Flight mechanics modeling and control study of a three-surface aircraft

Aircraft design in the last decades, especially for what concerns the airline transport, has generally been based on the revision, modernization or partial re-design of well-consolidated products to reduce research, development and production costs. This design philosophy has led to some airliner families whose members feature some common characteristics or components as for example the wing, the system disposition or the passenger seat layout. This applies in general for conventional two-surface aircraft, the most common solution in civil aviation. The idea to employ a different configuration, as for example a canard arrangement, has always been a challenge; this because, even if canard configuration can lead to many advantages in terms of efficiency and fuel consumption, some issues occur as well; the solution of such issues cancels completely the above-mentioned benefits. The problems associated with the canard configuration will be shown, explaining why such lifting surface arrangement can be found mainly in little private airplanes or in model aircraft. This research thesis takes inspiration from the work done by Piaggio Aerospace in the 80s with the P180 Avanti. The company has found a configuration which could exploit the advantages offered by the canard without incurring into the relative problems. The resulting three-surface airplane has demonstrated to compete with business jets of the same class in terms of cruising speed and fuel consumption, even if featuring turboprop engines. The potential of the three-surface configuration may be enhanced by considering the forward wing to feature an elevator (movable surface); in this case the new degree of freedom may be used to search convenient trim solutions. The work starts with a model of the flight mechanics for a three-surface aircraft and moves on with a study on the advantages that an optimal trim solution may offer. The application of those studies on the configuration revision of an existing aircraft is investigated, specifying what are the conditions for which a change of configurations is convenient. Eventually, a brief method on how to set up a preliminarily ab-initio design of a three-surface aircraft, from a point of view of pure mechanics, will be shown. The main purpose of this work is to show that, under certain conditions, the three-surface configuration offers some advantages in terms of better performance compared to two-surface solutions (tailed or canard), for a given set of performance requirements. That being said, this work may represent the starting point for the definition of three-surface aircraft design guidelines.

Negli ultimi decenni, specialmente in ambito di trasporto di linea, il progetto di velivoli si è basato principalmente sulla revisione, aggiornamento o riprogettazione parziale di design consolidati, puntando alla riduzioni di costi di ricerca, sviluppo e produzione. Questa filosofia ha portato ad alcune particolari famiglie di velivoli, i quali membri presentano caratteristiche o componenti simili, come l'ala, la disposizione degli impianti e sistemi o dei sedili in cabina. Questo è in genere valido per velivoli a configurazione convenzionale a due superfici, la soluzione più comune in ambito civile. L'idea di utilizzare una configurazione diversa, come ad esempio una soluzione canard, è stata sempre una questione dibattuta. La configurazione canard, pur promettendo numerevoli vantaggi tra cui una maggiore efficienza e risparmio di combustibile, comporta l'apparizione di alcuni problemi la cui soluzione annulla tutti i vantaggi aspettati. In questo lavoro i problemi associati all'adozione di una configurazione canard verranno brevemente esposti, spiegando per quale ragione una tale disposizione di impennaggi orizzontali viene trovata principalmente in velivoli di piccoli dimensioni o aeromodelli. Questa tesi di ricerca prende spunto dal lavoro della Piaggio Aerospace negli anni '80 con il modello P180 Avanti. L'azienda è riuscita a trovare una configurazione che riuscisse a sfruttare i vantaggi offerti dal canard senza incorrere nei problemi relativi a questa soluzione. Il modello a tre superfici che ne è risultato ha dimostrato essere un ottimo concorrente di velivoli a getto della stessa classe in termini di velocità di crociera e consumo carburante, pur montando propulsori turboelica. Il potenziale della configurazione a tre superfici può essere ulteriormente valorizzato considerando l'aletta canard come impennaggio dotato di equilibratore (superficie mobile); in questo modo il nuovo grado di libertà introdotto può essere sfruttato per ricercare soluzioni di equilibrio convenienti. Il lavoro inizia con la definizione di un modello della meccanica del volo di un velivolo generico a tre superfici e prosegue con lo studio dei vantaggi che soluzioni di equilibrio ottime possono offrire. In seguito, i risultati del modello della meccanica del volo di un tre superfici e dello studio di equilibri ottimi verranno applicati alla revisione di configurazioni di velivoli già esistenti, specificando quali sono le condizioni per cui un cambio di configurazione risulta essere conveniente. Infine, verrà brevemente esposto un metodo per impostare il progetto preliminare ab-initio della configurazione di un velivolo a tre superfici da un punto di vista puramente meccanico. Lo scopo di questo lavoro è di mostrare che, sotto certe condizioni, la configurazione a tre superfici presenta dei vantaggi rispetto a una configurazione a due superfici (convenzionale o canard), a parità di requisiti di progetto. Appurato questo, si propone un punto di partenza per possibili linee guida per la progettazione di velivoli a tre superfici attraverso il modello statico e l'algoritmo di trimmaggio ottimo.