De complexiteit van een tiltrotor testen

Bij de ontwikkeling van de volgende generatie helikopters staat centraal dat aan de uitdagende eisen van mobiliteit moet worden voldaan. Dat betekent een hogere snelheid, een groter bereik en een hogere productiviteit om de kloof tussen conventionele helikopters en platformen met vaste vleugels te dichten. Deze nieuwe platformen vereisen door hun noviteit en toegenomen complexiteit dat er veel testen plaatsvinden. Hier komt het ATTILA-project om de hoek kijken met een uniek en geavanceerd testplatform voor windtunneltesten van tiltrotors.

De nieuwe generatie helikopters zijn een belangrijke pilaar voor het bereiken van de Europese milieu- en mobiliteitsdoelen, inclusief de doelstelling om in Europa in 90% van de gevallen binnen vier uur van deur tot deur te kunnen reizen. Deze unieke platformen kunnen verticaal opstijgen en landen, hebben de snelheid van een vliegtuig en kunnen lange afstanden afleggen. Zowel het personenvervoer door de lucht als maatschappelijk relevante missies zoals ‘search and rescue’ en de medische hulpdiensten plukken hier de vruchten van. De Next Generation Civil TiltRotor Technology Demonstrator (NGCTR-TD) van Leonardo Helicopters is een van de twee platformen die momenteel in het kader van het programma Fast Rotorcraft wordt ontwikkeld. Het ATTILA-project dat door het Koninklijk Nederlands Lucht- en Ruimtevaartcentrum (NLR) wordt geleid, betekent een belangrijke mijlpaal om toekomstige vliegproeven van de NGCTR-TD op hoge snelheid mogelijk te maken.

Uitdagingen in dynamica
Een van de belangrijkste drijfveren achter het verbeteren van het ontwerp van de tiltrotor is een aero-elastische instabiliteit gekenmerkt door sterk gekoppelde vleugel-rotorbewegingen die ook wel ‘whirl flutter’ wordt genoemd. Dit verschijnsel beperkt doorgaans de maximumsnelheid die het vliegtuig kan bereiken. Het mechanische samenspel tussen de vleugel en de rotor, alsmede de complexe aerodynamische omgeving maken het heel lastig om een nauwkeurige voorspelling te doen van de instabiliteitsgrens. Experimentele karakterisering van het fluttergedrag is nodig om de methoden die voor het ontwerp van het volschaal vliegtuig worden gebruikt, te kunnen valideren. Het ATTILA-project, waarin een geschaalde halve vleugel van de NGCTR-TD is ontwikkeld en getest in de windtunnel, zal hiervoor de benodigde experimentele gegevens leveren.

Ontwerp aero-elastisch windtunnelmodel
NLR is als leider van het consortium verantwoordelijk voor het ontwerp en de aanmaak van het ATTILA-windtunnelmodel en trad op als leider van de testcampagne. In tegenstelling tot conventionele windtunnelmodellen die geometrisch zijn geschaald, is het ATTILA-model aero-elastisch geschaald. Dat houdt in dat niet alleen de geometrie, maar ook de massa en stijfheid van de constructie zo worden ontworpen dat de structurele dynamica overeen komt met dat van het vliegtuig op ware grootte. Het multidisciplinaire karakter van het ontwerpproces maakte dat, in een periode van vijf jaar tijd, maar liefst negen afdelingen van NLR bij het project betrokken waren.

Programma voor fluttertest
De testactiviteiten in de windtunnel, die in november 2023 werden afgerond, vonden plaats in de 6×6 meter testsectie van de grote, lage-snelheidsfaciliteit (Large Low-speed Facility, oftewel: LLF) van DNW in Nederland met ondersteuning van het Duitse Luchtvaartcentrum (DLR) en Leonardo Helicopters. Het team Structural Dynamics and System Identification van DLR Göttingen verzorgde de online monitoring en voorspelling van de modale eigenschappen (frequentie en demping) van het windtunnelmodel terwijl de instabiliteitsgrens tijdens het testen stapsgewijs werd benaderd. De besturing van het model en de dataverzameling werden gedaan door een team van DLR Braunschweig. Ze maakten hierbij gebruik van systemen en expertise die ze hebben opgebouwd na jarenlange ervaring met het bedienen van experimentele rotorsystemen in windtunnels. Tot slot begeleidde Leonardo Helicopters, als onderdeel van het leidinggevend testteam en de belangrijkste kennisexperts op het gebied van de dynamica en stabiliteit van tiltrotors, de definitie en uitvoering van het testprogramma. Ze hebben aan de hand van beproefde methoden semi-online een analyse van de frequentie en demping trends uitgevoerd.

Volgende stappen
Na de succesvolle afronding van het testprogramma in november 2023 is het consortium hard aan het werk om de testgegevens verder te verwerken en initiële correlaties met numerieke voorspellingen uit te voeren. In 2024 staan meerdere publicaties bij technische conferenties op het programma, waaronder het Clean Aviation Forum in Brussel, om de kennis die tijdens het programma is vergaard te verspreiden. De schat aan informatie die is verkregen houdt de betrokken ingenieurs naar verwachting nog druk bezig in de nabije toekomst tot het moment waarop het ATTILA-model terug naar de windtunnel kan om te voldoen aan de toekomstige onderzoeksbehoeften.