Aerodynamic optimization of the wing extension of an advanced tiltrotor aircraft

Given the fast-evolving context of tiltrotor aircraft, this work provides a way to design and thus optimize the aerodynamic surfaces of the aircraft itself. In this particular case, a small wing region that extends outboard from the nacelle of an Advanced Tiltrotor Aircraft is designed using this method. After illustrating the novelty behind these wing extensions and explaining why they are beneficial during cruise flight mode for modern tiltrotor aircraft, several existing optimization methods will be presented, and an attempt will be made to explain why the one based on a Design Of Experiment approach is effective. A multiobjective optimization process is exploited to find the best possible configurations that maximize both wing and rotor efficiency. Based on a Design Of Experiment approach, this methodology allows for a schematic and efficient method to study the relationship between multiple input variables and critical output responses. The configurations selected with the Design Of Experiment approach will be simulated by the aerodynamic mid-fidelity code DUST developed at Politecnico di Milano, allowing for fast and reliable results as required during a preliminary design phase. A linear regression model that accounts for nonlinear interactions is therefore found and will be used by an evolutionary algorithm in a multiobjective optimization framework. The multiobjective optimization will provide a set of Pareto-optimal solutions from which to choose the final design of the wing extension. After explaining how well this methodology delivers results, two configurations will be analyzed in detail from the aerodynamic wing/rotor interaction point of view. Finally, a choice between the two will be made. This work is to be placed in the context of the ThesisLab Project, a multidisciplinary and cooperative environment between Leonardo Helicopter Division and Politecnico di Milano. For the Project, a group of qualified students has been selected to design different features of the novel Advanced Tiltrotor Aircraft, varying between several thematic areas such as aerodynamics, structures, dynamics, and control.

Data la rapida evoluzione del contesto dei convertiplani, questo lavoro fornisce un modo per progettare e ottimizzare le superfici aerodinamiche del velivolo stesso. In questo caso particolare, viene progettata con questo metodo una piccola regione alare che si estende esternamente alla nacelle di un Advanced Tiltrotor Aircraft. Dopo aver illustrato la novità di queste estensioni alari e spiegato perché sono vantaggiose durante il volo di crociera per i moderni convertiplani, verranno presentati diversi metodi di ottimizzazione esistenti e si cercherà di spiegare perché quello basato su un approccio di Design Of Experiment è efficace. Un processo di ottimizzazione multiobiettivo viene sfruttato per trovare le migliori configurazioni possibili che massimizzano l'efficienza dell'ala e del rotore. Basata su un approccio di Design Of Experiment, questa metodologia consente di studiare in modo schematico ed efficiente la relazione tra più variabili di input e risposte critiche di output. Le configurazioni selezionate con l'approccio Design Of Experiment saranno simulate dal veloce e affidabile codice aerodinamico a media fedeltà DUST, sviluppato al Politecnico di Milano, che consente di ottenere risultati rapidi e affidabili, come richiesto durante la fase di progettazione preliminare. Viene quindi individuato un modello di regressione lineare che tiene conto delle interazioni non lineari e che sarà utilizzato da un algoritmo evolutivo in un quadro di ottimizzazione multiobiettivo. L'ottimizzazione multiobiettivo fornirà un insieme di soluzioni Pareto-ottimali da cui scegliere il progetto finale dell'estensione dell'ala. Dopo aver illustrato i risultati ottenuti con questa metodologia, verranno analizzate in dettaglio due configurazioni dal punto di vista dell'interazione aerodinamica ala/rotore. Infine, verrà effettuata una scelta tra le due. Questo lavoro va inserito nel contesto del Progetto ThesisLab, un ambiente multidisciplinare e cooperativo tra la Divisione Elicotteri di Leonardo e il Politecnico di Milano. Per il Progetto, un gruppo di studenti qualificati è stato selezionato per progettare diverse caratteristiche del nuovo Advanced Tiltrotor Aircraft, variando tra diverse aree tematiche come l'aerodinamica, le strutture, la dinamica e il controllo.