Conceptual design of hybrid-electric aircraft

An increased focus on electric applications to propulsion for both ground vehicles and airplanes has been observed in recent years, thanks to more reliable and more performing batteries and electric motors. Electric propulsion for aircraft applications is still representing a very small portion of current standard aviation due to large mass penalties of batteries and due to rather unexplored design procedures. The present work focuses on establishing a general procedure to design an all-electric and serial hybrid-electric aircraft from a conceptual point of view and to simulate their flight profile to assess energy consumption to ensure the highest accuracy possible. A Matlab™ code named Hyperion was developed and validated using existing aircraft as a reference, considering the limit case of a simulated conventional aircraft. The considered procedure is based on the assumption of a propeller-driven aircraft powered by electric motors fed by batteries, which are, in case of a hybrid airplane, charged by a generator. Preliminary aircraft sizing is conducted by means of required power and estimated required energy, and actual performance is simulated step by step with an iterative procedure based on final state of charge and fuel tank, if present, levels. Literature studies and technology survey are carried out to establish a robust working base, that is considered in a wide set of parametric studies to assess sensitivity of key parameters such as battery performance, cruise speed and altitude, aircraft range among others, on parameters as takeoff, battery and fuel mass, wing surface, motor power and energy degree of hybridization.

Un aumento nell’interesse su applicazioni elettriche alla propulsione sia per veicoli di terra che per aeroplani è stato osservato nel corso degli ultimi anni, grazie a batterie e motori elettrici più affidabili e performanti. La propulsione elettrica per applicazioni aeronautiche rappresenta tuttora una porzione ridotta nell’aviazione corrente, a causa delle penalità in termini di peso delle batterie e a causa della scarsità di tecniche di progettazione adeguate. Il presente lavoro si focalizza sullo stabilire una procedura generale per la progettazione concettuale di un velivolo completamente elettrico o ibrido-serie e di simularne il profilo di missione per valutare i consumi energetici, per assicurare la massima accuratezza. Un programma Matlab™ chiamato Hyperion è stato sviluppato e validato utilizzando velivoli esistenti come riferimento, considerando un caso limite di un velivolo convenzionale simulato. La procedura considerata si basa sull’assunzione di un velivolo ad elica propulso da motori elettrici alimentati da batterie, eventualmente caricate da un generatore nel caso di velivolo ibrido. Il dimensionamento preliminare è condotto considerando potenze richieste ed energie stimate, mentre l’effettiva performance è simulata step-by-step con una procedura iterativa, basata sul livello finale di carica delle batterie e, se presente, del carburante nei serbatoi. Studi di letteratura e analisi tecnologiche sono stati effettuati per stabilire una base di lavoro solida, che è poi utilizzata in un ampio set di studi parametrici per valutare la sensitività di parametri chiave come performance di batteria, velocità e quota di crociera, raggio del velivolo, su parametri del velivolo quali massa al decollo, di batterie e carburante, superficie alare, potenze richieste e grado di ibridizzazione in energia.