Designing a test rig for an electrical multi-propeller system

The design of new multi-propeller eVTOL (Electric vertical take-off and landing) aircraft configurations for Advanced Air Mobility requires both new experimental and analytical tools and studies. This thesis presents a cost-effective design of a single Lift/Thrust Unit (LTU) test rig capable of measuring all the six components of its static and highfrequency dynamic loads and its relevant electrical parameters while simultaneously and effectively controlling its RPM (Revolutions per minute). A detailed technical analysis of the working mechanisms of the main components was first of all necessary (Chapter 1), and part of this analysis led to Appendix B, in which a method for the preliminary choice of the main components is presented. Then the Lift/Thrust Unit electrical drive system was designed by programming a microcontroller to control its RPM (Revolutions per minute) and by designing a custom Hall effect RPM sensor printed circuit board (Chapter 2). Several load cell-based measurement systems were designed and produced to measure both static and high-frequency dynamic loads (Chapter 3), and the static and dynamic loads data obtained with the different systems were then compared, both in hover and in forward flight (Chapter 4). It was found that with the proposed electrical drive system it is possible to drive the Lift/Thrust Unit at almost constant RPM even in an open-loop control mode, although the system is completely set up for closed-loop RPM control, should the latter turn out to be desirable in the future. As far as loads measurement systems are concerned, two out of the three proposed solutions turned out to be suitable for the measurement of high frequency (within the 250 Hz interval) dynamic loads. The test rig presented in this thesis, which is part of an internship at Leonardo SpA Helicopter Division, can therefore be considered as the first-step towards the design of wind tunnel test rig of multiple Lift/Thrust Units in arbitrary relative position and tilt angle, which could be employed to provide the necessary experimental data, with an emphasis on loads data, to both assist and validate new multi-propeller eVTOL designs.

Il progetto di nuove configurazioni di velivoli eVTOL (Electric vertical take-off and landing) multi-elica per l’Advanced Air Mobility richiede nuovi strumenti e studi sia sperimentali che analitici. Questa tesi presenta un progetto economicamente conveniente di un banco di prova per una singola Lift/Thrust Unit (LTU) in grado di misurarne tutte e sei le componenti dei carichi statici e dinamici e i parametri elettrici rilevanti controllandone efficacemente gli RPM (Revolutions per minute). Prima di tutto, si è resa necessaria un’analisi tecnica dettagliata dei principi di funzionamento dei principali componenti (Capitolo 1), e parte di questa analisi ha portato all’Appendice B, in cui si presenta un metodo per la selezione preliminare dei componenti principali. Successivamente si è progettato il sistema di azionamento elettrico della Lift/Thrust Unit programmando un microcontrollore per controllarne gli RPM e progettando una PCB (Printed circuit board) per un sensore RPM ad effetto Hall personalizzato (Capitolo 2). Per misurare sia i carichi statici che quelli dinamici ad alta frequenza si sono progettati e realizzati diversi sistemi di misura basati su celle di carico (Capitolo 3), e si sono poi confrontati i dati relativi ai carichi statici che dinamici ottenuti con i vari sistemi, sia in hover che in volo avanzato (Capitolo 4). Si è rilevato che utilizzando il sistema di azionamento elettrico proposto, è possibile operare la Lift/Thrust Unit a RPM pressochè costanti già con una modalità di controllo in anello aperto, anche se il sistema è gia completamente predisposto per un controllo in anello chiuso degli RPM nel caso questo dovesse tornare utile in futuro. Per quanto riguarda i sistemi di misura dei carichi, due delle tre soluzioni proposte si sono rilevate adeguate per la misura di carichi dinamici ad alta frequenza (entro i 250 Hz). Il banco di prova presentato in questa tesi, che è parte di un tirocinio presso la divisione elicotteri di Leonardo SpA, può dunque essere considerato il primo passo verso il progetto di un banco di prova in galleria del vento per diverse Lift/Thrust Units in posizione relativa e angolo di tilt arbitrari, che possa essere impiegato per fornire i dati sperimentali necessari, con un’enfasi sui dati relativi ai carichi, sia a supportare che a validare progetti di nuovi eVTOL multi elica.