Performance-based preliminary sizing of aircraft with distributed propulsion

In recent years, an increased focus on electric propulsion applications for both ground vehicles and airplanes has been observed in recent years, thanks to more reliable and performing batteries and electric motors. Electric propulsion offers fundamentally different characteristics that enable distributed propulsion solutions, thanks to their scalable nature, without significant losses in efficiency or specific power. The present work focuses on establishing a general procedure to design an electric aircraft with a distributed electric propulsion (DEP) system from a conceptual point of view and to assess energy consumption and other advantages. A DEP model predicting the increase of aerodynamic coefficients with respect to the conventional case is developed and validated. Based on that, a procedure for the performance-based sizing of DEP aircraft with an arbitrary number of propulsive units is established and validated for the case of the NASA X-57 Maxwell aircraft. This new technique is implemented in the Hyperion tool, dedicated to electric and hybrid-electric aircraft preliminary sizing. As a final application, four varied configurations of the NASA X-57 are analyzed, highlighting strengths and weaknesses of DEP solutions.

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 offre caratteristiche fondamentalmente diverse dalla propulsione aerea convenzionale che permettono lo sviluppo della propulsione distribuita per via del ridimensionamento dei motori senza una significativa perdita di efficienza o potenza specifica. Il presente lavoro si focalizza sullo stabilire una procedura generale per la progettazione concettuale di un velivolo elettrico che utilizza la configurazione DEP e di valutare il sistema di dimensionamento preliminare per studiare i vantaggi strutturali ed energetici. Un modello DEP per la stima dell’aumento dei coefficienti aerodinamici con l’implementazione della propulsione distribuita è stato sviluppato e convalidato utilizzando velivoli elettrici esistenti come riferimento, effettuando un confronto sia con analisi CFD sia con dati sperimentali. Il dimensionamento preliminare è stato condotto tramite il modello DEP in modo da generare una procedura standard nel caso di un aereo che utilizza la propulsione distribuita, valutando i vantaggi che si possono ottenere con l’aumento del numero di motori elettrici sulla superficie alare. La fase di dimensionamento preliminare è stata convalidata studiando il caso dell’aereo elettrico NASA X-57 Maxwell. La procedura sviluppata per la grandezza dell’ala e la potenza dei motori con DEP è stata inserita nel programma Matlab chiamato Hyperion, utilizzato per il dimensionamento preliminare di progetto di velivoli elettrici. E’ stato svolto il dimensionamento preliminare di progetto per quattro configurazioni differenti relative all'aereo NASA X-57 Maxwell, evidenziando pregi e difetti della propulsione distribuita.