Analysis and modelling of helicopter low speed lateral flight controllability using the vortex particle method

This Master Thesis has been conducted at the Helicopter Division of Leonardo S.p.A., a leader company in aerospace, defence and security fields. In particular this division is involved in the design, production, sale and continuous support of helicopters. The proposed thesis regards the analysis and modelling of lateral flight low speed controllability of AW169, in particular the modelling of the wake generating during lateral flight, using an innovative instrument to study the wake inflow generated by the main rotor: the Vortex Particle Method (VPM). Low speed controllability is becoming a key issue for the helicopter design, due to its effects on performance. The main aspect studied in this thesis involve the main rotor wake. In general the wake generated by the main rotor invests all the parts of the helicopter varying the flight conditions of the machine affecting handling qualities. Specially in lateral flight low speed condition, this phenomena could interact with the tail rotor generating induced velocities degrading the flight performance and having a strong impact on the variation of the rotor blade airloads. Aerodynamic interactions between main rotor and the others part of the rotorcraft are very difficult to analytically predict and simulate. Different analysis model implemented until now are potential flow based singularity method for rotor wake solution, which are able only to capture the first order effect, adding empirical estimation of the physics behind the problem to improve the accuracy of the solution. The Vortex Particle Method is examined in order to have an high fidelity rotor wake vortical flow solution for rotorcraft interference predictions, improving the existing model of AW169. This method directly solves the velocity-vorticity form of the incompressible Navier-Stokes equation using a grid-free Lagrangian simulation providing a successful solution to the rotor vorticity transportation and interaction here shown.

Il lavoro di questa Tesi Magistrale è stato condotto presso la Divisione Elicotteri di Leonardo S.p.A., un'azienda leader mondiale nel campo aerospaziale, della difesa e della sicurezza. Nello specifico della Divisione citata, i compiti prevalenti sono quelli della progettazione, la produzione, la vendita di diverse linee di elicotteri e, quindi, il supporto ai clienti. La Tesi qui descritta riguarda l'analisi e la modellazione della controllabilità in volo laterale a basse velocità dell'elicottero AW169, in particolare della scia generata durante questa fase, usando uno strumento innovativo per la stima delle velocità indotte dalla scia stessa: il Vortex Particle Method (VPM). La controllabilità a basse velocità sta diventando sempre più un tema di rilievo nella progettazione di nuovi elicotteri, a causa degli effetti sulle prestazioni. L'aspetto principale studiato in questa tesi è la scia generata dal rotore principale. La scia generalmente investe tutti i componenti della macchina variando le condizioni di volo e influenzando, così, le caratteristiche di manovrabilità (handling qualities). In condizioni di basse velocità, il fenomeno potrebbe interagire con il rotore di coda, generando velocità indotte che vanno a degradare le prestazioni e a variare con continuità i carichi agenti sulle pale del rotore stesso. La simulazione, e quindi la predizione, delle interferenze aerodinamiche della scia del rotore principale sulle altri componenti della macchina sono di difficile implementazione. Diverse analisi condotte sinora prendono in considerazione modelli basati sulla teoria del flusso potenziale per la soluzione della scia, quali sono in grado di ben stimare solo fenomeni del primo ordine. Al fine di migliorare l'accuratezza di queste soluzioni si introducono, quindi, delle stime empiriche della fisica dei fenomeni osservati. Il Vortex Particle Method è qui esaminato al fine di avere una soluzione fisica più accurata del flusso della scia vorticosa nel merito delle interferenze aerodinamiche, migliorando quindi i modelli esistenti dell'elicottero. Questo metodo risolve direttamente le equazioni di Navier-Stokes usando il punto di vista Lagrangiano, dando come risultato delle soluzioni soddisfacenti, qui mostrate, in termini di trasporto della vorticità e delle interferenze aerodinamiche.