Preliminary design of waverider aircraft

The present thesis is focused on waverider aircraft: one of the most promising concept to achieve hypersonic velocities with acceptable lift-to-drag ratios. A preliminary design framework has been developed in order to generate the most fitting waverider configurations for the desired design mission. The framework is based on the resolution of the aerodynamic problem, the creation of the geometry through the osculating cone method, the propulsion analysis and the optimization procedure through genetic algorithms, which allows to identify the optimal configurations. Two different design strategies have been defined: the aerodynamic design and the aerodynamic and propulsion design. While the first is focused on the generation of the geometry which maximizes the aerodynamic performance, the second one deals also with the propulsion integration, achieving a range and payload multi-objective optimization. The design tool implemented has been applied to some of the missions which are considered particularly suitable for waverider aircraft, such as aero-gravity assist, two-stage-to-orbit and hypersonic transportation. In addition, several sensitivity analyses have been performed, with the aim of identifying the advantages and the limits of this concept, from a more general perspective. Regarding the aerodynamic design, the results show lift-to-drag ratios typically around 5-6 in the hypersonic range of velocities, with relevant improvement compared to other aircraft as in the two-stage-to-orbit mission. When considering propulsion, the highest range estimated resulted around 7,000 km and hydrogen fuel has been identified as the most advisable notwithstanding its low density which causes issues in storing its huge volume. The technological realization of the propulsion system emerged as a critical aspect because of the necessity of three different engines in several design missions: turbojet, ramjet and scramjet. Finally, the aero-gravity-assist mission, going beyond this specific problem (no engine required), appears particularly suitable for waverider aircraft.

La tesi è focalizzata sul progetto preliminare di velivoli waverider: una della configurazioni più promettenti per il volo ipersonico, garantendo valori di efficienza accettabili nonostante le elevate velocità. È stato quindi sviluppato un algoritmo per il progetto preliminare di questi velivoli, capace di identificare le configurazioni più adatte per la missione assegnata. Esso è basato sulla risoluzione del problema aerodinamico, sulla creazione della geometria del velivolo attraverso il metodo dei coni osculatori, sull’analisi del sistema propulsivo e sulla procedura di ottimizzazione, compiuta attraverso algoritmi genetici. Nel corso del lavoro sono state definite due diverse strategie: il progetto aerodinamico da un lato e la sua integrazione con la propulsione dall’altro. Mentre il primo si concentra sulla generazione della geometria che massimizza le prestazioni aerodinamiche, il secondo fornisce anche una stima dell’autonomia chilometrica e del carico utile. L’intero algoritmo di progetto è stato applicato ad alcune missioni specifiche, considerate particolarmente adatte per i waverider quali l’aero-gravity assist, missioni two-stage-to-orbit e il trasporto ipersonico. In aggiunta sono state compiute numerose analisi di sensitività con lo scopo di identificare sia i vantaggi, sia i limiti di questa configurazione da un punto di vista più generale. Per quanto rigurada il progetto aerodinamico, i risultati ottenuti mostrano livelli di efficienza tipicamente attorno a 5-6 in corrispondenza di velocità ipersoniche, mostrando un miglioramento rilevante rispetto ad altre tipologie di velivoli adatte a compiere le stesse missioni. È un esempio il caso del two-stage-to-orbit. In merito alla propulsione, il maggiore valore di autonomia stimato supera i 7000 km e l’idrogeno è risultato il combustibile più adatto per le missioni di trasporto a lungo raggio, nonostante i suoi valori di densità particolarmente bassi che causano problemi di stoccaggio. La realizzazione tecnologica del sistema propulsivo è emersa come aspetto critico, necessitando nella maggior parte delle applicazioni di tre differenti motori: turbojet, ramjet e scramjet. I waverider progettati per missioni di tipo aero-gravity-assist in particolare, non richiedendo sistemi propulsivi specifici per la missione, risultano una soluzione particolarmente vantaggiosa.