Multifidelity aeroelastic framework for predicting trim of fixed and rotary wing aircraft

In this study, a multifidelity aeroelastic framework is developed for predicting trim conditions in fixed- and rotary-wing aircraft, combining aerodynamic and structural solvers of different fidelity—specifically the mid-fidelity solver DUST and the multibody dynamics solver MBDyn—through the preCICE coupling interface. The methodology enables consistent and computationally efficient estimation of equilibrium states, control derivatives, and dynamic stability across a wide range of aircraft, from conventional airplanes to helicopters and quadrotors. The trim problem is formulated from the six-degree-of-freedom rigid-body equilibrium equations in a helical-turn reference frame, naturally covering both steady and maneuvering flight. Trim variables are determined using an iterative Newton–Raphson scheme, with aerodynamic derivatives calculated numerically by perturbing key state and control parameters, ensuring convergence even in nonlinear aerodynamic regimes. The framework is first applied to the SA330 Puma helicopter, chosen for the availability of validated flight-test data. DUST and MBDyn are used independently, enabling evaluation of the impact of aerodynamic fidelity and structural dynamics on trim outcomes. Numerical predictions show very good agreement with Padfield’s analytical models and RAE flight data. Dynamic stability derivatives obtained through harmonic excitation simulations are also compared with AGARD experimental data. The methodology is then extended to a multirotor derived from a NASA quadrotor, demonstrating its flexibility and applicability to different aircraft types. Results highlight the potential of multifidelity aeroelastic simulations to provide physically consistent and computationally affordable predictions of equilibrium and stability.

Questo studio presenta una metodologia multifidelity aeroelastica per la previsione delle condizioni di trim di velivoli ad ala fissa e rotante, combinando solutori aerodinamici e strutturali di diversa fedeltà—in particolare il solutore a media fedeltà DUST e il codice di dinamica multibody MBDyn—tramite l’interfaccia di accoppiamento preCICE. La metodologia consente di stimare in modo coerente ed efficiente gli stati di equilibrio, le derivate di controllo e le caratteristiche di stabilità dinamica su una vasta gamma di configurazioni, dagli aerei convenzionali agli elicotteri e ai multirotori. Il problema del trim è formulato a partire dalle equazioni di equilibrio del corpo rigido a sei gradi di libertà in un sistema di riferimento a moto elicoidale, includendo naturalmente sia le condizioni di volo stazionario sia quelle di manovra. Le variabili di trim sono determinate mediante uno schema iterativo Newton–Raphson, con le derivate aerodinamiche calcolate numericamente perturbando i principali parametri di stato e controllo, garantendo la convergenza anche in regimi aerodinamici non lineari. Il metodo è applicato innanzitutto all’elicottero SA330 Puma, scelto per la disponibilità di dati sperimentali validati. I solutori DUST e MBDyn sono impiegati sia in modo indipendente permettendo di valutare l’influenza della fedeltà aerodinamica e della dinamica strutturale sui risultati di trim. Le previsioni numeriche mostrano ottimo accordo con i modelli analitici di Padfield e con i dati di volo del RAE. Le derivate di stabilità dinamica ottenute tramite simulazioni di eccitazione armonica sono confrontate con dati sperimentali AGARD. Infine, la metodologia è estesa a un multirotore derivato da un modello quadrotor NASA, dimostrando flessibilità e applicabilità a diversi tipi di velivoli. I risultati evidenziano il potenziale delle simulazioni multifidelity nel fornire previsioni fisicamente coerenti e computazionalmente sostenibili delle condizioni di equilibrio e delle caratteristiche di stabilità.