Longitudinal dynamics and simplified control laws of the Advanced Tiltrotor Aircraft in airplane mode

The Advanced Tiltrotor Aircraft is the conceptual study of a hybrid vehicle which can change from helicopter to airplane mode and vice versa. These two modes are possible thanks to the tilting nacelles. With respect to conventional tiltrotors, it presents a V-tail and a canard collocated in front of the main wing. In order to assess its stability and to implement the flight control laws, a model of the tiltrotor dynamics is required. The initial purpose of the present work is finding and implementing a suitable model describing the non-linear longitudinal flight dynamics of this tiltrotor in airplane mode, with the requirement of including the flapping dynamics of the thrust-providing gimballed rotors. A guideline for the trimming and linearization processes to be applied to the non-linear longitudinal equations is developed and then implemented, followed by the assessment of the tiltrotor longitudinal stability. The impact of inertial and geometrical parameters on the stability is also assessed. It is found out that the canard is a destabilizing component and thus it has to be removed in order to proceed with designing simplified control laws. The elevator blow-down limits are then computed on the basis of pitch acceleration and load factor requirements; the elevator gearing function is built by taking into account those limits. Finally, a Stability and Command Augmentation System is designed based on the C*U algorithm; this includes gain tuning guided by the fulfillment of stability and Handling Quality requirements.

L’Advanced Tiltrotor Aircraft è lo studio concettuale di un veicolo ibrido che può passare dalla modalità elicottero a quella aeroplano e viceversa. Queste due modalità sono possibili grazie alle gondole motori inclinabili. Rispetto ai tradizionali tiltrotor, presenta una coda a V ed un canard posizionato davanti all’ala principale. Per valutare la sua stabilità ed implementare le leggi di controllo del volo, è necessario un modello della dinamica del tiltrotor. Lo scopo iniziale di questo lavoro è quello di trovare ed implementare un modello adeguato che descriva la dinamica del volo longitudinale non lineare in modalità aeroplano di tale tiltrotor, con il requisito di includere anche la dinamica del flappeggio dei rotori gimbal, i quali forniscono la spinta. Viene sviluppata e poi implementata una guida per il processo di trimmaggio e di linearizzazione da applicare alle equazioni longitudinali non lineari, seguita dalla valutazione della stabilità longitudinale del tiltrotor. Viene anche valutato l’impatto dei parametri inerziali e geometrici sulla stabilità. Si scopre che il canard è un componente destabilizzante e quindi deve essere rimosso per poter procedere con la progettazione di leggi di controllo semplificate. Successivamente vengono calcolati i limiti di blow-down dell’elevatore sulla base dei requisiti di accelerazione di beccheggio e di fattore di carico; la funzione di gearing dell’elevatore è realizzata tenendo conto di tali limiti. Infine, un sistema di Aumento della Stabilità e del Comando è progettato sulla base dell’algoritmo C*U; si include la regolazione dei guadagni guidata dal rispetto dei requisiti di stabilità e delle Handling Qualities.