Studies of aerodynamically induced vibrations on the P-3Cmaritime surveillance aircraft and proposed vibration reducing measures

Abstract

After installation of a radome on the P-3C aircraft, vibrations occur in flight that were not present earlier. The vibrations are specially noticeable at high airspeeds. The cause of the vibrations is confirmed to be random or partly oscillatory aerodynamic forces caused by the radome and acting at the aft part of the aircraft. The vibrations are experienced to be unpleasant for the crew and there is a risk that they can lead to formation of cracks and fatigue of main framework or reinforcing structures of the airplane. To reduce the vibrations to a safe and comfortable level, we have to understand their cause. FFI has occasionally been engaged in this problem through in-flight vibration measurements, through the design of aerodynamic counter measures that we call “fairings” and by carrying out computational fluid dynamics (CFD) simulations to study the topology and consequences of the strongly turbulent wake downstream the radome and the forces acting at the aft part of the fuselage. The radome is shaped as a hemisphere attached to a cylinder with same radius as the hemisphere. It extends beyond the fuselage and alters the airflow at the aft part of the airplane. A horseshoe vortex and a massive turbulent wake is formed. Both CFD analysis, wind tunnel measurements and vibration measurements during flight have been used to identify the nature of the problem. Test flights were carried through last summer. For the vibration measurements, 15 accelerometers were mounted at carefully selected points at the aircraft frame. Three test flights were undertaken. One with the radome dismounted which we call clean aircraft, one with the radome attached and one with the radome and fairing attached. We have designed several fairings formed like a wedge with a fillet and a pair of vortex generators. The purpose has been to alter the airflow of the radome wake in a way that will reduce vibrations. The attempt has been to weaken the horseshoe vortex and the intensity of the turbulent wake and to move the vortices and wake away from the fuselage. CFD simulations have indicated that the effect of the fairing is as expected and the footprint of the radome wake that touches the fuselage is more narrow which results in a weakening of the aerodynamic forces and torques acting on the fuselage. 0.1 Results The vibrations were strongest in the flight regime of high airspeed. The strongest vibrations were registered in the aft part of the boom. The vibrations increase with distance from center of gravity (CG). Lowest levels of the vibrations were observed with clean airplane. The strongest vibrations were observed with the radome without fairing. The effect of the fairing is as expected. The measured vibrations are reduced during nearly all flight conditions compared to airplane with radome. The fairing produces counter-rotating vortices that weaken the radome generated horseshoe vortex and wake. The vortex generator that we have tested has a moderate impact. A more active vortex generator could reduce vibrations even more.

Etter installasjon av en ny radom på P-3C maritimt overvåkningsfly forekommer vibrasjoner under flyvning som ikke var der tidligere. Vibrasjonene er spesielt merkbare ved høye “air speeds”. Opphavet til vibrasjonene er bekreftet å være stokastiske og tildels oscillerende aerodynamiske krefter forårsaket av radomen som virker på bakkroppen på flyet. Vibrasjonene er ubehagelige for bemanningen og det er risiko for at sprekker og tretthetsskader vil opptre i flyets bærende strukturer. For å kunne redusere vibrasjonene til et sikkert og komfortabelt nivå må vi forstå grunnen til at de opptrer. FFI har ved flere anledninger blitt engasjert i dette problemkomplekset gjennom vibrasjonsmålinger under flyvning, gjennom design av aerodynamiske motmidler som vi kaller “fairings” og ved å utføre (CFD - computational fluid dynamics) simuleringer for å studere topologi og konsekvenser av den sterkt turbulente luftstrømmen nedstrøms i forhold til radomen og kreftene som virker på flyets bakkropp. Radomen er formet som en halvkule festet på en sylinder med samme radius som kula. Radomen stikker ut av skroget og påvirker luftstrømmen bakover. En hesteskovirvel og et massivt turbulent kjølvann dannes. Både CFD analyse, vindtunnel-eksperimenter og vibrasjonsmålinger under flyvning har blitt benyttet til å identifisere årsaken til problemet. Sommeren 2012 ble 15 akselerometere montert på spesielt uvalgte punkter på flyet. Tre testflyvninger ble gjennomført. En med radomen fjernet fra flyet som vi kaller “clean aircraft”, en med radomen og en med radom og “fairing”. Vi har designet flere “fairinger” formet som en kile med avrunding og et par virvelgeneratorer. Formålet har vært å endre luftstrømmen i radomkjølvannet slik at påvirkningen på flyet blir svakere. Vi har forsøkt å svekke hesteskovirvelen og turbulensintensiteten i kjølvannet samtidig som vi har forsøkt å trekke virvlene ut fra flyskroget. CFD-simuleringene har indikert at effekten av fairingen er som forventet og at fotavtrykket av kjølvannet mot flyskroget er svakere og smalere enn for radom uten fairing. Dette reduserer de aerodynamiske kreftene som påvirker skroget. 0.2 Resultater Vibrasjonene var sterkest i flyvningsregimet med høy hastighet, og vibrasjonene økte med avstand fra tyngdepunktet (CG), dvs de sterkeste vibrasjonene ble registrert bakerst i bommen. Det er alltid vibrasjoner i et fly. Sommerens testkampanje viste at det laveste nivået på vibrasjoner ble observert for “clean aircraft”. De sterkeste vibrasjonene ble observert med radom uten fairing. Effekten av fairingen var som forventet. Vibrasjonene ble redusert under nesten alle flyforhold sammenlignet med radome uten fairing. Fairingen genererer motroterende virvler som demper virvler og kjølvann forårsaket av radomen. Virvelgeneratoren som vi har testet har en moderat virkning. En mer aktiv virvelgenerator kan potensielt redusere vibrasjonene ytterligere.