Developments in aeroelastic wind tunnel testing for high aspect ratio wing configurations

The current trend of pursuing a significant reduction of aviation’s impact on global emissions is leading to the exploration of new aircraft configurations that would help achieve this goal. Higher aspect ratio configurations are among these and, to overcome the weight penalty that has always prevented their use different solutions are evaluated: classical cantilever wing, strut-braced wing, folding wing tip, the main concern as the wings become more slender is their aeroelastic behaviour. The need for experimental data makes aeroelastic wind tunnel tests a crucial part of the assessment of these new configurations and, possibly, a tool in the design phase. This work shares the experience gained through the latest aeroelastic tests performed at Politecnico di Milano in its large wind tunnel facility, addressing the main challenges related to these activities. A practical example regarding the flutter tests of a strut-braced wing is presented to illustrate the general process and the findings for that specific configuration. An in-depth look at the design of the spar and the use of 3D printing for the aerodynamic sector follows, with the evolution from one model to another. Then, the problem of measuring large displacements is addressed. A study on a 3D camera tracking system is presented, with the improvements made throughout the most recent tests performed at GVPM using that technology, that led to a real-time 3D visualisation of a virtual wind tunnel model deforming as the physical one. Last, the steps made through the years towards achieving the correct flight dynamics inside the wind tunnel are illustrated, with the mechanical solutions on the model to get to a free body motion, the experimental data collected for future identification of the aerodynamic coefficients of the model, the writing of a simulator to perform the identification, and the results and lesson learned from the gust response tests of a folding wing tip configuration.

L'attuale tendenza di ricercare una riduzione significativa dell'impatto dell'aviazione sulle emissioni globali sta portando all'esplorazione di nuove configurazioni di aerei che possano aiutare a raggiungere questo obiettivo. Configurazioni ad alto allungamento alare sono tra queste e, per superare lo svantaggio dato dall'aumento di peso che ha da sempre impedito che venissero adottate, soluzioni diverse vengono valutate: classica ala, configurazione strut-braced, folding wing tip, la preoccupazione principale con le ali che diventano più snelle è il loro comportamento aeroelastico. La necessità di avere dati sperimentali rende le prove aeroelastiche in galleria del vento una parte cruciale della valutazione di queste nuove configurazioni e, se possibile, uno strumento da utilizzare nella fase di progetto. Questo lavoro condivide l'esperienza guadagnata attraverso le ultime prove aeroelastiche effettuate al Politecnico di Milano nella sua galleria del vento grande, affrontando le maggiori sfide che riguardano queste attività. Un esempio pratico che riguarda dei test di flutter su un'ala in configurazione strut-braced viene presentato per illustrare il processo in generale e le scoperte relative a quella specifica configurazione. Seguono un approfondimento sul progetto del longherone e sull'uso della stampa 3D per i settori aerodinamici, con l'evoluzione da un modello all'altro. Successivamente viene affrontato il problema relativo al misurare grandi spostamenti. Viene presentato uno studio su un sistema per il 3D camera tracking, con gli avanzamenti fatti attraverso le prove più recenti fatte alla GVPM usando questa tecnologia, che hanno portato a una visualizzazione 3D in real-time di un modello da galleria del vento virtuale che si deforma seguendo quello fisico. Come ultima cosa, vengono illustrati i passi fatti attraverso gli anni verso il riprodurre in galleria del vento la corretta dinamica del volo, con le soluzioni meccaniche adottate sul modello per raggiungere un moto rigido libero, i dati sperimentali raccolti per una futura identificazione dei coefficienti aerodinamici del modello, la scrittura di un simulatore per effettuare l'identificazione, e i risultati e l'esperienza fatta con i test di risposta a raffica di un modello dotato di folding wing tip.