Experimental Investigation of the Vortex Ring State in an eVTOL Propeller

The present research experimentally investigates the vortex ring state (VRS) in the propeller of an eVTOL, a new generation rotorcraft capable of smoothly transitioning from forward to vertical flight by tilting its propellers. VRS is a dangerous aerodynamic phenomenon that occurs when a rotor in vertical descent encounters its own wake, forming a vortex ring around its disk and causing a major thrust loss. This critical condition still remains underexplored in the context of eVTOLs. Experimental tests are conducted at the "S. De Ponte" wind tunnel of Politecnico di Milano using a 1:4 scale model of the eVTOL Maker propeller, provided by Archer Aviation. The study focuses on characterizing the rotor performance during descent and analysing the flow field around the blades during VRS. At this end, thrust and torque measurements, along with Particle Image Velocimetry (PIV), are employed. Multiple descent rates are simulated with the propeller operating at three different rotational speeds. The results highlight a significant decrease in performance during vortex ring state, consistently occurring at the same descent ratio across all tested RPMs. Mean flow field visualizations clearly reveal the vortex ring formation, allowing for both a qualitative and quantitative characterization. Instantaneous flow fields capture the periodic evolution of the vortex during VRS, emphasizing its continuous shedding and reformation. Finally, the investigation is repeated with the propeller tilted by 10°, but no significant differences are observed in this configuration.

La presente ricerca indaga sperimentalmente il vortex ring state (VRS) in un rotore di eVTOL, un aeromobile di nuova generazione capace di passare dal volo orizzontale al volo verticale inclinando le eliche. Il VRS, o stato dell'anello di vortice, è un pericoloso fenomeno aerodinamico che si verifica quando il rotore di un velivolo in discesa verticale incontra la propria scia, formando un anello vorticoso attorno al suo disco e causando una notevole perdita di spinta. Questa condizione critica è ancora poco esplorata nel contesto degli eVTOL. Le prove sperimentali sono state condotte presso la galleria del vento "S. De Ponte" del Politecnico di Milano utilizzando un modello in scala 1:4 del rotore dell'eVTOL Maker, fornito da Archer Aviation. Lo studio si è concentrato sulla caratterizzazione delle prestazioni del rotore durante la discesa, misurando spinta e coppia, e sull'analisi del campo di moto attorno alle pale, acquisito con la tecnica della Particle Image Velocimetry (PIV). Sono stati simulati più regimi di discesa con il rotore a tre diverse velocità di rotazione. I risultati evidenziano una significativa diminuzione delle prestazioni durante il VRS, che si verifica costantemente allo stesso rapporto di discesa per tutti gli RPM testati. Le visualizzazioni del campo di velocità medio mostrano chiaramente la formazione del vortice ad anello, consentendone una caratterizzazione sia qualitativa che quantitativa. I campi di moto istantanei hanno invece catturato l'evoluzione periodica del vortice durante il VRS, evidenziando la sua continua rottura e riformazione. Infine, l'indagine è stata ripetuta con il rotore inclinato di 10° senza però osservare alcuna differenza significativa in questa configurazione.