Aerodynamic and aeroacoustic investigation of a quadrotor eVTOL aircraft for urban air mobility application

Urban Air Mobility (UAM) represents a rapidly evolving air transportation system aimed at both passenger and cargo applications within urban and suburban environments, enabled by technological advancements. The latest developments in the aerospace industry have led to a strong focus on electric Vertical Take-Off and Landing (eVTOL) aircraft, which are characterized by electric propulsion, tilt-wing configurations, and multiple rotors. Among the various technological challenges associated with eVTOLs, one of the most critical aspects is the aerodynamic interaction between closely spaced rotors, that significantly affects aerodynamic performance, efficiency, and noise generation, making its study essential for the successful implementation of UAM solutions. The present study aims at providing a proper aerodynamic characterization and aeroacoustic investigation of a configuration of the quadrotor concept vehicle designed by NASA, coupling a numerical study and an experimental campaign, the latter in order to fill the gap present in literature. The exploitation of a mid-fidelity solver allowed for a numerical investigation of the loads generation and aerodynamic phenomena. In particular focusing on three flight conditions and adopting a breakdown approach allowed to estimate the impact of rotor-on-rotor interaction in hover and two forward flight conditions at low and high speed. A scaled model of the quadrotor concept vehicle was designed and manifactured by scratch to be exploited in an experimental campaign conducted in the anechoic chamber at Politecnico di Milano. Force measurements allowed for an aerodynamic characterization of the model in hover condition and an investigation of rotor-on-rotor interaction, through a breakdown approach equivalent to the one adopted for the numerical study. The thrust estimation suggested low interaction effects, in accordance with numerical results. Finally, an experimental acoustic study was conducted to estimate the noise increase of the model in hover at growing rotational speeds. In addition comparing the results obtained considering the corresponding conditions for an isolated rotor allowed to observe the impact of the other components introduction.

La mobilità aerea urbana rappresenta un moderno sistema di trasporto in continua evoluzione, volto al trasporto di persone e merci nei contesti urbani e suburbani, permesso dai recenti progressi tecnologici. Gli ultimi sviluppi nell'industria aerospaziale hanno portato l'attenzione sui velivoli a decollo e atterraggio verticale, caratterizzati da propulsione elettrica, configurazioni ad ala orientabile e rotori multipli. Tra le varie sfide tecnologiche associate a questo tipo di velivoli uno degli aspetti più critici è l'interazione aerodinamica tra rotori ravvicinati, che impatta significativamente sulle prestazioni aerodinamiche, sull'efficienza e sulla generazione di rumore, rendendo il suo studio fondamentale per un'applicazione proficua di queste soluzioni nell'ambito della mobilità aerea urbana. Questo studio ha lo scopo di fornire una prima caratterizzazione aerodinamica e aeroacustica di un modello di quadrotor ideato dalla NASA. Allo studio numerico viene affiancata un'analisi sperimentale al fine di colmare la corrispondente lacuna presente in letteratura. L'utilizzo di un solutore a media fedeltà ha permesso un'analisi numerica dei carichi generati e dei fenomeni di interazione. In particolare, sono state scelte tre condizioni di volo: una in volo a punto fisso, due in volo avanzato ad elevata e a bassa velocità. Utilizzando un metodo a cascata per l'aggiunta dei componenti è stato possibile valutare le interazioni tra i rotori. Un modello scalato è stato progettato, prodotto e utilizzato nella campagna sperimentale all'interno della camera anecoica del Politecnico di Milano. Le misure di forza hanno portato ad una caratterizzazione del modello in volo a punto fisso con un approccio a cascata, analogo allo studio numerico. La spinta stimata ha suggerito la presenza di pochi effetti interazionali, in accordo con i risultati numerici. Infine un'indagine sperimentale di tipo acustico è stata condotta per valutare l'incremento di rumore del modello in volo a punto fisso all'aumentare degli RPM. Inoltre, confrontando i risultati ottenuti considerando un solo rotore isolato nelle condizioni corrispondenti, è stato possibile osservare l'impatto dell'aggiunta degli altri componenti.