Estimating the effects of electric propulsion for aircraft in terms of acoustic and atmospheric emissions

The studies on hybrid-electric propulsion for General Aviation have so far dealt with aircraft design, with the modelling of the propulsive unit and with the infrastructural change. In line with these analyses, the current work focuses on the environmental comparison between a hybrid-electric powertrain and a conventional propulsive unit based on an internal combustion engine (ICE). The acoustic and atmospheric effects are studied thanks to two innovative prediction procedures, derived from validated estimation methods and applied to both hybrid-electric and conventional aircraft. The estimation of sound exposure is based on the contributions of the airframe, the propeller and the engine; when present, the gearbox and the electric motor have proven to be negligible. The sound pressure levels relative to the cited sources are combined through an innovative formula using three dimensionless coefficients, obtained on the basis of the error with respect to real noise data. Atmospheric pollution is instead predicted through a simpler method exploiting the segmentation of flight trajectory for a more accurate estimation of the transit times. The two procedures are then applied to study the standard traffic pattern at Milan Bresso airport. At first, the influence of power management is investigated considering two existing airplanes retrofitted with serial hybrid-electric power-trains. Apart from the all-electric mode, the best results are obtained with the ICE activation in the base and final legs. In a second analysis, a real hybrid-electric aircraft is compared with two conventional airplanes considering actual engine activation. The sound exposure map relative to the hybrid-electric aircraft presents values at least one order of magnitude smaller than those of the conventional airplanes. Moreover, the hybrid-electric aircraft shows a promising 80% reduction in social cost deriving from pollutant emissions.

Gli studi sulla propulsione ibrido-elettrica per Aviazione Generale hanno finora trattato il progetto del velivolo, la modellazione dell’unità propulsiva ed il cambiamento infrastrutturale. In linea con queste analisi, il presente lavoro si concentra sul confronto a livello ambientale tra un propulsore ibrido-elettrico ed un gruppo propulsore convenzionale basato su un motore a combustione interna (ICE). Gli effetti acustici ed atmosferici sono studiati grazie a due procedure di predizione innovative, derivate da metodi di stima validati e applicate sia a velivoli ibrido-elettrici sia a quelli convenzionali. La stima dell’esposizione sonora è basata sui contributi della cellula, dell’elica e del motore; quando presenti, la trasmissione ed il motore elettrico si sono dimostrati essere trascurabili. I livelli di pressione sonora relativi alle sorgenti citate sono combinati attraverso una formula innovativa che utilizza tre coefficienti adimensionali, ottenuti sulla base dell’errore rispetto a dati di rumore reali. L’inquinamento atmosferico è invece predetto attraverso un metodo più semplice che sfrutta la segmentazione della traiettoria di volo per una stima più accurata dei tempi di transito. Le due procedure sono successivamente applicate allo studio del circuito di traffico standard dell’aeroporto di Milano Bresso. Inizialmente, l’influenza della gestione della potenza è investigata considerando due aeroplani esistenti ammodernati con un propulsore ibrido-elettrico di tipo serie. A parte la modalità completamente elettrica, i risultati migliori sono ottenuti con un’attivazione dell’ICE nei segmenti base e finale. In una seconda analisi, un velivolo ibrido-elettrico reale è confrontato con due aeroplani convenzionali considerando l’effettiva attivazione del motore. La mappa dell’esposizione sonora relativa al velivolo ibrido-elettrico presenta valori più piccoli di almeno un ordine di grandezza rispetto a quelli degli aeroplani convenzionali. Inoltre, il velivolo ibrido-elettrico evidenzia una promettente riduzione dell’80% in termini di costo sociale derivante dalle emissioni inquinanti.