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Experimental investigation of vortex ring state for multicopters

Longobardo, Giosuè und Heintz, Alexander und Braukmann, Johannes N. und Wolf, Christian und Raddatz, Jochen und Astarita, Tommaso und De Gregorio, Fabrizio und Gardner, Anthony und Raffel, Markus (2026) Experimental investigation of vortex ring state for multicopters. Aerospace Science and Technology, 180 (6), Seiten 1-20. Elsevier. doi: 10.1016/j.ast.2026.114126. ISSN 1270-9638.

[img] PDF - Verlagsversion (veröffentlichte Fassung)
35MB

Offizielle URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1270963826025010?via%3Dihub

Kurzfassung

The vortex ring state (VRS) regime for multicopters has been experimentally investigated within ”GARTEUR AG28: Vortex Ring State” via thrust and power measurements as well as stereo particle image velocimetry (S-PIV), at descent angles between 40∘ and 90∘, and normalised descent rates between −0.4 and −1.7, covering the whole area of flight susceptible to VRS, with the aim of investigating the interaction effects on multirotor configurations in VRS and the deviation of their performance from existing experimental data for conventional helicopters. Four different configurations have been investigated: the single rotor (SR), used as a reference test case, the dual rotors in side-by-side (DRSbS) and tandem (DRT) arrangement and the quadrotor (QR) configuration. Thrust data and S-PIV velocity fields show that while multirotor configurations exhibit qualitative similarities to helicopters in their VRS behaviour, they proved more susceptible to VRS: based on mean thrust reduction, the multirotor configurations show broader regions of the flight envelope affected by VRS compared to the SR configuration. However, similar mean thrust reduction levels are obtained for all configurations, with the highest reduction measured at roughly 25-30%. Significant configurational effects are also found regarding rotor placement, with the DRT and QR configurations showing reduced thrust levels for the rear rotor at shallow descent angles. The QR configuration also showed the highest thrust fluctuations, growing by a factor of 2 compared to the SR configuration. The velocimetry measurements proved that, for the QR configuration, a single recirculation region wraps around the device when in VRS, forming a unified vortex ring. Additionally, the minimum thrust experienced by the configuration is found to correlate with the centre of the recirculation regions being approximately positioned at 1/2 of the device characteristic length from the rotor plane.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/228704/
Dokumentart:Zeitschriftenbeitrag
Titel:Experimental investigation of vortex ring state for multicopters
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Longobardo, Giosuègiosue.longobardo (at) unina.itNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Heintz, Alexanderalexander.heintz (at) dlr.dehttps://orcid.org/0009-0001-4371-7138232420476
Braukmann, Johannes N.Johannes.Braukmann (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0001-8046-9623NICHT SPEZIFIZIERT
Wolf, ChristianChristian.Wolf (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0002-9052-7548NICHT SPEZIFIZIERT
Raddatz, JochenJochen.Raddatz (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0002-0126-9920NICHT SPEZIFIZIERT
Astarita, TommasoUni. Napoli (I)NICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
De Gregorio, FabrizioCentro Italiano di Richerche AerospazialiNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Gardner, Anthonyanthony.gardner (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0002-1176-3447232420477
Raffel, MarkusMarkus.Raffel (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0002-3340-9115232420478
Datum:28 Oktober 2026
Erschienen in:Aerospace Science and Technology
Referierte Publikation:Ja
Open Access:Ja
Gold Open Access:Nein
In SCOPUS:Ja
In ISI Web of Science:Ja
Band:180
DOI:10.1016/j.ast.2026.114126
Seitenbereich:Seiten 1-20
Herausgeber:
HerausgeberInstitution und/oder E-Mail-Adresse der HerausgeberHerausgeber-ORCID-iDORCID Put Code
NICHT SPEZIFIZIERTScience directNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Verlag:Elsevier
ISSN:1270-9638
Status:veröffentlicht
Stichwörter:VRS; Multicopters; Stereoscopic PIV; Rotor aerodynamics; Urban air mobility
HGF - Forschungsbereich:Luftfahrt, Raumfahrt und Verkehr
HGF - Programm:Luftfahrt
HGF - Programmthema:Effizientes Luftfahrzeug
DLR - Schwerpunkt:Luftfahrt
DLR - Forschungsgebiet:L EV - Effizientes Luftfahrzeug
DLR - Teilgebiet (Projekt, Vorhaben):L - Virtueller Hubschrauber und Validierung
Standort: Braunschweig , Göttingen
Institute & Einrichtungen:Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik > Hubschrauber, GO
Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik > Hubschrauber, BS
Hinterlegt von: Koch, Bianca
Hinterlegt am:06 Nov 2026 10:21
Letzte Änderung:06 Nov 2026 10:21

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