Investigation on the helicopter/obstacle aerodynamic interaction

The helicopter is a very versatile flying machine which is often required to operate within confined areas, due to its capability of managing hovering flight. The aerodynamic interaction that develops between the rotor-induced wake and the surrounding obstacles typically generates, on the one hand, a degradation of the helicopter performance and high compensatory workload for the pilot, on the other hand unsteady forces which can stress the structure of the surrounding obstacles. Despite the presence of a fair number of numerical and experimental investigations on this topic, a systematic study of these aerodynamic phenomena in order to disclose the key aerodynamic mechanisms of this interaction is still lacking. In the present work, a comprehensive experimental survey for the investigation of the aerodynamic interference between a model ground obstacle and a helicopter hovering in its proximity is described. The effect of the presence of external wind was also taken in consideration at a later stage. The experimental activities were carried out at Politecnico di Milano and University of Glasgow and took advantage of several rotor rigs and experimental techniques. Load measurements on the rotor were carried out in order to assess the rotor performance for different rotor positions with respect to the obstacle. Laser Doppler Anemometry (LDA) measurements of the rotor inflow were used in order to see how the aerodynamic interaction affected the rotor performance. Particle Image Velocimetry (PIV) measurements in the region between the rotor and the obstacle were carried out in order to have a better insight of the interacting flow field. Steady and unsteady pressure measurements on the obstacle allowed a better understanding of how the interactional phenomena affected the loading on the surrounding structures.

L'elicottero è una macchina volante che spesso viene utilizzata in ambienti confinati, vista la sua capacità di volare a punto fisso. L'interazione aerodinamica che si sviluppa tra la scia rilasciata dal rotore e gli ostacoli circostanti genera tipicamente, da un lato, un peggioramento delle prestazioni dell'elicottero ed un aumento del lavoro di compensazione del pilota, dall'altro lato carichi instazionari che colpiscono le strutture circostanti. Nonostante la presenza di un buon numero di indagini sperimentali e numeriche sull'argomento, uno studio sistematico che possa svelare i meccanismi fluidodinamici chiave di questo tipo di interazione è tuttora mancante. Nel seguente lavoro sono quindi descritti i risulati di un indagine sperimentale sull'interferenza aerodinamica tra un elicottero ed un prototipo semplificato di ostacolo, tenendo conto in un secondo momento anche degli effetti del vento. Le attività sperimentali sono state svolte al Politecnico di Milano e all'Università di Glasgow, utilizzando più apparati sperimentali ed utilizzando diverse tecniche di misura. Sono state effettuate misure delle forze e momenti agenti sul rotore in modo da valutare le prestazioni dello stesso per diverse posizioni rispetto all'ostacolo. Sono state svolte misure dell'inflow del rotore tramite anemometria laser-doppler (LDA) per vedere come i fenomeni interazionali agissero sull'aerodinamica del rotore, mentre il campo di moto tra il rotore e l'ostacolo è stato indagato tramite velocimetria ad immagini di particelle (PIV). Infine, per analizzare i carichi instazionari agenti sull'ostacolo, misure di pressione mediate e non sono state effettuate sul modello di edificio.