Effectiveness of the compound helicopter configuration in rotorcraft performance increase

• Autorzy: Stanisławski Jarosław

Identyfikatory

DOI

10.2478/tar-2020-0023

Warianty tytułu

PL

Skuteczność śmigłowców o złożonej konfiguracji przy zwiększaniu osiągów wiropłatów

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The article presents the results of calculations applied to compare flight envelopes of varying helicopter configurations. Performance of conventional helicopter with the main and tail rotors, in the case of compound helicopter, can be improved by applying wings and pusher propellers which generate an additional lift and horizontal thrust. The simplified model of a helicopter structure, consisting of a stiff fuselage and the main rotor treated as a stiff disk, is applied for evaluation of the rotorcraft performance and the required range of control system deflections. The more detailed model of deformable main rotor blades, applying the Galerkin method, is used to calculate rotor loads and blade deformations in defined flight states. The calculations of simulated flight states are performed considering data of a hypothetical medium class helicopter with the take-off mass of 6,000 kg. In the case of both of the helicopter configurations, the articulated main rotor hub is taken under consideration. According to the Galerkin method, the elastic blade model allows to compute blade deformations as a combination of the blade bending and torsional eigen modes. Introduction of additional wing and pusher propellers allows to increase the range of operational speed over 300 km/h. Results of the simulation are presented as timeruns of rotor loads and blade deformations and in a form of disk distribution plots of rotor parameters. The simulation method can be useful in defining requirements for a high speed rotorcraft.

PL

W pracy przedstawiono wyniki obliczeń umożliwiających porównanie obwiedni stanów lotu dla układu konwencjonalnego śmigłowca z wirnikiem głównym i śmigłem ogonowym oraz dla śmigłowca złożonego z dodatkowymi skrzydłami generującymi siłę nośną i śmigłami pozwalającymi zwiększyć poziomą siłę napędową. Uproszczony model struktury śmigłowca obejmujący sztywny kadłub i wirnik nośny traktowany jako sztywny dysk, zastosowano do określenia osiągów wiropłata oraz wymaganego zakresu wychyleń układu sterowania. Bardziej złożony model odkształcalnych łopat wirnika z wykorzystaniem metody Galerkina zastosowano do obliczeń obciążeń wirnika i odkształceń łopat w zadanych stanach lotu obejmujących przedział lotów z dużymi prędkościami. Obliczenia przeprowadzono dla danych dotyczących hipotetycznego śmigłowca średniego o masie 6000 kg i przegubowym połączeniem łopat z głowicą wirnika. Model łopaty odkształcalnej, zgodnie z metodą Galerkina, pozwala wyznaczać odkształcenia łopat jako złożenie składowych pochodzących od uwzględnianych giętnych i skrętnych postaci własnych łopat. wprowadzenie dodatkowych skrzydeł i pchających śmigieł pozwala zwiększyć zakres prędkości lotu powyżej 300 km/h. wyniki obliczeń symulacyjnych przedstawiono w postaci przebiegów czasowych obciążeń wirnika i odkształceń łopat oraz w postaci rozkładów parametrów na dysku wirnika. Metody symulacyjne mogą być zastosowane do zdefiniowania wymagań dotyczących wiropłata dużych prędkości.

Słowa kluczowe

EN

compound helicopter; rotor loads; blade deformations

PL

śmigłowiec złożony; obciążenia wirnika; odkształcenia łopat

• Wydawca: Wydawnictwa Naukowe Sieci Badawczej Łukasiewicz - Instytutu Lotnictwa
• Czasopismo: Transactions on Aerospace Research
• Rocznik: 2020
• Tom: Nr 4 (261)
• Strony: 81--106
• Opis fizyczny: Bibliogr. 30 poz., rys., tab., wykr., wzory

Twórcy

autor

Stanisławski Jarosław

Bibliografia

• [1] https://www.helis.com/50s/rotodyne.php/ [access 2020-05-30].
• [2] Robb, R. L., 2006, “Hybrid helicopters: compounding the quest for speed”, Vertiflite, 52(6), pp. 30-56.
• [3] Forman, B., 1996, “what killed the Cheyenne?”, Vertiflite, 42(3), pp. 22-27.
• [4] Gordon, Y., Komissarov, D. and Komissarov, S., 2005, “Mil’s Heavylift Helicopters”, Midland Publishing, England.
• [5] http://www.chinook-helicopter.com/history/aircraft?A_Models/65-07992/65-07992.html/ [access 2020-05-31].
• [6] https://www.museehelico-alat.com/visite-virtuelle/10-gazelle-sa-349/Les amis du musee de I’ALAT et de l’helicoptere-Gazelle SA 349 Prototype/ [access 2020-05-31].
• [7] Hirschberg M., 2010, “ X2, X3, S-97, and X-49: The Battle of the Compounds is Joined”, Vertiflite 56(4), pp. 16-22.
• [8] Morgała M., 1981, “Polskie samoloty wojskowe 1945-1980”, (Eng.: ”Polish Military Aircraft 1945-1980”), wydawnictwo MON, Warszawa, pp. 210-211 (in Polish).
• [9] Roman, K., 2008, “Śmigłowce eksperymentalne – latające laboratoria na bazie śmigłowca IS-2”, (Eng.:”Experimental helicopters – flying laboratories on the base of IS-2 helicopter”), Transactions of the Institute of Aviation, 194-195, pp. 295-302 (in Polish).
• [10] Parsons, D., 2020, “U. S. Army taps Sikorsky Raider X, Bell Invictus for FARA fly-off ”, Vertical Valor Magazine, Spring Issue 2020, p. 16.
• [11] Parsons, D., 2020, “ Bell’s Valor, Sikorsky/Boeing Defiant Advance in U.S.Army Future Assault Aircraft program”, Vertical Valor Magazine, Spring Issue 2020, p. 20-21.
• [12] https://www.ainonline.com/aviation-news/defence/2016-01-06/modified-mi-24-explores-highspeed-helicopter-technology/ [access 2020-06-01].
• [13] https://www.globalsecurity.org/military/world/russia/mi-x1.htm/ [access 2020-06-01].
• [14] https://en.wikipedia.org/wiki/Kamov_Ka-92/ [access 2020-06-01].
• [15] https://www.flightglobal.com/helicopters/airbus-helicopters-maintains-racers-pace-despitedelays/137838.article/ [access 2020-06-02].
• [16] Deal, P. L. and Jenkins, J. L. Jr., 1968, “Flight Investigation of the wing-Rotor Lift-Sharing Characteristics of a Hingeless Rotor Compound Helicopter”, 24th Annual National Forum of the American Helicopter Society, Washington, May 8-10.
• [17] Jenkins, J. L. Jr. and Perry, L. D., 1970, “Investigation on Level-Flight and Maneuvering Characteristics of a Hingeless-Rotor Compound Helicopter”, NASA TN D-5602, Washington.
• [18] Erickson, R. E., Kufeld, R. M., Cross, J. L., Hodge, R. W., Ericson, W. F. and Carter, R. D. G., 1984, “NASA Rotor System Research Aircraft Flight-Test Data Report Helicopter and Compound Configuration”, NASA Technical Memorandum 85843.
• [19] Floros, M. and Johnson, W., 2004, “Stability Analysis of the Slowed-Rotor Compound Helicopter Configuration”, American Helicopter Society 60th Annual Forum, Baltimore , Maryland, June 7-10.
• [20] Datta, A., Yeo, H. and Norman, T. R., 2011, “Experimental Investigation and Fundamental Understanding of a Slowed UH-60A Rotor at High Advance Ratios”, American Helicopter Society 66th Annual Forum, Virginia Beach, Virginia, May 3-5.
• [21] Silva, C., Yeo, H. and Johnson, W., 2010, “Design of a Slowed-Rotor Compound Helicopter for Future Joint Service Missions”, American Helicopter Society Aeromechanics Specialist’s Conference, San Francisco, January 20-22.
• [22] Ferguson, K. M. and Thomson, D. G., 2013, “Flight Dynamics Investigation of Compound Helicopter Configurations”, American Helicopter Society 69th Annual Forum, Phonix, Arizona, May 22-23.
• [23] Johnson, W., Yamauchi, G. K. and Watts, M. E., 2005, “NASA Heavy Lift Rotorcraft System Investigation”, NASA/TP-2005-213467.
• [24] Russell, C. and Johnson, W., 2012, “Conceptual Design and Performance Analysis for a Large Civil Compound Helicopter”, American Helicopter Society Future Vertical Lift Aircraft Design Conference, San Francisco, California, January 18-20.
• [25] Johnson, W., Elmore, J. E., Keen, E., Gallaher, A. T. and Nunez, G. F., 2016, “Coaxial Compound Helicopter for Confined Urban Operations”, American Helicopter Society Specialist’s Conference on Aeromechanics Design for Vertical Lift, San Francisco, California, January 20-22.
• [26] Zhang, T., and Barakos, G. N., 2019, “Towards Optimization of Compound Rotorcraft”, 45th European Rotorcraft Forum, Warsaw, Poland.
• [27] Desvigne, D., Coisnon, R., Michel, B. R., Thomas, A., Pinacho, J. P. and Roca Leon E., 2019, “Multi-Objective Optimization Tool for Designing Main-Rotor Blades for High-Speed Helicopter”, 45th European Rotorcraft Forum, Warsaw, Poland.
• [28] Yin, J., Schwarz, T., Wentrup, M. and Guntzer, F., 2019, “DLR Analysis on the Noise Emission from the RACER Configuration”, 45th European Rotorcraft Forum, Warsaw, Poland.
• [29] Bauknecht, A., Wang, X., Chopra, I., 2019, “Wind Tunnel Test of a Rotorcraft with Lift Compounding”, 45th European Rotorcraft Forum, Warsaw, Poland.
• [30] Stalewski, W., 2017, “Projektowanie i optymalizacja aerodynamiczna wiropłatów”, (Eng.: “Aerodynamic Design and Optimization of Rotorcraft”), Warsaw, Wydawnictwa Naukowe Instytutu Lotnictwa, ISBN 978-83-63539-40-5 (in Polish).

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa Nr 461252 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2021).