Advanced Tiltrotor Aircraft (ATA) outer-wing aeroelastic design

Tiltrotor aircraft are gaining increasing attention as a solution for high-speed vertical-lift transport, and current research focuses on improving aerodynamic efficiency, range, and cruise performance while limiting weight and mechanical complexity. In this context, Leonardo Helicopters has introduced the Advanced Tiltrotor Aircraft (ATA) concept, which integrates an outerwing rigidly with the nacelle to increase effective aspect ratio in airplane mode while mitigating rotor downwash interference in helicopter mode. Because the outerwing is structurally integrated with the nacelle, its static and aeroelastic behaviour becomes a key driver in defining feasible design envelopes and identifying potential limiting phenomena. This thesis develops a preliminary structural design of the ATA outerwing and evaluates its aeroelastic response. The outerwing is first statically sized under critical load cases. Aeroelastic characteristics are then assessed for the nominal configuration and through a sensitivity study on key design parameters to evaluate design robustness and identify potential aeroelastic instabilities. The work also establishes the basis for high-incidence investigations with a tilted outerwing, where unsteady aerodynamic effects such as vortex shedding, buffeting, and lock-in may occur. Vortex shedding frequency ranges are estimated and forced-response analyses are used to evaluate potential coupling with structural modes. Results indicate no critical aeroelastic instabilities in airplane mode across the investigated parameter variations. At high incidence, predicted vortex shedding frequency ranges may overlap with structural natural frequencies, suggesting potential susceptibility to vibration amplification. The study identifies the critical configurations for future high-incidence aeroelastic assessment.

I convertiplani stanno ricevendo crescente attenzione come soluzione per il trasporto a decollo verticale ad alta velocità, e la ricerca attuale è focalizzata sul miglioramento dell’efficienza aerodinamica, dell’autonomia e delle prestazioni in crociera, limitando al contempo l’incremento di peso e la complessità meccanica. In questo contesto, Leonardo Helicopters ha introdotto l’Advanced Tiltrotor Aircraft (ATA), un concept che integra un’ala esterna (outerwing) rigidamente connessa alla gondola rotore per aumentare l’allungamento alare in modalità aeroplano, riducendo al contempo l’interferenza con il downwash del rotore in modalità elicottero. Poiché l’outerwing è strutturalmente integrata con la gondola, il suo comportamento aeroelastico rappresenta un fattore chiave per la definizione degli inviluppi di progetto e per l’identificazione di potenziali fenomeni limitanti. Questa tesi sviluppa un progetto strutturale preliminare dell’outerwing dell’ATA e ne valuta la risposta aeroelastica. Il componente viene inizialmente dimensionato in regime statico sotto i casi di carico critici. Le caratteristiche aeroelastiche vengono quindi analizzate per la configurazione nominale e attraverso uno studio di sensibilità sui principali parametri di progetto, al fine di valutare la robustezza della soluzione e individuare possibili instabilità aeroelastiche. Il lavoro pone inoltre le basi per lo studio del comportamento ad alto angolo di incidenza con outerwing inclinata, condizione nella quale possono manifestarsi effetti aerodinamici non stazionari quali vortex shedding, buffeting e lock-in. I range di frequenza del vortex shedding vengono stimati ed è condotta un’analisi di risposta forzata (FRF) per valutare possibili interazioni con i modi strutturali. I risultati indicano l’assenza di instabilità aeroelastiche critiche in modalità aeroplano per tutte le variazioni parametriche investigate. Ad alto angolo di incidenza, i range di frequenza del vortex shedding previsti possono sovrapporsi alle frequenze naturali della struttura, suggerendo una potenziale suscettibilità all’amplificazione delle vibrazioni. Lo studio identifica le configurazioni più critiche e definisce le priorità per future analisi aeroelastiche ad alto angolo di incidenza.