Wind tunnel testing of propeller interaction for a novel push-pull aircraft configuration

The aim of this Master's Thesis is to verify and conduct an in-depth study of the turbo-prop aircraft M.E.L.S.A. Kestrel propulsive solution. The conceptual design of this aircraft was conducted during the academic course of "Progetto di Velivoli" with the help of the Italian Air Force, and features peculiar characteristics like the push-pull in-tandem counter rotating propellers configuration and a triple tail. The literature exploring these specific solutions is not exhaustive, mainly because investigations in this field were abandoned with the advent of jet engines. Therefore, the desire to better understand the correlation between preliminary calculations and reality led to the decision to create a re-scaled model for conducting tests from various perspectives: propulsive and aeromechanical point of view. To conduct these analysis different experimental, numerical and analytical methods are implemented: wind tunnel activity, numerical simulations and the design of the R/C aircraft. The analysis unfolded along two primary lines of study. The first one focusing on the propulsive architecture, while the second delved into the mechanics of flight. These two fields consistently showcased their interconnectedness throughout the analysis. To investigate the propulsive solution, measuring the thrust of the motor and propeller coupling, and estimating effects related to the in-tandem configuration, it is started with a preliminary extensometric gauge. Subsequently, a more comprehensive analysis is developed in the wind tunnel, considering the influence of wind speed. It allowed to construct Penaud diagrams, instrumental for the performance study. The rescaled model project necessitated the estimation of the flight model to assess the feasibility of flight. Indeed, R/C model required a new aerodynamic design compatible with the new Reynolds regime. It involved computing control and stability derivatives and airplane modes to establish a preliminary flight model using analytical and numerical methods. The numerical computations were performed using OpenVSP, while the analytical aspects were based on relevant bibliography. Subsequently, a comprehensive plan was formulated for a flight test campaign to validate this preliminary model, utilizing the constructed R/C aircraft. During the project, the thrust generated was studied varying by the wind speed, for both the front and rear propeller. The purpose is to have a deeper knowledge of the possible performance in case of OEI. In particular, it was discovered that the rear propeller, can achieve an higher thrust when compared to the front, leading to the resulting implications from the mechanic of flight perspective. Another part of the analysis focused on the interference assessed by the surfaces in proximity with the rear propeller disk. It suggests a varying effect based on the distance between the propeller and the trailing edge of the surface. Moreover, a possible interaction of the tail surfaces with the wake coming from the fuselage and the front propeller is evaluated, resulting in an effect on the rear propeller performance. In conclusion, Kestrel aircraft propulsive, push-pull configuration was studied and gave exciting opportunities in the aircraft design field for the future, aligning with the growing resurgence of the propeller in a wide variety of implementations.

L'obiettivo di questa tesi di Laurea Magistrale è verificare e condurre uno studio approfondito sulla soluzione propulsiva dell'aereo Kestrel, con un focus sull'interazione tra le due eliche controrotanti in configurazione tandem. Questo velivolo è stato sviulppato principalmente da un punto di vista concettuale, durante il corso accademico di "Progetto di Velivoli". Pertanto, il desiderio di comprendere meglio la correlazione tra i calcoli preliminari e la realtà ha portato alla decisione di creare un modello riscalato per condurre prove con due diverse prospettive: propulsiva e aeromeccanica. Per condurre questi studi sono stati utilizzati diversi metodi, sperimentali, numerici e analitici: un'attività in galleria del vento, delle simulazioni numeriche e la progettazione dell'aereo radiocomandato (R/C). L'analisi si è sviluppata lungo due linee principali di studio. La prima si concentra sull'architettura propulsiva, mentre la seconda approfondisce la meccanica di volo. Questi due campi hanno costantemente mostrato la loro interconnessione durante l'analisi. Per investigare la soluzione propulsiva, misurando la spinta del motore e la coppia dell'elica e stimando gli effetti legati alla configurazione in tandem, è stata costruita una bilancia estensimetrica preliminare. Successivamente, si è sviluppato uno studio più completo in galleria del vento, considerando l'influenza della velocità dell'aria. Ciò ha permesso di costruire il diagramma di Penaud, fondamentale per lo studio delle prestazioni. Il progetto del modello riscalato ha richiesto lo studio del modello di volo e per valutare la fattibilità di quest'ultimo. Infatti, il modello R/C richiedeva una nuova progettazione aerodinamica compatibile con il nuovo regime del numero di Reynolds. Ciò ha comportato il calcolo delle derivate di controllo e stabilità e dei modi del velivolo, per stabilire un modello preliminare, utilizzando metodi analitici e numerici. I calcoli numerici sono stati eseguiti utilizzando OpenVSP, mentre gli aspetti analitici si basano su una bibliografia esistente. Successivamente, è stato formulato un piano completo per una campagna di prove di volo per convalidare questo modello preliminare, utilizzando l'aereo R/C costruito. Durante il progetto, è stata studiata la spinta generata variando la velocità del vento, sia per l'elica anteriore che per quella posteriore. L'obiettivo è avere una conoscenza più approfondita delle possibili prestazioni in caso di un motore fuori servizio (OEI). In particolare, è stato scoperto che l'elica posteriore può raggiungere una spinta superiore rispetto a quella anteriore, con le risultanti implicazione dal punto di vista della meccanica di volo. Un'altra parte dell'analisi si è concentrata sull'interferenza valutata dalle superfici in prossimità del disco dell'elica posteriore. Ciò suggerisce un effetto variabile in base alla distanza tra l'elica e il bordo d'uscita della superficie. Inoltre, è stata valutata un'eventuale interazione delle superfici di coda con la scia proveniente dalla fusoliera e dall'elica anteriore, con un effetto sulle prestazioni dell'elica posteriore. In conclusione, la configurazione propulsiva push-pull dell'aereo Kestrel è stata studiata e ha offerto interessanti opportunità nel campo della progettazione di velivoli per il futuro, allineandosi con la crescente ripresa dei motori ad elica in una vasta gamma di implementazioni.