Novel Applications of Computational Aerodynamics to Aerial Refuelling Analysis

Abstract

Air-to-air refuelling is an operational practice in military aviation which is used to increase mission lengths and to allow aircraft to stay airborne for much longer than would otherwise be possible. Furthermore, there is interest in developing air-to-air refuelling procedures in civil aviation as a means to increase fuel efficiency and to reduce carbon footprint. During air-to-air refuelling, the tanker and receiver aircraft must fly in close formation, such that the wake of the tanker has a detrimental effect on the flight dynamics of the receiver. The challenges associated with air-to-air refuelling generally stem from the necessity of performing the precise flight manoeuvres under adverse conditions. Better understanding of the interaction between the tanker and the receiver has implications for control system design, compatibility analysis, and future certification of civil air-to-air refuelling procedures. To this end, a new analysis methodology was developed and used to examine the positional stability and flight dynamics of the receiver during flying boom and probe-and-drogue refuelling. This methodology uses adjoint-based sensitivity analysis from a potential flow solver to obtain positional stability characteristics at higher computational speed and is combined with higher-order aerodynamic modelling and simplified control systems models. An F/A-18 receiver during probe-and-drogue refuelling was analyzed, revealing that, due to asymmetrical aerodynamic forces, the trim strategy required would cause cross-coupling in the dynamic response of the receiver. The framework was then extended with the inclusion of analytic pilot models to account fully for all aspects of air-to-air refuelling and to predict susceptibility to pilot-induced oscillations during flying boom refuelling. For instance, when the C-5 and C-17 were compared as receivers, the results obtained showed that the C-17 would be prone to pilot-induced oscillations in cases where an equivalent system delay was in excess of 350 ms.

Le ravitaillement en vol est une activité opérationnelle qui est utilisée pour augmenter la durée des missions et qui peut permettre aux avions l'option de rester en vol beaucoup plus longtemps qu'il ne serait autrement possible. Lors du ravitaillement en vol, l'avion ravitailleur et l'avion récepteur doivent voler en formation serrée, de sorte que le sillage du ravitailleur a un effet néfaste sur la dynamique de vol du récepteur. Les défis associés au ravitaillement en vol découlent généralement de la nécessité d’effectuer les manœuvres de vol précises dans des conditions défavorables. Une meilleure compréhension de l'interaction entre le ravitailleur-citerne et le récepteur a des implications pour la conception du système de commande, l'analyse de compatibilité et la future certification des procédures de ravitaillement en vol pour des opérations civiles. À cette fin, une nouvelle méthodologie d'analyse a été développée et utilisée pour examiner la stabilité positionelles et la dynamique de vol du récepteur pendant le ravitaillement par perche et du système sonde-drogue. Cette méthodologie utilise une analyse de sensibilité basée sur l'adjoint d'un solveur d'écoulement potentiel pour obtenir des caractéristiques de stabilité de position à une vitesse de calcul plus élevée. Elle est aussi combinée avec une modélisation aérodynamique d'ordre supérieur et des modèles de systèmes de commande simplifiés. L'analyse d'un récepteur F/A-18 pendant le ravitaillement par carburant de la sonde et de la drogue a été effectuée, montrant qu'en raison des forces aérodynamiques asymétriques, la stratégie de compensation provoquerait un couplage de façon crois dans la réponse dynamique du récepteur. Le cadre a ensuite été étendu avec des modèles des pilotes analytiques pour prédire la susceptibilité aux oscillations induites par le pilote lors du ravitaillement en vol. Par example, lorsque le C-5 et le C-17 ont été comparés en tant que récepteurs, les résultats obtenus ont montré que le C-17 serait sujet à des oscillations induites par le pilote dans les cas où le délai équivalent du système dépassait 350 ms.