design of Amphibious Tiltrotor for Rescue Operations · PDF fileAmphibious Tiltrotor for...

33
Conceptual design of Amphibious Tiltrotor for Rescue Operations : VECTOR Faculty Advisor: Dr., Full professor, AIAA Associate Fellow, Head of Department of Aerospace Engineering, Wroclaw University of Technology, Wroclaw, Poland Krzysztof Sibilski Project Team: Team Leader, M.S. Student, Warsaw School of Computer Science, Warsaw, Poland Bart Sitek Ph.D. Candidate, Tongji University, Shanghai, People’s Republic of China Wei Yang

Transcript of design of Amphibious Tiltrotor for Rescue Operations · PDF fileAmphibious Tiltrotor for...

 

 

      

Conceptual design of Amphibious Tiltrotor for 

Rescue Operations : VECTOR   

 

  

Faculty Advisor:   Dr., Full professor,  AIAA Associate Fellow,  Head of Department of Aerospace Engineering, Wroclaw University of Technology, Wroclaw, Poland Krzysztof Sibilski     

Project Team:   Team Leader,  M.S. Student,  Warsaw School of Computer Science, Warsaw, Poland Bart Sitek   Ph.D. Candidate,  Tongji University,  Shanghai, People’s Republic of China Wei Yang  

  

 

 

 

 

 

 

Abstract A vector is what is needed to "carry" the point A to the point B; the Latin word vector 

means "one who carries". [1] 

VECTOR ‐ a high‐speed, long range tiltrotor designed for rescue and firefighting 

missions. It’s capable of carrying up to 54 passengers (+ medical personnel) and a water tank. 

Next‐gen configuration, materials and advanced rotary technologies were applied into the 

design of this vehicle. It’s able to land on a diverse terrain, including water. It can reach max 

speed of 684 km/h and go as far as 1720 km, which means saving more lives. 

Capabilities of the VECTOR can fulfill the expanding civil requirements and contribute 

to the current search and rescue teams in any place of the world.  

 [2] 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

[1] Oxford English Dictionary. Oxford University Press. 2nd ed. 1989. and Jeff Miller. "Earliest Known 

Uses of Some of the Words of Mathematics" 

[2] Source image: http://www.153aw.ang.af.mil/news/story.asp?id=123154750 

 

 

Table of Contents  

1.  Introduction ................................................................................................................................ 4 

2.  Objectives .................................................................................................................................... 5 

3.  Design .......................................................................................................................................... 5 

A.  General Design Approach ...................................................................................................... 5 

B.  Seating Configuration and Cabin Design .............................................................................. 7 

C.  Chassis Design ........................................................................................................................ 7 

4.  Propulsion ................................................................................................................................... 9 

A.  Power Estimation .................................................................................................................... 9 

B.  Engine Selection .................................................................................................................... 10 

C.  Ducted Fan Design ................................................................................................................. 11 

D.  Power Needed in Flight ......................................................................................................... 12 

5.  Aerodynamics ............................................................................................................................. 12 

A.  Computational Fluid Dynamics ............................................................................................ 12 

B.  Flow Characteristics .............................................................................................................. 15 

6.  Performance ............................................................................................................................... 17 

A.  Transportation Efficiency ...................................................................................................... 17 

B.  Weight Estimation ................................................................................................................. 18 

C.  Speed Estimation ................................................................................................................... 19 

D.  Stability Analysis .................................................................................................................... 19 

E.  Fuel and Range ....................................................................................................................... 23 

7.  Material Selection ..................................................................................................................... 24 

8.  Cost Analysis .............................................................................................................................. 25 

9.  Conclusion and Recommendations ......................................................................................... 26 

References .......................................................................................................................................... 27 

Bibliography ...................................................................................................................................... 28 

Appendices ........................................................................................................................................ 29 

Appendix A.  Modelling Action of the Blades ........................................................................ 29 

Appendix B.  Stability Analysis ............................................................................................... 30 

Appendix C.  Longitudinal Dynamics ...................................................................................... 31 

Appendix D.  On‐water Stability Analysis ............................................................................... 33 

 

 

 

Introduction This paper introduces the VECTOR ‐ a high‐speed, long range tiltrotor designed for 

rescue and firefighting missions. It’s capable of carrying up to 54 passengers (+ medical 

personnel) and a water tank. Next‐gen configuration, materials and advanced rotary 

technologies were applied into the design of this tiltrotor. Capabilities of the VECTOR can 

fulfill the expanding civil requirements and contribute to the current search and rescue teams 

in any place of the world. 

Helicopters have always had a hard time going fast. The forward motion of the chopper 

adds airspeed to advancing blades, while simultaneously reducing the speed of retreating 

blades. So, at high speeds one blade risks going supersonic as it gains lift, while a blade on the 

other side teeters on the edge of a stall. High‐speed tiltrotors don’t have that problem and they 

can be faster than choppers, while maintaining ability to land in hard‐to‐get‐to places. 

Compared with wing‐based crafts (Figure 1.1.), tiltrotors seem to be the best candidates for 

diverse rescue or firefighting operations, especially when lives are at stake.  

 Figure 1.1. Air vehicle transportation efficiency. 

  The Objectives section presents design objectives and goals that are met or exceeded by 

the vehicle. The Design section describes construction of the vehicle and its subsystems 

including seating configuration and chassis design. Propulsion section presents power 

estimation and all the propulsion related components like engines or fans. The Aerodynamics 

section presents fluid dynamics and flow characteristics study. The Performance section shows 

analysis of transportation efficiency, stability, speed, weight, range and fuel consumption. The 

Material Selection section describes materials used for construction of VECTOR. The Cost 

Analysis section presents estimated various costs needed to manufacture the VECTOR. Finally, 

the Conclusion and Recommendations section concludes the document and gives some 

recommendations for further research and study. 

 

 

102

103

10-1

100

Speed (m/s)

E=P

/WV

AirplaneHelicopterSeaplane

G-K line

speed gap

 

1. Objectives The team engineered the craft to meet and exceed all of the following design goals: 

Cruise speed: 540 km/h 

Range: 1480 km 

Take‐off from water or ground; land on water or ground. Water includes lakes and 

oceans 

Carry up to 50 passengers 

Ability to siphon water into an internal tank and expel water while airborne 

 

Construction was based on field tested components and solutions to ensure the best possible 

reliability and simplicity of the design.  

2. Design 

A. General Design Approach 

To specify main characteristics the team performed rough estimation, based on 

research on crafts like V‐22 Osprey, or Bell‐Boeing QTR. There was need to include new types 

of materials, and to make sure that design meets the given objectives. Here are the main 

conclusions: 

Main characteristics: 

Crew: two (pilot, copilot) 

Capacity: 60 passengers or 14 tons cargo 

Length: 12 m 

Width without nozzles: 8 m 

Height: 2.5 m 

Disc area: 4 × 2.7 m² 

Body area: 96 m² (top view) 

Empty weight: 11 ton 

Inside payload: 14 ton 

Max takeoff weight: 30 tons 

Powerplant: 4 × Honeywell's T55 engine, 4 × 3,631 kW  

 

Performance: 

Maximum speed: 190 m/s (684 km/h) 

Cruise speed: 162 m/s at sea level     

Power/mass: 484 kW/ ton 

Lifting body was introduced to provide enough force to lift itself. Its layout is shown in 

figure 2.1. The monocoque body has airfoil‐shaped section so as to provide good aerodynamics 

and it is wide to give best possible in‐air and on‐water stability. Water tank is placed inside the 

chassis to further improve the stability and weight distribution. Design introduces ducted 

nozzles with contra‐rotating propellers resulting in high performance and low induced energy 

loss. Searchlights attached on the front make looking for people easier and fluorescent orange 

 

coating of the unibody ensures great visibility of the vehicle during rescue operations. 

 

 

Figure 2.1. Rough body layout. 

 

As a tiltrotor, the craft has characteristics of an airplane and a helicopter. In Cruise, it is more 

like an airplane what ensures maximum power and efficiency. Horizontal tail and vertical tail 

were also used to further improve stability. 

          

 

Figure 2.2. 3D presentation of the VECTOR.  

 

B. Seating Configuration and Cabin Design Rescue vehicle like VECTOR needs to be properly designed in terms of seating 

configuration, especially because some of the carried people may be wounded. Idea of web 

benches in VECTOR is taken straight from the C‐130 Hercules. Benches are modular and 

economical and what’s important they can be easily converted to stretchers if needed. 

Two web benches (6 people each) are attached back‐to‐back to a support beam. Each pair of 

web benches can have 12 people. VECTOR can handle total of 54 people + additional bench for 

medical personnel (up to 6 people) and 2 pilots.  

 

                Figure 2.3. Seating configuration. 

Crew cabin has enough space for 2 crew members (pilot and co‐pilot) and holds 

standard equipment. It is designed to ensure the best possible visibility for the pilots by having 

a wide window in front of them. During night operations, or when there’s limited visibility 

pilots can control searchlights attached to the front of the vehicle. They also have access to 

infrared and night vision cameras which makes it even easier to find and rescue people in 

need. 

 

C. Chassis Design Smart chassis design is crucial, especially in case of a multi‐purpose vehicle that needs 

to land on diverse terrain. Usually there are different types of replaceable/retractable gear 

needed for each mission/surface. For VECTOR though, the team decided to come up with a 

special kind of versatile chassis. One that would work like rubber boat while on‐water and 

suppress the impact while landing on a solid surface. Thanks to this approach there is no need 

for replaceable, modular gear of any sort. This type of solution greatly simplifies the 

construction, reduces weight and costs in the long run. Main problem here was to come up 

with an elastic type of chassis that would absorb the impact and wouldn’t be easily punctured. 

Chassis’ inner structure is pretty much based on a Non‐Pneumatic Tire (NPT) made of 

polymeric web and designed by Resilient Technologies, LLC [1]. VECTOR’s bottom though, 

 

won’t be airless like in those tires and the structure will be closed instead. This is because air 

sitting in the “tunnels” of the structure helps VECTOR’s buoyancy. Thanks to the polymer web 

structure, body of the chassis is well reinforced and reliable. Even if there’s some structural 

damage inflicted, vehicle’s bottom can still absorb impact from landing on a solid surface and 

keep VECTOR on‐water without any problem. The chassis is additionally covered with a 

special phenol coating as to protect it from high temperatures during the firefighting missions.  

Water tank is embedded inside the chassis which gives good weight distribution, and 

while the tank is empty it additionally helps to keep vehicle afloat. There is also a siphoning 

system with an electric pump installed so that the crew can lower a retractable pipe to get 

water inside the tank. To save the water and to enable more precise firefighting capabilities the 

system allows segmented drops over multiple fires without landing. 

 

 

Figure 2.4. Chassis prototype idea. [1] 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Propulsion 

A. Power Estimation 

Targeted cruise status: 

Speed:  vcruise=155 m/s 

Takeoff weight Wt= 25 tons 

The ducted propeller efficiency is lower than that of open propeller. The total efficiency 

 of the current design is 0.7. According to CFD results, the designed T/W was estimated 

based on L/D performance of the craft (equation (1) and shown in Figure 4.1.) The max T/W 

happens at cruise and the T/W is 0.2685. Consequently, the total needed power of the engine 

can be calculated by equation (2). It is about 14500 kW. 

T/W= D/L                    (1) 

T, thrust KN; W,  81.9tW  kN. 

enginecruise PvW

TW max)(            (2) 

 

Figure 4.1. Thrust to Weight ratio. 

 

 

 

 

 

 

0 2 4 6 8 100.15

0.2

0.25

0.3

Angle of attack

T/w

10 

 

B. Engine Selection 

After researching about other similar crafts the team decided on Honeywell’s T55 

turboshaft engine that possesses all the necessary characteristics. Very same engine is used in 

CH‐47 Chinook heavy‐lift helicopter, which was field‐tested during many heavy‐duty military 

missions all around the globe, in Vietnam, Falklands, Iraq and Afghanistan. 

Engine Specifications[1]: 

Engine type:  

4 × Honeywell's T55 engine 

General characteristics: 

Type: Turboshaft 

Length: 1,196.3 mm 

Diameter: 615.9 mm 

Dry weight: 377kg 

Components: 

Compressor: 7‐stage axial compressor and 1‐stage centrifugal compressor 

Turbine: 2‐stage gas producer and 2‐stage free power 

Performance: 

Maximum power output: 4,867 shp (3,631 kW) 

Total power: 4 × 3631 = 14524 kW 

 

        

Figure 4.2. Engine sectional view. [2]                     Figure 4.3. Engine Air Flow diagram. [2] 

 

 

 

 

 

 

11 

 

C. Ducted Fan Design 

A ducted fan is a propulsion arrangement whereby a fan, which is a type of propeller, is 

mounted within a cylindrical shroud or duct. The duct reduces losses in thrust from the tip 

vortices of the fan, and varying the cross‐section of the duct allows the designer to 

advantageously affect the velocity and pressure of the airflow according to Bernoulli's 

Principle. Ducted fan propulsion is used in aircraft, airboats, hovercraft and fan packs. 

Advantages: 

By reducing propeller blade tip losses and directing its thrust towards the back only, 

the ducted fan is more efficient in producing thrust than a conventional propeller, 

especially at higher rotational speeds. 

By sizing the ductwork appropriately, the designer can adjust the air velocity through 

the fan to allow it to operate more efficiently at higher air speeds than a propeller 

would. 

For the same static thrust, a ducted fan has a smaller diameter than a free propeller. 

Ducted fans are quieter than propellers: they shield the blade noise, and reduce the tip 

speed and intensity of the tip vortices both of which contribute to noise production. 

Ducted fans can allow for a limited amount of thrust vectoring, something normal 

propellers are not well suited for. This allows them to be used instead of tiltrotors in 

some applications. 

Disadvantages: 

Good efficiency requires very small clearance between blade tips and the duct. 

Ducts are heavy and expensive. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Figure 4.4. Duct area effect on thrust [3] 

 

Figure 4.4. shows the duct area effect on thrust.  TD, Thrust of ducted propeller; T, Thrust of 

open propeller. Ae, Area of duct exit, ¼ × pi × De2 ; Ad, Area of blade disk, ¼ × pi ×De

2;   A0, 

Capture area, ¼ × pi × D02.  To pursue best performance, Ae/Ad =1.2 is applied in the duct 

design. In our design Ae≈ A0=2.7377m2. 

 

1 1.05 1.1 1.15 1.2 1.25 1.3 1.35 1.40.5

0.52

0.54

0.56

0.58

0.6

0.62

0.64

0.66

0.68

Ae/Ad

Effi

cien

cy

12 

 

D. Power Needed in Flight 

As the craft can be lifted by itself, the needed power in cruise can be calculated based 

on drag performance (equation 3). Figure 4.5. shows the needed power for cruise with varying 

speed and angle of attack.  

 

The available power for thrust is  engineavailable PP = 10100 kW. 

        1000/

2

1 3Dneed sCvP   (kW)                                (3) 

 

Figure 4.5. Power needed in cruise. 

 

The engine performance is clearly described in Figure 4.5. with different speed and 

angle of attack. This figure also gives an advice for operation. 

 

4. Aerodynamics 

A. Computational Fluid Dynamics 

The aerodynamic performance was studied by using Computational Fluid Dynamics 

method (CFD). A simplified half‐model was employed into numerical simulation, owing to 

symmetry of the geometry (Figure 5.1.). Nozzles were omitted in CFD study, no propulsion 

system was employed into the numerical simulations. The structured‐unstructured hybrid grid 

method was applied to the simulations. Hybrid grid methods are designed to take advantage of 

the positive aspects of both structured and unstructured grids. Structured grid was specified in 

the bulk of the domain, and unstructured grid in local regions for complex craft geometry. For 

resolution of turbulent boundary layer profiles, a wall normal spacing of 2.0e‐4 of the mean 

aerodynamic chord was used for craft; an average y+ value of 200 for craft was achieved. Ten 

layers of cells were clustered towards the walls with a growth ratio of 1.2 in the wall normal 

0 50 100 150 2000

5000

10000

15000

Speed (m/s)

Pow

er (k

w)

=10o=5o

=0oPavailable

13 

 

direction. The total number of cells was approximately 2.5 million. The numerical simulations 

were conducted at a Reynolds number, based on the mean chord length of the main wing, of 

6×107. The use of computational fluid dynamics codes to simulate the flow around 

geometrically complicated shapes such as airplanes, cars and ships has become standard 

engineering practice in the last few years. A number of commercially available codes can be 

used to perform these studies. The finite volume codes FLUENT[1] was employed in the present 

study. It has been performing well in aerodynamic prediction for craft[2]. 

 

                  

Figure 5.1. Model in simulation.                                Figure 5.2. Surface grids.  

 

The governing equations are the incompressible Reynolds‐averaged Navier‐Stokes equations 

for continuity and momentum:  

0

i

i

x

U                             (1) 

j

jii

x

UU

t

U

)(

)(1 ''

2

jijjj

i

i

uuxxx

U

x

P

                               (2) 

where  ''jiuu is the Reynolds stress term. The realizable  turbulence model[3] is used. The 

transport equations of   and   are written as, 

kMbkjk

t

jj

j

SYGGx

k

xku

xk

t

)()()(                (3) 

SGC

kC

kCSC

xxu

xt bj

t

jj

j

31

2

21)()()(        (4) 

This turbulence model has been extensively validated and well behaved for a wide 

range of flows, including rotating homogeneous shear flows, free flows including jets and 

14 

 

mixing layers, channel and boundary layer flows, and separated flows. The incompressible 

Navier‐Stokes equations, Eq. (1) and Eq. (2), are solved by the SIMPLE algorithm with a 

second‐order upwind scheme applied to the convection terms. 

 

 

Figure 5.3.  Aerodynamics of the craft. 

Figure 5.3. presents the CFD results. The center of gravity is placed at 1/4 mean chord length. It 

can be seen that the craft has max L/D at 5 .  

Also, we can get: 

0286.0LC           (angle of attack degree) 

002065.0mC    (angle of attack degree) 

 L/Dmax = 5.823 

 

 

 

 

 

0 2 4 6 8 100.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

0.08

Angle of attack

CD

0 2 4 6 8 100.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

Angle of attackC

L

0 2 4 6 8 103.5

4

4.5

5

5.5

6

Angle of attack

L/D

0 2 4 6 8 10-0.02

-0.018

-0.016

-0.014

-0.012

-0.01

-0.008

-0.006

-0.004

-0.002

0

Angle of attack

Cm

15 

 

B. Flow Characteristics 

             

Figure 5.4. Static pressure distribution, 5     Figure 5.5. Total pressure distribution, 5  

 

 

Figure 5.6. Streamline,  5  

 

Flow in takeoff or hovering: 

              

Figure 5.7.   Flow in takeoff or hovering, colored by velocity. 

 

 

 

 

16 

 

Flow in cruise: 

                         

Figure  5.8.  Flow in cruise, colored by velocity. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

17 

 

5. Performance 

A. Transportation Efficiency 

In the following part, the transportation efficiency of VECTOR was compared with 

some high speed helicopters. Giuseppe Gabrielli and Theodore Von Karman defined the 

specific resistance of a vehicle[1,2], E, as maximum motor output power P, divided by total 

weight W multiplied by maximum speed Vmax.   

E=P/WVmax                        (1) 

The lower value of E means higher transportation efficiency. The transportation 

characteristic Wp/W presents the effective capacity of craft. In order to describe the 

transportation performance in high speed, the payload weight Wp is specified with the max 

inside payload. The results are shown below.  

By Figure 6.1., we can see that the specific resistance of VECTOR is a bit high, although 

it can reach very high speed. This is attributed to the propeller system utilized in VECTOR, the 

ducted propeller. The efficiency of ducted propeller is lower than that of open propeller. Figure 

6.2. tells another story that the VECTOR has a high capacity in high speed. That means the 

VECTOR has more effective payload, furthermore it can carry this payload cruise in very high 

speed. This is exactly what we want. 

   Figure 6.1. Specific resistance of some high speed helicopters. 

             Figure 6.2. Relative capacity in high speed. 

 

Conclusions: 

As for transportation, the VECTOR has: 

a) Outstanding speed performance. 

b) Excellent payload capacity in high speed. 

c) Considerable fuel efficiency. 

 

60 80 100 120 140 160 180 2000.2

0.22

0.24

0.26

0.28

0.3

0.32

0.34

Max speed (m/s)

E

Canadair CL-84Sikorsky X2AH-56 CheyennePiasecki X-49V-22 OspreyVECTOR

60 80 100 120 140 160 180 2000.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

0.45

0.5

Max speed (m/s)

Wp/W

Canadair CL-84AH-56 CheyennePiasecki X-49V-22 OspreyVECTOR

18 

 

B. Weight Estimation 

Takeoff weight estimation: 

Figure 6.3. presents the takeoff weight and total power of helicopter. For the current 

design, the effective power comparing with conventional helicopter is Pengine* = 10100 kW. It is 

found in the figure that the current design can be specified with a takeoff weight of 30 ton. 

 

 

Figure 6.3. Takeoff weight and power 

 

Inside payload Wp estimation: 

It is specified for the craft that the lift to drag ratio in cruise is L/D= 5.823. The lift can 

be calculated by: 

cruiseDL 823.5                                 (2) 

By equations 2 and 4, we have L= 364.8 kN. That is about 37 tons. It is estimated above 

that the max takeoff weight is 30 tons, so the craft can cruise with 30 tones. If the empty 

weight We is given, then the inside payload Wp depends on the effective space in craft or 30‐

We. 

Effective cargo space of VECTOR estimation: 

Volume = 6m × 8m × effective height = 6 × 8 × 1.5 = 72m3 

 

Effective cargo space for QTR / C‐130 Hercules[3,4]:  12.5 × 2.7 × 3m3  =  101.25m3 

Payload of QTR / C‐130 Hercules: 20 tons 

So, the cargo for VECTOR will be:  20 × 72 / 101.25 = 14 tons  

 

The inside payload is Wp = 14 tons (includes 5 tons of water in the tank and 60 passengers) 

Based on these calculations the empty weight can vary between 8‐12 tons or more. 

 

0 5 10 15 20 25 30 350

2000

4000

6000

8000

10000

12000

Takeoff Weight (ton)

Pow

er (K

W)

19 

 

C. Speed Estimation 

Cruise speed  cruisev  estimation: 

The max L/D happens at angle of attack 5 degrees, L/D= 5.823. Cruise in this status, the 

craft achieves the most efficient flight. 

Thrust  availableT can be provided by engine:     enginecruiseavailable PvT   (3) 

Drag  cruiseD  in cruise based on CFD results:     Dcruisecruise sCvD 2

2

1       (4) 

Thrust meets drag:    cruiseavailable DT                    (5) 

By equations 3‐5, we have  162cruisev m/s 

 

Maximum cruise speed  maxv estimation: 

Thrust in max cruise speed:    enginePvT max                        (6) 

Min drag at zero angle of attack:     DsCvD 2max2

1                (7) 

For max speed, T=D.    So,  maxv = 190 m/s. 

 

D. Stability Analysis 

Aircraft longitudinal and lateral flight dynamics are described by a set of 6 Degree of 

Freedom (DOF) non linear differential Equations of Motion (EOM). The EOM are based on 

Newton’s second law for the behavior of a free body in 3 dimensional space under the influence 

of external forces. This paper restricts itself to the longitudinal dynamics which can be 

decoupled and modeled separately from the lateral case. 

 

Figure 6.4. Stability axes and body axes. 

 

20 

 

 

Static Longitudinal Stability: 

Longitudinal static stability is the stability of an aircraft in the longitudinal, or pitching, 

plane during static (established) conditions. This characteristic is important in determining 

whether an aircraft will be able to fly as intended. The stability axes are shown in Figure 6.4. 

If an aircraft is longitudinally stable, a small increase in angle of attack will cause the 

pitching moment on the aircraft to change so that the angle of attack decreases. Similarly, a 

small decrease in angle of attack will cause the pitching moment to change so that the angle of 

attack increases. That is,  

0

L

m

C

C                                   (8) 

As for all airplanes, the lift increases with increase of angle of attack,  0

LC, then a 

longitudinal static stable airplane must be, 

0

mC                                          (9) 

Equation 9 is the condition of longitudinal static stability for airplane. It is sensitive to position 

for center of gravity. From the CFD study, it is clear that the current project is static stable and 

the location of center of gravity (1/4 chord) is rational. 

For trim, we also need:     

0mC                                                (10) 

By CFD we can get  mC  and  mtC .  mC  is pitch moment derivative for craft,  mtC is pitch 

moment derivatives of tail. Then, 

emtmmm CCCC 0 =0                    (11) 

e is the elevator deflection angle. Moment trim can be achieved by control the elevator 

deflection angle (equation 11). 

 

Longitudinal Dynamics: 

Newton’s second law requires that the sum of all external forces acting on the aircraft 

be equal to the time derivative of its momentum. To simplify the analysis, the Newtonian 

vector equations are recast in scalar form consisting of 3 force and 3 moment equations.  

Due to the complexity of the non linear EOM, it becomes necessary to linearize the 

equations. The linearization is based on perturbation theory with the assumption that the 

aircraft is flying in an equilibrium condition.  

21 

 

The linearization yields a set of first order Linear Time Invariant (LTI) differential 

equations with constant coefficients. The LTI are only valid over a narrow range of flight 

conditions. The constant coefficients reflect the aerodynamic stability derivatives, control 

derivatives, mass and inertia of the aircraft. These in turn embodies the flight condition 

parameters, control inputs, and geometric characteristics of the aircraft. Calculations and 

other relevant longitudinal dynamics characteristics can be found in Appendix C. 

Figure 6.5. Typical pilot opinion contours for short period. 

  

Figure 6.6. Control anticipation parameter and  Short Period damping ratio requirements. 

 

The VECTOR is a passenger carrying vehicle, so it should be designed to satisfy the 

flying quality of Level I at the cruising conditions. Level I requirements for MIL‐F‐8785C and 

MIL‐STD‐1797A are given in Table 2 of Appendix C. 

The handling quality criterion presented here is based on the research presented by 

O’Hara[8]. The flying qualities a pilot experiences when flying the craft depends very much on 

the damping ratio and natural frequency of the short period response. It is shown in Figure 6.6. 

that short period damping ratio and natural frequency are plotted in the center of the contours 

of the graph, the craft has satisfactory handing qualities. The control anticipation factor (CAP) 

also satisfies Level I requirements.   

The time responses are shown in Figure 6.7. The perturbed quantity is the 

dimensionless pitch motion. 

 

22 

 

   

   (a)  Short Period                          (b)  Phugoid    

Figure 6.7. VECTOR cruise open loop response. 

 

The stability analysis is based on coarse estimation and engines, blades, or nozzles were 

not taken into consideration. There are approximations in calculating longitudinal derivatives. 

The key point is that the VECTOR satisfies Level I requirements for flying qualities and shows 

good static and dynamic longitudinal stabilities.  

 

On‐water Stability 

There are in fact two Metacentric heights of a ship. One for Rolling and the other for 

Pitching. The former will always be less than the latter and unless otherwise stated, the 

Metacentric given will be for Rolling. The essence of stability calculations is finding the force 

couple between buoyancy and weight. This is the moment of force which a stable ship 

develops to counteract the overturning moments arising from external forces. 

 

Figure 6.8. Ship roll motion. 

 

The VECTOR has positive stability for the metacenter is above the center of gravity. 

(See Appendix D. for the calculations) 

0 1 2 3 4 5 6 7 8-0.05

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

Time (sec)

Per

turb

atio

n

0 100 200 300 400 500-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Time (sec)

Per

turb

atio

n

23 

 

 

Figure 6.9. Typical stability curves.[15,16] 

 

Stability curves (GZ curves) are used to show graphically the stability levers (GZ) exerted by a 

vessel to return itself to a position of equilibrium from the various conditions of heel.  

Figure 6.9. shows the typical stability curves. The nozzles of VECTOR should not touch the 

water, so the heel angle  is no more than 12 degrees for rolling motion. 

 

E. Fuel and Range 

Characteristics of the specified engine[14] : 

Honeywell Engines & Systems T55‐L‐714A  

Applications:                         CH‐47S/D & HCMK3 (2)  

Max takeoff:                         4867 SHP ;   3,631 kW 

Max continuous power:     4168 SHP;    3,110 kW 

Fuel consumption:              .520  lbs/shp hr;  0.1760 kg/kW hr     

Weight:                                  879 lbs 

Dimensions:                          47.1/24.25 D  

Remarks:                               International Configuration 

 

Power needed for the engine in cruise: 

cruisevDP                cruiseDcruise vsCvP 2

2

1               P = 3100 kW 

Max weight of fuel: Wf = 6,500 kg  ( included in 14 tons inside payload ) 

 

24 

 

Range:       tvL cruise                 tPWf

1760.04                L = 1720 km 

6. Material Selection Material selection is being a very important part of the whole design process. A 

rotocraft used for rescue missions has to be able to work in various, possibly hazardous 

conditions (high temperature or moisture). To make sure the vehicle is safe and reliable, it 

needs to be constructed using carefully chosen and well tested materials. 

The team decided to use composites for vast majority of the construction, particularly 

CRP (Carbon fiber‐Reinforced Plastics) and FRP (Fiberglass Reinforced Plastics). Main reason 

for this choice was significant reduction of weight, ability to use much simpler moulded parts 

and resistance to fire. Comparing to widely used aluminum, composites have stronger 

structure, are lighter, cheaper, faster and easier to manufacture. Moreover, they have already 

been field‐tested. Composites have proven to be highly successful in the field of aeronautics 

numerous of times and much of the fuselage of aircrafts like Boeing 787 Dreamliner or Airbus 

A350 XWB is made of them.  

For example, here are some advantages over a traditional rudder made from sheet aluminum 

for Airbus A310[1]: 

25% reduction in weight 

95% reduction in components by combining parts and forms into simpler moulded 

parts. 

Overall reduction in production and operational costs, economy of parts results in 

lower production costs and the weight savings create fuel savings that lower the 

operational costs of flying the aeroplane. 

FRP and CRP are corrosion resistant which is great for a vehicle that’s going to have 

much contact with water. All the VECTOR’s surfaces exposed to high temperatures (eg. during 

firefighting missions) are also insulated with phenol which posseses superior fire protection 

and retardancy habits. Some specially filled phenol resins exhibit fire retardancy features up to 

5000 ºC [2]. 

 

The advantages of phenol laminates[2]: 

no auto‐propagation of flame 

very low smoke development (lowest possible) 

very low toxic fume emission (almost not measurable) 

low heat release 

no release of flammable vapor 

very low loss of strength at high operating temperatures up to 200 ºC 

low thermal conductivity 

 

Polymers have almost infinite lifespan, but they’re also recyclable. They can be 

25 

 

thermally decomposed in a one‐step process and carbon fiber can be reclaimed. Then they can 

be reused in e.g. consumer electronics [3]. 

7. Cost Analysis For the cost analysis the team used on‐line NASA Cost Estimating Web Site, and 

particularly the Airframe Cost Model. The airframe cost refers to the cost of the assembled 

structural and aerodynamic components of the air vehicle and not just the basic structure [1]. 

The analysis was based on the assumption that 100 tiltrotors were manufactured (excluding 3 

test flight vehicles). 

 

 Table 1. Airframe Cost Model for the VECTOR. 

  Hours (K) 

Cost (M04$) 

Non‐Recurring Costs 

Engineering  3339  395 

Tooling  1879  194 

Development Support 

  98 

Flight Test    28 

Subtotal non‐recurring 

5218  715 

Recurring Costs 

Engineering  1526  181 

Tooling  1132  117 

Manufacturing  8975  869 

Material    311 

Quality Assurance  1194  115 

Subtotal recurring  12827  1593 

Total  18045  2308 

 

Note that costs may be higher due to some advanced materials (composites, polymers) and 

technologies (chassis prototype) used. 

 

 

 

26 

 

8. Conclusion and Recommendations Today, rotary crafts are broadly used in transportation, construction, firefighting, 

search and rescue, et al for its operating characteristics. The increasing demand for more 

efficient rotorcraft in rescue promotes the design of VECTOR. Next‐gen configuration, 

materials and advanced rotary technologies were applied into the design of this tiltrotor. 

Capabilities of VECTOR can fulfill the expanding civil requirements and contribute to the 

current search and rescue teams in any place of the world. 

The concept of self‐lifting was introduced into fuselage design. Large and airfoil‐shaped 

body provides not only the lift, with which 30 ton weight is hovered, but also on‐water and in‐

air stability and spacious cabin for the passengers (including the injured ones). To meet the 

speed requirements for mission, rotary systems help the VECTOR cove the speed. Contra‐

rotating ducted propellers take the place of open propellers considering harsh operating 

conditions, such as cruise approaching the ocean surface in very high speed. Tail as stabilizer 

like in a conventional airplane shows good performance for stability of the VECTOR. As the 

VECTOR behaves like an airplane in cruise, control of flight could be based on sophisticated 

control strategy of the airplane.  

With streamlined fuselage design made of light, strong composites and powerful 

engines the VECTOR can operate in ample speed, which means quicker ability to rescue more 

people at once and fewer families suffering from pain of losing their loved ones. Fluorescent 

orange body coating ensures great visibility of the vehicle during the rescue operations. 

Innovative multi‐terrain chassis and ability to perform segmented drops over multiple fires 

without landing gives versatility, necessary precision and reduces the costs. Simplicity of the 

design guarantees higher reliability 

The unique and well‐thought design makes VECTOR show outstanding performance in 

transportation efficiency. The VECTOR is supposed to meet the needs of efficiency, 

productivity, versatility and to ensure that life and safety comes first. 

Optional recommendations 

The VECTOR is an efficient and economical combination of a tiltrotor and a wing‐

shaped craft, which is reflected in its technologies and characteristics. The team explored 

potential benefits of the design and found that some level of refinement and further study, 

especially on the multipurpose chassis could be done and may further improve the craft. Here 

are some recommendations for further research: 

Testing performance under harsh operating conditions such as over waves. 

Refining the fuselage considering complex flow.  

Conducting a more detailed noise analysis. 

Conducting an aerodynamic study with engine, nozzle and propeller. 

Putting focus on environmental friendliness. 

 

 

 

27 

 

References Design Phase  

[1] http://www.markstechnologynews.com/2008/11/honeycomb‐tire‐bomb‐proof‐bullet‐

proof.html 

Propulsion   

[1] Gunston, Bill (2006). World Encyclopedia of Aero Engines, 5th Edition. Phoenix Mill, 

Gloucestershire, England, UK: Sutton Publishing Limited. 

[2] http://www.chinook‐helicopter.com/standards/areas/engine.html 

[3] Ducted Propeller Study[R]. AD ‐ 647299, 1964. 

Aerodynamics 

[1] FLUENT6.2 User Guide, Fluent Inc, 2005. 

[2] Scheidegger T. 3rd AIAA CFD Drag Prediction Workshop, Part 1: DLRF6/F6‐FX2B. Report, 

San Francisco 2006. 

[3] T.‐H. Shih, W.W. Liou, A. Shabbir, Z. Yang, and J. Zhu. A New   Eddy‐Viscosity Model for 

High Reynolds Number Turbulent Flows – Model Development and Validation. Computers 

Fluids, 1995, 24(3): 227‐238. 

Performance  

[1] Gabrielli, G. and von Karman, Th., What price speed? Specific power required for 

propulsion of vehicles, Mechanical Engineering, Vol 72, 1950, pp. 775‐781. 

[2] Teitler, S. and Proodian, R.E., “What Price Speed, Revisted,” J. Energy, Vol 4, No 1, 1980, pp. 

46‐48. 

[3] C‐130 Hercules Overview, 

http://www.fas.org/programs/ssp/man/uswpns/air/cargo/c130.html 

[4] USAF C‐130 Hercules fact sheet. USAF, Ocrober 2009. 

http://www.af.mil/information/factsheets/factsheet.asp?id=92 

 

[5] Nelson, R., Flight Stability and Automatic Control, McGraw Hill, 1998. 

 

[6] Etkin, B., and Reid, L.,  Dynamics of Flight: Stability and Control, J. Wiley & Sons, 1996. 

 

[7] MIT open course‐ Aerospace Dynamics. 

http://ocw.mit.edu/OcwWeb/Aeronautics‐and‐Astronautics/16‐61Aerospace‐

DynamicsSpring2003/LectureNotes/index.htm  

 

[8] O'Hara, F. Handling criteria. Journal of Royal Aeronautical Society, 1967, Vol. 71, No. 676, 

pp. 271‐291. 

[9] Ship Stability. Kemp & Young. ISBN 0853090424 

[10] Comstock, John (1967). Principles of Naval Architecture. New York: Society of Naval 

Architects and Marine Engineers. pp. 827. ISBN 670020738. 

[11] Harland, John (1984). Seamanship in the age of sail. London: Conway Maritime Press. 

pp. 43. ISBN 0851771793. 

[12] U.S. Coast Guard Technical computer program support accessed 20 December 2006. 

[13] Lewis, Edward V. Principles of Naval Architecture (Second Revision), Volume I ‐ 

Stability and Strength. Society of Naval Architects and Marine Engineers (SNAME). 

[14] Engine Manufacturers, Helicopter Annual 2009, P 57‐63. 

28 

 

[15] Rawson K.J. and Tupper E.C., Basic Ship Theory Fifth Edition, Reprinted, 2002. 

[16] Derret D.R., Ship Stability for Masters and Mates Fourth Edition,  

Butterworth‐heinemann Ltd, 1990. 

Material Selection 

[1] http://en.wikipedia.org/wiki/Fibre‐reinforced_plastic 

[2] http://www.unitedcomposites.net/engelsepaginas/fireretardantcomposites.htm 

[3] http://en.wikipedia.org/wiki/Carbon‐fiber_reinforced_plastic 

Cost Analysis 

[1] http://cost.jsc.nasa.gov/airframe.html 

 

Bibliography 1. Antonio Filippone, University of Manchester 

Flight Performance of Fixed and Rotary Wing Aircraft 

2006 AIAA Education Series 

2. Richard Bielawa, Rensselaer Polytechnic Institute, Troy, NY 

Rotary Wing Structural Dynamics and Aeroelasticity, Second Edition 

2006 AIAA Education Series 

3. ALBERS, JAMES A., NASA, Ames Research Center, Moffett Field, CA 

NASA rotorcraft technology for the 21st century 

AHS, and ASEE, Aircraft Design, Systems and Operations Conference, Seattle, WA, July 31‐

Aug 2, 1989. 23 p. 

4. Donald Kunz, Air Force Institute of Technology, Wright‐Patterson AFB, OH 

Comprehensive Rotorcraft Analysis: Past, Present, and Future  

46th AIAA/ASME/ASCE/AHS/ASC Structures, Structural Dynamics and Materials 

Conference , Austin, Texas, Apr. 18‐21, 2005 

5. Peretz Friedmann , University of Michigan 

Rotary‐Wing Aeroelasticity: Current Status and Future Trends 

Journal of Aircraft 1977 0021‐8669 vol.14 no.11 (1027‐1041) 

6. FRIEDMANN, PERETZ P., California, University, Los Angeles 

Rotary‐wing aeroelasticity with application to VTOL vehicles 

IN: AIAA/ASME/ASCE/AHS/ASC Structures, Structural Dynamics and Materials 

Conference, 31st, Long Beach, CA, Apr 2‐4, 1990, Technical Papers. Part 3 (A90‐29359 11‐

39). Washington, DC, American Institute of Aeronautics and Astronautics, 1990, p. 1624‐

1670. 

7. LOWSON, M. V., Westland Helicopters, Ltd., Yeovil, Somerset, England; BALMFORD, D. 

E. H., Westland Helicopters, Ltd., Yeovil, Somerset, England 

Future advanced technology rotorcraft 

In: Atlantic Aeronautical Conference, Williamsburg, Va., March 26‐28, 1979, Technical 

Papers. (A79‐27351 10‐05) New York, American Institute of Aeronautics and Astronautics, 

Inc., 1979, p. 146‐157. 

8. Caradonna, Francis X., U.S. Army, Aviation and Missile Command, Moffett Field, CA 

Developments and challenges in rotorcraft aerodynamics 

Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, 38th, Reno, NV, Jan. 10‐13, 2000 

29 

 

9. WARD, JOHN F., Ward Associates, Easton, MD 

The design challenge of applying tiltrotor technology to the civil mission 

AHS, and ASEE, Aircraft Design, Systems and Operations Conference, Seattle, WA, July 31‐

Aug 2, 1989. 12 p. 

10. Reber, Ron R., Bell Helicopter Textron, Inc., Fort Worth, TX 

Civil tiltrotor transportation for the 21st century 

International Powered Lift Conference, Santa Clara, CA, Dec 1‐3, 1993 

 

Appendices 

Appendix A. Modelling Action of the Blades 

 

It can be considered that the blade accelerates the oncoming flow. Or in other words, 

the momentum for the air is increased by blade. From this point of view, we can model the 

action of blade with momentum source in duct. 

 

Fig. 1 Jet modeled by momentum source. 

 

The  duct  geometry  has  two  chords  length  for width.  Implementing  a momentum  source 

allows control of the added momentum distribution  in the duct as opposed to the velocity 

distribution. The  total momentum  flow  is approximated by  integration of momentum  flux 

across the duct, 

            

2/

2/

2d

d

jetdsUM                         (1) 

Ujet is the time‐average jet velocity at the jet exit, d is the duct width, and ds is a differential 

distance across  the  jet exit. The momentum  source distribution  is  calibrated  to produce a 

nearly  uniform  exit  velocity  profile.  A  User  Defined  Function  (UDF)  is  used  to  apply  the 

momentum source to the correct cells in FLUENT. 

 

Oncoming flow  Jet 

Momentum source 

30 

 

Appendix B. Stability Analysis  

Flight conditions: 

U=160 m/s          cruise speed 

g=9.81 N/kg 

c=11.875 m           mean chord 

s= 95 m2            reference wing area ( body area, top view) 

st=10.24 m2         area of tail 

Q= 1.6074e+004  Pa       dynamic pressure 

m= 300,000 kg 

Iy= 200,000 kg﹒m2 

CD0=0.036 

CL0=0.2083 

 

 

Moment of inertia estimation: 

WbkI xx22  

)(96.0 zxy III  

WlkI zz22  

xk , zk , Correlation coefficient.   1.0xk ,  zk =0.21. b,width of craft body, l, length of craft body, 

W, weight. 

 

Longitudinal derivatives: 

UQscCM mw /  

UQscs

sM t

tq /

2

1 2 ,    ts , area of tail,  t , tail lift curve slope. 

g

UZn w  

mU

QsCCZ DL

w

)2(  

31 

 

Appendix C. Longitudinal Dynamics 

 

Table 1 Definitions for forces and moments 

Axis Perturbation 

force 

Mean 

velocity 

Perturbation 

velocity 

Rotation 

angle 

Angular 

velocity 

Moment 

of 

inertia 

Moment 

x  X  U  u    p  Ix  L 

y  Y  V  v    q  Iy  M 

z  Z  W  w    r  Iz  N 

 

Taking the X force for example: 

rXqXpXwXvXuXX rqpwvu                   (2) 

There is no yaw/roll motion. The longitudinal equations of the craft can be written as: 

mgqXwXuXum qwu      

qZwZwZuZUqwm qwwu )(  

wMwMuMqMqI wwuqy                                   (3) 

and,    q                                           (4) 

Noting that control commands are not specified. 

Equations 3 and 4 can be written in state space form and can be written in matrix form as 

follows: 

BxxA              (5) 

Where A is the mass matrix, B is the state matrix, x the state vector (namely (u,w,q, )T).  

Full equations[5,6]: 

q

w

u

I

UM

I

M

mI

ZM

I

M

mI

ZM

I

M

Zm

mUZ

Zm

Z

Zm

Z

gm

X

m

X

q

w

u

y

w

Y

q

y

ww

y

w

y

uw

y

u

w

q

w

w

w

u

wu

0

1000

0

0

             (6) 

There are two oscillating modes which are Short Period and Phugoid.  

32 

 

Short Period‐primarily  and   in the same phase. The u and q response is very small. 

Phugoid‐ primarily  and u, and  lags by about 90 degrees. The   and q response is very small. 

Coarse estimation can be done based on reference[7]: 

For Short Period approximation,  

yw

qsp IUM

M 1

2

                   

y

wsp I

UM  

For the Phugoid approximation, 

mXuphph /2                mU

gZuph 2  

Further insights, 

U

mgC

UsZ Lu

2)2)(

2(

       then   

U

gph 2  

Note that:   DDU UsCCUs

X )2)(

2(      and      LsCUmg 22     so     )(

2

1

L

Dph C

C  

Results: 

Short Period:   692.0sp        2347.3sp rad/s 

Phugoid:   1221.0ph        0867.0ph rad/s 

Eigenvalues are:   ‐2.2384±2.3351i ,   ‐0.0106±0.0861i 

 

Table 2 Level I requirements for MIL‐F‐8785C and MIL‐STD‐1797A 

Phugoid damping requirements 

 

Short period damping ratio limits 

 

Short period undamped natural frequency 

04.0ph  

30.135.0 sp  

6.328.02

n

sp 

  Note 

n

sp2: CAP (Control Anticipation 

Factor) 

33 

 

Appendix D. On‐water Stability Analysis  

G, center of gravity 

B, center of buoyancy 

M, metacenter 

K, keel 

= Angle of Heel  

BM = Metacentric Radius  

GM = Metacentric Height  

GZ = Righting Lever measured from G  

KB = Height of Center of Buoyancy from keel  

KG = Height of Center of Gravity from keel  

KM = Height of Metacenter from keel 

 

Density for ocean surface water: 1026kg/m3 

Density for water:  1000 kg/m3 

It is nearly the same. So, we use 1000 kg/m3 

 

  3

12

1LBI ,   2nd moment of the free surface about the centre line 

water

WV

  ,  Volume of the Tank [m3] 

V

IBM  

 

KM=KB+BM 

KM=KG+GM 

sinGMGZ  (0 ‐10 degrees) 

From the configuration of the body, we have KB=0.16 m, KG=1.0 m. 

Then,  GM= 16.2 m