Main rotor modelling improvements in a complex helicopter flight mechanics simulation tool

The focus of this thesis work is the development and improvement of a complex flight mechanics simulation code for helicopters, named RSim. This represents the product of a collaboration between Leonardo Helicopters Division (AgustaWestland at that time) and Politecnico di Milano. This process is framed in the validation of a numerical model of the AW139 helicopter within RSim and another, more mature, commercial simulation code, FlightLab. The latter is widely employed at Leonardo Helicopter Division's flight mechanics department and is thus considered as a reference for the evaluation of RSim results. The analysis has shown that RSim had some margins of improvement: in particular main rotor aerodynamic modelling. An investigation of forward flight conditions highlighted that the usage of steady aerodynamics for the main rotor is not adequate to properly simulate flight conditions where the main rotor must provide high thrust. In fact, this gave rise to the occurrence of stall of the retreating blade, while the flight test data did not show this problem. Because of this, the phenomenon of dynamic stall was analysed from a physical point of view and then a convenient formulation was implemented in the RSim tool. As a result, problems linked to high performance flight conditions were successfully corrected. Another discrepancy between flight data and simulation results was found when analysing hover flight conditions, where several important quantities were underestimated with respect to flight test data. A comparison of RSim results with FlightLab has shown an important underestimation of induced velocity as the result of a less sophisticated aerodynamic main rotor model. Here again, a correction aimed to aligning the two codes on this specific topic has brought a significant improvement. Finally, a linearised dynamic analysis was performed, with pole identification and frequency response analysis. This is an integral part of the validation process and has shown that the RSim model actually provides a good level of fidelity. This was already assessed in the initial version of the tool, therefore it is concluded that the applied modifications, although affecting key modelling aspects, did not introduce any significant degradation effect from this point of view.

L'obbiettivo di questo lavoro di tesi è lo sviluppo e il miglioramento di un complesso codice di simulazione per elicotteri nell'ambito della meccanica del volo, chiamato RSim. Questo rappresenta il risultato della collaborazione tra Leonardo Divisione Elicotteri (AgustaWesland all'epoca) e il Politecnico di Milano. Il lavoro è inquadrato all'interno della validazione di un nuovo modello numerico dell'elicottero AW139 in RSim e in un altro codice di simulazione commerciale più maturo, FlightLab. Quest'ultimo è largamente impiegato nel dipartimento di meccanica del volo di Leonardo Divisione Elicotteri, ed è quindi considerato un punto di riferimento nella valutazione dei risultati di RSim. L'analisi ha mostrato che RSim ha dei margini di miglioramento: in particolare nella modellazione aerodinamica del rotore principale. Un'indagine in condizioni di volo avanzato ha evidenziato che l'uso di un'aerodinamica stazionaria per il rotore principale non è adatta a simulare adeguatamente condizioni di volo in cui esso deve fornire un'elevata trazione. Infatti, questo dava origine a fenomeni di stallo della pala retrocedente, mentre i dati di volo non mostravano questo problema. Perciò, il fenomeno dello stallo dinamico è stato analizzato da un punto di vista fisico e, successivamente, una formulazione conveniente è stata implementata all'interno di RSim. Come risultato di ciò, i problemi legati a voli in condizioni di elevata trazione sono stati corretti con successo. Un'altra discrepanza tra i dati di volo e i risultati delle simulazioni è stata trovata analizzando condizioni di volo a punto fisso (detti hover), in cui grandezze importanti erano sottostimate rispetto ai dati di volo. Un confronto dei risultati di RSim con FLighLab ha mostrato una sottostima importante di velocità indotta, data da un modello aerodinamico del rotore meno sofisticato. Di nuovo, una correzione per allineare i due codici da questo punto di vista ha portato ad un significativo miglioramento. Da ultimo, un'analisi dinamica dei modelli linearizzati è stata eseguita, con un lavoro d'identificazione dei poli e di risposte in frequenza. Questa è una parte essenziale del processo di validazione e ha mostrato che il modello di RSim fornisce un buon livello di fedeltà. Questo risultato era già presente nella versione iniziale del codice, e ciò ha portato alla conclusione che le modifiche applicate, nonostante influenzino aspetti chiave del modello, non hanno introdotto nessuna degradazione significativa da questo punto di vista.