Towards robust stability design for rotorcraft pilot coupling : pilot modeling and sensitivity analysis

In this thesis work, the vertical dynamics of the aeroelastic rotorcraft-pilot system, known as the vertical bounce phenomena is investigated. This undesired interaction is caused by the airframe vertical vibrations that are transmitted to the collective lever through the pilot upper-body and fed back in the rotorcraft aeromechanics. The aim is to provide analytical pilot and helicopter models to perform a sensitivity analysis of the coupled system to several design parameters and flight conditions. The simplified pilot models differ from the degrees of freedom involved whose dynamic characteristics are based on a more complex multibody model response, where the pilot left arm dynamics is identified. The pilot models are in fact treated as ”semi” grey-box models, in contrast with the experimental pilot model, identified from input-output data, based on a grey-box modeling approach. The helicopter model involves the vertical displacement degree of freedom along with the collective rotor coning dynamics that introduces an elastic degree of freedom, necessary to correctly perform the aeroelastic coupling with the pilot. Different articulated rotor helicopters are considered in the coupling to analyze the closed-loop dynamics from different rotorcraft perspectives. Results of the coupled system are reported, involving the proposed analytical pilot models and confirmed by the experimental tests. The influence of different lever parameters is investigated and design criteria are discussed. Finally, the effects of the take-off maneuver is analyzed. Additionally, the analytical modeling of the pilot’s limb muscles activation pattern is presented and their effect on the muscles impedance with respect to the collective lever rotation are exposed.

In questo lavoro di tesi viene investigata l’interazione dinamica del sistema aeroelastico elicottero-pilota lungo la direzione verticale noto come ”vertical bounce”. Questa interazione indesiderata è causata dalle vibrazioni verticali del cockpit che sono trasmesse alla leva del collettivo tramite la parte superiore del corpo del pilota e reinserite nell’aeromeccanica dell’elicottero. L’obiettivo è quello di fornire modelli analitici per l’elicottero ed il pilota per eseguire un’ analisi di sensitività del sistema accoppiato alla variazione di diversi parametri di design e condizioni di volo. I modelli semplificati di pilota, sviluppati nel corso di questo lavoro, si differenziano per i gradi di libertà coinvolti la cui dinamica si basa su quella di un modello multicorpo più complesso da cui viene identificata la dinamica relativa al braccio sinistro del pilota. I modelli di pilota vengono infatti visti come ”semi” scatole grigie, diversamente da quanto viene fatto per il modello di pilota costruito tramite le reti neurali basato su un approccio a scatola nera, che viene brevemente introdotto. Il modello di elicottero comprende il grado di libertà relativo allo spostamento verticale e quello dell’angolo di flappeggio collettivo del rotore che introduce un grado di libertà aeroelastico necessario per effettuare correttamente l’accoppiamento aeroelastico con il pilota. Sono riportati differenti modelli di elicottero con rotori articolati per analizzare la dinamica ad anello chiuso dalla prospettiva di più velivoli. Vengono riportati i risultati del sistema accoppiato utilizzando i modelli di pilota proposti, che vengono confermati dal confronto con i risultati di prove sperimentali. Viene inoltre investigata l’influenza di differenti parametri della leva e vengono discussi dei criteri di design. Conseguentemente gli effetti della manovra di decollo vengono analizzati. Inoltre, viene presentata la modellazione matematica del pattern di attivazione dei muscoli del braccio del pilota ed i loro effetti sull’impedenza equivalente rispetto alla rotazione della barra del collettivo, di cui vengono esposti i risultati