59
8/13/2019 A Correlation Between Flight Determined Lateral Derivatives and Ground-Based Data for the Pilatus PC9A Training … http://slidepdf.com/reader/full/a-correlation-between-flight-determined-lateral-derivatives-and-ground-based 1/59  OF  DEFENCE  CIENCE  TECHNOLOGY  RGANISATION  DSTO  A  Correlation  between  Flight-  determined  Lateral  Derivatives  and  Ground-based  Data  for  the  Pilatus  PC  9/A  Training  Aircraft  in  Cruise  Configuration  Hilary  A.  Keating,  Nick  van  Bronswijk,  Andrew  D.  Snowden  and  Jan  S.  Drobik  DSTO-TR-0988  DISTRIBUTION  STATEMENT  A  Approved  fo r  Public Release  Distribution  Unlimited  

A Correlation Between Flight Determined Lateral Derivatives and Ground-Based Data for the Pilatus PC9A Training Aircraft in Cruise Configuration

  • Upload
    lotusdp

  • View
    217

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: A Correlation Between Flight Determined Lateral Derivatives and Ground-Based Data for the Pilatus PC9A Training Aircraft in Cruise Configuration

8/13/2019 A Correlation Between Flight Determined Lateral Derivatives and Ground-Based Data for the Pilatus PC9A Training …

http://slidepdf.com/reader/full/a-correlation-between-flight-determined-lateral-derivatives-and-ground-based 1/59

  OF  DEFENCE

 C I E N C E T E C H N O L O G Y R G A N I S A T I O N   D S T O  

A  Correlation  between Flight- determined Lateral Derivatives and Ground-based Data for the Pilatus  PC 9/A  Training A ircraft in Cruise

 Configuration Hilary A . Keating, Nick van Bronswijk, Andrew D . Snowden and Jan S. Drobik  DSTO-TR-0988  

DISTRIBUTION STATEMENT A  Approved  fo r Public Release 

D istribution Unlimited 

Page 2: A Correlation Between Flight Determined Lateral Derivatives and Ground-Based Data for the Pilatus PC9A Training Aircraft in Cruise Configuration

8/13/2019 A Correlation Between Flight Determined Lateral Derivatives and Ground-Based Data for the Pilatus PC9A Training …

http://slidepdf.com/reader/full/a-correlation-between-flight-determined-lateral-derivatives-and-ground-based 2/59

A Correlation

 between

 Flight-determined

 Lateral

 Derivatives and Ground-based Data for the Pilatus PC 9/A Training Aircraft n Cruise 

Configuration Hilary A. Keating, Nick van Bronswijk, Andrew D. 

Snowden and Jan S. Drobik 

Air Operations Division Aeronautical and Maritime Research Laboratory 

DSTO-TR-0988 

ABSTRACT A series of flight ests were conducted on the PC 9/A aircraft, A23-045, 

at the Royal Australian A ir Force's Aircraft Research and Development Unit. 

System identification techniques were applied to the data obtained from these 

flight ests o determine the stability and control derivatives of the aircraft. The lateral results for the aircraft in cruise configuration are  presented in this report and comparisons ar e made with empirical and ground based estimates. 

APPROVED FOR PUBLIC  RELEASE DEPARTMENT  OF  DEFENCE 

IEFERCE CIENCE t TECIROLOGT O ICM I SHT ION  D S T O  flQfOOll-3VW 

Page 3: A Correlation Between Flight Determined Lateral Derivatives and Ground-Based Data for the Pilatus PC9A Training Aircraft in Cruise Configuration

8/13/2019 A Correlation Between Flight Determined Lateral Derivatives and Ground-Based Data for the Pilatus PC9A Training …

http://slidepdf.com/reader/full/a-correlation-between-flight-determined-lateral-derivatives-and-ground-based 3/59

DSTO-TR-0988 

Published by  DSTO Aeronautical and Maritime Research Laboratory  506 Lorimer St , Fishermans Bend, Victoria, Australia 3207

 Telephone:  (03) 9626 7000 Facsimile:  (03) 9626 7999  © Commonwealth of Australia 2000  AR No. AR-011-475 June, 2000 

APPROVED FOR PUBLIC RELEASE 

Page 4: A Correlation Between Flight Determined Lateral Derivatives and Ground-Based Data for the Pilatus PC9A Training Aircraft in Cruise Configuration

8/13/2019 A Correlation Between Flight Determined Lateral Derivatives and Ground-Based Data for the Pilatus PC9A Training …

http://slidepdf.com/reader/full/a-correlation-between-flight-determined-lateral-derivatives-and-ground-based 4/59

DSTO-TR-0988 

A Correlation between Flight-determined Lateral Derivatives and Ground-based Data for the Pilatus PC 9/A 

Training Aircraft n Cruise Configuration 

EXECUTIVE SUMMARY A ir Operations Division A O D ) has developed, or acquired, a number of fixed-wing 

flight dynamic models and is also responsible for providing advice to the Australian De- 

fence Organisation A D O ) on flight simulator flight dynamic m ode l requirements. he 

models generally make us e of extensive static and dynamic stability and control derivative 

databases, in addition to engine and flight control models. The static model data m ay be  

obtained from wind tunnel testing, whilst the dynamic data is traditionally obtained from  

flight tests using system identification techniques. 

T he system  identification techniques used to estimate aerodynamic derivatives of  con- 

ventional aircraft ar e well established. The major requirement of these techniques is high fidelity measurements of manoeuvre input i.e. control surface deflections), and aircraft 

response (i.e. angular rates and linear  accelerations), as well as air data including airspeed, 

altitude, angle-of-attack and angle-of-sideslip. 

Following the completion of the A O D PC 9/A wind tunnel tests, the requirement ex - 

isted fo r a dedicated flight dynamic modelling flight est program to both validate the flight dynamic model of the PC 9/A and to provide dynamic derivative estimates which 

were unobtainable in the A M R L wind tunnel. A n instrumentation suite, including an air 

data probe for the direct and accurate measurement of angle-of-attack, ngle-of-sideslip, 

temperature, and static and dynamic pressure, w as fitted to the aircraft and a test ma-  

noeuvre matrix w as designed specifically fo r the purpose of  gathering flight dynamic data. 

This flight test program w as conducted at the Aircraft Research and Development Unit (A RDU) during 1998/99. 

This report details the analysis of the lateral manoeuvres carried out with the aircraft 

in th e cruise configuration. he static and dynamic derivatives thus obtained ar e com- 

pared with wind tunnel estimates s well as a number of empirical estimates obtained 

from alternative sources. discussion of some of the difficulties encountered during the estimation process is also included. he data obtained from these tests will be used in th e development of the PC 9/A flight dynamic model fo r the purpose of enhancing A OD 

support fo r the PC 9/A fleet, including possible upgrades to the part-task trainer. 

1 1 1  

Page 5: A Correlation Between Flight Determined Lateral Derivatives and Ground-Based Data for the Pilatus PC9A Training Aircraft in Cruise Configuration

8/13/2019 A Correlation Between Flight Determined Lateral Derivatives and Ground-Based Data for the Pilatus PC9A Training …

http://slidepdf.com/reader/full/a-correlation-between-flight-determined-lateral-derivatives-and-ground-based 5/59

DSTO-TR-0988 

IV  

Page 6: A Correlation Between Flight Determined Lateral Derivatives and Ground-Based Data for the Pilatus PC9A Training Aircraft in Cruise Configuration

8/13/2019 A Correlation Between Flight Determined Lateral Derivatives and Ground-Based Data for the Pilatus PC9A Training …

http://slidepdf.com/reader/full/a-correlation-between-flight-determined-lateral-derivatives-and-ground-based 6/59

DSTO-TR-0988 

Authors Hilary Keating Air Operations Division  Hilary Keating graduated ro m he University of Sydney n 

1998, having obtained a Bachelor of Engineering in Aeronauti- 

ca l Engineering with first class honours. he commenced em - ployment at A M R L in 1999, and has been involved in perfor- 

mance modelling and parameter dentification of the Pilatus PC 9/A. 

Nick van Bronswijk Air Operations Division  Nick va n Bronswijk graduated from the University of Sydney 

with first class honours in  Aeronautical  Engineering  in 1995. He  

is currently completing his P hD in the area of propeller power 

effects. Since  joining A M R L in 1998 he  has  been involved with a 

range of  projects including  flight and w ind tunnel test programs 

of the Pilatus PC 9/A. 

Andrew Snowden Air Operations Division  Andrew Snowden graduated from the Royal Melbourne Insti- 

tute of Technology in 1991, having obtained a Bachelor of Engi- 

neering in Aerospace Engineering with first class honours. Be - 

fore com m encing work at A M R L he served a short term attach- m e nt with McDonnell Douglas in St. ouis, Missouri, s he recipient of the McDonnell Aircraft Company Aerospace Engi- 

neering Prize fo r 1991. e commenced employment at A M R L 

in 1992 and participated in several experimental investigations 

in a number of different fields during his rotation. ow a full 

time member of the flight dynamics and performance area of 

the A ir Operations Division, hi s most recent work includes the organisation of flight testing for parameter identification of the Pilatus PC 9/A as well as performance estimation of modern jet fighters. 

Page 7: A Correlation Between Flight Determined Lateral Derivatives and Ground-Based Data for the Pilatus PC9A Training Aircraft in Cruise Configuration

8/13/2019 A Correlation Between Flight Determined Lateral Derivatives and Ground-Based Data for the Pilatus PC9A Training …

http://slidepdf.com/reader/full/a-correlation-between-flight-determined-lateral-derivatives-and-ground-based 7/59

DSTO-TR-0988 

Jan Drobik Air Operations Division Jan Drobik eads a eam hat s esponsible or he mple- mentation of solutions to flight dynamic problems which arise 

throughout the ADF' s fleet of aircraft. ince joining the then A R L in 1978, he has acquired broad experience in the areas of 

flight dynamics and experimental aerodynamics. e has been 

responsible fo r the development of aircraft flight dynamic mod- 

els and aerodynamic parameter estimation echniques within 

A M R L , and has managed it s successful application to a wide 

range of practical problems. e has been involved n TTCP activities in A ER Technical Panel A E R TP-5 for many years, 

becoming Australian National Leader in 1998. 

VI  

Page 8: A Correlation Between Flight Determined Lateral Derivatives and Ground-Based Data for the Pilatus PC9A Training Aircraft in Cruise Configuration

8/13/2019 A Correlation Between Flight Determined Lateral Derivatives and Ground-Based Data for the Pilatus PC9A Training …

http://slidepdf.com/reader/full/a-correlation-between-flight-determined-lateral-derivatives-and-ground-based 8/59

DSTO-TR-0988 

Contents 

Glossary i Notation i 1 ntroduction

2 C 9/A Test Aircraft

2.1 ircraft Description

2.2 light Control System

2.3 eight, Centre-of-Gravity and Mass Moments-of-Inertia 3 

nstrumentation

4 ethods of Analysis

4.1 tepwise Regression

4.1.1  Error Band 

4.2 aximum Likelihood 

4.2.1  Cramer-Rao Bounds

5 esults and Discussion

5.1 ngle-of-Sideslip Derivatives

5.2 aw Rate Derivatives

5.3 oll Rate Derivatives 

5.4 ontrol Derivative

5.5 ariation of Lateral Derivatives with Rate of Climb and Angle-of-Attack 

5.6 anoeuvre Type an d Altitude Dependancy

6 onclusions

References 0 Appendices 

A  Weight, Centre-of-Gravity and Mass Moments-of-Inertia 4 

vn 

Page 9: A Correlation Between Flight Determined Lateral Derivatives and Ground-Based Data for the Pilatus PC9A Training Aircraft in Cruise Configuration

8/13/2019 A Correlation Between Flight Determined Lateral Derivatives and Ground-Based Data for the Pilatus PC9A Training …

http://slidepdf.com/reader/full/a-correlation-between-flight-determined-lateral-derivatives-and-ground-based 9/59

DSTO-TR-0988 

B ide Force, Rolling Moment and Yawing Moment Coefficients 6 B.l ide Force Coefficient  6

B.2 awing Moment Coefficient 6 

B.3 olling Moment Coefficent 6 

Figures 

1 ir data boom installation 2 

2 C 9/A angle-of-sideslip derivatives, 3-2-1-1 manoeuvres at 5000 ft 3 3 C 9/A angle-of-sideslip derivatives, 3-2-1-1 manoeuvres at 10 00 0 ft 4 4 C 9/A angle-of-sidslip derivatives, 3-2-1-1 manoeuvres at 15 00 0 ft 5 5 C 9/A angle-of-sidslip derivatives, doublet manoeuvres at 5000 ft 6 6 C 9/A angle-of-sideslip derivatives, doublet manoeuvres at 15 00 0 ft 7 7 C 9/A ya w rate derivatives, 3-2-1-1 manoeuvres at 5000 ft 8 8 C 9/A ya w rate derivatives, 3-2-1-1 manoeuvres at 10 00 0 ft 9 9 C 9/A ya w rate derivatives, 3-2-1-1 manoeuvres at 15 00 0 ft 0 10 C 9/A ya w rate derivatives, doublet manoeuvres at 5000 ft 1 11 C 9/A ya w rate derivatives, doublet manoeuvres at 15 00 0 ft 2 12 C 9/A roll rate derivatives, 3-2-1-1 manoeuvres at 5000 ft 3 

13 C 9/A roll rate derivatives, 3-2-1-1 manoeuvres at 10 00 0 ft 4 14 C 9/A roll rate derivatives, 3-2-1-1 manoeuvres at 15 00 0 ft 5 15 C 9/A roll rate derivatives, doublet manoeuvres at 5000 ft 6 16 C 9/A roll rate derivatives, doublet manoeuvres at 15 00 0 ft 7 17 C 9/A control derivatives, 3-2-1-1 manoeuvres at 5000 ft 8 

18 C 9/A control derivatives, 3-2-1-1 manoeuvres at 10 00 0 ft 9 19 C 9/A control derivatives, 3-2-1-1 manoeuvres at 15 00 0 ft 0 2 0 C 9/A control derivatives, doublet manoeuvres at 5000 ft 1 

21 C 9/A control derivatives, doublet manoeuvres at 15 00 0 ft 2 22 ariation of lateral derivatives with nominal rate of climb 3 

Bl elative magnitudes of Cy equation components 7 

B 2 elative magnitudes of C „ equation components 8 

B 3 elative magnitudes of dequation components 8 

vm  

Page 10: A Correlation Between Flight Determined Lateral Derivatives and Ground-Based Data for the Pilatus PC9A Training Aircraft in Cruise Configuration

8/13/2019 A Correlation Between Flight Determined Lateral Derivatives and Ground-Based Data for the Pilatus PC9A Training …

http://slidepdf.com/reader/full/a-correlation-between-flight-determined-lateral-derivatives-and-ground-based 10/59

DSTO-TR-0988 

Tables 1 ateral derivatives estimated

2 ummary of derivatives estimated using max imum likelihood 3 ummary of derivatives estimated by stepwise regression Al light test aircraft m a ss distribution 3 , 4 ] 4 

IX  

Page 11: A Correlation Between Flight Determined Lateral Derivatives and Ground-Based Data for the Pilatus PC9A Training Aircraft in Cruise Configuration

8/13/2019 A Correlation Between Flight Determined Lateral Derivatives and Ground-Based Data for the Pilatus PC9A Training …

http://slidepdf.com/reader/full/a-correlation-between-flight-determined-lateral-derivatives-and-ground-based 11/59

DSTO-TR-0988 

Page 12: A Correlation Between Flight Determined Lateral Derivatives and Ground-Based Data for the Pilatus PC9A Training Aircraft in Cruise Configuration

8/13/2019 A Correlation Between Flight Determined Lateral Derivatives and Ground-Based Data for the Pilatus PC9A Training …

http://slidepdf.com/reader/full/a-correlation-between-flight-determined-lateral-derivatives-and-ground-based 12/59

DSTO-TR-0988 

Glossary 

AHRS rtificial Horizon Reference System  

A M R L eronautical and Marit ime Research Laboratory 

A OD ir Operations Division 

A R D U ircraft Research and Development Unit 

D S T O efence Science and Technology Organisation  

GDA S eneral Data Acquisition System  

IA S ndicated Airspeed 

ITT nlet Turbine Temperature 

KIA S nots Indicated Airspeed 

M A C ea n Aerodynamic Chord 

N A SA ational Aeronautics and Space Administration 

N G as generator speed 

OA T utside A ir Temperature PA P rimary Analysis Processor 

R A A F oyal Australian A ir Force 

SHP haft Horse Power 

XI  

Page 13: A Correlation Between Flight Determined Lateral Derivatives and Ground-Based Data for the Pilatus PC9A Training Aircraft in Cruise Configuration

8/13/2019 A Correlation Between Flight Determined Lateral Derivatives and Ground-Based Data for the Pilatus PC9A Training …

http://slidepdf.com/reader/full/a-correlation-between-flight-determined-lateral-derivatives-and-ground-based 13/59

Page 14: A Correlation Between Flight Determined Lateral Derivatives and Ground-Based Data for the Pilatus PC9A Training Aircraft in Cruise Configuration

8/13/2019 A Correlation Between Flight Determined Lateral Derivatives and Ground-Based Data for the Pilatus PC9A Training …

http://slidepdf.com/reader/full/a-correlation-between-flight-determined-lateral-derivatives-and-ground-based 14/59

DSTO-TR-0988 

c  Reference chord (1.65 m ) 

F  Ratio of the regression mean square to the residual mean square 

9  Gravitational acceleration (9.81 m/s2) 

Ixx  Roll moment of inertia (kg.m2) 

IYY  Pitch moment of inertia (kg.m 2) Izz  Y aw moment of inertia (kg.m

2) 

IxY  Cross product of moment of inertia (kg.m2) 

Ixz  Cross product of moment of inertia (kg.m2) 

IYZ  Cross product of m om e nt of inertia (kg.m2) 

I   Rolling m om e nt N.m) 

M  Mass of aircraft kg ) 

n  Yawing m om e nt N.m) 

P  Roll rate rad/s) 

q   Pitch rate (rad/s) 

Q   Dyna m i c pressure (N/m2) 

R2  Squared multiple correlation coefficient 

r  Y aw rate (rad/s) S  Reference area (16.29 m 2) V  True velocity (m/s) 

X  Longitudinal force (N ) xc.g.  Longitudinal eg. position (m ) 

Y  Side force (N ) 

Vc.g.  Lateral e.g. position (m ) 

z  Vertical force (N ) 

c.g.  Vertical e.g. position (m ) 

a  Angle-of-attack °)  

ß  Angle-of-sideslip (° ) 

S a   Aileron deflection (6a = SaL —  SaR) °) 

6 e   Elevator deflection (° ) 5 r  Rudder deflection (° ) 

e   Pitch angle (° ) 

Roll angle (° ) 

*  Y aw angle (° ) 

Subscripts 

b   Body axes 

eg.  Centre of gravity 

F  Fuel 

L  Left port) R  R i ght starboad) 

XUl 

Page 15: A Correlation Between Flight Determined Lateral Derivatives and Ground-Based Data for the Pilatus PC9A Training Aircraft in Cruise Configuration

8/13/2019 A Correlation Between Flight Determined Lateral Derivatives and Ground-Based Data for the Pilatus PC9A Training …

http://slidepdf.com/reader/full/a-correlation-between-flight-determined-lateral-derivatives-and-ground-based 15/59

DSTO-TR-0988 

Control surface 

Aircraft sign convention and flow angle definitions (body  axes). 

XI V  

Page 16: A Correlation Between Flight Determined Lateral Derivatives and Ground-Based Data for the Pilatus PC9A Training Aircraft in Cruise Configuration

8/13/2019 A Correlation Between Flight Determined Lateral Derivatives and Ground-Based Data for the Pilatus PC9A Training …

http://slidepdf.com/reader/full/a-correlation-between-flight-determined-lateral-derivatives-and-ground-based 16/59

DSTO-TR-0988 

Wing Reference Area (S)  16.29 m2 

Wing Span  £ > )  10.124 m 

Mean Aerodynamic Chord (? )  1.65 m 

Datum 

Forward Fueslage 

Reference Plane 

Aircraft Principle Dimensions. (Numeric data sourced from Pilatus Structural Configuration Drawing 506.00.09.220F) 

XV  

Page 17: A Correlation Between Flight Determined Lateral Derivatives and Ground-Based Data for the Pilatus PC9A Training Aircraft in Cruise Configuration

8/13/2019 A Correlation Between Flight Determined Lateral Derivatives and Ground-Based Data for the Pilatus PC9A Training …

http://slidepdf.com/reader/full/a-correlation-between-flight-determined-lateral-derivatives-and-ground-based 17/59

DSTO-TR-0988 

xvi 

Page 18: A Correlation Between Flight Determined Lateral Derivatives and Ground-Based Data for the Pilatus PC9A Training Aircraft in Cruise Configuration

8/13/2019 A Correlation Between Flight Determined Lateral Derivatives and Ground-Based Data for the Pilatus PC9A Training …

http://slidepdf.com/reader/full/a-correlation-between-flight-determined-lateral-derivatives-and-ground-based 18/59

DSTO-TR-0988 

1  Introduction 

T he Pilatus PC 9/A is on e of a number of high performance turbo-prop aircraft currently 

operated by the Royal Australian A ir Force (R AAF).

 Work currently

 underway in

 the A ir 

Operations Division (A OD) of the Defence Science and Technology Organisation (DSTO) 

includes investigations into the propeller power effects of such aircraft, and the PC 9/A 

w as considerd a suitable platform for study. A si x degree-of-freedom flight dynamic model 

of the PC 9/A has been developed by A O D for us e in these investigations, as well as for 

pilot-in-the-loop imulations in the A ir Operations Simulation Centre and incident an d 

accident investigations. 

The development of  a flight dynamic model requires information on  the static and dynamic 

stability an d control derivatives of the aircraft, as well as flight control laws and physical 

properties. The static data for the PC 9/A were collected during both power-off and  power- 

on  testing of  a scaled aircraft model in  the Aeronautical and Marit ime Research Laboratory 

( A M RL) ow-speed wind tunnel. dditional power-off static data were obtained from a 

computational fluid dynamic model fo r a limited number of  aircraft configurations. 

Flight test data for the PC 9/A w as required to both validate the flight dynamic model 

and o provide dynamic derivative estimates of the aircraft. flight est program w as  

conducted on a PC 9/A aircraft, serial number A23-045, by the R A A F Aircraft Research 

and Development Unit A R D U ) between November 1998 an d February 1999. T he details 

of this flight test program and the aircraft nstrumentation ar e reported in reference 1 ] . 

The estimation of  the stability and control derivatives from the flight test data involved the 

us e of system identification techniques, and required control input, aircraft response and  

flight condition data, measured using a high fidelity instrumentation system. aximum  

likelihood an d stepwise regression techniques were employed for the system  identification. 

The longitudinal derivatives for the PC 9/A aircraft in the cruise configuration determined 

using system identification techniques ar e reported in reference 2 ] . 

This report presents the lateral stability and control derivatives of the PC 9/A extracted 

from flight test data for the cruise configuration, including  a comparision with A M R L wind 

tunnel test data an d empirical results. Sections 2 and 3 present details of the test aircraft 

and instrumentation  system. Section 4 presents the system  identification techniques, while 

section 5 discusses the results. 

2  PC 9/A Test Aircraft 

2 .1  Aircraft Description 

The flight test aircraft, A23-045 is a Pilatus PC 9/A operated by A R D U . The PC 9/A is a single-engine, metal-skinned, low-wing, tandem two-seat training aircraft. he aircraft 

is powered by a Pratt and Whitney P T 6 A - 6 2 turbo-prop engine flat rated to 95 0 SHP 3 ] , 

which drives a Hartzell HC-D4N-2A four-blade variable pitch propeller. The aircraft was  

instrumented as outlined in section 3. 

Page 19: A Correlation Between Flight Determined Lateral Derivatives and Ground-Based Data for the Pilatus PC9A Training Aircraft in Cruise Configuration

8/13/2019 A Correlation Between Flight Determined Lateral Derivatives and Ground-Based Data for the Pilatus PC9A Training …

http://slidepdf.com/reader/full/a-correlation-between-flight-determined-lateral-derivatives-and-ground-based 19/59

DSTO-TR-0988 

2.2 light Control System 

T he aircraft primary flight controls consist of  the ailerons, rudder and elevator. The control 

surfaces are manually operated from a conventional dual control column and  rudder pedal 

arrangement. he stick and rudder pedals are connected to the control surfaces through a system of control rods, bellcranks, cables and levers. rimming control is provided on  

al l three axes. 

2.3 eight, Centre-of-Gravity and Mass Moments-of-Inertia  

T he test aircraft, A23-045, w as weighed by  A R D U prior to th e flight tests and had a basic 

mass of  1784.5 kg and a longitudinal  centre-of-gravity position of  26.25% M A C 4 ] . During the flight test program, the aircraft weight, centre-of-gravity and mass moments-of-inertia 

varied with fuel usage. hese parameters were calculated fo r each test manoeuvre using 

the equations in Appendix A. 

3  Instrumentation 

Aircraft A23-045 w as fitted with an instrumentation system designed specifically fo r th e 

gathering of flight dynamic data. summary of the instrumentation used in the flight test program is included below and a more comprehensive description of the design re - 

quirements and calibration is included in references 1 ] and 5 ] . The A R D U General Data Acquisition System (GDAS) w as fitted in place of the rear ejection seat. he data were 

encoded by a 16-bit pulse code modulation system and were ecorded onboard the air- 

craft using a MARS-2000 14-track tape. Real-t ime flight test monitoring w as provided by  

telemetry data transmitted to the A R D U Primary Analysis Processor (PAP) hut. T he angular rates (p,q,r) and linear accelerations axaY,az were measured using the A R D U KAISG1134-1 Motion Platform. This consisted of  three Smith Industries 95 0 RGS 

angular rate gyros and three SunStrand QA 1 40 0 servo accelerometers. he aircraft roU, 

pitch and yaw attitude angles < £ , 0, j > were obtained by  tapping output from the existing 

LISA 2000A Artificial Horizon Reference System (AHRS). 

Static outside air temperature O A T) , ndicated airspeed (IAS), angle-of-attack a) and 

angle-of-sideslip ß) were obtained from the Rosemount Model 9 2A N flight test air data boom, mounted on the outboard hardpoint on the starboard wing (see figure 1). Aileron 

and elevator deflections were measured using Space A ge Control nc . eries 16 0 cable position transducers. Rudder deflection w as measured using a type 26V-11CX4C position 

transducer. A ll sensors were calibrated prior to commencement of the flight test program. 

The aircraft w as also instrumented to measure engine torque, propeller speed, inlet turbine 

temperature ITT), gas generator peed NG), ue l flow and fuel quantity. he torque, 

propeller speed, altitude and true airspeed, w h e n used in conjunction with a performance  

m ap for the HartzeU HC-D4N-2A propeUer [6], allowed the calculation of engine thrust. 

Page 20: A Correlation Between Flight Determined Lateral Derivatives and Ground-Based Data for the Pilatus PC9A Training Aircraft in Cruise Configuration

8/13/2019 A Correlation Between Flight Determined Lateral Derivatives and Ground-Based Data for the Pilatus PC9A Training …

http://slidepdf.com/reader/full/a-correlation-between-flight-determined-lateral-derivatives-and-ground-based 20/59

DSTO-TR-0988 

4  Methods of Analysis 

During the flight est program, doublet and 3-2-1-1 manoeuvres were performed about 

steady flight conditions at airspeeds between 90 and 20 0 KIAS. Reference 1 ] describes 

these manoeuvres in detail. The 26 lateral doublet and 12 9 lateral 3-2-1-1 manoeuvres were 

analysed using stepwise regression 7 ] and maximum ikelihood estimation techniques 8 ] 

to determine the lateral stability and control derivatives of  the aircraft. 

A range of independant aircraft derivative data were used for comparision purposes and, for 

the max imum liklihood analysis, as a priori estimates to increase the rate of convergence 

of the system identification. his data w as ouced ro m A M R L power-off wind tunnel 

tests 9 ] and empirical data estimated by  the University of  Sydney [10] using Datcom 1 1 ] 

and Pilatus [12] using both Digital Datcom [13] 14] and other long-hand' methods. 

A right handed orthogonal axes system was adopted for the analysis of  the flight test data. 

Positive control urface deflections were defined as elevator railing edge down, udder 

trailing edge to port, and starboard aileron trailing edge down, port aileron trailing edge 

up . 

4.1  Stepwise Regression 

Stepwise regression is an unbiased least squares estimator in which ne w independent vari- 

ables ar e nserted into a model, on e at a time, until the regression equation is deemed 

acceptable. he appropriateness of the model ca n be determined by examining a num- 

ber of quantities including the squared multiple correlation coefficient and the F statistic. 

The squared multiple correlation coefficient, R2, gives a measure of the mportance of 

each variable as it is inserted into the equation 7 ] ; however, the improvement in R2 du e 

to the addition of  ne w terms must have some real significance besides simply  reflecting th e 

inclusion of more terms. This ca n be determined by monitoring  the F statistic, th e ratio of  

the regression mean square to the residual mean square. The inclusion of an y significant 

terms is generally accompanied by an increase in the F statistic and the best fit with th e 

least number of parameters m ay be obtained by maximising F. A ny variable which does 

not make a significant contribution is removed from the model, with the selection process 

continuing until no ne w variables remain to be inserted into the equation. Whilst stepwise 

regression gives estimates of the derivatives ncluded in the regression equation, t lso 

permits a suitable structure fo r the model to be determined. n addition, it provides an  

independent check on the data estimated using the maximum  likelihood technique. 

The tepwise egression echnique w as applied using code available n he M A T L A B©  

Statistics Toolbox [15]. The following model equations were identified during th e analysis. 

CY = CY 0 + C Y ßß + CYs8 1) 

Cn — Cno + Cn ß + Cnv — + CnT —+ CnSr 5 T  (2 ) 

Page 21: A Correlation Between Flight Determined Lateral Derivatives and Ground-Based Data for the Pilatus PC9A Training Aircraft in Cruise Configuration

8/13/2019 A Correlation Between Flight Determined Lateral Derivatives and Ground-Based Data for the Pilatus PC9A Training …

http://slidepdf.com/reader/full/a-correlation-between-flight-determined-lateral-derivatives-and-ground-based 21/59

DSTO-TR-0988 

C i = c l0 +  ßß +  h + cw + S asa  (3 ) 

4.1.1  Error Band Included in he tepwise egression analysis s he calculation of an error band on he estimated derivatives. Fo r a confidence interval of 95%, this error band is approximately  

equal to tw o standard deviations. Figures 2 to 21 show the stepwise regression derivative 

estimates, including the calculated error band. 

4.2  Maximum Likelihood 

The m a xi m um likelihood estimation technique w as applied using the computer program, 

pEst, developed at N A SA Dryden Flight Research Center 16]. pEst is an interactive pa - rameter estimation program  which solves a vector se t of time-varying, ordinary differential 

equations of motion. 

Prior to he application of the maximum likelihood technique, tepwise regression w as  used to determine a suitable structure fo r the lateral model equations. Those derivatives 

that were found to be statistically insignificant were not estimated using pEst. However, unlike stepwise regression, these derivatives were no t removed from th e model equations 

but were nstead fixed at heir a priori values. Yp w as ixed at a value of -0.16 per  

radian), Cy at 0.34 (per radian), CyS a at 0.0 (per degree), CnSa at -0.000035 pe r degree) and C ig ixed at 0.00035 (per degree). These a priori values were obtained from em pirical 

data of references 1 0 ] and 12]. he lateral derivatives which were identified using the 

maximum likelihood technique are given in table 1. 

Side Force  Yawing M om e nt  Rolling Moment 

Aerodynamic  CY0 Cnp Crir 

Qß Cir 

Control 

CYS,  C n Sm Clsa 

Table 1: Lateral derivatives estimated  The resulting total force and m om e nt coefficient equations used in the state and response 

equations fo r the maximum  likelihood analysis of the PC 9/A are given in equations 4, 5 and 6. he differences between equations 1, and 3, and 4, 5 and 6 ar e important, and arise from the inclusion of  the a priori values in the max imum likelihood technique. 

pb  rb  CY = CYo + CYßß  0.16  + 0.34— + CYsr5 

2V  2V  (4 ) 

Page 22: A Correlation Between Flight Determined Lateral Derivatives and Ground-Based Data for the Pilatus PC9A Training Aircraft in Cruise Configuration

8/13/2019 A Correlation Between Flight Determined Lateral Derivatives and Ground-Based Data for the Pilatus PC9A Training …

http://slidepdf.com/reader/full/a-correlation-between-flight-determined-lateral-derivatives-and-ground-based 22/59

DSTO-TR-0988 

Cn = Cno + Cnßß + Cnp + Cnr 0.000035£a + Cngr6r 5) 

Ci = Ch + Chß + Ch + Ci T + ClSa  Sa + 0.00035£r 6) 

4.2.1  Cramer-Rao Bounds Fo r the estimated parameters, pEst calculates a measure of the estimation certainty known 

as the Cramer-Rao bound. A detailed interpretation of this quantity is given in [17]. The 

Cramer-Rao bounds ar e shown fo r each derivative estimated by pEst in figures 2 to 21 . 

T he Cramer- Rao bounds have been factored in accordance with the procedures described 

in 1 7 ] o account fo r the presence of band-limited noise. 

5  Results and Discussion 

Lateral derivatives estimated via maximum likelihood parameter estimation, stepwise re - 

gression, empirical methods and power-off wind unnel experiments are ummarised in figures 2 to 21 . 

5 .1  Angle-of-Sideslip Derivatives 

Figures 2 o ho w he angle-of-sideslip derivatives Cye, Cn0 and Q0 plotted against a. he light est estimates of the ide force du e o ngle-of-sideslip derivative, Cy, generally fall between the empirical and wind tunnel estimates with the results showing 

a small degree of scatter at angles-of-attack bove 6°. he estimates of Cy ro m he 

stepwise regression method are  slightly smaller in  magnitude than those from  the maximum 

likelihood technique. 

Estimates of the directional stability derivative, Cn , show   good agreement between results 

from  stepwise regression and maximum likelihood techniquess for both3-2-1-1 and  doublet 

manoeuvres. owever, at low angles-of-attack, he flight test estimates ar e smaller than the wind unnel and empirical estimates, which are both power-off. his difference s 

du e to the imbalance between tw o competing effects acting on the portion of the vertical 

tail within the propeller slipstream, hese being the increased dynamic pressure and the decreased angle of incidence. The reduction in angle of incidence dominates, resulting in an  

overall reduction in  the directional stability of the aircraft. The flight test results show less 

variation with angle-of-attack than the wind tunnel results because the natural reduction 

in directional stability with angle-of-attack is partially balanced by  the increasing portion 

of the vertical tail which is subject to increased dynamic pressure within the slipstream. 

In general, the Cramer-Rao bounds and stepwise regression error bands for Cn estimates 

ar e small. 

Page 23: A Correlation Between Flight Determined Lateral Derivatives and Ground-Based Data for the Pilatus PC9A Training Aircraft in Cruise Configuration

8/13/2019 A Correlation Between Flight Determined Lateral Derivatives and Ground-Based Data for the Pilatus PC9A Training …

http://slidepdf.com/reader/full/a-correlation-between-flight-determined-lateral-derivatives-and-ground-based 23/59

DSTO-TR-0988  

The m a xi m um likelihood and stepwise regression estimates of the rolling moment du e to 

angle-of-sideslip derivative, Ch, show good agreement with the empirical and wind tunnel estimates fo r both the 3-2-1-1 and doublet manoeuvres. he flight test estimates of Clß  show  little variation with angle-of-attack, as  predicted by  the wind  tunnel results. Similarly 

to CY estimates, Clß estimates from the stepwise regression technique ar e slightly smaller in magnitude than those obtained by  the m a xi m um likelihood technique. 

5.2 aw Rate Derivatives 

Figures 7 to 11 ho w the ya w rate derivatives, C„r and Qr, plotted against a. ngular 

rates were not measured during th e wind tunnel test program and hence no wind tunnel 

ya w ate derivatives ar e vailable or comparision. s mentioned previously, CYr w as  

constrained to its a priori value for the maximum likelihood analysis, and not estimated 

in the stepwise regression analysis. nvestigations were undertaken to assess the relative 

contribution of each derivative to the aircraft's forces and moments to ensure that those 

set o their a priori values were small contributors. his analysis, which is detailed in Appendix B, showed the ya w rate contribution to side force to be small. 

The flight test estimates of the yawing moment du e to ya w rate, CUr, agree well with th e 

empirical estimate fo r both the 3-2-1-1 and doublet manoeuvres  A high degree of scatter is hown n the derivative estimates bove 6° ngle-of-attack. he tepwise egression 

technique gives estimates of C„r which are  slightly larger in magnitude than the estimates 

from the max imum likelihood technique. 

The olling moment du e o ya w ate, lr, whilst being mall s an mportant ateral- 

directional cross-coupling derivative. The flight test anaylsis results show Qr estimates to  be g enerally larger than the empirical estimate for both 3-2-1-1 and doublet manoeuvres at all angles-of-attack. The flight test estimates of QT show an increase with angle-of-attack. 

This is an expected result caused by the increase in lift coefficient with increasing angle- of-attack, which results in a greater rolling m om e nt as the aircraft yaws refer [18]). T he flight test results show a small degree of scatter, particularly fo r the estimates obtained 

by the max imum likelihood technique. 

5.3 oll Rate Derivatives 

The roll rate derivative estimates, Cnp and Ch, ar e plotted against a in figures 12 to 16 . 

The side force du e to roll rate, C y p , s a small derivative, not estimated in the stepwise 

regression or maximum likelihood analysis. 

The yawing m om e nt du e o ol l rate s an mportant ateral-directional cross-coupling 

derivative. The max imum likelihood estimates of Cnp agree well with the stepwise regres- sion estimates, and estimates from  both techniques have small uncertainty levels. However, 

the flight test estimates are larger in magnitude than the empirical estimate. Similarly to CiT, Cn s influenced by  the angle-of-attack and lift coefficient and it s value is expected to  vary with angle-of-attack 18]. This trend is seen in the flight test estimates, which show  

the value of C„p to decrease with angle-of-attack. The results also show a small degree of 

Page 24: A Correlation Between Flight Determined Lateral Derivatives and Ground-Based Data for the Pilatus PC9A Training Aircraft in Cruise Configuration

8/13/2019 A Correlation Between Flight Determined Lateral Derivatives and Ground-Based Data for the Pilatus PC9A Training …

http://slidepdf.com/reader/full/a-correlation-between-flight-determined-lateral-derivatives-and-ground-based 24/59

DSTO-TR-0988 

scatter at angles-of-attack above 6° . 

The roll damping derivative, Cip, estimates from both the stepwise regression and maxi- 

m um likelihood techniques show good agreement with the empirical estimate. A s expect- 

ed 18], he Ci

p estimates 

do not 

ho w any variation

 with 

angle-of-attack. 

he results display little scatter with small error bands, ndicating a high level of confidence in the 

results. 

5.4  Control Derivative 

The control derivatives estimates, CyS r, CnSr and QSa, are  plotted against a in figures 17 

to 21 . he yawing moment du e to aileron derivative, Cng and rolling moment du e to  rudder derivative, Cig are both small derivatives, which were not estimated in either th e 

stepwise regression or maximum likehood analysis. 

Estimates of the side force due to rudder deflection derivative, CYS T  are scattered about 

the empirical and wind tunnel estimates. T he maximum  likelihood estimates of Cy av e large Cramer-Rao bounds indicating a higher level of uncertainty in the estimates than 

other derivatives. owever, CYS T as only a small contribution to the total aircraft side 

force coefficient (refer Appendix B) and hence, the increased uncertainty in this derivative 

will not significantly affect the overall aircraft model characteristics. 

Estimates of  the rudder control effectiveness, CnSr, show good agreement with the empir- 

ical and wind tunnel estimates and small uncertainty levels, particularly at low angles-of- 

attack. he flight test estimates of the aileron control effectiveness derivative, Cts  al l 

between the empirical and wind tunnel estimates fo r the 3-2-1-1 and  doublet manoeuvres. 

These results exhibit only a small degree of  scatter and show a good correlation between 

the stepwise regression and m a xi m um likelihood estimation techniques. 

5.5  Variation of Lateral Derivatives with Rate of Climb and Angle-of-Attack 

The variation of lateral derivatives with angle-of-attack and nominal rate of climb fo r a selection of 3-2-1-1 manoeuvres is shown in figure 22 . linear curve fi t w as applied to  each rate of climb data se t to highlight the trends shown by  the data. The influence of rate of climb with increasing angle-of-attack is seen in figure 22 , with CnSr, Cy and Cnß ll 

increasing in magnitude. These trends ar e due to increases in the aircraft thrust coefficient 

and the dynamic pressure in the propeller slipstream as the rate of climb increases fo r a given angle-of-attack. These trends ar e supported by previous theoretical and experimen- 

tal studies detailed in references 1 9 ] and 20]. or the manoeuvres in figure 22 , hrust coefficient varies from approximately 0.02 to approximately 0.12. 

Page 25: A Correlation Between Flight Determined Lateral Derivatives and Ground-Based Data for the Pilatus PC9A Training Aircraft in Cruise Configuration

8/13/2019 A Correlation Between Flight Determined Lateral Derivatives and Ground-Based Data for the Pilatus PC9A Training …

http://slidepdf.com/reader/full/a-correlation-between-flight-determined-lateral-derivatives-and-ground-based 25/59

DSTO-TR-0988 

5.6  Manoeuvre Type and Altitude Dependancy 

Tables 2 and 3  show the mean values across the linear  angle-of-attack range (0° - 6°) of  the aerodynamic derivatives estimated by both max imum likelihood and stepwise regression 

techniques, fo r each manoeuvre type and altitude band. 

3-2-1-1   3-2-1-1   3-2-1-1  Doublet  Doublet 

5000 ft  10 00 0 ft  15 000 ft  5000 ft  15 000 ft 

Cy  -1.35E-02  -1.35E-02  -1.40E-02  -1.40E-02  -1.38E-02 

3.29E-03  3.00E-03  3.26E-03  3.27E-03  3.63E-03 

1.41E-03   1.39E-03  1.33E-03  1.44E-03   1.42E-03  

-6.32E-02  -6.29E-02  -5.28E-02  -5.40E-02  -6.06E-02 

(^7lr  -2.01E-01  -1.97E-01  -2.03E-01  -1.80E-01  -1.91E-01 

-2.02E-03  -1.91E-03  -1.89E-03  -1.73E-03  -1.86E-03 

Qo  -1.52E-03  -1.55E-03  -1.49E-03  -1.37E-03  -1.36E-03 

-5.08E-01  -5.04E-01  -4.94E-01  -4.64E-01  -4.77E-01 

1.14E-01  1.20E-01  0.962E-01  1.31E-01  1.52E-01 

Clsn   -1.89E-03  -1.91E-03  -1.79E-03  -1.48E-03  -1.71E-03 

Table 2: Summary of derivatives estimated using maximum likelihood  3-2-1-1   3-2-1-1  3-2-1-1  Doublet  Doublet 

5000 ft  10 00 0 ft  15 00 0 ft  5000 ft  15 000 ft 

Cy  CY  

-1.26E-02  -1.32E-02  -1.24E-02  -1.25E-02  -1.27E-02 

3.41E-03  3.50E-03  3.34E-03  3.45E-03  3.68E-03 

1.45E-03  1.47E-03  1.45E-03  1.52E-03  1.50E-03  

-5.54E-02  -5.21E-02  -5.19E-02  -4.72E-02  -5.55E-02 

-2.43E-01  -2.23E-01  -2.24E-01  -2.19E-01  -2.28E-01 

Cns T  -1.99E-03  -1.91E-03  -1.91E-03  -1.87E-03  -1.88E-03 

-1.38E-03  -1.28E-03  -1.37E-03  -1.34E-03  -1.30E-03 

-4.89E-01  -4.44E-01  -4.66E-01  -4.38E-01  -4.61E-01 

Qr  1.43E-01  1.43E-01  1.57E-01  1.47E-01   1.63E-01 

CK  -1.82E-03  -1.65E-03  -1.73E-03  -1.61E-03  -1.70E-03 

Table 3: Summary of derivatives estimated by stepwise regression The flight test derivative estimates from the 3-2-1-1 and doublet manoeuvres show similar 

trends or al l ateral derivatives. n general, here w as no ignificant change n uncer- 

tainty levels, derivative values or degree of scatter in the results fo r the tw o manoeuvre 

types at angles-of-attack below 6°. A s no doublet manoeuvres were performed above this angle-of-attack, o conclusions ca n be draw s o he nfluence of manoeuvre ype on  

derivative estimates at higher angles-of-attack. s expected, figures 2 to 21 do no t show an y ignificant altitude dependancy as he esults are non-dimensionalised by dynamic 

pressure. 

Page 26: A Correlation Between Flight Determined Lateral Derivatives and Ground-Based Data for the Pilatus PC9A Training Aircraft in Cruise Configuration

8/13/2019 A Correlation Between Flight Determined Lateral Derivatives and Ground-Based Data for the Pilatus PC9A Training …

http://slidepdf.com/reader/full/a-correlation-between-flight-determined-lateral-derivatives-and-ground-based 26/59

DSTO-TR-0988 

6  Conclusions 

T he ateral stability and control derivatives of the PC 9/A n he cruise configuration  

have been determined from flight test data measurements using max imum likelihood an d 

stepwise regression estimation techniques. Comparisions have been m a de with derivative  

estimates from empirical methods and wind-tunnel experiments. 

T he ideslip derivatives, Cy nd Q , howed good agreement between he light est 

and ground-based estimates, while the results fo r Cn0 howed small differences due to th e 

exclusion o f po w er effects in the wind tunnel and empirical estimates. Flight test estimates 

of  the ya w rate derivatives, CU r and Cir, showed good results whe n compared to empirical 

estimates, and displayed the expected trends with angle-of-attack. Estimates of CUp were 

slightly larger in magnitude than the empirical estimate, while flight est and empirical 

estimates of Cip compared well. 

T he control derivatives, CyS r, CnSr and QSa, were also estimated from the PC 9/A flight 

test measurements. ng nd Ci

s erivative estimates compared well with results esti- 

mated from empirical methods and wind tunnel experiments, while Cy stimates showed 

a higher level of uncertainty than other derivatives. 

Trends were ound n he CnSr, Cyß nd Cn estimates w h e n plotted s a function of 

airspeed and rate of climb that agree with predictions from previous theoretical and ex- 

perimental studies. n general, the flight test results did not show an y significant variation 

with altitude or manoeuvre type. 

Page 27: A Correlation Between Flight Determined Lateral Derivatives and Ground-Based Data for the Pilatus PC9A Training Aircraft in Cruise Configuration

8/13/2019 A Correlation Between Flight Determined Lateral Derivatives and Ground-Based Data for the Pilatus PC9A Training …

http://slidepdf.com/reader/full/a-correlation-between-flight-determined-lateral-derivatives-and-ground-based 27/59

DSTO-TR-0988  

References 

1. A . D. Snowden. PC 9/A flight tests summary. Client Report A O D 99/01, Aeronautical 

and Maritime Research Laboratory, 1999. 2. A . D. Snowden, H. A. Keating, N. va n Bronswijk, and J. S. Drobik. A correlation be - 

tween flight-determined longitudinal derivatives and ground-based  data fo r the Pilatus 

PC 9/A training aircraft in cruise configuration. Technical Report 0937, DSTO Aero- 

nautical and Marit ime Research Laboratory, Melbourne, Victoria, Australia, 2000. 

3. Royal Australian A ir Force. Flight Manual PC 9/A. Defence Instruction Air Force) AAP 7212.007-1, June 1989. 

4. M.C. Sciberras. Aircraft weigh record - A23-045. A R D U 2501/60/TechPtl(5), Novem- 

ber 1998. 

5. B. A . Woodyatt, A. D. Snowden, and K . E. Lillingston. The development of  a PC 9/A 

flight dynamic model validation flight test program. Client Report A O D 98/07, Aero- nautical and Maritime Research Laboratory, 1998. 

6. British Aerospace. ilatus PC 9/A performance maps. echnical memorandum, 

British Aerospace Aerodynamics, Brough. 

7. . Klein. stimation of aircraft aerodynamic parameters from flight data. rogress in Aerospace Sciences, 26:1-77, 1989. 

8 .E . Maine and K . W . Iliff. pplication of parameter estimation to aircraft stability and control, he output error approach. eference Publication 1168, NA S A Dryden 

Flight Research Facility, Edwards, California, U S A , June 1986. 

9 armichael and B. A. Woodyatt . stimates of the power-off aerodynamic 

characteristics of the Pilatus PC 9/A. lient Report A O D 96/29, Aeronautical and  

Maritime Research Laboratory, February 1997. 

10. N . van  Bronswijk. nvestigation of  th e Effects of Propeller Power on th e Stability and  Control of a Propeller Powered, Single-Engined, Low-Wing Monoplane. hD thesis, 

University of Sydney, In Preparation. 

11. R. D. Finck, editor. .S.A.F. Stability an d Control DATCOM. ngineering Docu- 

ments, A Division of Information Handling Services, 1978. 

12. PEI Aerodynamics. Evaluation of stability derivatives fo r the PC 9/A turbo-trainer. 

Technical report, Pilatus Aircraft Limited, 30 July 1983. 

13 

E illiams and Vukelich. The U S A F stability and control digital D A T C O M - vol- um e I, users manual. Technical Report AFFDL-TR -76 -45, Vol I, McDonnell Douglas 

Astronautics Company - East, St Louis, Missouri, USA , November 1976. 

14. .E. Williams and Vukelich. he U S A F stability and control digital D A T C O M 

volume II, implementation of D A T C O M methods. Technical Report AFFDL-TR -76 - 

45, Vo l II , McDonnell Douglas Astronautics Company - East, St Louis, Missouri, USA, 

November 1976. 

1 0  

Page 28: A Correlation Between Flight Determined Lateral Derivatives and Ground-Based Data for the Pilatus PC9A Training Aircraft in Cruise Configuration

8/13/2019 A Correlation Between Flight Determined Lateral Derivatives and Ground-Based Data for the Pilatus PC9A Training …

http://slidepdf.com/reader/full/a-correlation-between-flight-determined-lateral-derivatives-and-ground-based 28/59

DSTO-TR-0988 

15 . he MathWorks, Statistics Toolbox User s Guide, nc, Natick, M A , January 1997. 

16 . J.E. Murray and R.E. Maine. pEst version 2.1 user's manual. Technical Memorandum  

8828, N A SA A me s Research Center, Dryden Flight Research Facility, Edwards, CA , 

USA, September 1987. 

17 . R.E. Maine and  K . W . Iliff. User's manual fo r M M LE3 , a general F O R T R A N  program  

for maximum likelihood parameter estimation. echnical Paper 1563, Dryden Flight 

Research Center, Edwards, California, USA , 1980. 

18. . Etkin. Dynamics of Atmospheric Flight. John Wiley & Sons Inc., 1972. 

19. . P. Shivers, M. P. Fink, and G. M . Ware. Full-scale wind tunnel investigation of the static longitudinal and lateral characteristics of a light single-engine low-wing  airplane. 

TN D-5857, National Aeronautics and Space Administration, June 1970. 

20 . N . va n Bronswijk, P. W . Gibbens, D. M . N e wm a n, and K . C. Wong. nvestigation 

of the ffects of propeller po w er on he stability and control of a ractor-propeller 

powered ingle-engined ow-wing monoplane. echnical Report 9801, University of  

Sydney, January 1998. 

1 1  

Page 29: A Correlation Between Flight Determined Lateral Derivatives and Ground-Based Data for the Pilatus PC9A Training Aircraft in Cruise Configuration

8/13/2019 A Correlation Between Flight Determined Lateral Derivatives and Ground-Based Data for the Pilatus PC9A Training …

http://slidepdf.com/reader/full/a-correlation-between-flight-determined-lateral-derivatives-and-ground-based 29/59

DSTO-TR-0988 

fSSSr^   r i Z~i t^-M .-try-   ••  «*£.-WS 

Figure 1: Air data boom nstallation. 

12 

Page 30: A Correlation Between Flight Determined Lateral Derivatives and Ground-Based Data for the Pilatus PC9A Training Aircraft in Cruise Configuration

8/13/2019 A Correlation Between Flight Determined Lateral Derivatives and Ground-Based Data for the Pilatus PC9A Training …

http://slidepdf.com/reader/full/a-correlation-between-flight-determined-lateral-derivatives-and-ground-based 30/59

DSTO-TR-0988 

T3 

^o  

o . o o o  -0.005  

-0.010 

-0.015 

-0.020 

-0.025 

-0.030 

O  Flight Test (pEst estimates) □   Flight Test (swr  estimates) 

-- Empirical estimate - Wind tunnel estimates (Power off) 

J§TJ 

I  . 

0.0   1.0  2.0   3.0   4.0   5.0   6.0   7.0   8.0  9.0   10.0  11.0  12.0  13.0  14.0  15.0 Angle-of-Attack (degrees) 

0 . 0 0 4 0  1  L > 

T3  0 . 0 0 3 5 0 . 0 0 3 0 

S 3 a  0 . 0 0 2 5 

C O .  0 . 0 0 2 0  C o  0 . 0 0 1 5  

0 . 0 0 1 0  0 . 0 0 0 5 0.0000 

0 . 0   1.0  2.0  3.0   4.0   5.0  6.0   7.0   8.0  9.0  10.0  11.0  12.0  13.0  14.0  15.0 

Angle-of-Attack (degrees) 

0 - 0 

T3  - I I 

D  a  - 0 

C O .  - 0 u  - 0 

- 0 - 0 - 0 

. 0 0 0 0 

. 0 0 0 5 

. 0 0 1 0 

. 0 0 1 5 

. 0 0 2 0 

. 0 0 2 5 

. 0 0 3 0 

. 0 0 3 5 0040 

0 . 0  . 0  . 0  . 0  4 . 0  . 0  . 0  . 0  . 0  . 0 0 . 0 1 . 0 2 . 0 3 . 0 4 . 0 5 . 0 Angle-of-Attack (degrees) 

Figure 2: PC 9/A angle-of-sideslip derivatives, 3-2-1-1 manoeuvres at 5000 ft. 

13 

Page 31: A Correlation Between Flight Determined Lateral Derivatives and Ground-Based Data for the Pilatus PC9A Training Aircraft in Cruise Configuration

8/13/2019 A Correlation Between Flight Determined Lateral Derivatives and Ground-Based Data for the Pilatus PC9A Training …

http://slidepdf.com/reader/full/a-correlation-between-flight-determined-lateral-derivatives-and-ground-based 31/59

DSTO-TR-0988 

a ca. 

0.000 

-0.005 

-o.oio .. 

-0.015 _ 

-0.020 

-0.025 

-0.030  

O Flight Test (pEst estimates) 2 Flight Test (swr  estimates) 

-- Empirical estimate - Wind tunnel estimates (Power off) 

0.0  1.0  2. 0  3.0   4.0   5.0   6.0   7. 0  8.0  9.0   10.0  11.0  12.0  13.0  14.0  15.0 Angle-of-Attack (degrees) 

1?  

- 8  0.0040 

0.0035 

0.0030 Ö  Ä 0.0025 

CO.   0.0020 

0.0015 

0.0010 

0.0005 

0.0000 .0  1.0  2.0   3.0   4.0   5.0   6.0   7. 0  8.0  9.0   10.0  11.0  12.0  13.0 

Angle-of-Attack (degrees) 14.0  15.0 

2  0.0000 f e b  

S 5  a 

-0.0005 

-0.0010 

-0.0015 

eo.  -0.0020 

u   -0.0025 

-0.0030 

-0.0035 

-0.0040 0  1.0  2.0   3.0   4.0   5.0   6.0   7. 0  8.0   9.0  10.0  11.0  12.0  13.0  14.0  15.0 

Angle-of-Attack (degrees) 

Figure 3: PC 9/A angle-of-sideslip derivatives, 3-2-1-1 manoeuvres at 10 00 0 ft. 

14 

Page 32: A Correlation Between Flight Determined Lateral Derivatives and Ground-Based Data for the Pilatus PC9A Training Aircraft in Cruise Configuration

8/13/2019 A Correlation Between Flight Determined Lateral Derivatives and Ground-Based Data for the Pilatus PC9A Training …

http://slidepdf.com/reader/full/a-correlation-between-flight-determined-lateral-derivatives-and-ground-based 32/59

DSTO-TR-0988 

^  0 . 0 0 0 o 

~ a  b 

0.005 0.010 0.015 0.020 0.025 

O  Flight Test (pEst estimates) =  Flight Test (swr estimates) 

mpirical estimate ind  tunnel estimates (Power off) 

-0.030 

.0  1.0  2.0   3.0   4.0   5.0   6.0  7. 0  8.0  9.0   10.0  11.0  12.0  13.0  14.0  15.0 Angle-of-Attack (degrees) 

0.0040 &   0.0035 

0.0030 a  0.0025 

e n .  0.0020 0.0015 0.0010 0.0005 0.0000 

... ,,..,..,.  ... •-

i. O  1.0  2.0   3.0  4.0   5.0   6.0   7.0   8.0  9.0   10.0  11.0  12.0  13.0  14.0  15.0 

Angle-of-Attack (degrees) 

).0  1.0  2.0   3.0   4.0   5.0   6.0  7.0   8.0  9.0   10.0  11.0  12.0  13.0  14.0  15.0 

Angle-of-Attack (degrees) 

Figure 4:

 PC 9/A angle-of-sidslip derivatives, 3-2-1-1 manoeuvres at 15 00 0 ft. 

15 

Page 33: A Correlation Between Flight Determined Lateral Derivatives and Ground-Based Data for the Pilatus PC9A Training Aircraft in Cruise Configuration

8/13/2019 A Correlation Between Flight Determined Lateral Derivatives and Ground-Based Data for the Pilatus PC9A Training …

http://slidepdf.com/reader/full/a-correlation-between-flight-determined-lateral-derivatives-and-ground-based 33/59

DSTO-TR-0988 

O  Flight Test (pEst estimates) - Flight Test (swr  estimates) 

-- Empirical estimate - Wind tunnel estimate (Power off) 

0 . 0 0 0  .  >  1 

0 . 0 0 5  - 0 . 0 1 0   - e -  -  0 . 0 1 5  .^g£  B S~ 

. IC 

0 . 0 2 0  0 . 0 2 5 

i 1 .0   1.0  2.0   3.0   4. 0  5.0   6.0   7. 0  8.0  9.0   10.0  11.0  12.0  13.0  14.0  15.0 

Angle-of-Attack (degrees) 

I T 1 

C O .  

0.0040 0.0035 0.0030 0.0025 0.0020 

s 0.0015 0.0010 0.0005 0.0000 

0.0  1.0  2. 0  3.0   4.0   5.0   6.0   7.0   8.0  9.0   10.0  11.0  12.0  13.0  14.0  15.0 

Angle-of-Attack (degrees) 

o . o   1.0  2.0   3.0   4.0   5.0   6.0   7. 0  8.0  9.0   10.0  11.0  12.0  13.0  14.0  15.0 

Angle-of-Attack (degrees) 

Figure 5: PC 9/A angle-of-sidslip derivatives, doublet manoeuvres at 5000 ft. 

16 

Page 34: A Correlation Between Flight Determined Lateral Derivatives and Ground-Based Data for the Pilatus PC9A Training Aircraft in Cruise Configuration

8/13/2019 A Correlation Between Flight Determined Lateral Derivatives and Ground-Based Data for the Pilatus PC9A Training …

http://slidepdf.com/reader/full/a-correlation-between-flight-determined-lateral-derivatives-and-ground-based 34/59

DSTO-TR-0988 

f l T  0 . 0 0 0 0.005 

T 3  1 5  0.010 C u /o   0.015 

> -  u  0.020 

0.025 

O  Flight Test (pEst estimates)  c Flight Test (swr estimates) 

mpirical estimate ind  tunnel estimates (Power off) 

-0.030 

ifc c  e

0.0  1.0  2.0  3.0  4.0   5.0  6.0  7.0   8.0  9.0   10.0  11.0  12.0  13.0  14.0  15.0 Angle-of-Attack (degrees) 

0.0040 0.0035 0.0030 

C O . 0.0025 0.0020 

c o  0.0015 

0.0010 0.0005 0.0000 

'  I  r ' l

- •  ^ m  i i, t.... 

i. O   1.0  2. 0  3.0  4.0   5.0   6.0  7.0   8.0  9.0  10.0  11.0  12.0  13.0  14.0  15.0 

Angle-of-Attack (degrees) 

8  o . o o o o  -0.0005  

2  -0.0010 

A  -0.0015 

ex  -0.0020 j  -0.0025 

-0.0030 

-0.0035  

-0.0040  0.0  1.0  2.0   3.0  4.0   5.0  6.0  7.0  8.0  9.0   10.0  11.0  12.0  13.0  14.0  15.0 

Angle-of-Attack (degrees) 

Figure : PC 9/A angle-of-sideslip

 derivatives, doublet manoeuvres at 15 000  

ft . 

1 7  

Page 35: A Correlation Between Flight Determined Lateral Derivatives and Ground-Based Data for the Pilatus PC9A Training Aircraft in Cruise Configuration

8/13/2019 A Correlation Between Flight Determined Lateral Derivatives and Ground-Based Data for the Pilatus PC9A Training …

http://slidepdf.com/reader/full/a-correlation-between-flight-determined-lateral-derivatives-and-ground-based 35/59

DSTO-TR-0988 

O  Flight Test (pEst estimates) - Flight Test (swr estimates) 

-- Empirical estimate 

s   0.2  

' S   0.1  2  \ 0.0  u 3 -0.1 

w -0.2 

-0.3 

-0.4 

-0.5 

-0.6  

i I  M  i  i 

ra n 

0  1.0  2. 0  3. 0  4. 0  5.0   6 .0  7. 0  8.0   9.0   10.0  11.0  12.0  13.0  14.0  15.0 

Angle-of-Attack (degrees) 

'S  2 

1. 2  1. 0 0 .8  0 .6  

u  0.4 Ü  0.2 

0.0 -0.2 -0.4 

.0  1.0  2. 0  3. 0  4. 0  5.0   6. 0  7. 0  8.0   9.0   10.0  11.0  12.0  13.0  14.0  15.0 

Angle-of-Attack (degrees) 

Figure 7: PC 9/A aw rate derivatives, 3-2-1-1 manoeuvres at 5000 ft. 

18 

Page 36: A Correlation Between Flight Determined Lateral Derivatives and Ground-Based Data for the Pilatus PC9A Training Aircraft in Cruise Configuration

8/13/2019 A Correlation Between Flight Determined Lateral Derivatives and Ground-Based Data for the Pilatus PC9A Training …

http://slidepdf.com/reader/full/a-correlation-between-flight-determined-lateral-derivatives-and-ground-based 36/59

DSTO-TR-0988 

O Flight Test (pEst estimates)  

- Flight Test (swr estimates) 

-- Empirical estimate  

'S  2 

o  0  1.0  2.0   3. 0  4. 0  5. 0  6. 0  7. 0  8.0   9.0   10.0  11.0  12.0  13.0  14.0  15.0 

Angle-of-Attack (degrees) 

1.2 

1.0 

CD 

3 0.8  

0.6  

u.  0.4  

U  0.2  

0.0  

-0.2 

-0.4 .0  1.0  2. 0  3. 0  4. 0  5.0   6. 0  7. 0  8.0  9.0  10.0  11.0  12.0  13.0  14.0  15.0 

Angle-of-Attack (degrees) 

Figure 8: PC 9/A aw rate derivatives, 3-2-1-1 manoeuvres at 10 00 0 ft. 

19 

Page 37: A Correlation Between Flight Determined Lateral Derivatives and Ground-Based Data for the Pilatus PC9A Training Aircraft in Cruise Configuration

8/13/2019 A Correlation Between Flight Determined Lateral Derivatives and Ground-Based Data for the Pilatus PC9A Training …

http://slidepdf.com/reader/full/a-correlation-between-flight-determined-lateral-derivatives-and-ground-based 37/59

DSTO-TR-0988  

O Flight Test (pEst estimates) = Flight Test (swr estimates) 

-- Empirical estimate  

T3  e  G  u 

0.2  

0.1  

0.0  

-0.1 

-0.2 

-0.3 

-0.4 

-0.5 

-0.6 0.0  1.0  2. 0  3. 0  4 .0  5. 0  6 .0  7. 0  8.0   9.0   10.0  11.0  12.0  13.0  14.0  15.0 

Angle-of-Attack (degrees) 

S 3   1.2 

2   1.0 

0.8  

0.6  

« -   0.4  

u   0.2  

0.0  

-0.2 

-0.4 0.0  1.0  2. 0  3. 0  4. 0  5.0   6. 0  7. 0  8.0   9. 0  10.0  11.0  12.0  13.0  14.0  15.0 

Angle-of-Attack (degrees) 

Figure 9: C 9/A yaw rate derivatives, 3-2-1-1 manoeuvres at 15 000 ft. 

20  

Page 38: A Correlation Between Flight Determined Lateral Derivatives and Ground-Based Data for the Pilatus PC9A Training Aircraft in Cruise Configuration

8/13/2019 A Correlation Between Flight Determined Lateral Derivatives and Ground-Based Data for the Pilatus PC9A Training …

http://slidepdf.com/reader/full/a-correlation-between-flight-determined-lateral-derivatives-and-ground-based 38/59

DSTO-TR-0988 

O Flight Test (pEst estimates) 

ü Flight Test (swr estimates) 

-- Empirical estimate 

2 u a e U 

0.0   1.0  2. 0  3. 0  4. 0  5.0   6. 0  7. 0  8.0  9.0  10.0  11.0  12.0  13.0  14.0  15.0 

Angle-of-Attack (degrees) 

'S  S  u 0 )  3 O  

0.0   1.0  2.0   3.0   4. 0  5. 0  6. 0  7. 0  8.0  9.0  10.0  11.0  12.0  13.0  14.0  15.0 

Angle-of-Attack (degrees) 

Figure 10 : PC 9/A aw rate derivatives, doublet manoeuvres at 5000 ft. 

21 

Page 39: A Correlation Between Flight Determined Lateral Derivatives and Ground-Based Data for the Pilatus PC9A Training Aircraft in Cruise Configuration

8/13/2019 A Correlation Between Flight Determined Lateral Derivatives and Ground-Based Data for the Pilatus PC9A Training …

http://slidepdf.com/reader/full/a-correlation-between-flight-determined-lateral-derivatives-and-ground-based 39/59

DSTO-TR-0988 

O Flight Test (pEst estimates) D Flight Test (swr estimates) 

-- Empirical estimate 

e  U 

0. 0  1.0  2. 0  3. 0  4 .0  5. 0  6. 0  7. 0  8.0   9.0   10.0  11.0  12.0  13.0  14.0  15.0 

Angle-of-Attack (degrees) 

' S '  •6 2 

1.2 

1.0 u u 3 

0.8  

0.6  

l-t 0.4  

u   0.2  

0. 0 

-0.2 

-0.4 0. 0  1.0  2. 0  3. 0  4. 0  5. 0  6. 0  7.0   8.0   9.0   10.0  11.0  12.0  13.0  14.0  15.0 

Angle-of-Attack (degrees) 

Figure 11: PC 9/A aw rate derivatives, doublet manoeuvres at 15 00 0 ft. 

22  

Page 40: A Correlation Between Flight Determined Lateral Derivatives and Ground-Based Data for the Pilatus PC9A Training Aircraft in Cruise Configuration

8/13/2019 A Correlation Between Flight Determined Lateral Derivatives and Ground-Based Data for the Pilatus PC9A Training …

http://slidepdf.com/reader/full/a-correlation-between-flight-determined-lateral-derivatives-and-ground-based 40/59

DSTO-TR-0988 

O Flight Test (pEst estimates) 

2 Flight Test (swr estimates) 

-- Empirical estimate 

'S '  0.4  'S  2  0.3  u  0.2 V

a  0 .1  Q.  0.0  c u   -0.1 

-0.2 -0.3 -0.4 

0  1.0  2. 0  3. 0  4. 0  5.0   6. 0  7. 0  8.0   9.0   10.0  11.0  12.0  13.0  14.0  15.0 

Angle-of-Attack (degrees) 

T3  2 

0.4  

0.2  

0.0  

-0.2 

-0.4 

-0.6 

-0.8 

-1.0 - 

-1.2 

-1.4 

u r c  

.... .... 

0.0   1.0  2. 0  3. 0  4. 0  5.0   6. 0  7. 0  8.0  9. 0  10.0  11.0  12.0  13.0  14.0  15.0 

Angle-of-Attack (degrees) 

Figure 12 : PC 9/A ol l rate derivatives, 3-2-1-1 manoeuvres at 5000 ft. 

23  

Page 41: A Correlation Between Flight Determined Lateral Derivatives and Ground-Based Data for the Pilatus PC9A Training Aircraft in Cruise Configuration

8/13/2019 A Correlation Between Flight Determined Lateral Derivatives and Ground-Based Data for the Pilatus PC9A Training …

http://slidepdf.com/reader/full/a-correlation-between-flight-determined-lateral-derivatives-and-ground-based 41/59

DSTO-TR-0988 

O Flight Test (pEst estimates) - Flight Test (swr estimates) 

-- Empirical estimate 

2 u 

3. 

0.4  

0.3  

0.2  

0.1 

a.  0.0  c 

-0.1 

-0.2 

-0.3 

-0.4 .0  1.0  2. 0  3. 0  4. 0  5. 0  6 .0  7 .0  8.0   9.0   10.0  11.0  12.0  13.0  14.0  15.0 

Angle-of-Attack (degrees) 

0.4  

0.2 

0.0  

-0.2 \ -0.4 

-0.6 

-0.8 

-1.0 

-1.2 

-1.4 

1111  1 

.

0.0  1.0  2. 0  3.0   4. 0  5.0   6. 0  7. 0  8.0  9.0  10.0  11.0  12.0  13.0  14.0  15.0 

Angle-of-Attack (degrees) 

Figure IS: PC 9/A ol l rate derivatives, 3-2-1-1 manoeuvres at 10 000 ft. 

24  

Page 42: A Correlation Between Flight Determined Lateral Derivatives and Ground-Based Data for the Pilatus PC9A Training Aircraft in Cruise Configuration

8/13/2019 A Correlation Between Flight Determined Lateral Derivatives and Ground-Based Data for the Pilatus PC9A Training …

http://slidepdf.com/reader/full/a-correlation-between-flight-determined-lateral-derivatives-and-ground-based 42/59

DSTO-TR-0988 

O Flight Test (pEst estimates) ü Flight Test (swr estimates) 

-- Empirical estimate 

c  0.4  'S  2  0.3  u.   0.2  l> 3  0 .1  

o .  0. 0 c Ü  -0.1 

-0.2 -0.3 -0.4 

** j L S ?i|ä  

=   JäSS 0.0  1.0  2. 0  3. 0  4. 0  5. 0  6. 0  7 .0  8.0   9. 0  10.0  11.0  12.0  13.0  14.0  15.0 

Angle-of-Attack (degrees) 

'S  2 u 3

0.4  

0.2  

0.0 

-0.2 

-0.4 

-0.6 -0.8 

-1.0 

-1.2 

-1.4 

i  i ' 

0.0   1.0  2. 0  3. 0  4. 0  5.0   6. 0  7 .0  8.0  9.0   10.0  11.0  12.0  13.0  14.0  15.0 

Angle-of-Attack (degrees) 

Figure 14: PC 9/A ol l rate derivatives, 3-2-1-1 manoeuvres at 15 00 0 ft. 

25 

Page 43: A Correlation Between Flight Determined Lateral Derivatives and Ground-Based Data for the Pilatus PC9A Training Aircraft in Cruise Configuration

8/13/2019 A Correlation Between Flight Determined Lateral Derivatives and Ground-Based Data for the Pilatus PC9A Training …

http://slidepdf.com/reader/full/a-correlation-between-flight-determined-lateral-derivatives-and-ground-based 43/59

DSTO-TR-0988 

O Flight Test (pEst estimates) □   Flight Test (swr estimates) 

-- Empirical estimate 

'9   0.4 'S   0.3 2  u 

0.2 

< D  a  0 .1  0.0  

c u   -0.1 

-0.2 -0.3 -0.4 

0.0   1.0  2. 0  3. 0  4. 0  5.0   6. 0  7. 0  8.0   9.0   10.0  11.0  12.0  13.0  14.0  15.0 

Angle-of-Attack (degrees) 

Ü 

0.0   1.0  2. 0  3. 0  4. 0  5. 0  6. 0  7. 0  8.0   9.0   10.0  11.0  12.0  13.0  14.0  15.0 

Angle-of-Attack (degrees) 

Figure 15: C 9/A roll rate derivatives, doublet manoeuvres at 5000 ft. 

26  

Page 44: A Correlation Between Flight Determined Lateral Derivatives and Ground-Based Data for the Pilatus PC9A Training Aircraft in Cruise Configuration

8/13/2019 A Correlation Between Flight Determined Lateral Derivatives and Ground-Based Data for the Pilatus PC9A Training …

http://slidepdf.com/reader/full/a-correlation-between-flight-determined-lateral-derivatives-and-ground-based 44/59

DSTO-TR-0988 

O  Flight Test (pEst estimates) 

2 Flight Test (swr estimates) 

-  - Empirical estimate 

e  c  U 

1 .0   1.0  2. 0  3.0   4. 0  5. 0  6. 0  7. 0  8.0   9.0  10.0  11.0  12.0  13.0  14.0  15.0 

Angle-of-Attack (degrees) 

0.0   1.0  2. 0  3.0   4. 0  5. 0  6. 0  7. 0  8.0   9.0  10.0  11.0  12.0  13.0  14.0  15.0 

Angle-of-Attack (degrees) 

Figure 16 : PC 9/A ol l rate derivatives, doublet manoeuvres at 15 00 0 ft. 

27  

Page 45: A Correlation Between Flight Determined Lateral Derivatives and Ground-Based Data for the Pilatus PC9A Training Aircraft in Cruise Configuration

8/13/2019 A Correlation Between Flight Determined Lateral Derivatives and Ground-Based Data for the Pilatus PC9A Training …

http://slidepdf.com/reader/full/a-correlation-between-flight-determined-lateral-derivatives-and-ground-based 45/59

DSTO-TR-0988 

o o fe i u 

•a  0.015  0.010 0.005 

u  0.000  

O  Flight Test (pEst estimates)  - Flight Test (swr estimates) 

-- Empirical estimate  - Wind tunnel estimates (Power off) 

-0.005 0.0  1.0  2.0   3.0  4.0   5.0  6.0  7.0   8.0  9.0  10.0  11.0  12.0  13.0  14.0  15.0 

Angle-of-Attack (degrees) 

fe i 

u -0.006 

0.0  1.0  2.0   3.0  4.0   5.0  6.0  7.0   8.0  9.0  10.0  11.0  12.0  13.0  14.0  15.0 

Angle-of-Attack (degrees) 

) .0   1.0  2.0   3.0  4.0   5.0  6.0  7.0   8.0  9.0  10.0  11.0  12.0  13.0 

Angle-of-Attack (degrees) 14.0  15.0 

Figure 17: PC 9/A ontrol derivatives, 3-2-1-1 manoeuvres at 5000 ft. 

28  

Page 46: A Correlation Between Flight Determined Lateral Derivatives and Ground-Based Data for the Pilatus PC9A Training Aircraft in Cruise Configuration

8/13/2019 A Correlation Between Flight Determined Lateral Derivatives and Ground-Based Data for the Pilatus PC9A Training …

http://slidepdf.com/reader/full/a-correlation-between-flight-determined-lateral-derivatives-and-ground-based 46/59

DSTO-TR-0988 

0.015 

0.010 a . 

to  0.005 

o 0.000 

-0.005 

. T.,rT„,--r  1 

, ... 

0 Flight Test (pEst  estimates) -   Flight Test (swr  estimates) 

mpirical estimate ind  tunnel estimates (Power off) 

0.0   1.0  2.0   3.0  4.0   5.0  6.0   7.0  8.0  9.0  10.0  11.0  12.0  13.0  14.0  15.0 Angle-of-Attack (degrees) 

•a  

to G u  

-0.006  ). 0   1.0  2.0   3.0  4. 0  5.0  6.0   7.0  8.0  9.0  10.0  11.0  12.0  13.0  14.0  15.0 

Angle-of-Attack (degrees) 

8  o . o o o o  j j jb   -0.0005 a  -0.0010 f e   -0.0015  

M-0.0020 « 5 0.0025 rj -0.0030 

-0.0035 -0.0040 

1.0  2.0   3.0  4.0   5.0   6.0   7.0   8.0  9.0  10.0  11.0  12.0  13.0  14.0  15.0 

Angle-of-Attack (degrees) 

control derivatives, 3-2-1-1 manoeuvres at 10 000   ft.  

29 

Page 47: A Correlation Between Flight Determined Lateral Derivatives and Ground-Based Data for the Pilatus PC9A Training Aircraft in Cruise Configuration

8/13/2019 A Correlation Between Flight Determined Lateral Derivatives and Ground-Based Data for the Pilatus PC9A Training …

http://slidepdf.com/reader/full/a-correlation-between-flight-determined-lateral-derivatives-and-ground-based 47/59

DSTO-TR-0988  

0.015 b )  u  •o  b  ft   0.010  

t. IO  0.005 *  

Ü 0.000 

O  Flight Test (pEst  estimates) □   Flight Test (swr  estimates) 

-- Empirical estimate 

- Wind tunnel estimates (Power off) 

-0.005  0.0   1.0  2.0   3.0  4.0   5.0  6.0  7.0  8.0  9.0   10.0  11.0  12.0  13.0  14.0  15.0 Angle-of-Attack (degrees) 

u T3  

C O 

-0.006  0.0   1.0  2.0   3.0  4.0   5.0  6.0   7.0   8.0  9.0   10.0  11.0  12.0  13.0  14.0  15.0 

Angle-of-Attack (degrees) 

8  o  g - ° •«  -0. Ö   -0 to 0et 

-0. -0. -0. 

. 0 0 0 0 

. 0 0 0 5 

. 0 0 1 0 0015 0020 0025 0030 0035 0040 0045 0050 

.  .. S ^ ® ^ . . 0 . 0  1 . 0  2 . 0  3 . 0  4 . 0  . 0  6 . 0  7 . 0  8 . 0  . 0 0 . 0 1 . 0 2 . 0 3 . 0 4 . 0 5 . 0 Angle-of-Attack (degrees) 

Figure 19: PC 9/A ontrol derivatives, 3-2-1-1 manoeuvres at 15 000  ft. 

30  

Page 48: A Correlation Between Flight Determined Lateral Derivatives and Ground-Based Data for the Pilatus PC9A Training Aircraft in Cruise Configuration

8/13/2019 A Correlation Between Flight Determined Lateral Derivatives and Ground-Based Data for the Pilatus PC9A Training …

http://slidepdf.com/reader/full/a-correlation-between-flight-determined-lateral-derivatives-and-ground-based 48/59

DSTO-TR-0988 

1 *  o 

0.015 

0.010 

0.005 

0.000 -0.005

 

O  Flight Test (pEst estimates) n Flight Test (swr  estimates) 

mpirical estimate ind  tunnel estimates (Power off) 

0.0   1.0  2.0   3.0   4.0   5.0   6.0   7. 0  8.0  9.0  10.0  11.0  12.0  13.0  14.0  15.0 Angle-of-Attack  (degrees) 

B  Ü 

0.002 

0.001 

0.000 

-0.001 

-0.002 

-0.003  

-0.004 

-0.005  

-0.006  0. 0   1.0  2. 0  3.0   4.0   5.0   6.0   7.0   8.0  9.0   10.0  11.0  12.0  13.0  14.0  15.0 

Angle-of-Attack  (degrees) 

0.0000 -0.0005  -0.0010 -0.0015  -0.0020 -0.0025 -0.0030 -0.0035 |-0.0040 -0.0045 -0.0050 

0.0  

1P « 1.0  2.0   3.0   4.0  5.0   6. 0  7.0   8.0  9.0  10.0  11.0  12.0  13.0  14.0  15.0 

Angle-of-Attack (degrees) 

Figure 20.  ierivatives, doublet manoeuvres at 5000 ft.  

3 1  

Page 49: A Correlation Between Flight Determined Lateral Derivatives and Ground-Based Data for the Pilatus PC9A Training Aircraft in Cruise Configuration

8/13/2019 A Correlation Between Flight Determined Lateral Derivatives and Ground-Based Data for the Pilatus PC9A Training …

http://slidepdf.com/reader/full/a-correlation-between-flight-determined-lateral-derivatives-and-ground-based 49/59

DSTO-TR-0988 

T3 

US  

0.015 

0.010 

0.005 

0.000 

-0.005 

O  Flight Test (pEst  estimates) a Flight Test (swr  estimates) 

mpirical estimate — Wind tunnel estimates (Power off) 

0.0  1.0  2.0   3.0   4.0   5.0   6.0  7. 0  8.0  9.0  10.0  11.0  12.0  13.0  14.0  15.0 Angle-of-Attack (degrees) 

U U o 

0.002 0.001 

b 3

0.000 -0.001 

tO -0.002 3 u   -0.003 

-0.004 -0.005 -0.006  

.0  1.0  2.0   3.0   4.0   5.0   6.0   7.0   8.0  9.0   10.0  11.0  12.0  13.0  14.0  15.0 

Angle-of-Attack (degrees) 

0 T 3  -0 

-o b  -0 C L  

HI UO   -0 c  -0 

-0 -0 -0 -0 

. 0 0 0 0 

. 0 0 0 5 - 

. 0 0 1 0 r  

. 0 0 1 5 T , 0 0 2 0 

. 0 0 2 5 

. 0 0 3 0 

. 0 0 3 5 

0 0 4 0 - 0 0 4 5 0 0 5 0 •

0 . 0  1 . 0  2 . 0  3 . 0  4 . 0  5 . 0  6 . 0  7 . 0  8 . 0  9 . 0 0 . 0 1 . 0 1 2 . 0 1 3 . 0 1 4 . 0 1 5 . 0 Angle-of-Attack (degrees) 

Figure 21 : PC 9/A ontrol derivatives, doublet manoeuvres at 15 00 0 ft. 

32  

Page 50: A Correlation Between Flight Determined Lateral Derivatives and Ground-Based Data for the Pilatus PC9A Training Aircraft in Cruise Configuration

8/13/2019 A Correlation Between Flight Determined Lateral Derivatives and Ground-Based Data for the Pilatus PC9A Training …

http://slidepdf.com/reader/full/a-correlation-between-flight-determined-lateral-derivatives-and-ground-based 50/59

DSTO-TR-0988 

I •a 

Ö  & 

u  

Nominal Climb Rate 5 00  fpm  2 50   m 

Ofpm 25 0 fpm  50 0 fjjm 75 0 fym  

-0.0030 0.0  1.0  2.0   3.0  4. 0  5.0   6.0   7.0   8.0   9.0   10.0  11.0  12.0  13.0  14.0  15.0 

Angle-of-Attack (degrees) 

I  13 

-0.010 

-0.012  t-i u 

-0.014  

-0.016  

-0.018 

-0.020  0.0   1.0  2.0  3.0  4.0   5.0   6.0   7. 0  8.0  9.0  10.0  11.0  12.0  13.0  14.0  15.0 

Angle-of-Attack (degrees) 

0.0020  

3  0.0016 CO. j .0014 

0.0012 0.0010  

I üg£ jr 

0.0  1.0  2.0   3.0  4.0   5.0   6.0   7.0   8.0   9.0   10.0  11.0  12.0  13.0  14.0  15.0 

Angle-of-Attack (degrees) 

Figure 22 : ariation of lateral derivatives with nominal rate of climb. 

33 

Page 51: A Correlation Between Flight Determined Lateral Derivatives and Ground-Based Data for the Pilatus PC9A Training Aircraft in Cruise Configuration

8/13/2019 A Correlation Between Flight Determined Lateral Derivatives and Ground-Based Data for the Pilatus PC9A Training …

http://slidepdf.com/reader/full/a-correlation-between-flight-determined-lateral-derivatives-and-ground-based 51/59

DSTO-TR-0988  

Appendix A:  Weight, Centre-of-Gravity and Mass Moments-of-Inertia 

The aircraft mass, centre-of-gravity  and  mass moments-of-inertia were determined for each 

test manoeuvre based on the aircraft fuel mass. The basic aircraft, pilot and fuel masses 

and m om e nt arms from references 3 ] and 4 ] ar e given in table Al. The m om e nt arms ar e 

measured relative to the aircraft datum, ocated 3m forward of the engine firewall, and  

2 m below the forward fuselage reference plane. 

Mass (kg)  Moment A rm (m ) 

Basic Aircraft 

Pilot 

Fuel 

1784.5 

81.6 

Variable 

4.306 

4.061 

4.178 

Table Al: Flight test aircraft mass distribution [3 , 4 ] -  The mass of  the aircraft is calculated as the su m of  the basic aircraft, pilot and remaining 

fuel masses, by the following equation. 

M  = 1866.1 +MF (kg)  (Al) 

The longitudinal centre-of-gravity position of the flight test aircraft was determined from 

the following equation. 

lc.g.  _ 015.5+4.178Aff  /„N

1866.1+MF (A2) 

During the flight test program, the aircraft longitudinal centre-of-gravity position varied between 4.27 m 24.2%M A C) and 4.30 m (25.6 %M A C). The lateral and vertical centre- of-gravity positions were assumed to be  invariant with fuel usage, and were fixed at values 

of 0.024 m and -2.2 m , respectively, relative to the aircraft datum. 

The m a ss moments-of-inertia of the aircraft ar e given by  the following equations. 

Ixx  = 2505.9 +6.177 (M-1866.1)  (kg.m2)  (A3) 

IYY  = 6622.2 + 0.033 (M -1866.1)  (kg.m2)  (A4) 

Izz  = 8467.1 +6.188 (M-1866.1)  (kg.m2)  (A5) 

34  

Page 52: A Correlation Between Flight Determined Lateral Derivatives and Ground-Based Data for the Pilatus PC9A Training Aircraft in Cruise Configuration

8/13/2019 A Correlation Between Flight Determined Lateral Derivatives and Ground-Based Data for the Pilatus PC9A Training …

http://slidepdf.com/reader/full/a-correlation-between-flight-determined-lateral-derivatives-and-ground-based 52/59

DSTO-TR-0988 

IXY  = 49.0 + 0.0057   M- 1866.1)  (kg.m2) A6) 

Ixz  = 196.9 + 0.0041 (M -1866.1)  (kg.m2) A7) 

IYZ = 3.0 + 0.0007   M- 1866.1)  (kg.m2) A8 ) 

35 

Page 53: A Correlation Between Flight Determined Lateral Derivatives and Ground-Based Data for the Pilatus PC9A Training Aircraft in Cruise Configuration

8/13/2019 A Correlation Between Flight Determined Lateral Derivatives and Ground-Based Data for the Pilatus PC9A Training …

http://slidepdf.com/reader/full/a-correlation-between-flight-determined-lateral-derivatives-and-ground-based 53/59

DSTO-TR-0988 

Appendix B:  Side Force, Rolling Moment and Yawing Moment Coefficients 

A n analysis w as carried out on he PC 9/A light est data o determine he elative 

contribution of each lateral derivative to the aircraft's force and moment coefficients, Cy, Cn and Ci . his analysis w as undertaken to confirm that contributions from derivatives 

se t to their a priori values in the max imum likelihood analysis were no t significant in the total force and moment equations of the aircraft. This analysis also confirmed the stepwise 

regression results, which showed several derivatives to be insignificant to he regression 

equation. 

B.l  Side Force Coefficient 

The side force coefficient m ay be represented by : 

Cy = Cy + Cyßß + Cy ()+ Cy Q) + CyS a  S a + CyS r Sr B l) 

A comparison of the relative size of each component of the above equation is shown in figure Bl for a 3-2-1-1 manoeuvre. The results show that changes in side force are mainly 

du e to the change in the aircraft's angle-of-sideslip. he roll rate and rudder deflection 

contributions to side force are small, while ya w rate and aileron deflection contributions 

ar e negligible. 

B.2  Yawing Moment Coefficient 

T he yawing m om e nt coefficient m ay  be represented by : 

Cn = Cno + Cn ß + Cnp Q) + Cnr ()+ CnS a  6 a + Cnsr 5r B2 ) 

A comparison of the relative size of each component of the above equation is shown in figure B2 fo r a 3-2-1-1 manoeuvre. The results show that the ya w stiffness derivative, Cnß, and the ya w control derivative, CnSr, are important, while the remaining derivatives are  

less significant to the total yawing m om e nt coefficient of the aircraft. 

B.3 Rolling Moment Coefficent 

The rolling moment coefficient m ay be represented by : 

36  

Page 54: A Correlation Between Flight Determined Lateral Derivatives and Ground-Based Data for the Pilatus PC9A Training Aircraft in Cruise Configuration

8/13/2019 A Correlation Between Flight Determined Lateral Derivatives and Ground-Based Data for the Pilatus PC9A Training …

http://slidepdf.com/reader/full/a-correlation-between-flight-determined-lateral-derivatives-and-ground-based 54/59

DSTO-TR-0988 

= Clo+C0ß + Ch m  + Cl

r 2V   J  +

 C

' ' «  6a +

  ^  (B3) 

^nsion of L i :  elative size of each component of the above equation is shown in -2-1-1 manoeuvre. With the exception of Qs each of  the rolling m oment 

' - . a n t to the total rolling moment coefficient of  the aircraft. 

0.08  

0.06 

0.04 

0.02 

-0.02 - 

-0.04- 

-0.06 

-0.08 

CY  =  CY o  

+ V + V*

 b/2V)+ V»+ CY * . *S

a   CY5r'Sr 

—Y0  — 

-ß  _  'p'(b/2V) _C YrT'(b/2V) —

CYSa*8a 

20 5 Time (s)  

Figure Bl: Relative magnitudes of  Cy quation components. 

37 

Page 55: A Correlation Between Flight Determined Lateral Derivatives and Ground-Based Data for the Pilatus PC9A Training Aircraft in Cruise Configuration

8/13/2019 A Correlation Between Flight Determined Lateral Derivatives and Ground-Based Data for the Pilatus PC9A Training …

http://slidepdf.com/reader/full/a-correlation-between-flight-determined-lateral-derivatives-and-ground-based 55/59

DSTO-TR-0988 

xi<r 

c„ = Cn o + V + V <V<b/2V  + C n6a *8 a + C rör -8 r 

—Cno  

— Cnp P  _C  p (b/2V) 

v<b/2V) 

15 0 5 0 5 0 Time (s)  

Figure B2: Relative magnitudes of Cn quation components. 

0.02 

0.01   C  = Cto  + V + Clp* P*

 b/2V)+ Glr l*<W2V

>  + CBa 'Sa  + Vr 

-0.01 

— ct o  — c  ,-P  _  *p * (W ZV ) 

|r*r '(b/2V) 

— efc*«. *r*8r l TOTAL 

W v  20 5 

Time (s)   30  

Figure B3: Relative magnitudes of Ci quation components. 

38  

Page 56: A Correlation Between Flight Determined Lateral Derivatives and Ground-Based Data for the Pilatus PC9A Training Aircraft in Cruise Configuration

8/13/2019 A Correlation Between Flight Determined Lateral Derivatives and Ground-Based Data for the Pilatus PC9A Training …

http://slidepdf.com/reader/full/a-correlation-between-flight-determined-lateral-derivatives-and-ground-based 56/59

DISTRIBUTION LIST 

A Correlation between Flight-determined Lateral Derivatives and Ground-based Data for 

the Pilatus PC 9/A Training Aircraft in Cruise Configuration 

Hilary A . Keating, Nick va n Bronswijk, Andrew D. Snowden and Jan S. Drobik 

Number of Copies 

DEFENCE ORGANISATION Task Sponsor 

C O P S H Q A C 

S T Program Chief Defence Scientist 

FA S Science Policy 

A S Science Corporate Management 

Director General Science Policy Development 

Counsellor, Defence Science, London 

Counsellor, Defence Science, Washington 

Scientific Adviser to M R D C Thailand 

Scientific Adviser Policy and Command 

Navy Scientific Adviser 

Scientific Adviser, Arm y 

A ir Force Scientific Adviser 

Director Trials 

Aeronautical and Maritime Research Laboratory Director, Aeronautical and Maritime Research Laboratory 

Air Operations Division Chief, A ir Operations Division 

Research Leader, Avionics and Flight Mechanics 

Head, Flight Mechanics Applications 

Task Manager - G. J . Brian 

Author - H. A. Keating 

Author - N . van Bronswijk 

Author - A. D. Snowden 

Author - J. S. Drobik 

B. A . Woodyatt 

K . L. Bramley 

DSTO Research Library and Archives Library Fishermans Bend 

D oc Data Sht  D oc Data S ht 

D oc Data Sht 

1  

D oc Data Sht 

D oc Data Sht 

Page 57: A Correlation Between Flight Determined Lateral Derivatives and Ground-Based Data for the Pilatus PC9A Training Aircraft in Cruise Configuration

8/13/2019 A Correlation Between Flight Determined Lateral Derivatives and Ground-Based Data for the Pilatus PC9A Training …

http://slidepdf.com/reader/full/a-correlation-between-flight-determined-lateral-derivatives-and-ground-based 57/59

Library Maribyrnong 

Library Salisbury 

Library, M O D , Pyrmont 

US Defense Technical Information Center 

UK Defence Research Information Centre 

Canada Defence Scientific Information Service 

N Z Defence nformation Centre 

National Library of  Australia 

Capability Systems Staff Director General Marit ime Development 

Director General C3 I Development 

Director General Aerospace Development 

Aircraft Research and Development Unit M S S U P1 

Intelligence Program D GS TA Defence Intelligence Organisation 

Manager, nformation Centre, Defence ntelligence Organisa- 

tion Corporate Support Program 

Officer in Charge, T R S , Defence Regional Library, Canberra 

UNIVERSITIES AND COLLEGES Australian Defence Force Academy Library 

Head of Aerospace and Mechanical Engineering, ADFA  

Deakin University Library, Serials Section (M List) 

Librarian, Flinders University 

Head of Aeronautical Engineering, University of Sydney 

Head of Centre of Expertise in Aerodynamic Loading, RMIT 

Adrian Pearce, Computer Science, Curtin University W A 

OTHER ORGANISATIONS NA S A Canberra) Info Australia 

ABSTRACTING AND INFORMATION ORGANISATIONS Library, Chemical Abstracts Reference Service 

Engineering Societies Library, US  

1  

D oc Data Sh t 

1  

1  

1  

D oc Data Sht 

D oc Data Sht 

Page 58: A Correlation Between Flight Determined Lateral Derivatives and Ground-Based Data for the Pilatus PC9A Training Aircraft in Cruise Configuration

8/13/2019 A Correlation Between Flight Determined Lateral Derivatives and Ground-Based Data for the Pilatus PC9A Training …

http://slidepdf.com/reader/full/a-correlation-between-flight-determined-lateral-derivatives-and-ground-based 58/59

Materials Information, Cambridge Science Abstracts, US  

Documents Librarian, The Center fo r Research Libraries, US  

INFORMATION EXCHANGE AGREEMENT PARTNERS Acquisitions Unit, Science Reference and Information Service, 

UK  Library - Exchange Desk, National Institute of Standards and 

Technology, US  

National Aerospace Library, Japan 

National Aerospace Library, Netherlands 

SPARES H. A . Keating

Total number of copies: 5  

Page 59: A Correlation Between Flight Determined Lateral Derivatives and Ground-Based Data for the Pilatus PC9A Training Aircraft in Cruise Configuration

8/13/2019 A Correlation Between Flight Determined Lateral Derivatives and Ground-Based Data for the Pilatus PC9A Training …

http://slidepdf.com/reader/full/a-correlation-between-flight-determined-lateral-derivatives-and-ground-based 59/59

Page classification: UN C LASSIFIED 

DEFENCE SCIENCE AND TECHNOLOGY ORGANISATION DOCUMENT CONTROL DATA 

2. TITLE 

A Correlation between Flight-determined Later- 

al erivatives nd round-based ata or he Pilatus C /A raining ircraft n ruise 

Configuration 

4 . AUTHORS 

Hilary A. Keating, Nick va n Bronswijk, Andrew 

D. Snowden and Jan S. Drobik 

6 a. DSTO NUMBER 

DSTO-TR-0988 

6b. AR NUMBER 

AR-011-475 

1. AVEAT/PRIVACY MARKING 

3. SECURITY CI ASSIFI 

Document  (U ) Title  (U ) Abstract  (U ) 

5. CORPORATE AUTHOR 

Aeronautical and Marit ime Research Laboratory 

50 6 Lorimer S t, 

Fishermans Bend, Victoria, Australia 3207 6c . TYPE OF REPORT 

Technical Report 7. DOCUMENT DATE 

June, 2000 

8. FILE NUMBER 

Ml/9/746 9. TASK NUMBER 

A IR 97/135 

10 . PONSOR 

COPS H Q A C 

11 . N o OF PAGES 

38  12 . N o OF REFS 

20  13 . URL OF ELECTRONIC VERSION 

http://www.dsto.defence.gov.au/corporate/ reports/DSTO-TR-0988.pdf  

14 . RELEASE AUTHORITY 

Chief, A ir Operations Division 

15 . SECONDARY RELEASE STATEMENT OF THIS DOCUMENT 

Approved Fo r Public Release OVERSEAS NQUIRIES OUTSIDE TATED IMITATIONS HOULD E EFERRED HROUGH OCUMENT XCHANGE, O OX 500, SALISBURY, SOUTH AUSTRALIA 5108

16 . DELIBERATE ANNOUNCEMENT 

N o Limitations

17 . CITATION IN OTHER DOCUMENTS 

No Limitations 

18 . DEFTEST DESCRIPTORS 

Aerodynamics 

Aerodynamic stability 

Lateral stability System identification 

Aerodynamic configurations  

Flight tests PC 9/A aircraft 

19 . ABSTRACT 

A series of flight tests were conducted on the PC 9/A aircraft, A23-045, at the Royal Australian A ir 

Force's Aircraft Research and Development Unit. System identification techniques were applied to the data obtained from these flight tests to determine the stability and control derivatives of the aircraft. 

The lateral results fo r the aircraft in cruise configuration are  presented in this report and comparisons