Tuning of a simplified flight director model for simulation of rotorcraft instrument procedures taking into account VRS constraints

The current way of operating helicopters is not the most efficient one: a reduction of the environmental impact, an improvement of the rotorcraft operability and an increase in the safety level are the main challenges the rotorcraft industry has to face. The capability of simulating rotorcraft procedures in the Air Traffic System in cooperation with the specialists in this field is essential to validate innovative concepts of operations. In order to effectively collaborate with these specialists, it is important on one side to get familiar with the notions of flight rules, instrument procedures and navigation constraints. On the other side, since the evaluation of the pilot workload by means of pilot-in-the-loop simulation will be an essential step in the validation process of these procedures, rotorcraft manufacturers shall be capable to deliver the technology to overcome technical problems. In order to simplify pilot’s task during instrument approaches others than the classical straight-in currently flown, the Automatic Flight Director onboard system is an outstanding technology enabler. It provides the crew with automatic means of guidance. A simplified Simulink model of this system has been considered in this thesis in order to tune its parameters in a particular flight condition. The basic trial and error tuning technique has been improved introducing a tool based on the minimization of a cost function. The automatic flight control system is also in charge of the flight envelope protection task. A rotorcraft-specific phenomenon potentially constraining the deployment of approach procedures including a steep approach segment is the Vortex Ring State. Based on the available literature on this subject, a tool has been developed for the definition of the region where this phenomenon occurs. This tool is a semi-empirical model obtained as an extension of the disk actuator theory. It is also presented an original application of this tool to evaluate the impact of the angular rates on the risk of Vortex Ring State occurrence in case of tiltrotors.

Il modo in cui gli elicotteri operano in volo oggi non è il più efficiente: le più grandi sfide che l’industria elicotteristica deve affrontare sono una riduzione dell’impatto ambientale, un miglioramento dell’operabilità e un aumento del livello di sicurezza. La capacità di simulare procedure di volo per elicotteri nel quadro del Sistema del Traffico Aereo in collaborazione con gli specialisti del settore è essenziale per la validazione di nuovi concetti di operazione. Per una collaborazione efficace, da un lato è importante familiarizzare con le nozioni di regole del volo, procedure strumentali e vincoli legati alla navigazione. Dall’altro, poiché la valutazione del carico di lavoro del pilota attraverso simulazioni di tipo pilot-in-the-loop sarà un passo fondamentale nel processo di validazione di queste procedure, i costruttori di elicotteri dovranno essere capaci di fornire la tecnologia necessaria per superare gli ostacoli tecnici che queste procedure portano con sé. Per semplificare il compito del pilota durante procedure di approccio diverse da quelle di tipo straight-in, il Direttore di Volo Automatico è un sistema imbarcato con delle potenzialità impressionanti. Infatti, esso fornisce all’equipaggio strumenti per la gestione automatica del volo. Un modello semplificato di direttore è stato considerato nell’ambito di questa tesi allo scopo di regolare i suoi parametri in una condizione particolare di volo. La tecnica di regolazione di base basata sull’osservazione del comportamento delle variabili del sistema in seguito a una variazione arbitraria dei parametri è stata raffinata introducendo uno strumento basato sulla minimizzazione di una cifra di merito. Un altro compito del sistema per il controllo automatico del volo è la protezione dell’inviluppo di volo. Un fenomeno specifico dei velivoli ad ala rotante che può causare vincoli all’applicazione di procedure di approccio che includono segmenti di approccio a forte pendenza è il vortice. Partendo dalla letteratura disponibile in materia, si è sviluppato uno strumento che genera la regione dove questo fenomeno insorge. Questo strumento è un modello semi-empirico basato sull’estensione della teoria del disco attuatore. Un’applicazione originale di questo strumento è altresì proposta per la valutazione dell’impatto dei ratei angolari sul rischio di incorrere nel vortice nel caso di convertiplani.