Wing-rotor aerodynamic interaction in eVTOL conversion maneuver

The development of aircraft capable to combine the best characteristics of helicopters and conventional airplane is experiencing, by the scientific and industrial community, an era of renewed interest. In the global research context for new solutions related to future mobility, it frames the analysis of vertical take-off and landing aircraft and, in particular, among these, the deepening of solutions that include an electric propulsion. This study aims to investigate the conversion maneuver between fixed-point flight (hovering) and forward flight condition (in airplane configuration) of a tiltwing aircraft. This is, indeed, the most critical and complex phase during the flight of this aircraft type. The aerodynamic rotor-wing interaction is a key-point in the understanding and development of this technology. The mutual influence between these components, particularly during low speeds and significant wing inclination angles flight phases, determines the operational particularity and, hence, the scientific interest for these aircraft. Work is carried out through the formulation of a calculation code with the purpose of evaluating aircraft performances and force balances it is subject to, in the different phases of the maneuver. Following the application of aerodynamic models related to theory of rotors and wings, a procedure is developed to investigate the properties of the maneuver and the characteristics the aircraft must meet to perform intended mission. Then, four of the most critical conditions found during the maneuver are simulated through OpenFOAM, a fluid dynamics simulation software, in order to validate the theoretical model previously proposed and analyze, also through CFD simulation, the aerodynamic interaction between the rotor flow and the wing. The final objective is the formulation of a model aimed to the analysis and preliminary sizing of a small tilting wing aircraft. Finally, some aspects of possible future developments are covered.

Lo sviluppo di velivoli capaci di coniugare le migliori caratteristiche degli elicotteri e degli aerei convenzionali sta vivendo, da parte della comunità scientifica ed industriale, un’epoca di rinnovato interesse. Nel contesto globale di ricerca di nuove soluzioni per la mobilità del futuro, si inquadra l'analisi di velivoli a decollo e atterraggio verticale e, in particolare tra questi, l'approfondimento di soluzioni che prevedano una propulsione elettrica. Lo studio proposto intende indagare la manovra di conversione tra il volo a punto fisso (hovering) e la condizione di volo avanzato (in configurazione di aeroplano) di un velivolo ad ala inclinabile. Questa è, infatti, la fase più critica e complessa durante il volo di questa tipologia di aeromobili. L'interazione aerodinamica tra la scia del rotore e l'ala è un aspetto centrale nella comprensione e nello sviluppo di questa tecnologia. La mutua influenza tra questi componenti, in modo particolare durante le fasi del volo che si svolgono a basse velocità e con notevoli angoli di inclinazione dell'ala, determina la particolarità operativa e, dunque, l'interesse scientifico per questi velivoli. Il lavoro è svolto tramite la formulazione di un codice di calcolo con lo scopo di valutare le prestazioni dell’aeromobile e i bilanci delle forze a cui esso è soggetto, nelle diverse fasi della manovra. A seguito dell'applicazione di modelli aerodinamici legati alla teoria dei rotori e delle ali, si sviluppa un procedimento che permette di indagare le proprietà della manovra e le caratteristiche che l'aeromobile deve soddisfare per svolgere la missione prefissata. Successivamente sono simulate tramite OpenFOAM, un programma di simulazione fluidodinamica, quattro condizioni tra le più critiche riscontrate durante la manovra, al fine di validare il modello teorico precedentemente proposto e analizzare, anche tramite la simulazione CFD, l’interazione aerodinamica tra il flusso del rotore e l’ala. L’obiettivo finale è la formulazione di un modello volto all’analisi e al dimensionamento preliminare di un velivolo ad ala inclinabile di piccole dimensioni. Infine, sono riportati alcuni aspetti dei possibili sviluppi futuri di questo ambito.