Design of an aeroelastic wing model for flutter and gust load alleviation wind tunnel tests

The design of more efficient aircraft has increased the interest in lightweight and high-aspect-ratio wing configurations. These wings can improve aerodynamic efficiency by reducing induced drag and fuel consumption, but their higher flexibility also introduces important aeroelastic challenges. As the structural flexibility increases, the interaction between aerodynamic loads, elastic deformation, and inertial effects becomes stronger. This can lead to higher structural loads under gust excitation and may also make the wing more prone to dynamic instabilities such as flutter. In this context, Gust Load Alleviation (GLA) and Active Flutter Suppression (AFS) are relevant technologies for future flexible aircraft. However, before these techniques can be tested in flight, aeroelastic scaled models are needed to reproduce the relevant dynamic behavior of the reference aircraft in a controlled and safe environment. This thesis focuses on the design and verification of an aeroelastic wind tunnel wing model based on the HERA (Hybrid-Electric Regional Aircraft) and HERWINGT (Hybrid Electric Regional Wing Integration Novel Green Technologies) projects. The model UERA (Ultra-Efficient Regional Aircraft) is intended to support future experimental campaigns at Politecnico di Milano for both gust load alleviation and active flutter suppression studies. The work starts from the UERA reference wing and applies an isofrequency scaling procedure to obtain a reduced stick model suitable for wind tunnel testing. This scaling approach is adopted to preserve the relevant dynamic behavior of the reference wing while satisfying the dimensional and operational constraints of the wind tunnel. Then, parametric analyses are performed to modify the structural and inertial properties of the model. In particular, stiffness variations and the introduction of a wingtip pod with ballast mass are investigated in order to tune the modal behavior of the wing and obtain flutter conditions compatible with the wind tunnel envelope and actuator limitations. After the preliminary aeroelastic design, a detailed three-dimensional finite element model of the physical half-wing is developed. This model includes the spar, mass distribution, aerodynamic sectors, and control surfaces. Static trim analyses and dynamic analyses due to control surface deflections are carried out to verify the structural response of the model and to compare the behavior of the stick and detailed finite element representations. Finally, the experimental preparation of the physical model is addressed through spar calibration and strain-gauge-based measurements, which support the future identification of loads during wind tunnel tests. The result of this work is an aeroelastic platform that connects the UERA reference wing, the scaled numerical models, and the physical model prepared for experimental validation. This platform provides the basis for future wind tunnel campaigns aimed at investigating GLA and AFS on the same UERA-based wing configuration, contributing to the development of aeroelastic technologies for more efficient hybrid-electric regional aircraft.

La progettazione di velivoli più efficienti ha aumentato l’interesse verso configurazioni alari leggere e ad alto allungamento. Queste ali possono migliorare l’efficienza aerodinamica riducendo la resistenza indotta e il consumo di combustibile, ma la loro maggiore flessibilità introduce anche importanti sfide aeroelastiche. Quando la flessibilità strutturale aumenta, l’interazione tra carichi aerodinamici, deformazioni elastiche ed effetti inerziali diventa più significativa. Questo può portare a carichi strutturali più elevati in presenza di raffiche e può anche rendere l’ala più facilmente soggetta a instabilità dinamiche come il flutter. In questo contesto, Gust Load Alleviation (GLA) e Active Flutter Suppression (AFS) diventano tecnologie rilevanti per i velivoli del futuro. Tuttavia, prima che queste possano essere testate in volo, sono necessari modelli aeroelastici in scala per riprodurre il comportamento dinamico rilevante del velivolo di riferimento in un ambiente controllato e sicuro. Questa tesi si concentra sulla progettazione e verifica di un modello alare aeroelastico per prove in galleria del vento, basato sui progetti HERA (Hybrid-Electric Regional Aircraft) e HERWINGT (Hybrid Electric Regional Wing Integration Novel Green Technologies). Il modello UERA (Ultra-Efficient Regional Aircraft) è pensato per supportare future campagne sperimentali presso il Politecnico di Milano, dedicate sia alla riduzione dei carichi da raffica sia alla soppressione attiva del flutter. Il lavoro parte dall’ala di riferimento UERA e applica una procedura di scalatura isofrequenziale per ottenere un modello stick ridotto adatto alle prove in galleria del vento. Questo approccio di scalatura viene adottato per preservare i comportamenti dinamici rilevanti dell’ala di riferimento, rispettando al tempo stesso i vincoli dimensionali e operativi della galleria del vento. Successivamente, vengono eseguite analisi parametriche per modificare le proprietà strutturali e inerziali del modello. In particolare, vengono studiate variazioni di rigidezza e l’introduzione di un pod all’estremità alare con massa di zavorra, al fine di regolare il comportamento modale dell’ala e ottenere condizioni di flutter compatibili con l’inviluppo della galleria del vento e con i limiti degli attuatori. Dopo la progettazione aeroelastica preliminare, viene sviluppato un modello tridimensionale agli elementi finiti della semi-ala fisica. Questo modello include il longherone, la distribuzione delle masse, i settori aerodinamici e le superfici di controllo. Vengono quindi eseguite analisi statiche di trim e analisi dinamiche dovute alle deflessioni delle superfici di controllo, con l’obiettivo di verificare la risposta strutturale del modello e confrontare il comportamento del modello stick con quello del modello dettagliato agli elementi finiti. Infine, la preparazione sperimentale del modello fisico viene affrontata attraverso la calibrazione di ponti estensimetrici posizionati lungo il longherone, a supporto della futura identificazione dei carichi durante le prove in galleria del vento. Il risultato di questo lavoro è una piattaforma aeroelastica che collega l’ala di riferimento UERA, i modelli numerici in scala e il modello fisico preparato per la validazione sperimentale. Questa piattaforma fornisce la base per future campagne in galleria del vento finalizzate allo studio di GLA e AFS sulla stessa configurazione alare basata su HERA, contribuendo allo sviluppo di tecnologie aeroelastiche per velivoli regionali ibrido-elettrici più efficienti.