Generalized aeroservoelastic stability analysis of rotorcraft

Rotorcraft aeroservoelasticity is inherently multidisciplinary, including aerodynamics of streamlined bodies, dynamics of flexible structures and flight control systems. The related engineering branches have variety of models with diverse characteristics in linearity and time dependence; therefore the improved rotorcraft designs require a generalization of the analysis, i.e. being applicable to the systems having different complexity levels. Inspired by this motive, our work presents the methods of generalizing aeroservoelastic stability analysis of rotorcraft. An aeroelastic rotor tool is formulated with the scope of evaluating periodic rotor matrices. A sufficient level of modeling capacity is achieved using structural dynamics of rotating elastic blades with rod, damper and hinge elements, steady and perturbation aerodynamics and multi-blade coordinates. The aeroelastic rotor formulation is integrated to an aeroservoelastic analysis platform which is able to analyze rotorcraft with a modular approach. The capability of quantitative stability analysis is extended from eigen-solution of linear time invariant systems to linear time periodic systems using Floquet's method and to nonlinear non-autonomous systems using Lyapunov Characteristic Exponents. The rate of change of stability is also significant in robustness analysis and design of dynamical systems. For this reason, using the same methods of quantitative stability estimation, the parametric sensitivity of the stability measures is formulated analytically. The methods are verified and illustrated on rotorcraft problems.

L'aeroservoelasticità dei velivoli ad ala rotante è inerentemente multidisciplinare, in quanto include l'aerodinamica di corpi affusolati, la dinamica di strutture flessibili e sistemi di controllo del volo. Le branche dell'ingegneria che sono interessate mostrano una varietà di modelli con caratteristiche diverse in termini di presenza o meno di linearità e dipendenza dal tempo. Di conseguenza, la necessità di raffinare il progetto di velivoli ad ala rotante richiede la generalizzazione dell'analisi, per poterla applicare a sistemi con diverso livello di complessità. Ispirato da questi requisiti, il nostro lavoro presenta metodi per la generalizzazione dell'analisi di stabilità aeroservoelastica dei velivoli ad ala rotante. Viene formulato uno strumento per l'aeroelasticità dei rotori per lo studio di problemi linearizzati a matrice periodica. Un'adeguata capacità di modellazione è raggiunta mediante la dinamica strutturale di pale rotanti flessibili, integrate da elementi quali cerniere, aste e smorzatori, aerodinamica stazionaria e perturbativa, il tutto formulato mediante coordinate multipala. La formulazione dell'aeroelasticità del rotore è integrata in una piattaforma di analisi aeroservoelastica in grado di gestire l'analisi di velivoli ad ala rotante in forma modulare. La capacità di analisi quantitativa della stabilità è estesa dall'analisi agli autovalori di sistemi lineari tempo-invarianti all'analisi di sistemi lineari tempo-periodici mediante il metodo di Floquet, e all'analisi di sistemi nonlineari non-autonomi mediante gli Esponenti Caratteristici di Lyapunov. Anche la sensitività degli indicatori di stabilità è importante nello studio della robustezza e nel progetto di sistemi dinamici. Per questo motivo, lo studio della sensitività ai parametri degli indicatori quantitativi della stabilità è stato formulato analiticamente. Questi metodi sono verificati ed illustrati mediante applicazione a problemi caratteristici di velivoli ad ala rotante.