Model fidelity assessment, parameter identification and uncertainty quantification for certification by simulation of advanced VTOL aircraft

Tiltrotor, once relegated only to military roles, will soon be widely employed in civil aviation. The peculiar characteristics of such complex machines led to the definition of specific certification standards that required a considerable joint effort between authorities and OEM to be defined. Drafting a structured set of rules and guidelines has proven to be time consuming: the need to demonstrate compliance to regulations of the rotorcraft via a defined set of standard procedures and flight tests brings significant economical costs on manufacturers. Moreover, some of these tests inevitably require to pose at severe risk people and assets in order to prove machine’s safety of flight. In addition, tiltrotor are seen as progenitors of a new generation of vertical lift solutions. The concept of Urban Air Mobility is becoming a concrete and tangible reality, with many companies rushing to develop VTOLs of the future. The number of proposed unconventional design is increasingly growing, leading to the necessity of maturing new certification standards which can be published in a short amount of time by simultaneously guaranteeing the complete aiworthiness of the designs. Availability of streamlined, cost effective certification guidelines will become a must, together with the possibility to perform simulation in support and/or in lieu to experimental campaigns. In this context numerical simulation, which is already fundamental in the anticipation of possible flaws during the design process of a new rotorcraft, can be also used as a tool for certification. In the present work numerical simulation is used to propose a certification approach applied to tiltrotor low speed maneuvering. The aim to demonstrate the possibility of performing a part of the certificationprocess via the definition of procedures aimed at the quantification of the uncertainties coming from the comparision of the flight tests results with the numerical model.

I tiltrotor, un tempo relegati solo a ruoli militari, saranno presto ampiamente impiegati nell'aviazione civile. Le caratteristiche peculiari di queste macchine così complesse hanno portato alla definizione di standard di certificazione specifici che hanno richiesto un notevole sforzo congiunto tra autorità e OEM per essere definiti. La stesura di un insieme strutturato di regole e linee guida dedicate a questo tipo di velivoli si è rivelata dispendiosa: la necessità di dimostrare totale conformità alle specifiche di certificazione tramite un insieme definito di procedure standard e test di volo comporta notevoli costi economici e di tempo per i produttori. Inoltre, alcuni di questi test richiedono inevitabilmente di esporre a gravi rischi persone e cose al fine di dimostrare la sicurezza della macchina. In aggiunta, i tiltrotor sono visti come progenitori di una nuova generazione di velivoli ad ala rotante. Il concetto di mobilità aerea urbana sta diventando una realtà concreta e tangibile, con molte aziende che si stanno prodigando a sviluppare i VTOL del futuro. Il numero di progetti non convenzionali proposti è in continua crescita: da ciò parte la necessità di maturare nuovi standard di certificazione che possono essere pubblicati in tempi accettabili per il mercato e che garantiscano allo stesso tempo la completa idoneità e sicurezza al volo dei vari progetti proposti. La disponibilità di linee guida di certificazione semplificate e convenienti diventerà d'obbligo, insieme alla possibilità di eseguire simulazioni a supporto e/o in sostituzione di campagne sperimentali. In questo contesto la simulazione numerica, che è già fondamentale nell'anticipazione di possibili difetti durante il processo di progettazione di un nuovo elicottero, può essere utilizzata anche come strumento per la certificazione. Nel presente lavoro la simulazione numerica è utilizzata per proporre un approccio di certificazione applicato alle manovre a bassa velocità del tiltrotor. L'obiettivo è dimostrare la possibilità di eseguire una parte del processo di certificazione tramite la definizione di procedure volte alla quantificazione delle incertezze derivanti dal confronto dei risultati dei test di volo con il modello numerico.