On Hydroelastoplasticity during Helicopter Ditching and Dynamic Stability in Irregular Waves

Die neue Verordnung der Agentur der Europäischen Union für Flugsicherheit (EASA) für Hubschrauber schreibt die Bewertung der Notwasserung und der dynamischen Stabilität in steilen unregelmäßigen Seegängen vor. Der Großteil der bisherigen Arbeiten zur Notwasserung befasst sich mit Flugzeugen. Untersuchungen zu Hubschraubern mit Schwimmkörpern sind bislang selten. Darüber hinaus wurden Effekte der plastischen Strukturverformung auf die Stoßlasten während der Notwasserung häufig vernachlässigt. Um diese Lücken zu schließen, zielt diese Arbeit darauf, diese Effekte sowie die dynamische Stabilität von Hubschraubern in unregelmäßigen steilen Seegängen zu untersuchen. Hierzu wurden numerische Verfahren basierend auf der Lösung und Kopplung der Euler-Gleichungen mit den Bewegungsgleichungen eingesetzt, die umfassend mittels experimenteller Daten validiert wurden. Die Strömungs- und Strukturlöser wurden implizit gekoppelt (Zwei-Wege-Kopplung). Die Untersuchungen umfassen sowohl akademische Fälle wie Plattenstrukturen als auch komplexe Hubschrauberstrukturen. Die Strukturverformungen haben kaum einen Einfluss auf die Starrkörperbewegungen. Dagegen haben diese einen erheblichen Einfluss auf die Stoßlasten und die damit verbundenen Impulse. Für die Analyse der dynamischen Stabilität von Hubschraubern wurden verschiedene Methoden verwendet. Dabei wurde die Bewegung des Hubschraubers sowohl in regelmäßigen als auch in unregelmäßigen Wellen untersucht. Weiterhin wurde der Einfluss von eindringendem Wasser in die Kabine auf die dynamische Stabilität untersucht. Die Simulationen haben gezeigt, dass das eindringende Wasser die Stabilität erheblich beeinträchtigt. Dies gilt insbesondere, wenn einer der vorderen Schwimmkörper beschädigt war und die Türen offen standen. Durch die Untersuchungen in dieser Arbeit konnten Erkenntnisse zur Notwasserung von Hubschraubern, zu deren Schwimmverhalten in unregelmäßigen Seegängen sowie zu den Effekten von Hydroelastizität und Hydroelastoplastizität gewonnen werden. Die so gewonnenen Erkenntnisse liefern einen wertvollen Beitrag zur Optimierung der Konstruktion von Hubschraubern und zur Verbesserung der Sicherheit bei Notwasserungen.
The new regulation of the European Union Aviation Safety Agency (EASA) for helicopters requires the evaluation of ditching and dynamic stability in steep, irregular waves. Most previous work on ditching has focused on airplanes. Studies on helicopters with flotation devices have so far been rare. Moreover, the effects of plastic structural deformation on impact loads during ditching have often been neglected. To address these gaps, this study aims to investigate these effects as well as the dynamic stability of helicopters in irregular waves. For this purpose, numerical methods based on the solution and coupling of the Euler equations with the equations of motion were used and extensively validated using experimental data. The flow and structural solvers were coupled implicitly (two-way coupling). The investigations include both academic cases, such as plate structures, and complex helicopter structures. Structural deformations have little influence on rigid body motion. In contrast, they have a significant impact on impact loads and the resulting impulses. Various methods were used to analyze the dynamic stability of helicopters. The motion of the helicopter was studied in both regular and irregular waves. Furthermore, the influence of water ingress into the cabin on dynamic stability was examined. The simulations showed that incoming water significantly impairs stability, especially when one of the forward floats was damaged and the doors were open. Through the investigations in this study, insights were gained into helicopter ditching, their floating behavior in irregular waves, and the effects of hydroelasticity and hydroelastoplasticity. These insights provide a valuable contribution to optimizing helicopter design and improving safety during ditching events.

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