Modelling and verification of helicopter multibody dynamics for different rotor configurations

• Modellbildung und Verifikation der Hubschrauber-Mehrkörperdynamik für verschiedene Rotorkonfigurationen

Leitner, Roland Martin; Alles, Wolfgang (Thesis advisor); Moormann, Dieter (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2022)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2022

Kurzfassung

Der Prozess der Entwicklung eines neuen Hubschraubertyps beginnt mit der Planungs- und Entwurfsphase, in der moderne Verfahren wie der modellbasierte Entwurf zum Einsatz kommen. Dadurch können konzeptionelle Fehler im Vorentwurf frühzeitig erkannt und beseitigt werden. Das spart Zeit und Aufwand, was sich positiv auf die Kosten auswirkt. Die Grundlage des modellbasierten Entwurfs im Hubschrauberbau ist typischerweise ein parametrisierbares Mehrkörpermodell mit modularem Aufbau, das die Modellierung beliebiger Hubschrauberkonfigurationen erlaubt. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird ein Mehrkörperformalismus vorgestellt, der die Modellbildung von Hubschraubern automatisiert. Der Formalismus erlaubt die Synthese aller bekannten Hubschrauberkonfigurationen in Baumstruktur unter Einhaltung der allgemeingültigen Notation der Flugmechanik (DIN 9300 und ISO 1151). Aufgrund seiner Baumstruktur eignet sich der Algorithmus besonders gut für den modellbasierten Entwurf und Echtzeitsimulationen, da zusätzliche Rechenschritte aufgrund von kinematischen Schleifen wegfallen. Um sicherzustellen, dass der Formalismus korrekt ist, werden zwei Hubschrauberkonfigurationen (ein Standard-und einer Koaxialhubschrauber) inklusive Rotornaben, Rotorblätter und einem Vier-Punkt-Landefahrwerkmodelliert und Plausibilitätstests unterzogen. Dabei kommen Techniken zum Einsatz, die auf der Trimmrechnung und Linearisierung sowie der numerischen Simulation der nicht-linearen Hubschrauberdynamik basieren. Zu diesem Zweck wurde ein auf dem Faltungsintegral basierender Algorithmus entwickelt, der die Linearisierung der periodischen und nicht-minimalphasigen Hubschrauberdynamik ermöglicht. Die Trimmrechnung fußt auf dem mehrdimensionalen Sekantenverfahren, das die inhärente Hubschrauberdynamik für die flugdynamische Analyse in stationäre Zustände überführt. Die Zustände umfassen den Schwebe- und Horizontalflug sowie den Standfall, bei dem der Hubschrauber mit nichtdrehenden Rotor am Boden steht. Plausibilitätstests, bei denen die Numerik eine Rolle spielt, werden mit Desktop oder Pilot-in-the-Loop Simulationen durchgeführt. Bei letzterem fungiert der Pilot als Qualitätsprüfer, dessen Aufgabe es ist, abnormales Verhalten aufgrund von Modellfehlern in der geregelten Hubschrauberdynamik zu erkennen und zu identifizieren. Ermöglicht wird dies durch den Einsatz von validierten Zustandsreglern und Techniken der virtuellen Realität. Hierzu wird das Hubschraubermodell auf einen Echtzeitrechner portiert, welcher mit einer Fernsteuerung und einer Virtual Reality Brille verbunden ist, um den Piloten ein äußerst realistisches Testszenario zu bieten. Insgesamt werden sechs Tests zur Verifikation des Mehrkörperformalismus durchgeführt. Darunter ist ein analytischer Test, bei dem die linearen Schlagbewegungen des Rotorblatts aus den nicht-linearen Bewegungsgleichungen des Mehrkörpermodells abgeleitet wird, was als ein erster Hinweis auf einen korrekten Mehrkörperformalismus angesehen werden kann. Die restlichen Tests werden mithilfe der Trimmrechnung und Linearisierung sowie numerischen Simulation durchgeführt. Dazu zählen der Falltest, Trimm- und Stabilitätstests mit variierenden Neutralpunkt des Hauptrotors sowie der Pilot-in-the-Loop Test, der von einem erfahrenen Testpiloten durchgeführt werden kann. Analog zum analytischen Test, bestätigen die Ergebnisse aller Plausibilitätstests die Korrektheit des Mehrkörperformalismus.