequenze forzanti. Infine ci si e occupati di testare in prima analisi la potenzialità di metodi di controllo delle vibrazioni: sono stati utilizzati sia un controllo ad armoniche superiori sull’attuazione dello swashplate, ergo l’HHC, sia meccanismi di controllo individuale delle pale, IBC, come le smart-spring, capaci con l’innesto di piezoelettrici alla radice della pala di variare con la giusta frequenza la rigidezza a flessione della stessa. Le leggi di attuazione sono state determinate mediante controllo ottimo, ergo la minimizzazione di un indice di prestazione. • I controlli HHC e smart-spring si sono dimostrati molto efficienti nel diminuire le vibrazioni. in particolar modo l’HHC si e dimostrato efficace sia in Helicopter-mode che in airplane-mode • Il controllo numerico si e dimostrato robusto al variare del modello aerodinamico rispetto a quello di sintesi. • Si e infine indagata la convenienza di concentrarsi sulla riduzione dei carichi alla radice o all’hub, osservando come in particolare in helicopter-mode, dove l’aerodinamica interazionale e minore, convenga effettivamente concentrarsi sui carichi al mozzo, sia per avere un risultato migliore, sia per modificare il contenuto armonico della legge del moto dell’attuatore verso frequenze e potenze minori.