Design of an active mast vibration absorber

Vibrations in helicopters are responsible of detrimental phenomena, such as noise, fatigue loading of components, passengers discomfort, reduced effectiveness of electronics and weapons systems. Among different vibration sources, the most relevant is given by the oscillating loads transferred from the blades to the rotor hub, whose frequencies are multiples of the rotor angular speed. This thesis, developed in the frame of a collaboration between Politecnico di Milano and Leonardo - Divisione Elicotteri, is devoted to the reduction of in-plane vibrations generated by the rotor of a five blades helicopter. To this purpose, an active vibration absorber has been designed. As set by the manufacturer specifications, the device should be mounted on the main rotor, with the aim of annihilating the two main harmonic components of vibration. The proposed device exploits a mechanical transmission to put, for each harmonic to be suppressed, two inertial masses in synchronous rotation with the desired multiples of the rotor speed; the angular positions of the masses in the corresponding reference frame are controlled by electric motors. In order to detect phase and amplitude of the target components, the system is featured by a harmonic identification algorithm, which has been selected as the most suitable estimation technique to track sinusoidal signals with time varying parameters. The results of the harmonic estimation are fed to a positioning algorithm, which, instantaneously, outputs the reference motion laws to be followed by the motors in order to reach the correct configuration. Numerical analyses have been applied to experimental records of the radial acceleration, in order to select motors able to provide satisfactory performances in real flight conditions. The mechanical design has been carried out considering geometric constraints and weight limitations imposed by the application on a real rotorcraft. The proposed solution comprehends the selection of electronic devices and structural assessments.

Le vibrazioni sono fonte di numerosi problemi per gli elicotteri, tra cui il ridotto livello di comodità a bordo, la rumorosità del veivolo, la sollecitazione a fatica dei componenti e un'inferiore efficacia degli armamenti. La principale causa dei fenomeni vibratori va cercata nei carichi alternati che le pale trasmettono al corpo del rotore principale, che vanno ad eccitare la fusoliera a frequenze multiple della velocità angolare del rotore stesso. Lo scopo di questa tesi, realizzata in seno alla collaborazione tra Politecnico di Milano a Leonardo Elicotteri, è per l'appunto la progettazione di un dispositivo attivo in grado di attenuare le vibrazioni trasmesse dal rotore nel piano orizzontale. In base a quanto richiesto dall'azienda, il dispositivo deve essere montato sulla sommità del rotore principale e deve essere in grado di abbattere le due principali componenti armoniche di vibrazione. Per ciascuna armonica da compensare, il dispositivo presentato prevede di mettere in rotazione una coppia di masse eccentriche sfruttando il moto estratto dal rotore principale tramite una trasmissione meccanica. Avendo in questo modo assicurato che le masse ruotino alla corretta velocità, la loro posizione nel sistema di riferimento rotante può essere controllata tramite dei motori elettrici in modo che la forza prodotta sia uguale e contraria rispetto a quella agente sul rotore. L'ampiezza e la fase delle armoniche da bilanciare vengono ricostruite da un algoritmo in grado di percepire le variazioni che si è notato caraterizzare questo tipo di fenomeni. I risultati dell'analisi armonica vengono usati da un algoritmo di posizionamento che in tempo reale invia ai motori le leggi di moto che servono per portare le masse nella corretta configurazione. Grazie all'analisi delle misure di accelerazione radiale eseguite sul rotore, i motori sono stati dimensionati in modo da poter garantire risultati soddisfacenti in condizioni di volo reali. La progettazione meccanica è stata eseguita tenendo in considerazione l'esigenza di soddisfare i requisiti geometrici e le limitazioni sul peso richieste dall'effettiva applicazione del dispositivo su un elicottero. La soluzione proposta comprende infine la selezione dei componenti elettronici e le necessarie verifiche strutturali.