Methodology for defining ship-helicopter operating limits through simulations

Simulation-based methods for determining Ship--Helicopter Operating Limits (SHOL) have recently gained prominence as an effective alternative to costly and time-consuming flight testing. These approaches enable a detailed understanding of rotorcraft performance and handling qualities in complex maritime environments. However, accurately modeling turbulence effects on rotorcraft control responses, expressed through Control Equivalent Turbulence Inputs (CETI), remains a significant challenge: as a matter of fact, traditional identification techniques rely heavily on experimental data and often produce non-parametric, non-scalable results. This dissertation presents a fully synthetic methodology for the identification of CETI transfer functions using a multibody rotorcraft model implemented in the MBDyn environment, exposing the vehicle to a set of gusts. The proposed procedure explicitly accounts for the nonlinear nature of rotorcraft dynamics by deriving CETI transfer functions at multiple turbulence intensity levels and interpolating the resulting coefficients to ensure continuity and applicability across the operational envelope. Complementary Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations of the ship airwake are incorporated to characterize turbulence intensities along three orthogonal axes, hence defining spatial parametric CETI filters. These data are processed through a Dryden filter and coupled with the identified CETI models to reproduce disturbances acting on longitudinal, lateral, collective, and pedal control channels. The integrated framework provides a physically consistent and scalable tool for SHOL assessment, with potential application to pilot-in-the-loop simulations.

Le metodologie basate sulla simulazione per la determinazione degli Ship-Helicopter Operating Limits (SHOL) hanno recentemente acquisito crescente rilevanza come alternativa efficace alle costose e dispendiose campagne di prove di volo. Tali approcci consentono una comprensione approfondita delle prestazioni e delle qualità di manovrabilità dei velivoli ad ala rotante in ambienti marittimi complessi. Tuttavia, la modellazione accurata degli effetti della turbolenza sulle risposte di controllo del rotore, espressi tramite i Control Equivalent Turbulence Inputs (CETI), rappresenta ancora una sfida significativa: infatti, le tecniche di identificazione tradizionali si basano fortemente su dati sperimentali e producono spesso risultati non parametrici e non scalabili. La presente tesi propone una metodologia completamente sintetica per l’identificazione delle funzioni di trasferimento CETI, utilizzando un modello multibody di elicottero sviluppato nell’ambiente MBDyn ed esponendo il velivolo a una serie di raffiche. La procedura proposta tiene esplicitamente conto della natura non lineare della dinamica del velivolo ad ala rotante, ricavando le funzioni di trasferimento CETI per diversi livelli di intensità turbolenta e interpolando i coefficienti risultanti per garantire continuità e applicabilità all’interno dell’inviluppo operativo. Simulazioni complementari di Fluidodinamica Computazionale (CFD) del flusso d’aria generato dalla nave sono integrate nel modello per caratterizzare le intensità turbolente lungo tre assi ortogonali, definendo così filtri CETI spaziali e parametrici. Questi dati vengono elaborati mediante un filtro di Dryden e accoppiati ai modelli CETI identificati per riprodurre le perturbazioni agenti sui comandi longitudinali, laterali, collettivi e pedali. Il framework integrato risultante fornisce uno strumento fisicamente coerente e scalabile per la valutazione degli SHOL, con potenziali applicazioni alle simulazioni con pilota nel loop.