Design, model and control of a new type of VTOL aircraft

268 Pages·2017·20.02 MB·English

by  Aurélien Cabarbye

(cid:53)(cid:41)(cid:181)(cid:52)(cid:38)
(cid:38)(cid:79)(cid:1)(cid:87)(cid:86)(cid:70)(cid:1)(cid:69)(cid:70)(cid:1)(cid:77)(cid:8)(cid:80)(cid:67)(cid:85)(cid:70)(cid:79)(cid:85)(cid:74)(cid:80)(cid:79)(cid:1)(cid:69)(cid:86)(cid:1)
(cid:37)(cid:48)(cid:36)(cid:53)(cid:48)(cid:51)(cid:34)(cid:53)(cid:1)(cid:37)(cid:38)(cid:1)(cid:45)(cid:8)(cid:54)(cid:47)(cid:42)(cid:55)(cid:38)(cid:51)(cid:52)(cid:42)(cid:53)(cid:178)(cid:1)(cid:37)(cid:38)(cid:1)(cid:53)(cid:48)(cid:54)(cid:45)(cid:48)(cid:54)(cid:52)(cid:38)(cid:1)
(cid:37)(cid:207)(cid:77)(cid:74)(cid:87)(cid:83)(cid:207)(cid:1)(cid:81)(cid:66)(cid:83)(cid:1)(cid:27)
InstitutSupérieurdel’Aéronautiqueetdel’Espace

CotutelleinternationaleavecInstitutoPolitecnicoNacionalMexico

(cid:49)(cid:83)(cid:207)(cid:84)(cid:70)(cid:79)(cid:85)(cid:207)(cid:70)(cid:1)(cid:70)(cid:85)(cid:1)(cid:84)(cid:80)(cid:86)(cid:85)(cid:70)(cid:79)(cid:86)(cid:70)(cid:1)(cid:81)(cid:66)(cid:83)(cid:1)(cid:27)
AurélienCABARBAYE
le
lundi30octobre2017
(cid:53)(cid:74)(cid:85)(cid:83)(cid:70)(cid:1)(cid:27)
(cid:1)
Conception,modélisationetcommanded’unnouveauconceptd’avion
convertible
Design,modelandcontrolofanewtypeofVTOLaircraft
et discipline ou spécialité
(cid:178)(cid:68)(cid:80)(cid:77)(cid:70)(cid:69)(cid:80)(cid:68)(cid:85)(cid:80)(cid:83)(cid:66)(cid:77)(cid:70) (cid:1) (cid:27) (cid:1)
EDAA:Automatique,Géniecivil
(cid:54)(cid:79)(cid:74)(cid:85)(cid:207)(cid:1)(cid:69)(cid:70)(cid:1)(cid:83)(cid:70)(cid:68)(cid:73)(cid:70)(cid:83)(cid:68)(cid:73)(cid:70)(cid:1)(cid:27)
Horséquiped'accueilISAE-ONERAetICA,précisez: UMILAFMIA
(cid:37)(cid:74)(cid:83)(cid:70)(cid:68)(cid:85)(cid:70)(cid:86)(cid:83)(cid:9)(cid:84)(cid:10)(cid:1)(cid:69)(cid:70)(cid:1)(cid:702)(cid:210)(cid:84)(cid:70)(cid:1)(cid:27)
M.PatrickFABIANI(directeurdethèse)
M.RogelioLOZANOHEUDIASYC(directeurdethèse)
Jury:
MmeSabineMONDIÉCUZANGECINESTAV-Rapporteur
M.AlfredoARIASMONTANOIPN,EscuelaSuperiordeIngenieríaMecánicayEléctrica
Ticomán
M.MoisésBONILLAESTRADACINESTAV
M.PedroCASTILLOHEUDIASYC-Rapporteur
M.PatrickFABIANIISAE-SUPAERO-Directeurdethèse
M.RogelioLOZANOHEUDIASYC- Directeurdethèse
M.SergioSALAZARLAFMIA

Acknowledgement
First and foremost, I would like to thank Prof. Rogelio Lozano for inviting me to join
the CINVESTAV-IPN / CNRS UMI3175 LAMFIA Cinvestav in Mexico, without whom
this thesis would not have been possible. He encouraged me to pursue research on a very
innovative concept and assisted me in investigating its feasibility. I appreciate all the time
and ideas he contributed. I am very grateful for the scholarship of Mexican government I
received thanks to his support.
Moreover, this thesis bene(cid:28)ted greatly from the joint supervision between this labora-
tory and ISAE SUPAERO (Toulouse, France) under the direction of Dr. Patrick Fabiani. I
received advice and guidance from top researchers in both of the scienti(cid:28)c (cid:28)elds the drone
concept relies on: Aeronautics and Control Systems. I am very grateful to my thesis super-
visors, Prof. Rogelio Lozano, Prof. MoisØs Bonilla Estrada and Dr. Patrick Fabiani for their
scienti(cid:28)c follow-up and the thoughtful ideas they gave me throughout this research.
My thanks also go to all the sta(cid:27) and colleagues of Cinvestav and ISAE SUPAERO for
the help I received throughout the last three years. I particularly appreciated the assistance
during the elaboration of the drone demonstrator and the access given to several prototyping
machines.
I lastly owe my deepest gratitude to my family for their unfailing support during this rich
and long adventure. I would like to thank especially my brother Adrien Cabarbaye for his
Electronics, Computer Science and English support.
iii
iv
Contents
Introduction 1
0.1 Operational objective........................................................................................ 1
0.1.1 Tactical UAV (TUAV) definition . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
0.1.2 TUAV benefits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
0.1.3 STOL capacity limits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
0.1.4 VTOL capacity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
0.1.5 Statement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
0.2 Concept.......................................................................................................................... 10
0.2.1 Rotor blade - forewing hybrid . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
0.2.2 Tandem wing configuration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
0.2.3 Propeller powered rotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
0.2.4 Landing configuration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
0.2.5 Concept general overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
0.3 State of the Art.................................................................................................... 15
0.3.1 Similar concept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
0.3.2 Rotor aerodynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
0.3.3 Control aspect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
0.4 Ph. D. Objectives................................................................................................... 20
0.4.1 Hover challenge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
0.4.2 Transition challenge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
0.4.3 Conceptual design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
0.4.4 Perspectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1 Model and study of a propeller powered rotor able
to comply with aeroplane mode constraints. 23
1.1 Study of the rotor performances.............................................................. 23
1.1.1 Model and study of the hovering rotor. . . . . . . . . . . . 23
1.1.2 Bench test of the demonstrator rotor. . . . . . . . . . . . . 27
1.1.3 Complementary tests performed on dedicated bench. . . . . . . . . . 34
v
1.2 Study of the interactions between the aerodynamic entities.............................. 38
1.2.1 Rotating parts and wing interaction . . . . . . . . . . . . . . 39
1.2.2 Propeller and rotor interaction . . . . . . . . . . . . . . . . 43
1.3 Partial conclusion......................................................................................................... 44
2 Model of the transition between helicopter and aero-
plane modes 45
2.1 Theory of the rotor in transition.............................................................. 45
2.1.1 Rotor forward flight theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.1.2 Extended theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
2.2 Flight dynamics...................................................................................................... 54
2.2.1 Assumptions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
2.2.2 Dynamics relations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
2.2.3 Forces and moments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
2.2.4 Aircraft aerodynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
2.3 partial conclusion................................................................................................. 78
3 Control 79
3.1 Aircraft control type....................................................................................... 79
3.2 Control study......................................................................................................... 80
3.2.1 Linear model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
3.2.2 Controlability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
3.2.3 Observability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
3.2.4 Control design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
3.3 Partial conclusion................................................................................................ 89
4 Conceptual design 91
4.1 Bill of specifications........................................................................................... 91
4.1.1 Competitors analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
4.1.2 Payload . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
4.1.3 endurance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
4.1.4 Altitude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
4.1.5 Climb performances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
4.1.6 Speeds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
4.2 Geometry.................................................................................................................... 98
4.2.1 Landing gear design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
4.2.2 Airfoil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
4.2.3 Fuselage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
4.2.4 Electric motor nacelles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
vi
4.3 Mission.......................................................................................................................... 105
4.4 Optimisation.............................................................................................................. 112
4.5 Results......................................................................................................................... 114
4.6 partial conclusion................................................................................................. 117
5 Perspectives 119
5.1 Aircraft control................................................................................................... 119
5.2 Electric propulsion system............................................................................. 120
5.3 Mini UAV derivative of the concept: (cid:16)flying rotor(cid:17)......................... 122
General conclusion 125
A Appendix: Rotor hover theory 139
A.1 Momentum theory.................................................................................................. 139
A.1.1 Hover . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
A.1.2 In climb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
A.1.3 Generalized momentum theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
A.1.4 Swirl in the wake . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
A.1.5 Profil drag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
A.2 Blade element theory......................................................................................... 146
A.3 Tip loses...................................................................................................................... 148
A.4 Root loses.................................................................................................................. 149
A.5 Generalisation (cf: autorotation).............................................................. 149
B Appendix: extended theory equations 155
B.1 Induced velocity.................................................................................................... 155
B.2 Aerodynamics forces and moment................................................................ 156
B.2.1 Rotor lift t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
B.2.2 Rotor longitudinal force h . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
B.2.3 Rotor lateral force y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
B.2.4 Rotor torque Q . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
B.3 Propulsion forces and moments:.................................................................. 161
B.3.1 Propulsion lift T . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
p
B.3.2 Propulsion longitudinal force H . . . . . . . . . . . . . . . . 165
p
B.3.3 Propulsion lateral force Y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
p
B.3.4 Propulsion torque Q . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
p
B.4 Overall rotor forces:....................................................................................... 165
B.5 Flap Motion.............................................................................................................. 167
B.5.1 Lift part . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
vii
B.5.2 propulsion part . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
B.5.3 Final flap results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
C Appendix: Dynamics model derivative 175
C.1 Dynamics relations derivative........................................................................ 176
C.1.1 Quaternion model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
C.1.2 Euler angles based model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
C.2 Stability derivatives............................................................................................ 180
C.2.1 Rotor derivatives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
C.2.2 Steady airframe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
C.2.3 Modi(cid:28)ed dynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
D Appendix: Conceptual design 195
D.1 Ambient condition................................................................................................. 195
D.1.1 Meteorology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
D.1.2 Geology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
D.2 Weight and balance............................................................................................. 196
D.2.1 Fore plane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
D.2.2 Main-Rotor Hubs and Hinges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
D.2.3 Main wing Weight . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198
D.2.4 Vertical Tail Weight . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198
D.2.5 Fuselage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198
D.2.6 Landing Gear . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
D.2.7 Fuel System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
D.2.8 Flight Controls System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
D.2.9 Propulsion System : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
D.3 Aerodynamics........................................................................................................... 203
D.3.1 Induced drag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
D.3.2 Fuselage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204
D.3.3 Electric motor nacelles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
D.3.4 Sensor turret . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
D.3.5 Landing gear . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
D.3.6 Engine installation drag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
D.4 Stability...................................................................................................................... 215
D.4.1 Longitudinal stability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
D.4.2 Lateral-Directional equilibrium and stability . . . . . . . . 221
D.5 Performances........................................................................................................... 226
D.5.1 Hover . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226
D.5.2 Climb performances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227
viii
D.5.3 OGI altitude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227
D.5.4 Stall speed . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228
D.5.5 Transition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230
D.5.6 Loiter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230
D.5.7 Max speed . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232
E Appendix: Motor control 233
E.1 BDSM modelisation..................................................................................................... 233
E.1.1 Electrical modelisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233
E.1.2 α β γ transformation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234
E.2 Control construction.................................................................................................... 235
E.2.1 Modi(cid:28)ed d q 0 transformation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236
E.2.2 Adaptive control design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236
E.3 Simulation results......................................................................................................... 239
F Appendix: (cid:16)Flying-rotor(cid:17) control 243
F.1 Model.............................................................................................................................. 243
F.1.1 Rotor forces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
F.1.2 Propellers forces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246
F.1.3 (cid:16)(cid:29)ying rotor(cid:17) UAV dynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247
F.2 Control............................................................................................................................ 248
˙
F.2.1 X control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249
˙
F.2.2 Y Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249
˙
F.2.3 Z and Ω controls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249
F.3 Simulation...................................................................................................................... 251
F.4 Motors acceleration issues:........................................................................................ 252
ix
List of Figures
1 MALE ground equipment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2 Take-o(cid:27) / landing footprint . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
3 Ground vehicle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
4 Comparison of helicopter and aeroplane (cid:29)ight envelopes . . . . . . . . . . . . 6
5 German project . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
6 Focke-Wulf FW-860 (1957) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
7 Brennan / Curtiss-Bleecker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
8 Nagler-Rolz NR 54 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
9 blended landing gear / vertical tailplane ( Courtesy of Lockheed Martin) . . 14
10 Landing con(cid:28)gurations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
11 MALE ground equipment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
12 Vertical rotor hub aircraft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
13 StopRotor Technology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
14 Spinwing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
15 Tilting rotor hub aircraft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
16 T-wing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
17 Tilting-rotor tail-sitter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.1 Un-dimentioned power . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
1.2 Propeller e(cid:30)ciency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.3 Diagram of a brushless motor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.4 Demonstrator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
1.5 Testbed . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
1.6 First motor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
1.7 Second motor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
1.8 Motor observation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
1.9 Test results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
1.10 Top view . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
1.11 Propeller e(cid:30)ciency for various blade pitch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
1.12 Propeller bench . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
x