Vulnerability and survivability assessment of a new helicopter

Vulnerability and Survivability Assessments are of utmost importance in the project work-flow of flying machines intended to operate in hostile environment. In the present Thesis, an original Survivability Software has been conceived and developed by the authors in MATLAB® programming environment, in order to assess the survivability of the latest Leonardo Helicopters attack helicopter, the AW249, and to compare it from a survivability point of view with its predecessor, the AW129 Mangusta. The threats considered in the Survivability Assessments are the 7.62 x 54 API B-32 projectile and the 12.7 x 108 API B-32 projectile. In the original Survivability Software is included a penetration algorithm able to compute the threat penetration distance and residual velocity through each helicopter component hit along its trajectory, thus providing the true threat state-of-motion. In the computation of survivability parameters, the "probability of kill of the component given a hit on the component" (Pk|h) for each of the helicopter's components considered play a fundamental role. For this reason in the second part of the present Thesis a procedure for the Vulnerability Assessment of a critical component is presented. The Pk|h of one of the AW249 Tail Rotor Drive Line shafts is assessed through a numerical Vulnerability Assessment. The ballistic impact between the Aluminium Alloy 6061-T6 shaft and the 12.7mm API bullet is numerically simulated using ABAQUS®/Explicit. The Johnson-Cook constitutive model and the Johnson-Cook and the Bao-Wierzbicki fracture models are exploited. The ballistic impact analysis is followed by the fatigue resistance evaluation of the damaged shaft under the periodic loads of the recovery mission, by means of an XFEM approach using ABAQUS®/Standard. Lastly, the damaged shaft reduced buckling limit is computed.

Le Valutazioni di Vulnerabilità e Sopravvivenza sono di estrema importanza nella progettazione di velivoli destinati ad operare in ambiente ostile. Nella presente Tesi gli autori hanno concepito e sviluppato, all'interno dell'ambiente di programmazione MATLAB®, un originale Survivability Software, per la valutazione della sopravvivenza dell'ultimo elicottero d'attacco concepito da Leonardo Elicotteri, l'AW249, e confrontarlo da un punto di vista della sopravvivenza con il suo predecessore, l'AW129 Mangusta. Le minacce prese in considerazione nelle Valutazioni di Sopravvivenza sono rappresentate dai proiettili 7.62 x 54 API B-32 e 12.7 x 108 API B-32. All'interno dell'originale Survivability Software è stato incluso un algoritmo di penetrazione in grado di computare la distanza di penetrazione e la velocità residua della minaccia attraverso ciascun componente dell'elicottero colpito lungo la sua traiettoria, in modo da avere il reale stato di moto della minaccia. Nel calcolo dei parametri di sopravvivenza, le "probabilità di uccisione del componente dato un impatto sul componente" (Pk|h) per ciascuno dei componenti dell'elicottero considerati giocano un ruolo fondamentale. Per questa ragione, nella seconda parte della presente Tesi è esposta una procedura per la Valutazione di Vulnerabilità di un componente critico. La Pk|h di uno degli alberi della Trasmissione Linea Rotore di Coda dell'AW249 è stimata mediante una Valutazione di Vulnerabilità numerica. L'impatto balistico tra l'albero in Lega di Alluminio 6061-T6 ed il proiettile 12.7mm API è riprodotto numericamente mediante ABAQUS®/Explicit. Si sfruttano il modello costitutivo di Johnson-Cook ed i modelli di frattura di Johnson-Cook e di Bao-Wierzbicki. L'analisi di impatto balistico è seguita dalla valutazione della resistenza a fatica dell'albero danneggiato sottoposto ai carichi ciclici della missione di rientro, mediante approccio XFEM in ABAQUS®/Standard. Infine è valutata la riduzione del carico di buckling per l'albero danneggiato.