Combined braking and tire wear control for aircraft

Anti-skid or anti-blocking systems, known as ABS, assume a key role in the aviation context. The current technology in the ABS control systems for aircraft is usually based on wheel-deceleration based control algorithms, where the braking torque is actuated according to thresholds. The evolution of new technology, today, allows to estimate the longitudinal vehicle speed. In this context new ABS modulating control strategy can be adopted, such as slip control. This is the reason behind the collaboration between the Politecnico di Milano and the company Leonardo S.p.A. - Finmeccanica Aircraft Division, which led to the so called TIVANO project (Tecnologie Innovative Velivoli Aviazione generale Nuova generaziOne). The aim of this collaboration is to develop an electro-mechanical actuator capable of providing a modulating control action. The present work, born in this context, has achieved three main results. First of all, the development of an accurate longitudinal model of the aircraft, which considers the gear walk phenomenon, a time varying vertical load and tires’ relaxation dynamics. The possibility to rely on an analytical approach for the tuning of the controllers allows to better understand the dynamics involved in the aircraft during braking manoeuvre, reducing the time spent on the calibration of the controller, leading the way to control strategies based on a robust theory and not on empirical rules. The second aim is to implement two different control strategies. This work proved that the first one, called 5-phase ABS, is able to achieve very similar performances to those experienced in real braking manoeuvre (during landing and aborted takeoff). This strategy is based on a switching control logic employing the measure of the wheel deceleration only, and can well explain the state of the art of the ABS system of aircraft. The second one is a more sophisticated algorithm which was developed in the automotive context, called slip control. It is based on modern electro-mechanical brakes and could be representative of the future evolution of ABS systems for aircraft. Lastly, the third aim is to understand the effect of the two anti-skid controller on the tire wear during the aircraft’s braking manoeuvre. Until now, this problem has been addressed only in the automotive field but without considering the ABS effect on it, since for ground vehicles it is involved only in dangerous situations. This analysis wants to be an additional reason to move to a more sophisticated and modern ABS control strategy, as slip control is, even for the aeronautic ambit. Since in aeronautics the tire wear problem has higher impact for both costs and resources with respect automotive, this problem can be considered in the development of a further control strategy based on a modulating ABS control algorithm, in which a loss of mass reference in settled by means of a suitable tire wear control developed in this thesis work.

I sistemi antibloccaggio, conosciuti come ABS, rivestono un ruolo fondamentale nel contesto aeronautico. L’attuale tecnologia dei sistemi di controllo ABS per velivoli `e generalmente basata su un algoritmo di controllo della decelerazione di ruota, dove la coppia frenante `e attuata sulla base di una logica a soglie. L’evoluzione di una nuova tecnologia, oggigiorno, permette di stimare la velocita` longitudinale del velivolo. In questo contesto, un nuovo sistema di controllo ABS modulante puo` essere adottato, come ad esempio slip control. Questa `e il motivo per cui `e nata la collaborazione tra il Politecnico di Milano e Leonardo S.p.a - Finmeccanica Aircraft Division, che ha portato allo sviluppo del progetto TIVANO (Tecnologie Innovative Velivoli Aviazione generale Nuova generaziOne). Lo scopo di questa collaborazione riguarda lo sviluppo di un attuatore elettromeccanico in grado di fornire un’azione di controllo modulante. Questo lavoro, sviluppato in questo contesto, ha raggiunto tre risultati principali. Il primo riguarda lo sviluppo di un modello analitico della dinamica longitudinale di un velivolo, in cui vengono considerati: il fenomeno del gear walk, un carico verticale tempo variante e la dinamica di rilassamento degli pneumatici. La possibilita` di affidarsi ad un modello analitico per la sintesi del regolatore permette di capire a fondo le dinamiche coinvolte durante la manovra di frenata del velivolo, riducendo cos`ı il tempo di calibrazione del regolatore, garantendo cos`ı una strategia di controllo basata su una robusta base teorica e non su regole empiriche. Il secondo risultato riguarda l’implementazione di due logiche di controllo differenti. La prima di queste, chiamata 5-fasi, `e in grado di raggiungere performance simili a quelle ottenute in una reale manovra di frenata (durante un atterraggio o un decollo abortito). Questa strategia di basa su una logica di controllo di tipo switching che utilizza la sola misura di decelerazione di ruota e rappresenta fedelmente lo stato dell’arte dei sistemi ABS per velivoli. La seconda strategia di controllo si basa su un algoritmo piu` sofisticato sviluppato in ambito automotive, chiamato slip control. Questa strategia `e basata su un moderno freno elettromeccanico che pu`o rappresentare l’evoluzione futura dei sistemi ABS in aeronautica. Il terzo e ultimo risultato di questa tesi riguarda lo studio dell’effetto di queste due strategie di controllo sull’usura dello pneumatico durante una manovra di frenata. Fino ad ora, questo problema `e stato considerato solo in ambito automotive, senza per`o tenere in considerazione l’effetto dell’ABS, in quanto utilizzato solo in caso di emergenza. Questa analisi vuole essere un motivo aggiuntivo per introdurre anche in ambito aeronautico un sistema di controllo ABS piu` sofisticato, come puo` esserlo slip control. Dato che in aeronautica l’usura dello pneumatico ha un impatto maggiore sia per costi che per risorse rispetto al mondo automotive, questo problema puo` essere considerato per lo sviluppo di una strategia di controllo basata su un controllo ABS di tipo modulante, in cui viene definito un riferimento di consumo dello pneumatico, mediante un controllo ad-hoc di usura.