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Aeromechanische Stabilitätsuntersuchungen zur Rotorstillsetzung bei Verwandlungsdrehflüglern

Arnold, Uwe

Hinter dem Konzept der Stopp-Rotor-Verwandlungsdrehflügler steht die Idee, die Fähigkeit von Hubschraubern senkrecht zu starten und zu landen mit dem Vorteil der deutlich höheren Reisegeschwindigkeit von Flächenflugzeugen zu verbinden. Dazu wurden Fluggeräte vorgeschlagen, bei denen die für den Schwebeflug optimierten Rotoren nach dem Start stillgesetzt und strömungsgünstig verstaut werden, während der erforderliche Auftrieb durch einen Tragflügel erzeugt wird. Gegenstand dieser Arbeit sind Untersuchungen zur aeromechanischen Stabilität der Rotorblattbewegungen während der Stillsetzung eines derartigen Stopp-Rotors. Die Betrachtungen beziehen sich auf den Betriebsbereich zwischen Nenndrehzahl und Rotorstillstand, wobei der Rotor zuvor vollständig von seiner Auftriebsfunktion entlastet wurde. Durch die im Vergleich zum konventionellen Hubschrauber niedrigen Rotordrehzahlen bei gleichzeitig hohen Fluggeschwindigkeiten ergeben sich eine Reihe von dynamischen Problemen bezüglich der erzwungenen Schwingungen und der Stabilität der Blattbewegungen. Im ersten Teil der Arbeit wird dargestellt, wie die für Hubschrauber entwickelten mathematischen Modelle und Methoden in Hinblick auf die besonderen Betriebsbedingungen des Stopp-Rotors zu modifizieren sind. Es zeigt sich, daß insbesondere die Rückanströmung der Blätter bei großen Fortschrittsgraden berücksichtigt werden muß. Aufbauend auf der Blattelemententheorie wird eine kompakte Formulierung vorgestellt, mit der sich die entscheidenden physikalischen Effekte analytisch beschreiben lassen. Dann wird auf verschiedene Verfahren zur Behandlung von Differentialgleichungen mit periodischen Koeffizienten eingegangen und die Anwendung der FLOQUET-Theorie auf nichtlineare Gleichungen erläutert. Die Untersuchungen zur Stillsetzung betreffen hauptsächlich die Schlagbewegung eines isolierten Blattes. Es werden periodische Lösungen sowie Ergebnisse zur statischen und dynamischen Stabilität für lineare und nichtlineare Blattmodelle dargestellt. Außerdem werden gekoppelte Bewegungen betrachtet, wie sie sich bei zusätzlicher Berücksichtigung von Torsions- und Schwenkfreiheitsgrad ergeben. Zu technischen Problemen kann vor allem das Auftreten großer Antwortamplituden führen. Als entscheidender konstruktiver Parameter erweist sich die im Schlagfreiheitsgrad wirksame Blattanschlußsteifigkeit. Rechnungen zur aktiven Steuerung der Blattbewegungen zeigen abschließend, daß schon mit verhältnismäßig einfachen Regelungskonzepten eine deutliche Verbesserung in den Stabilitäts- und Antworteigenschaften erzielt werden kann.

The concept of the stopped rotor aircraft is intended to combine the helicopter's VTOL ability with the superior high speed performance of a fixed wing aircraft. For this purpose, several configurations have been proposed that feature stoppable and stowable rotors. After take-off and acceleration to the necessary transition speed, such aircraft convert to a conventional type of airplane which obtains all its litt from a fixed wing. This thesis describes investigations on the aeromechanical stability of the rotor blade motions during the start/stop procedure. The work covers the operating condition from nominal rotor speed to complete stop. Although the rotor is assumed to be unloaded when the shut down is initiated, the slow rotor rotation at high forward speed can cause dynamic problems such as degraded stability and high blade motion response amplitudes. In the first part it is stated, how the mathematical models typically applied to the classical helicopter need to be extended to consider the different working conditions of a stopped rotor. The modeling of reversed flow tumed out to be an important issue at high advance ratios. Based on blade element theory, a compact formalism is introduced that analytically incorporates all important effects. Various mathematical methods applicable to differential equations with periodic coefficients are presented. Further, the treatment of nonlinear equations by an extended version of FLOQUET theory is explained. The investigation of stopped rotor dynamics mainly refer to the flapping motion of an isolated blade. Typical periodic solutions as weil as results from the divergence and stability analyses are presented. Additionally, the coupled motions resulting from the inclusion of the torsional and lagging degrees of freedom are discussed. Technical problems mainly arise from high response amplitudes. Far more than other parameters, the effective stiffness at the equivalent flap hinge was found to affect the stopped rotor behavior. Finally, various calculations exploring the possible benefits of different active control schemes show that even very simple control concepts can successfully augment stability and reduce the undesired response amplitudes.

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Arnold, U., 1994. Aeromechanische Stabilitätsuntersuchungen zur Rotorstillsetzung bei Verwandlungsdrehflüglern. Zentrum für Luft- und Raumfahrttechnik, Braunschweig. https://doi.org/10.24355/dbbs.084-201811261239-0
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