Investigation of Blown Tubercles with Application to Tilt-Wing Aircraft

Abstract

Tilt-wing aircraft combine the vertical takeoff and landing (VTOL) capability of rotorcraft with the forward flight performance of fixed wing aircraft, simultaneously providing low speed manoeuvrability, extended range, longer endurance, and operational versatility. This combination of capabilities makes tilt-wing aircraft a key enabler of advanced air mobility. As part of an advanced air mobility network, operation in highly populated urban areas is a requirement, where safety is paramount. A critical flight phase for a tilt-wing aircraft is the transition between forward flight and vertical flight modes, where the wing must operate at post-stall angles of attack. Tubercles are bio-inspired, passive flow control devices that have been shown to drastically improve post stall aerodynamic performance of lifting surfaces. This study explores the application of tubercles to the propeller blown wing of a tilt-wing aircraft. Six different tubercle geometries were applied to the leading edge of a propeller blown wing and tested in a wind tunnel to characterize the behaviour of tubercles in the presence of a propeller slipstream. An empirical model was developed using the experimental results, and applied to an analytical simulation of transition. Finally, a preliminary flight test of a surrogate research vehicle with a similar aerodynamic environment to a tilt-wing aircraft was conducted. The experimental wind tunnel campaign showed that tubercles can increase the post-stall lift coefficient of a blown wing by up to 27%. This increased lift performance was shown to reduce the minimum required forward flight speed during transition by up to 9.6%, expanding the transition corridor. The flight test of the surrogate vehicle demonstrated that tubercles significantly reduce power requirements for a blown system that operates at high angles of attack. The reduction in power required translates to increased range, endurance, or payload capacity. This study shows that tubercles are an effective method for improving the safety of tilt-wing transition, with added utility of reducing the power required in transition.

Les aéronefs à voilure basculante combinent la capacité d’aéronef à décollage et atterrissage vertical (ADAV) des giravions avec les performances de vol en palier des aéronefs à voilure fixe, offrant simultanément une manœuvrabilité à faible vitesse, une distance franchissable étendue, une plus grande autonomie et une flexibilité opérationnelle. Cette combinaison fait des aéronefs à voilure basculante un élément clé pour la mobilité aérienne avancée. Les réseaux de mobilité aérienne avancée nécessitent des opérations dans des zones urbaines très peuplées, où la sécurité est primordiale. Une phase de vol critique pour un avion à voilure basculante est la transition entre les modes de vol en palier et de vol vertical, où l'aile fonctionne à des angles d'attaque post-décrochage. Les tubercules sont un dispositif de commande d’écoulement d’air passif et bio-inspiré qui ont démontré une amélioration considérable des performances aérodynamiques post-décrochage des surfaces portantes. Cette étude explore l'application des tubercules à l'aile soufflée d'un aéronef à voilure basculante. Six ailes munies de géométries différentes de tubercules sur leurs bords d’attaque furent testées dans une soufflerie pour caractériser leur comportement dans le souffle de l’hélice. Un modèle empirique fut développé à partir des résultats expérimentaux et appliqué à une simulation analytique de la transition. Enfin, un vol d'essai préliminaire d'un véhicule de recherche de substitution dans un environnement aérodynamique similaire à celui d'un aéronef à voilure basculante a été réalisé. Les essais en soufflerie ont montré que les tubercules peuvent augmenter le coefficient de portance post-décrochage d'une aile soufflée de 27 %. Il a été démontré que cette augmentation de la portance permet de réduire la vitesse minimale de vol en palier requise pendant la transition par 9,6 %, élargissant ainsi le domaine de transition. Le vol d'essai du véhicule de substitution a démontré que les tubercules réduisent considérablement les besoins en puissance d'un système soufflé fonctionnant à des grands angles d'attaque. La réduction de la puissance requise se traduit par une augmentation de la distance franchissable, du temps de vol ou de la charge utile. Cette étude montre que les tubercules sont une méthode efficace d’améliorer la sécurité de la transition des ailes basculantes, et qu'ils permettent en outre de réduire la puissance nécessaire à la transition.