Investigation on Aeroelastic Instability of a Distributed Propulsion Tiltrotor = 분산추진 틸트로터 항공기의 공력탄성학적 안정성 연구

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This thesis investigates the aeroelastic stability characteristics of a 6,500 lb class distributed propulsion quad tiltrotor (DP-QTR), focusing on the complex coupling between the distributed electric propulsion units, flexible wing/pylon, and the complex aerodynamic environment. While distributed propulsion offers significant operational advantages for an advanced air mobility (AAM), it introduces novel aeromechanical challenges that differ from the conventional tiltrotor configuration.
To address those challenges, an aeromechanical representation is built using the comprehensive rotorcraft analysis, CAMRAD II. The vehicle baseline incorporates a tandem-wing configuration with four proprotors. The rotor system is sized based on the Boeing Model 222 soft in-plane hingeless rotor, dynamically scaled to match the DP-QTR requirement. The wing structure is modeled using a nonlinear beam element with properties derived from a three-dimensional finite element analysis.
The present aeroelastic analysis employs a free wake geometry model to rigorously capture the aerodynamic interference effect between multiple rotors and wings.
The stability analysis of the semi-span configuration reveals that the rear wing structure is susceptible to aeroelastic instability at high cruise speed. Eigenanalysis identifies the instability mechanism as the coalescence of the wing beam mode with the rotor low-frequency lag mode a phenomenon known as the air resonance. Parametric sensitivity studies demonstrate that maximizing the wing stiffness is not inherently stabilizing; rather, stability is governed by precise frequency placement to avoid the coalesence. Furthermore, the spanwise distribution of battery weight is readily identified as a critical design lever, where outboard mass placement significantly enhances stability through inertial relief.
A full-aircraft analysis is attempted to quantify the impact of aerodynamic interactions. The results show that the aerodynamic wake generated by the front and rear wing impinging upon the rear rotor will become a primary source of decreasing damping of the wing beam mode. Analysis neglecting this specific interaction incorrectly predicts a stable system, highlighting the necessity of high-fidelity wake modeling for multi-rotor configuration. The research concludes by proposing design guidelines for distributed propulsion tiltrotor, emphasizing the importance of active rotational speed control, strategic mass distribution, and full-vehicle interactional aerodynamics analysis to ensure aeroelastic stability.

국문 초록 (Abstract)

본 논문은 6,500 lb급 분산추진 쿼드 틸트로터(Distributed Propulsion Quad Tiltrotor, DP-QTR)의 공력탄성학적 안정성을 연구하였으며, 분산 전기추진 장치, 유연한 날개/파일론 그리고 공기역학 환경 간의 복잡한 연성을 중점적으로 다루었다. 분산추진은 미래항공교통(AAM) 운용에서 중요한 장점을 제공하지만, 기존 틸트로터 구성과는 다른 새로운 공기역학·동역학적 문제를 유발한다.
이러한 문제를 해결하기 위해, 본 연구에서는 통합 회전익 해석 프로그램인 CAMRAD II를 사용하여 공기역학–구조–로터 연성 모델을 구축하였다. 기준 기체는 네 개의 프롭로터를 갖는 텐덤-윙 구성을 기반으로 하며, 로터 시스템은 Boeing Model 222의 면내 유연 무힌지형 로터를 DP-QTR 요구조건에 맞도록 동적으로 스케일링하여 적용하였다. 주익 구조는 3차원 유한요소해석을 통해 도출된 물성을 가진 비선형 보 요소로 모델링하였다. 공력탄성학 해석에는 자유 후류(free wake) 모델을 적용하여 다중 로터–날개 사이의 공기역학 간섭 효과를 반영하였다.
세미-스팬 형상에 대한 안정성 해석 결과, 후방 날개 구조가 고속 순항(213 knots) 영역에서 공력탄성학적 불안정성에 취약함을 확인하였다. 고유치 해석(eigenanalysis)을 통해 이러한 불안정성은 날개 보 모드와 로터의 저주파 래그(lag) 모드가 결합(coupling)하며 발생하는 ‘비행 공진(air resonance)’ 현상임을 확인하였다. 설계 변수 민감도 분석에서는 주익 강성을 증가시키는 것이 안정성을 보장하지 않으며, 안정성은 공진을 피하기 위한 정확한 고유주파수 배치에 의해 좌우됨을 보였다. 또한, 배터리 중량의 스팬 방향 분포가 매우 중요한 설계 변수로 나타났으며, 아웃보드 방향 질량 배치는 관성적 완화(inertial relief)를 통해 안정성을 크게 향상시켰다.
전기체(full-aircraft) 해석을 통해 공력 상호작용의 영향을 평가한 결과, 전후방 날개에서 발생하는 후류가 후방 로터에 유입되는 것이 감쇠비 감소의 주요 요인임을 확인하였다. 이러한 특정 간섭을 고려하지 않을 경우 항공기가 안정한 것으로 잘못 오인될 수 있어, 다중 로터 기체에서 주익과와 로터간 상호작용을 정확히 예측하기 위한 개선된 정밀도의 와류 모델링의 필요성이 강조되었다.
본 연구는 분산추진 틸트로터의 설계 지침으로서 날개 강성 조절, 능동적 로터 회전수 제어, 전략적 질량 분포 설계, 전기체 공력 상호작용 해석의 중요성을 제시하며, 향후 분산추진 틸트로터의 공력탄성학적 안정성을 확보하기 위한 핵심 설계의 기틀을 제공할 것이다.

목차 (Table of Contents)

• Abstract I
• List of Figures VI
• List of Tables VIII
• Chapter 1 Introduction 1
• 1.1 Overview of a Distributed Propulsion Tiltrotor 1
• 1.2 Aeroelastic Instability Phenomena 3
• 1.3 Previous Studies 5
• 1.3.1 Conventional Tiltrotor Aeroelasticity 5
• 1.3.2 Distributed Propulsion and Interactional Aerodynamics 6
• 1.3.3 Industrial Validation and Methodologies 6
• 1.4 Task Statement and Research Objectives 7
• 1.5 Thesis Overview 9
• Chapter 2 Development of the Baseline QTR Analytical Model 11
• 2.1 Conceptual Design Overview and Aircraft Specifications 11
• 2.2 Rotor System Modeling 13
• 2.2.1 Hingeless Rotor Configuration of a Distributed Propulsion Tiltrotor 13
• 2.2.2 Dynamic Scaling from the Reference M222 Rotor 15
• 2.2.3 Resulting Rotor Dynamic Characteristics 16
• 2.3 Structural Design of Wing/Pylon Hardware 17
• 2.3.1 Baseline Design 17
• 2.3.2 Static Sizing and Baseline Verification 19
• 2.3.3 Modal Analysis 21
• 2.3.4 Development of the Equivalent One-dimensional beam model 22
• Chapter 3 Methodology and Validation 26
• 3.1 Comprehensive Analysis Framework 26
• 3.1.1 Multibody Structural Dynamics Modeling 26
• 3.1.2 Aerodynamic Modeling 28
• 3.2 Aeroelastic Stability Analysis 29
• 3.2.1 Trim solution 29
• 3.2.2 Calculation of the Aeroelastic Stability 30
• 3.3 Validation of the present Stability Analysis Methodology32
• 3.3.1 Validation Setup and Methodology 32
• 3.3.2 Validation Results 33
• Chapter 4 Stability Analysis of Semi-span Wing Configuration 35
• 4.1 Analysis Method and Modeling 35
• 4.2 Baseline Stability of Semi-Span 37
• 4.2.1 Front Wing/pylon/rotor Configuration 38
• 4.2.2 Rear Wing/pylon/rotor Configuration 38
• 4.3 Effect of the Wing Stiffness 43
• 4.3.1 Wing Beam Stiffness 43
• 4.3.2 Wing Chord Stiffness 44
• 4.3.3 Wing Torsional Stiffness 45
• 4.3.4 Combined Stiffness 46
• 4.4 Effect of the Battery location 48
• 4.5 Effect of the Rotational Speed 50
• 4.6 Effect of an Aerodynamic Interaction 52
• Chapter 5 Stability Analysis of Full-Aircraft Configuration 55
• 5.1 Analysis Method and Modeling 55
• 5.2 Baseline Stability of a Full-Aircraft 57
• 5.2.1 Aerodynamic interaction 58
• 5.2.2 Stability 61
• 5.3 Effect of the Aerodynamic Interaction on Rotor 63
• 5.4 Effect of the Aerodynamic Interaction on Wing 65
• Chapter 6 Conclusion and Future Works 68
• 6.1 Conclusion 68
• 6.2 Limitations of the Thesis 70
• 6.3 Future works 71
• References 73
• 국문초록 80