Design and validation of active gust load alleviation systems for aircraft

Gust and turbulence dynamic loads contribute significantly to the structural sizing of an aircraft, requiring an heavier structure able to sustain them. In addition, gust and tur- bulence can also induce high structural accelerations leading to a reduction in aircraft capabilities, for example reducing passenger comfort in transport aircrafts. Finally, these load conditions can also give origin to high oscillations that in turn can induce nonlinear instabilities in very flexible aircraft. For these reasons there is a high interest both in the definition of active controllers for gust/turbulence load alleviation, and in obtaining reliable models for the analysis of the gust response of the aircraft and the analysis of the control system. In the present work two different strategies for gust load alleviation are analyzed: a Static Output Feedback (SOF) controller and a Recurrent Neural Network (RNN) controller. The numerical analyses of the SOF and RNN con- trol design techniques validated their capability to design both open loop and closed loop controllers, showing a certain degree of alleviation capability in all cases. The SOF controller was evaluated as well on a wind tunnel aeroelastic model subjected to a gust excitation, substantially confirming the alleviation capabilities predicted by the numerical model. The experimental results also confirmed that a velocity feedback is the best configuration for a closed loop controller for gust alleviation, and that a feed- back controller is more robust than an feedforward controller. The control systems are eventually applied to an aircraft with an active wing tip designed for load alleviation, confirming that it is possible with the use of a gust load alleviation system to increase the span of an aircraft without modifying the wing structural loads.

I carichi da raffica e da turbolenza atmosferica possono fornire un contributo importante alla definizione dei carichi strutturali di un velivolo, che quindi dovrà avere una struttura più pesante in grado di sostenerli. Raffiche e turbolenza possono inoltre portare elevate accelerazioni in cabina, riducendo così il comfort dei passeggeri e dell’equipaggio. Un ultimo possibile effetto di questo tipo di carichi dinamici è rappresentato dall’indurre grandi deformazioni strutturali in velivoli ad elevata flessibilità, queste grandi defor- mazioni possono a loro volta portare a fenomeni di instabilità non lineare. Per queste ragioni c’è da sempre un grande interesse verso l’utilizzo di sistemi attivi per l’alleviazione dei carichi da raffica e turbolenza e di conseguenza anche per lo sviluppo di accurati modelli numerici per l’analisi di questi fenomeni e utilizzabili per il progetto delle leggi di controllo. In questo lavoro due diversi approcci per il progetto di controllori per l’alleviazione dei carichi sono stati studiati, il primo è un controllo di tipo Static Output Feedback (SOF), basato sulla teoria del controllo ottimo. Il secondo invece si basa sull’uso di reti neurali e sfrutta una struttura chiamata Recurrent Neural Network (RNN). Oltre all’analisi numerica il controllore di tipo SOF e’ stato anche valutato sperimentalmente, e utilizzato per un’analisi numerica dei possibili benefici introdotti dall’utilizzo di superfici di controllo dedicate unicamente all’alleviazione dei carichi. Il controllore di tipo SOF è stato validato sperimentalmente su un modello aeroelastico da galleria del vento, confermando le capacità di alleviazione dei carichi previste dal modello numerico. I risultati sperimentali confermano anche l’osservazione che un controllo basato su una misura di velocità porta a prestazioni migliori rispetto ad una retroazione diretta delle accelerazioni. Il confronto tra controllo in anello aperto e in anello chiuso ha inoltre confermato la maggiore robustezza del secondo rispetto al primo. Lo studio della combinazione di un controllo attivo con un’estensione dell’apertura alare ha anche confermato la possibilità di cercare una maggiore efficienza aerodinamica incrementando l’allungamento alare senza portare ad un incremento dei carichi da raffica.