Validation of a rotorcraft simulation tool and application to the observation of non-measurable flight parameters

The purpose of the present work is to apply a properly validated flight mechanics simulation software for building an observer able to estimate important rotorcraft parameters otherwise not available during in-flight operations: the tip-path-plane angle of attack and the thrust coefficient. Results associated to RSim validation phase are shown in order to appreciate the goodness of the simulation model compared to flight test data and a well known commercial software. The procedure to derive the observer rely upon previous works and is based on parameter identification, performed considering as identification manoeuvres steady descents in different conditions of airspeed, angle of sideslip, altitude, weight and glide-slope. The identified model based on the original set of measurements, including main rotor flapping angles, pedal command, helicopter weight and altitude, is compared against models obtained augmenting the input dataset. In particular, it is checked the impact of adding to the measurement vector the helicopter vertical speed, glide-slope and attitude angles. The so built observer is tested in design conditions, at intermediate airspeeds and angles of sideslip with respect to the ones considered for identification purposes, and in off-design conditions by means of decelerated descents. Results show significant improvements in estimation accuracy with the augmented dataset, proving the goodness of the observer and confirming its applicability in noise estimation problems. Due to the simple kinematic relationships between rotor variables and fuselage aerodynamic angles, the observation of fuselage angle of attack and angle of sideslip is also performed. Finally, in an effort to reduce time and costs during a real flight test campaign, a sensitivity study is conducted on the number of samples.

Lo scopo di questa tesi è quello di utilizzare un software di simulazione di meccanica del volo opportunamente validato per la progettazione di un osservatore in grado di stimare importanti parametri elicotteristici altrimenti non misurabili in volo: l'angolo d'incidenza del tip-path-plane e il coefficiente di trazione. I risultati associati alla fase di validazione di RSim sono mostrati affinchè si possa apprezzare la bontà del modello di simulazione confrontato con i dati di volo e con un noto software commerciale. La procedura per la derivazione dell'osservatore è fondata su lavori preesistenti e si basa su un approccio di identificazione dei parametri, effettuato considerando come manovre di identificazione delle discese stazionarie in una grande varietà di condizioni di velocità, angolo di derapata, quota, peso e angolo di discesa. Il modello identificato basato sull'insieme originale di misure, il quale include angoli di flappeggio del rotore principale, comando di pedale, peso dell'elicottero e quota, è comparato con i modelli ottenuti aumentando il numero di dati in ingresso. In particolare, viene analizzato l'impatto dell'aggiunta al vettore delle misurazioni di velocità verticale, angolo di discesa ed angoli di assetto della macchina. L'osservatore così assemblato è sperimentato in condizioni di progetto, a velocità e angoli di derapata intermedi rispetto a quelli considerati nella fase di identificazione, e in condizioni di fuori progetto tramite discese decelerate. I risultati mostrano significativi miglioramenti dal punto di vista dell'accuratezza della stima attraverso l'utilizzo dell'insieme di misure aumentato, dimostrando la buona qualità dell'osservatore e confermando la possibilità di un suo utilizzo applicato alla stima del rumore. Per via delle semplici relazioni cinematiche che legano le variabili del rotore con gli angoli aerodinamici di fusoliera, l'osservazione di angolo di incidenza e di derapata è altresì effettuata. Infine, in un'ottica di riduzione di tempi e costi nel corso di una campagna di prove di volo, è effettuato uno studio di sensitività sul numero di campioni.