Aeroservoelasticity of SMART rotors

Helicopters experience a severe level of vibrations on the main rotor due to the asymmetrical airflow in forward flight. These vibratory loads are transmitted to the fuselage and degrade the flight comfort, while causing structural components wear. Therefore the objective of this research is the study and design of actively controlled systems that are able to suppress these loads, with the aim to set the basis for further investigations about the presented topics. Due to the necessity of reproducing the complex behavior of the rotor with a sufficient level of accuracy in forward flight, before designing control systems, the first part of the thesis focuses on the development of a computationally efficient aeroservoelastic rotor simulation toolbox. The flexible multibody approach, together with a here developed semi analytical method for the sectional properties computation of a generic anisotropic beam including possible piezoelectric and piezomagnetic actuators, is exploited for the structural modeling and then coupled to three different aerodynamic models of increasing accuracy. Starting form the simple aerodynamics integrated in the multibody software, more sophisticated models, which are based on the hybrid approach, are developed by exploiting both the full potential analysis and the free wake geometry. The closed loop simulations are hence carried out within the Simulink environment. The first rotor analysis are aimed at validating the proposed code with experimental data and similar methods available in the literature. The thesis focuses on actively twisted blades having distributed piezoelectric actuators along the blade span and the second part of this work compares three advanced active control algorithms in order to assess their advantages and limitations. At first, linearized modebased periodic controllers are designed on the multibody model and then their robustness is verified on the more accurate aerodynamic models. The second approach is a nonlinear adaptive recurrent neural network control and it does not require the knowledge of a numeric rotor model. After that, the classical adaptive higher harmonic control is enhanced to properly take into account actuator saturations. These controllers show satisfactory results and they are all computationally efficient, thus having real time capabilities. Having analyzed different active control strategies, the third part of this thesis studies other actuation mechanisms to perform individual blade control. Using the higher harmonic control, the active twist solution is compared to the active trailing edge flaps approach, which has shown to be much more effective for vibrations reduction than the actively twist blades, at least for the considered trim configuration and with the current position of the piezoelectric actuators. The last chapter shows an experimental activity performed at the German Aerospace Center. Individual blade control is here achieved through actuators in the non rotating frame by using the multiple swashplate system. Blade tracking control is then successfully performed in order to suppress vibratory loads in hover due to the blades dissimilarity.

Gli elicotteri sono soggetti a grandi vibrazioni sul rotore principale a causa del flusso d’aria asimmetrico in volo avanzato. Questi carichi vibratori sono trasmessi alla fusoliera e degradano il comfort del volo deteriorando i componenti strutturali. Pertanto, lo scopo di questa ricerca è lo studio e la progettazione di sistemi di controllo attivo che sono in grado di sopprimere questi carichi, con l’obiettivo di gettare le basi per ulteriori approfondimenti sugli argomenti presentati. A causa della necessità di riprodurre con un buon livello di fedeltà il complesso comportamento del rotore in volo in avanti, prima di progettare sistemi di controllo, la prima parte della tesi si concentra sullo sviluppo di uno strumento per la simulazione aeroservoelastica di rotori, che sia computazionalmente efficiente. L’approccio multicorpo con l’ aggiunta di componenti flessibili, insieme ad un metodo semi analitico, qui sviluppato, per il calcolo delle proprietà sezionali di una generica trave anisotropa con possibili attuatori piezoelettrici e piezomagnetici, viene sfruttato per la modellazione strutturale e poi accoppiato a tre diversi modelli aerodinamici sempre più accurati. A partire dalla semplice aerodinamica integrata nel codice multicorpo, modelli più sofisticati, che si basano su un approccio ibrido, sono stati sviluppati sfruttando sia il potenziale completo sia il calcolo della scia libera. Le simulazioni ad anello chiuso sono quindi svolte all’interno dell’ambiente Simulink. Le prime analisi del rotore sono finalizzate a convalidare il codice proposto con i dati sperimentali e con metodi simili disponibili in letteratura. La tesi si concentra sullo svergolamento attivo delle pale attraverso attuatori piezoelettrici distribuiti lungo l’ apertura e la seconda parte di questo lavoro mette a confronto tre algoritmi di controllo attivo avanzati al fine di valutare i loro vantaggi e limiti. In primo luogo vengono progettati controllori linearizzati periodici, che richiedono la conoscenza di un modello numerico del sistema da controllare, sul modello multicorpo e la loro robustezza viene convalidata usando un modello aerodinamico più accurato. Il secondo approccio non richiede la conoscenza del modello del rotore ed è un controllo non lineare adattativo basato sulle reti neurali ricorrenti. Infine, il controllo classico ad armoniche successive, nella sua versione adattiva, è stato migliorato per tenere adeguatamente in conto di eventuali saturazioni degli attuatori. Questi controllori mostrano risultati soddisfacenti e sono tutti computazionalmente efficienti, avendo così capacità di operare in tempo reale. Dopo aver analizzato diverse strategie di controllo attivo, la terza parte di questa tesi studia altri meccanismi di attuazione per effettuare un controllo individuale delle pale. Utilizzando il controllo ad armoniche successive, la soluzione dello svergolamento attivo delle pale viene confrontata con la pala avente una superficie aerodinamica mobile al bordo di uscita, la quale dimostra di essere molto più efficace nel ridurre le vibrazioni dello svergolamento attivo, almeno per la condizione di volo considerata e con la presente posizione degli attuatori piezoelettrici. L’ultimo capitolo mostra un’attività sperimentale svolta presso il German Aerospace Center. Il comando individuale delle pale viene qui realizzato tramite attuatori nel sistema non rotante utilizzando il doppio piatto oscillante. Viene quindi eseguito un controllo individuale sul passo collettivo delle pale al fine di sopprimere i carichi vibratori in hover, causati dal fatto che nella realtà le pale non sono perfettamente identiche.