A comprehensive aeroservoelastic approach to detect and prevent pilot assisted oscillations in tiltrotors

In tiltrotors, as well as in helicopters and airplane, the structural vibrations of the aircraft can interact with the involuntary pilot's biodynamics causing inadvertent man-machine coupling phenomena. These events are known in literature as PAOs, acronym of Pilot Assisted Oscillations and can cause oscillatory or divergent motions, difficulty in performing the desired tasks, and, ultimately, loss of control. PAOs occur in a frequency range between 2 and 8 Hz and they require an accurate aeroservoelastic modelling of the vehicle. This work presents an effective approach to develop multidisciplinary aeroservoelastic models that can tackle this peculiar type of problems. A detailed tiltrotor model, representative of the Bell XV-15, has been built using the simulation tool MASST, developed at Politecnico di Milano for the aeroservoelastic and aeromechanical analysis of aircraft and rotorcraft. This model includes a finite element airframe structural model, airframe unsteady aerodynamics, aeroelastic rotors, drive-train, servo-actuators and controllers. Biomechanical models of the pilot are included in feedback loop to define the Pilot-Vehicle System (PVS). The pilot, acting on the power lever and on the control stick, is described using a transfer function that characterises the biodynamic feedthrough (BDFT), i.e. involuntary control inceptor motion caused by external accelerations transmitted to the pilot's body. With the introduction of the pilot, the system is studied using robust stability analysis techniques. The stability margins of the system are quantified using Nyquist's criterion. PAO analyses are conducted separately along the longitudinal, lateral and vertical axes. Once a PAO mechanism is identified, a model reduction is performed to detect the main dynamics and the most influential parameters that trigger the instability. Finally, possible means of prevention are investigated and their pros and cons are discussed.

Nei convertiplani, così come negli elicotteri e negli aeroplani, le vibrazioni strutturali del velivolo possono attivare la riposta biomeccanica involontaria del pilota, generando percorsi di carico potenzialmente critici in grado di deteriorare le prestazioni della macchina. Interazioni avverse tra pilota e velivolo possono provocare oscillazioni, determinare difficoltà nel completare una missione o, in ultima istanza, causare la perdita di controllo del sistema. Questi fenomeni di accoppiamento uomo-macchina sono noti in letteratura con la sigla PAO, acronimo di Pilot Assisted Oscillation. I PAO si verificano in una banda passante compresa tra 2 e 8 Hz, e richiedono accurate modellazioni aeroelastiche di un velivolo. È stato sviluppato un dettagliato modello del convertiplano Bell XV-15, comprensivo di una struttura elastica modellata a elementi finiti accoppiata ad una pannellatura aerodinamica in grado di rappresentare i carichi instazionari, rotori aeroelastici, drive-train, servo-attuatori e controllori. Il modello è elaborato in MASST, un software sviluppato in MATLAB dal Politecnico di Milano per analisi aeroservoelastiche e aeromeccaniche di aeroplani ed elicotteri ed attualmente utilizzato da industrie leader nella produzione di elicotteri. Le analisi di PAO sono effettuate introducendo dei modelli biomeccanici del pilota in retroazione al modello aeroservoelastico del velivolo. I modelli di pilota sono rappresentati da funzioni di trasferimento, disponibili in letteratura, che traducono l'azione del pilota sui comandi di stick longitudinale/ laterale e sulla leva del collettivo/potenza. La stabilità del sistema comprensivo di velivolo e pilota è analizzata mediante tecniche di stabilità robusta. In particolare, i margini di stabilità del sistema a ciclo chiuso sono quantificati utilizzando il criterio di Nyquist. Le analisi di PAO sono realizzate separatamente lungo gli assi longitudinale, laterale e verticale; in ciascuno dei tre casi si analizzano i meccanismi responsabili dell'innesco di potenziali instabilità, individuando le dinamiche critiche. Infine, a seguito dell'identificazione di eventuali PAO, sono discussi possibili metodi di prevenzione del fenomeno.