Journal of Institute of Control, Robotics and Systems
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v.20
no.11
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pp.1103-1111
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2014
The results of control law design for a tilt-rotor unmanned aerial vehicle that has a nacelle mounted wing extension (WE) are presented in this paper. It consists of a control surface mixer, stability and control augmentation system (SCAS), hold mode for altitude / speed / heading, and a guidance mode for preprogram and point navigation which includes automatic take-off and landing. The conversion corridor and the control moments derivatives between the original tilt-rotor and its variant of the nacelle mounted WE were compared to show the effectiveness of the WE. The nacelle conversion of the original tilt-rotor starts when the airspeed is greater than 30 km/h but its WE variant starts at 0 km/h in order to reduce the drag caused by the high incidence angle of the WE. The stability margins of the inner loop are presented with the optimization approach. The outer loops for the hold mode are designed with trial and error methods with linear and nonlinear simulation. The main control parameter for altitude control of the helicopter mode is thrust command and it is transferred to the pitch attitude command in airplane mode. Otherwise, the control parameter for the speed of the helicopter mode is the pitch attitude command and it is transferred to the thrust command in airplane mode. Therefore the speed and altitude hold mode are coupled to each other and are engaged at the same time when an internal pilot engages any of the altitude or speed hold modes. The nonlinear simulation results of the guidance control for the preprogrammed mode and point navigation are also presented including automatic take-off and landing in order to prove the full control law.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.38
no.6
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pp.691-698
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2014
This paper describes the manufacturing processes for a flexbeam and torque tube made of composite materials, along with the procedures for testing their basic properties. A flexbeam and torque tube can be considered to be key structural components of a bearingless rotor hub system. A hinge offset effect can be realized by a large elastic deformation and twist of the flexbeam, and the blade pitch control forces are transferred by the rotation of the torque tube. The basic property tests included bending and twist tests to determine the flap stiffness, lag stiffness, and torsion stiffness of the flexbeam, torque tube, and blade, and these tests were performed prior to starting the whirl tower test. In addition, the estimated results were compared with experimental data, and the calculations were found to be a good match for the analysis results and had a similar tendency. Through these results, we could confirm that a flexbeam and torque tube made of composite materials satisfied the structural stiffness requirements.
Journal of the Korean Society for Aviation and Aeronautics
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v.15
no.3
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pp.6-14
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2007
In this research, vibration reduction and aeroelastic stability of a composite hingeless rotor hub flexure with viscoelastic constrained layer damping treatment(CLDT) were investigated. The composite flexures with viscoelastic CLDT were applied to hingeless rotor system to improve the in-plane stability of the lead-lag motion causing resonance. The modal test was performed and dynamic properties(natural frequency and loss factor) were acquired. Also, complex eigenvalue analysis(SOLlO7) in the NASTRAN structural analysis module was performed and compared with results of the modal test. To insure aeroelastic stability, damping ratio analyses of the hingeless rotor system with CLDT were accomplished at hovering condition due to collective pitch angle changes. Satisfactory results of increasing structural damping and stability were obtained.
Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences
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v.43
no.11
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pp.978-983
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2015
A study on the speed limit and sizing of auxiliary fixed-wing of compound gyroplane was performed. The performance of the plane that uses the same rotor system and power of BO-105 helicopter was compared with that of BO-105 helicopter. The wing area which is used to compensate in lift, was calculated considering the aerodynamic characteristics and lift sharing ratio of the rotor. Achievable flight speeds were observed for two types of fuselage; BO-105 and streamlined bodies. The study showed that the autorotating rotor can share 1/2 of lift at high speed and the parasite power of compound gyroplane having streamlined body and small wing can be minimized, accordingly it can fly faster than helicopter with airspeed more than twice.
Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences
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v.46
no.2
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pp.159-166
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2018
In this study, the internal structural design, dynamic characteristics and load analyses of the small scaled rotor blade required for LCH(Light Civil Helicopter) main rotor wind tunnel test were carried out. The test is performed to evaluate the aerodynamic performance and noise characteristics of the LCH main rotor system. Therefore, the Mach-scale technique was appled to design the small scaled blade to simulate the equivalent aerodynamic characteristics as the full scale rotor system. It is necessary to increase the rotor speed to maintain the same blade tip speed as the full scale blade. In addition, the blade weight, section stiffness, and natural frequency were scaled according to the Mach-type scaling factor(${\lambda}$). For the design of skin, spar, torsion box, which are the main components of the blade, carbon and glass fiber composite materials were adopted, and composite materials are prepreg types that can be supplied domestically. The KSec2D program was used to evaluate the section stiffness of the blade. Also, structural loads and dynamic characteristics of the Mach scale blade were investigated through the comprehensive rotorcraft analysis program CAMRADII.
Hyunseo Kang;Nahyeon Roh;Do-young Kim;Min-jun Park
Journal of Aerospace System Engineering
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v.18
no.4
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pp.18-26
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2024
This paper describes the results of a study on Generic Quad Tilt Rotor UAM aircraft, focusing on nonlinear mathematical modeling and the development of real-time simulation software. In this research, we designed a configuration for a Generic Quad Tilt Rotor eVTOL UAM aircraft based on NASA's UAM mission requirements. We modeled the aerodynamics using a database, the prop-rotor dynamics with a thrust database, and included a ground reaction and atmospheric model in the flight model. We defined the control concept for various modes(helicopter mode, transition mode, and airplane mode), derived tilt angle corridors, and formulated flight control requirements. The resultant real-time flight simulation software not only performs trim analysis for Tilt Rotor UAM aircraft but also predicts handling qualities, optimizes tilt angle scheduling based on dynamic characteristics, designs and validates flight control laws for helicopter, transition, and airplane modes, and facilitates flight training through simulator integration.
Bergeot, Baptiste;Bellizzi, Sergio;Cochelin, Bruno
Advances in aircraft and spacecraft science
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v.3
no.3
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pp.271-298
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2016
In this paper, we study a problem of passive suppression of helicopter Ground Resonance (GR) using a single degree freedom Nonlinear Energy Sink (NES), GR is a dynamic instability involving the coupling of the blades motion in the rotational plane (i.e. the lag motion) and the helicopter fuselage motion. A reduced linear system reproducing GR instability is used. It is obtained using successively Coleman transformation and binormal transformation. The analysis of the steadystate responses of this model is performed when a NES is attached on the helicopter fuselage. The NES involves an essential cubic restoring force and a linear damping force. The analysis is achieved applying complexification-averaging method. The resulting slow-flow model is finally analyzed using multiple scale approach. Four steady-state responses corresponding to complete suppression, partial suppression through strongly modulated response, partial suppression through periodic response and no suppression of the GR are highlighted. An algorithm based on simple criterions is developed to predict these steady-state response regimes. Numerical simulations of the complete system confirm this analysis of the slow-flow dynamics. A parametric analysis of the influence of the NES damping coefficient and the rotor speed on the response regime is finally proposed.
Aerial application using an unmanned agricultural helicopter became necessary for both labor saving and timely spraying. In the previous paper, a rotor system was developed and lift capability was evaluated. The experimental results were compared with simulated predictions using the CFD-ACE program. From the simulation, the relative velocity on the top surface of the blade airfoil increased, resulting in the pressure drop. The CFD analyses were revealed that a drag resistance on the leading edge of the airfoil, a wake at the trailing edge, and a positive pressure underneath the bottom surface were observed. As the results of the simulation, total lifts of 56.8, 74.4 and $95.0kg_f$ were obtained at the 6, 8 and $10^{\circ}$ of AAT (angle of attack), respectively. The simulation results agreed reasonably up to $10^{\circ}$ of AAT. However, at a greater AAT $(<12^{\circ})$ the simulated total lift continuously increased to $105kg_f$, comparing with a decreasing experimental total lift due to the lack of engine power. At a stiff angle of $18^{\circ}$ AAT, a wake was observed at the trailing edge of the airfoil. A rated operating condition determined from the previous paper was also verified through the simulation.
In this paper, an optimization study on a helicopter rotor blade cross-section was made. Generalization was made to the baseline cross-section to simplify the analysis. To have better performance in aeroelastic response, with the aerodynamic center being the origin of the baseline, the distance between aerodynamic center and shear center, and the distance between mass center and shear center of the blade were minimized. For efficient searching of optimum solutions over the design space, grid search method, which is a method of graphical search was used. Two design variables, radius of balancing weight at leading edge, and offset of the spar from leading edge were selected for the study. Cubic spline interpolation method was used to accommodate searching of the optimum solution. 2-Leveled searching system was devised in accordance with the interpolation method. Optimum solution was found to show 6% decrease in both distance between aerodynamic center and shear center, and mass center and shear center to the baseline.
In the case of the general helicopter among rotorcraft, length of the rotor blade for thrust-generation is longer than that of fuselage and tail rotor is required in order to compensate moment of the fuselage. For those reasons, enough space for take-off and landing should be secured and an accessibility for building is low. Also, the accidents caused by tail rotor occur frequently. However, the case of counter-rotating has merits that tail rotor is unnecessary as well as length of the rotor blade can be shortened but has a weakness that the weight of body is increased. In the present study, aerodynamic force measurement on single rotor system equipped with NACA0012 airfoil, which has aspect ratio of 6 and chord length of 35.5 mm, was carried out. And measurement was conducted with blade which has a half size of the former blade by using single motor counter-rotating. Aerodynamic force measurement was acquired by using 6-component balances and coefficients of thrust and power were derived along the pitch angle varying from 0$^{\circ}$ to 90$^{\circ}$ with the increment of 10$^{\circ}$. Those aerodynamic force data will be utilized for the design and production of brand-new counter-rotating rotor blade system which has same thrust with single blade system and provides a good accessibility to building by reducing its blade length.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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