Advanced Tiltrotor Aircraft (ATA): drive train dynamics modelling and analysis

The last decades have seen considerable technical developments in the tiltrotor concept, leading Leonardo Helicopter Division (LHD) towards an enhanced design named Advanced Tiltrotor Aircraft (ATA). The main innovation brought about by this project lies in wing root-mounted engines, this alternative configuration directly affects the drive train subsystem and the structure of the wing, which should be carefully inspected. For this purpose, Politecnico di Milano and LHD have conceived the ThesisLab project, which consists of a series of coordinated theses related to the preliminary design of the ATA. The present work focuses on developing a spring-mass model able to investigate the torsional dynamics of the drive train in terms of vibration modes and response analysis. To finalize the virtual system, it is necessary to define the numerical values of its lumped components; however, the equivalent stiffness of the interconnecting drive shaft (ICDS) is not available. Therefore, a preliminary design of this element is performed by choosing the optimal combination of thickness and outer diameter which satisfies the imposed constraints: maximum shear stress, critical buckling load, and positioning of the critical speed. Furthermore, a methodology is presented to estimate the control and stability derivatives of the rotor in three primary flight conditions: hover, forward flight in helicopter (H/C) mode, and airplane (A/P) mode. These values are determined using the finite difference approach, which requires the evaluation of the equilibrium condition and the aerodynamic torque. To compute the reference state, two algorithms are considered, the first one solves the tiltrotor balance equations iteratively, while the second code determines the trim condition using power as input data. Regarding torque, three blade element algorithms are presented. Finally, the derivatives are used to investigate the coupling of the dynamic model with the rotor RPM governor in A/P mode, proving that the elastic transmission affects the design of the controller.

Gli ultimi decenni hanno visto notevoli progressi nei convertiplani, i quali hanno portato la Divisione Elicotteri di Leonardo (LHD) verso un design avanzato denominato Advanced Tiltrotor Aircraft (ATA). La principale innovazione apportata da questo progetto risiede nei motori installati nella radice alare, questa configurazione incide direttamente sulla trasmissione e sulla struttura dell'ala, le quali devono essere studiate attentamente. Per questo scopo, il Politecnico di Milano e LHD hanno concepito il progetto ThesisLab, che consiste in una serie di tesi coordinate relative al design preliminare dell'ATA. Questo elaborato si concentra sullo sviluppo di un modello massa-molla capace di indagare la dinamica torsionale della trasmissione in termini di modi propri e analisi di risposta. Per completare il sistema virtuale, è necessario definire i valori dei suoi parametri concentrati; tuttavia, la rigidezza equivalente dell'albero di interconnessione (ICDS) non è disponibile. Pertanto, viene effettuato un design preliminare di questo elemento, scegliendo la combinazione ottimale di spessore e diametro esterno che soddisfi i vincoli imposti: sforzo di taglio massimo, carico di instabilità critico e posizionamento della velocità critica. Inoltre, viene presentata una stima delle derivate di controllo e di stabilità del rotore in tre condizioni di volo: hover, volo avanzato in modalità elicottero (H/C) e in modalità aereo (A/P). Questi valori sono determinati usando le differenze finite, le quali richiedono la valutazione della condizione di equilibrio e della coppia aerodinamica. Per calcolare lo stato di riferimento vengono presi in considerazione due algoritmi, il primo risolve iterativamente le equazioni di equilibrio del convertiplano, mentre il secondo individua la condizione di trim usando la potenza come input. Per quanto riguarda la coppia, sono presentati tre codici basati sulla teoria dell'elemento di pala. Infine, le derivate vengono usate per studiare l'accoppiamento del modello dinamico con il regolatore di RPM del rotore in modalità A/P, dimostrando che l'elasticità della trasmissione influisce sul design del controllore.