Development and validation of a methodology for the assessment of the effects of external kits on rotorcraft drag

Nowadays, as new operational scenarios emerge, the demand for improved helicopter capabilities is constantly growing. More and more frequently, carrying external missionspecific equipment is considered crucial both for civilian and military rotorcraft applications. However, the installation of external kits intrinsically affects the overall aircraft performance. This effect is generally identified in terms of performance metrics such as the Δf of the kit, associated with a performance penalty in the RFM, which are found starting from the original flight-test data. This work, in collaboration with the Flight Test Department of Leonardo Helicopters, consists of the development of a methodology for the analysis, the experimental characterization and the uncertainty identification of helicopter external kit drag. A mathematical model, based on a statistical formulation, was exploited in order to understand how each input parameter uncertainty is propagated on the final output and to identify the most critical flight-test parameters. Moreover, the methodology was implemented in a MATLAB® toolbox to assess those effects on different kit types and helicopter lines. The formulation demonstrates that the Δf uncertainty is related to the kit dimensions, the helicopter model parameters, the test parameters and their uncertainty. Additionally, the results obtained from the theoretical model match the corresponding experimental outcomes, showing that smaller kits are affected by higher uncertainty with respect to bigger external installations and that, by increasing the test airspeed, the overall uncertainty is drastically reduced. Furthermore, helicopters with higher values of RQ and GWt are characterized by higher uncertainty in the Δf measurements. Lastly, a parametric function identification is proposed, representing the minimum kit dimensions perceivable for a given Generalised Gross Weight and Generalised Airspeed.

Oggigiorno, con lo sviluppo di nuovi scenari operativi, la richiesta di elicotteri con capacità sempre migliori è in costante crescita. Sempre più spesso, l’abilità di trasportare equipaggiamenti esterni per missioni specifiche è considerata cruciale per applicazioni sia civili che militari. Tuttavia, l’installazione di kit esterni influenza intrinsecamente le prestazioni complessive dell’elicottero. Questo effetto è generalmente identificato in termini di indici prestazionali come il Δf del kit, associato ad una penalizzazione delle prestazioni nel RFM, che si trova a partire dai dati originali delle prove di volo. Questa tesi, in collaborazione con il Dipartimento di Prove di Volo di Leonardo Helicopters, consiste nello sviluppo di una metodologia per l’analisi, la caratterizzazione sperimentale e l’identificazione dell’incertezza della resistenza dei kit esterni dell’elicottero. È stato sviluppato un modello matematico, basato su una formulazione statistica, per comprendere come l’incertezza di ogni parametro di input si propaga sull’output finale e per identificare i parametri più critici delle prove di volo. Inoltre, la metodologia è stata implementata in un toolbox di MATLAB® per valutare tali effetti su diversi tipi di kit e diverse linee di elicotteri. La formulazione dimostra che l’incertezza del Δf è correlata alle dimensioni del kit, ai parametri del modello di elicottero, ai parametri della prova e alla loro incertezza. Inoltre, i risultati ottenuti dal modello teorico corrispondono ai risultati sperimentali, mostrando che kit più piccoli sono affetti da maggiore incertezza rispetto ad installazioni esterne più grandi e che, aumentando la velocità di prova, l’incertezza complessiva viene drasticamente ridotta. Inoltre, elicotteri con valori più alti di RQ e GWt sono caratterizzati da maggiore incertezza nelle misure del Δf. Infine, viene proposta l’identificazione di una funzione parametrica, che rappresenta le dimensioni minime del kit percepibili per un dato peso di prova generalizzato ed una velocità generalizzata.