Simplified simulation model of tiltrotor longitudal motion

Agata Ryłko

Abstract

Paper concerns modeling of motion of a tiltrotor with a tiltable outer part of the wing, which can rotate independently from the nacelles. Introduction contains a description of ERICA tiltrotor main features and analysis of rotor design. Afterwards a tiltrotor modeling overview was made. In the first part basic systems of coordinates (inertia, gravity and fuselage systems of coordinates) and local systems of coordinates fixed to each tiltrotor element (inner parts of the wings, outer parts of the wing and nacelles) were created. Relations describing aerodynamic, inertia and gravity loads were derived in local systems of coordinates and transformed to the system of coordinates fixed to the fuselage. General tiltrotor equations of motion were developed using d’Alambert principle. The influence of motion of the parts moving with respect to the fuselage (outer parts of the wings, nacelles and rotors) was included in inertia loads. Two methods of calculating the aerodynamic loads were used: simplified twodimensional flow model for planes and three-dimensional flow model for three-dimensional solid bodies. General tiltrotor equations of motion were simplified to obtain equations describing only longitudal motion. Inertia and gravity loads acting on inner wings, vertical tail and horizontal stabilizer were considered in fuselage loads. It was assumed that aerodynamic, inertia and gravity loads of right outer wing and nacelle are equal to the left outer wing and nacelle loads respectively to ensure symmetric flight conditions. Fuselage aerodynamic loads include aerodynamic loads of inner parts of the wings, horizontal stabilizer for their control surfaces (flaps and elevators) zero deflection angles. Contributions to aerodynamic loads due to control surfaces deflection were calculated separately. Next part was dedicated to right rotor modeling. It was assumed that in longitudal motion left rotor behaved symmetrically. All parts of the model were considered as rigid and rotor angular velocity was assumed to be constant. The hub was mounted to the shaft by a Cardan joint, so the model had two degrees of freedom, which were about the Cardan joint. two rotations. General system of linear equations to calculate flapping coefficients was derived. Rotor aerodynamic and inertia loads were multiplied by the number of the rotors and implemented into tiltrotor equations of motion. Obtained equations of motion will be used to develop a tiltrotor longitudal motion simulation model in MATLAB.
Diploma typeEngineer's / Bachelor of Science
Diploma typeEngineer's thesis
Author Agata Ryłko (FPAE)
Agata Ryłko,,
- Faculty of Power and Aeronautical Engineering
Title in PolishUproszczony model symulacyjny lotu podłużnego tiltrotora
Supervisor Janusz Narkiewicz (FPAE / IAAM)
Janusz Narkiewicz,,
- The Institute of Aeronautics and Applied Mechanics

Certifying unitFaculty of Power and Aeronautical Engineering (FPAE)
Affiliation unitThe Institute of Aeronautics and Applied Mechanics (FPAE / IAAM)
Study subject / specialization, Lotnictwo i Kosmonautyka
Languageen angielski
StatusFinished
Defense Date24-06-2008
Issue date (year)2008
Pages76
Internal identifierMEL; PD-593
Reviewers Przemysław Bibik (FPAE / IAAM)
Przemysław Bibik,,
- The Institute of Aeronautics and Applied Mechanics
, Janusz Narkiewicz (FPAE / IAAM)
Janusz Narkiewicz,,
- The Institute of Aeronautics and Applied Mechanics
Keywords in Polishlotnictwo, wiropłat, model symulacyjny, ruch wzdłużny
Keywords in English aeronautics, rotorcraft, tiltrotor, simulation model, longitudinal motion
Abstract in PolishRozprawa dotyczy modelowania ruchu wiropłata typu tiltrotor z możliwością obracania zewnętrznej części skrzydeł, niezależnie od gondoli silnikowych. Wstęp pracy zawiera opis podstawowych cech konstrukcyjnych tiltrotora ERICA oraz analizę budowy wirnika. Następnie dokonano przeglądu dostępnych w literaturze modeli obliczeniowych statków powietrznych typu tiltrotor. W pierwszej części rozprawy przyjęto podstawowe układy współrzędnych oraz lokalne układy współrzędnych związane z poszczególnymi elementami tiltrotora. Zależności opisujące obciążenia aerodynamiczne, bezwładności i grawitacyjne zostały najpierw wyprowadzane w lokalnym układzie współrzędnych elementu, transformowane do układu związanego z kadłubem, następnie sumowane i przyrównane do zera zgodnie z zasadą d’Alemberta. Przy obliczaniu obciążeń bezwładności uwzględniono wpływ obrotu ruchomych części tiltrotora względem kadłuba. Zastosowano dwie metody obliczania obciążeń aerodynamicznych: dla płatów zastosowano uproszczony dwuwymiarowy model opływu, a dla brył trójwymiarowy model opływu. W kolejnej części pracy uproszczono ogólną postać równań ruchu otrzymując w ten sposób równania ruchu podłużnego tiltrotora. Obciążenia grawitacyjne i bezwładności wewnętrznej części skrzydeł, statecznika pionowego oraz poziomego włączono do obciążeń kadłuba. Aby zapewnić symetryczne warunki lotu, założono, że obciążenia prawej gondoli silnikowej i prawej zewnętrznej części skrzydła są takie same, jak obciążenia lewej gondoli silnikowej i lewej zewnętrznej części skrzydła. Obciążenia aerodynamiczne statecznika poziomego i wewnętrznej części skrzydeł dla zerowego wychylenia powierzchni sterowych: klap i sterów wysokości, zawarto w obciążeniach aerodynamicznych kadłuba. Oddzielnie obliczono przyrosty obciążeń pochodzące od wychylenia powierzchni sterowych. Osobna cześć pracy została poświęcona modelowaniu prawego wirnika. Założono, że w ruchu podłużnym lewy wirnik zachowuje się symetrycznie. Przyjęto, że wszystkie elementy wirnika są sztywne oraz że jego prędkość kątowa jest stała. Wyprowadzono ogólny układ równań, w którym niewiadomymi są współczynniki wahań. Obliczone obciążenia aerodynamiczne i bezwładności wirnika zostały pomnożone przez liczbę wirników, a następnie uwzględnione w modelu ruchu podłużnego tiltrotora. Otrzymane równania ruchu zostaną wykorzystane do stworzenia modelu symulacyjnego za pomocą programu MATLAB.
File
Tiltrotor Longitudal Motion Model.pdf 1.39 MB

Get link to the record

Back
Confirmation
Are you sure?