Wing rotor aerodynamic interaction in tiltrotor aircraft

A tiltrotor is an aircraft that combines the capability to hover, typical of helicopters, with the possibility to flight in cruise at high speed, like propeller driven aircraft. It represents a concrete possibility to overcome the main limitations of helicopters and propeller aircraft by matching together the peculiarities of both of them. However, the hovering performance and the lifting capability of tiltrotor aircraft are strongly affected by the aerodynamic interaction between wing and rotors. In helicopter flight mode, the presence of the wing under the rotor modifies the rotor wake and thus is responsible for the loss of rotor performance. To have acceptable hover performance, in existing tiltrotor large rotors have been adopted however increasing the aerodynamic interference due to wing-rotor interaction. Large rotors prevent also the take-off and landing in aircraft flight mode and lead to important limitations in cruise flight. Since the improvement of the performance in aircraft mode is one of the focus points for future developments of new tiltrotor, non conventional configurations have to be investigated in order to preserve the performance in helicopter mode. A possible approach to improve the performance in aircraft mode is to modify the blade shape by reducing the rotor diameter to get a propeller similar to the ones of propeller aircraft. This solution leads to the tiltwing concept. A tiltwing aircraft has the possibility to tilt the external part of the wing with the rotor, minimising the wing surface on which the rotor wake strikes. Good hover performance are preserved and wing–rotor interference is reduced. Even if the tiltwing solution was the subject of several studies, many aspects of this configuration have to be further analysed for future evolutions and applications. The objective of the present research activity is to investigate from both experimental and numerical points of view the aerodynamic interference between wing and rotor on a high-performance tiltwing aircraft. For this purpose, a tiltwing aircraft geometry has been defined and numerical calculations have been used to get a first insight on the problem. Once the rotor blade and the wing have been designed at full-scale, a 0-25 scaled wind tunnel half-model has been manufactured to study the hover flight condition. Since the aerodynamic interaction between wing and rotor is very complex, force measurements may give only partial information about the phenomena related to this non conventional configuration. Aircraft performance and rotor wake geometry have been investigated by means of forces and Particle Image Velocimetry measurements.

Un convertiplano è un aeromobile che combina la capacità di operare a punto fisso, tipica degli elicotteri, e la possibilità di volare in crociera ad alte velocità, propria degli aeroplani ad elica. Il convertiplano rappresenta una possibilità concreta di superare le limitazioni intrinseche degli elicotteri e degli aeroplani raccogliendo insieme le loro peculiarità. Tuttavia, le prestazioni sono influenzate dall’interazione aerodinamica che si crea tra rotore ed ala. In modalià elicottero, la presenza dell’ala sotto al rotore ne modifica la scia provocando una netta perdita di prestazioni. Per avere prestazioni accettabili, nei modelli esistenti vengono utilizzati rotori di grandi dimensioni che provocano un aumento dell’interferenza aerodinamica, impediscono il decollo e l’atterraggio orizzontali e comportano forti limitazioni in crociera in modalità aeroplano. Poichè l’incremento delle prestazioni in modalità aeroplano è uno degli obbiettivi principali nello sviluppo di di nuovi convertiplani, è necessario lo studio di configurazioni alternative al fine di preservare buone prestazioni in modalità elicottero. Una possibile soluzione è rappresentata dalla riduzione del diametro del rotore e dalla modifica delle pale nel tentativo di ottenere un rotore che sia più simile a quello dei velivoli ad elica. Questa soluzione ha portato allo studio dei convertiplani tiltwing, in grado di ruotare la parte esterna dell’ala insieme al rotore, minimizzando la superficie frontale dell’ala investita dalla scia del rotore. In questo modo, riducendo gli effetti legati all’interazione tra ala e rotore, vengono mantenute buone prestazioni in volo a punto fisso. Anche se questa configurazione è stata soggetto di numerosi studi, sono ancora molti gli aspetti che devono essere studiati in dettaglio. L’obbiettivo del presente lavoro è lo studio sperimentale e numerico dell’interazione aerodinamica che si instaura tra ala e rotore in un convertiplano di tipo tiltwing. Dopo aver definito la geometria di un aeromobile appartenente a questa classe, si è cominciato lo studio di questa configurazione per mezzo di strumenti numerici che sono serviti anche per il progetto aerodinamico delle pale del rotore e dell’ala. È stato progettato e realizzato un nuovo modello sperimentale in scala per studiare la condizione di volo a punto fisso. Data la complessità dei fenomeni che riguardano questo tipo di interazione aerodinamica, le misure di forza riescono a dare solo informazioni parziali. Per meglio comprendere i fenomeni legati a tale problema, il campo di moto è stato studiato anche attraverso l’utilizzo della Velocimetria ad Immagini di Particelle.