Implementation of a tiltrotor gust load reduction system

In the last 40 years a great effort has been spent to obtain reliable VTOL vehicles both for civil and military use. Tiltrotors have revealed to be a suitable compromise to get a good combination between helicopter manoeuvrability and airplane flight speed. Tiltrotor aircraft are sensitive to atmospheric turbulence during cruising flight due to their large, flexible, rotors mounted at the wing tips. In the present work different strategies of active gust load alleviation system are presented. The advantage of the tiltrotor it is that in airplane configuration it can use also the rotor control actuators. The first configuration studied is based on the used of an optimal controller and the states reconstructed by the Kalman filter. This architecture is able to reduce the loads using a low number of states. The second configuration is based on a feedforward controller. The dynamic of the controller is based on the model inversion technique and it utilize the measure of a Doppler LIDAR sensor. In this way it is possible to reduce the loads if the zeroes of the transfer function to be invert have negative real part. A possible strategy to stabilize the feedforward control system has been tested but it has led to poor performance.

Negli ultimi 40 anni vari progetti sono stati sviluppati con l’obbiettivo di ottenere un velivolo che fosse in grado di decollare e atterrare in modo verticale. Il convertiplano si è rivelato essere un buon compromesso tra la manovrabilità dell’elicottero e la capacità di volare ad alte velocità. Il convertiplano, in volo avanzato, è molto sensibile alla turbolenza a causa dei grossi rotori montati sulle estremità delle ali. In questo lavoro di tesi sono stati analizzati diversi sistemi di controllo attivo per la riduzione dei carichi da raffica. Il convertiplano, durante il volo avanzato in modalità aereo, ha il vantaggio di avere a disposizione, oltre alle classiche superfici di controllo, anche gli attuatori del rotore. La prima configurazione studiata è basata sull'utilizzo di un controllore ottimo e sullo stato ricostruito da un filtro di Kalman. Questa architettura è in grado di ridurre lo sforzo trasmesso utilizzando un numero limitato di stati. La seconda configurazione è basata su un controllo in anticipo. La dinamica del controllore è basata sulla tecnica dell’inversione del modello ed utilizza la misura fatta da un sensore LIDAR Doppler. In questo modo è possibile ridurre lo sforzo trasmesso se gli zeri della funzione di trasferimento da invertire sono a parte reale negativa. Una possibile strategia per stabilizzare il sistema di controllo in anticipo è stata testata, ma ha portato a una riduzione delle prestazioni finali.