Design and validation of a modular tiltrotor test rig for dynamic characterization

This work, conducted in collaboration with Leonardo Helicopters, details the design, development, and validation of a modular experimental rig aimed at investigating the dynamic behavior of a tiltrotor system, with particular emphasis on the employed mechanisms. Drawing inspiration from the NASA Multirotor Test Bed (MTB), the research integrates advanced experimental instrumentation with computational modeling to capture and analyze unsteady aerodynamic loads and rotor interactions under transient operating conditions. A dual-microcontroller architecture—featuring STM32 and Arduino platforms—was implemented to achieve real-time, closed-loop control of motor RPM and actuator positioning via RS485 communication. The system incorporates high-resolution sensors, including Hall-effect encoders and load cells, to acquire precise mechanical response data. Computational models in Simscape and MBDyn are now being rigorously validated and updated using the new experimental data. In particular, mass properties have been redistributed—lumping the inertia of sub-assemblies and explicitly accounting for the stiffness of the load cell—to improve the accuracy of both kinematic and dynamic predictions. The results to date demonstrate the value of combining modular hardware testing with refined multibody simulation. A dedicated wind-tunnel campaign is scheduled using an upgraded QUANTUM acquisition system, featuring enhanced sensor fidelity and improved load cell sensitivity. This setup is designed to enable accurate measurement of aerodynamic loads under controlled flow conditions. The campaign aims to provide critical insight into the coupled behavior of rotor thrust and linkage dynamics, supporting the validation and refinement of both numerical models and mechanical configurations. Future work will focus on computing stability derivatives, investigating the onset of vibration during transient tilts, and leveraging the rig’s modularity—such as by mounting an accelerometer on the adapter—to capture subtle aeroelastic and propeller-induced effects.

Questo lavoro, svolto in collaborazione con Leonardo Elicotteri, descrive la progettazione, lo sviluppo e la validazione di un banco di prova modulare volto all’analisi del comportamento dinamico di un sistema tiltrotor, con particolare attenzione ai meccanismi impiegati. Ispirandosi al NASA Multirotor Test Bed (MTB), la ricerca integra avanzate strumentazioni sperimentali con modellazione computazionale per catturare e analizzare i carichi aerodinamici non stazionari e le interazioni tra rotori in condizioni transitorie. È stata implementata un’architettura a doppio microcontrollore — basata su piattaforme STM32 e Arduino — per ottenere un controllo in tempo reale ad anello chiuso della velocità del motore (RPM) e della posizione dell’attuatore tramite comunicazione RS485. Il sistema integra sensori ad alta risoluzione, tra cui encoder Hall-effect e celle di carico, per acquisire dati meccanici precisi. I modelli computazionali in Simscape e MBDyn sono ora sottoposti a rigorosa validazione e aggiornamento grazie ai nuovi dati sperimentali. In particolare, sono state ricalcolate le proprietà di massa — raggruppando le inerzie dei sottoassiemi - al fine di migliorare l’accuratezza delle previsioni cinematiche e dinamiche. I risultati ottenuti finora evidenziano il valore della combinazione tra test hardware modulare e simulazione multibody. È in programma una campagna in galleria del vento con un sistema di acquisizione QUANTUM dotato di una maggiore fedeltà dei sensori e di una migliore sensibilità delle celle di carico. Questa configurazione è progettata per consentire misurazioni precise dei carichi aerodinamici in condizioni di flusso controllato. La campagna mira a fornire informazioni fondamentali sul comportamento accoppiato della spinta del rotore e della dinamica del meccanismo, supportando la validazione e il perfezionamento dei modelli numerici. I lavori futuri si concentreranno sul calcolo delle derivate di stabilità, sull’indagine dell’insorgenza delle vibrazioni durante i movimenti transitori di tilt montando un accelerometro sull’adattatore per catturare effetti aeroelastici indotti dal rotore.