High-fidelity modelling of flight control surface actuation systems for nonlinear aeroservoelastic analysis

Nonlinear aeroelastic analysis is gradually becoming a fundamental part of the design phase of new aircraft, and it also plays an important role in the certification process. Indeed, regulators now impose strict limitations on the occurrences of nonlinear phenomena like Limit Cycle Oscillations (LCO), which have been shown to be caused, among other sources, by nonlinearities in flight control surfaces control chains. The goal of this work, conducted in collaboration with the Helicopters Division of Leonardo Company, is to produce a physically accurate model of the complete actuation chain of a Fly-by-Wire (FBW) aircraft control surface, in order to investigate the aeroelastic effects produced by the combination of nonlinearities present both at the actuator and at the mechanical links level. Both the hydraulic servo-actuator and control chain models are constructed starting from the underlying physical principles of each of the low-level components, in order to explore the causes of system-level behaviour and are then simplified in order to be assembled and integrated efficiently. The complete model is then intended to be used in aeroelastic simulations to explore nonlinear behaviour like LCO and, at the same time, to provide insight into the advantages of multidisciplinary integration not only for aeroservoelastic analysis but also during the design phase of complex flight control systems.

L'analisi aeroelastica nonlineare sta gradualmente assumendo un ruolo fondamentale nella fase di progettazione di nuovi velivoli, ed è anche di importanza primaria durante il processo di certificazione. Infatti, le agenzie regolatorie impongono severe limitazioni sull'occorrenza di fenomeni aeroelastici nonlineari come i cicli limite, che possono essere prodotti, tra le altre cause, da nonlinearità presenti nelle catene di attuazione di superfici di controllo. Il principale obiettivo di questo lavoro, svolto in collaborazione con la Divisione Elicotteri di Leonardo, è quello di sviluppare un modello che riproduca il comportamento della catena di attuazione di una superficie di controllo per un velivolo Fly-by-Wire (FBW), al fine di esplorare gli effetti aeroservoelastici causati dalla combinazione di nonlinearità presenti sia al livello del servoattuatore idraulico che della catena meccanica. Sia il modello del servoattuatore idraulico che quello del meccanismo di controllo sono costruiti a partire dai principi fisici fondamentali di ognuna delle sotto-componenti, al fine di esplorare le origini di comportamenti che si presentano invece a livello di sistema. Vengono poi semplificati per essere assemblati ed integrati in modo efficiente. Il modello integrato ha infine lo scopo di essere utilizzato in simulazioni aeroelastiche per indagare fenomeni nonlineari come i cicli limite e, allo stesso tempo, vuole dimostrare i vantaggi di un'integrazione multidisciplinare non solo per l'analisi aeroservoelastica, ma anche nella fase di progettazione di sistemi aeronautici complessi.