Analytical study of the fully developed spin of light aircraft exploiting preliminary flight test data

In the present thesis will be illustrated the work that was done as part of an internship program in order to predict the spin performance of two light general-aviation airplanes at different advancement in the design process. The first part is dedicated to the application of two semi-empirical methods for spin prediction to an aircraft in early stage of design. The methods are based only on the geometric and inertial characteristics of the aircraft and their scope is to provide an estimation of the expected spin performance along with some guidelines for tail design. The large majority of the work is oriented towards the realization of an analytical flight dynamic model and its implementation in a computer program capable of performing numerical simulations of the complete spin maneuver. The simulation program that was realized is based on the numerical integration of the equation of motion in six degrees of freedom that describe the dynamics of the aircraft. Great attention was given to the determination of a complete aerodynamic data-set up to high angles of attack, exploiting the results of flight tests of an aircraft for which a flying prototype was already developed. Through many numerical simulations it was possible to obtain a prediction of the aircraft performance in a developed spin and to verify compliance with the certification requirements prior to further flight tests. Additionally it was conducted a parametric study to be able to assess the effects of different control inputs and flight conditions on the most significant quantities that characterize the spin.

In questa tesi sarà illustrato il lavoro svolto come programma di tirocinio in azienda allo scopo di prevedere le prestazioni in vite di due velivoli leggeri di aviazione generale a diverso stadio di avanzamento nella progettazione. La prima parte è dedicata all’applicazione di due metodi semi-empirici per la previsione del comportamento in vite a un velivolo in fase preliminare di progetto. I metodi sono basati unicamente sulle caratteristiche inerziali e geometriche del velivolo e il loro scopo è di fornire una stima delle prestazioni in vite e delle linee guida per il design della coda. La maggior parte del lavoro è orientata alla realizzazione di un modello analitico di dinamica del volo e alla sua implementazione in un programma computerizzato in grado di simulare numericamente la manovra di vite nel suo complesso. Il programma di simulazione si basa sull’integrazione numerica delle equazioni del moto a sei gradi di libertà che descrivono la dinamica del velivolo. È stata posta grande attenzione alla determinazione di un data-set aerodinamico completo fino ad alti angoli d’attacco, sfruttando i risultati di prove di volo di un velivolo per il quale è già stato sviluppato un prototipo volante. Attraverso numerose simulazioni numeriche è stato possibile ottenere una previsione delle prestazioni del velivolo in vite sviluppata e verificare la conformità ai requisiti di certificazione prima di svolgere ulteriori prove di volo. In aggiunta è stato svolto uno studio parametrico per determinare gli effetti di diversi input di comando e diverse condizioni di volo sulle grandezze più significative che caratterizzano la manovra di vite.