Design of an aeroelastic wind tunnel model for gust loads alleviation testing

The work developed within this thesis is aimed to the design of a wind tunnel aeroelastic aircraft model. The purpose of this project – upon which this thesis relies - is to contribute to the Green Regional Aircraft (GRA) progress. Within the European research program Clean Sky, the Green Regional Aircraft collects all the results deriving from the efforts directed to the future production of a medium size and range civil aircraft, which has to be as environmentally sustainable as possible. Politecnico di Milano, that closely collaborates with Leonardo Company as far as the GRA is concerned, is not the first time working on the development and validation of gust loads alleviation systems. Such a technology, reducing the stresses introduced in the wing structure, would allow to design less strength and heavy wing structures. As a consequence, an aircraft that benefits of this system is more efficient in fuel saving and less pollutant. This document reports the first phases of the scaled aircraft model development, thanks to which the effectiveness and the validity of an active gust load alleviation system will be tested. This device, simply called “wing tip”, due to its installation position, is a wingspan extension equipped with a control surface. The work focuses on two areas, primarily. The first target is to size the wing spar – that is the main wing structural component – with respect to precise dynamic behaviour requirements. In the second thesis part, instead, the CAD design of the engine is encountered, another essential element to the model realization. The design interaction between these two sections is not negligible; considering them as separated topics is not a correct interpretation. In fact, the principal methodological feature of the whole work lies in the interactive approach between all its areas.

Il lavoro svolto in questo percorso di tesi si concentra sulla progettazione di un modello in scala di velivolo, utile per prove aeroelastiche in galleria del vento. Il fine ultimo del progetto complessivo - all’interno del quale questa tesi si colloca - è quello di contribuire allo sviluppo del Green Regional Aircraft, nome piuttosto esplicito per quanto riguarda gli obiettivi che la realizzazione di tale aeroplano si prefigge. Infatti, all’interno del programma di ricerca europeo Clean Sky, il Green Regional Aircraft raccoglie i risultati di tutti gli sforzi volti alla realizzazione futura di un aereo di medie dimensioni per il trasporto passeggeri, su tratte medio-brevi, che sia il più possibile sostenibile dal punto di vista ambientale. Il Politecnico di Milano, la cui collaborazione viene mediata da Leonardo S.p.A., è da tempo impegnato nello sviluppo e nella validazione di sistemi per ridurre i carichi sull’ala dovuti alle raffiche di vento verticali. Una tale tecnologia, diminuendo le sollecitazioni che la struttura alare deve sostenere, permetterebbe di poter ridurre la resistenza e, dunque, il peso dell’ala. Di conseguenza, un aereo siffatto è più efficiente dal punto di vista dei consumi e meno impattante sull’inquinamento atmosferico. In questo elaborato, sono riassunti i primi sviluppi della progettazione del modello in scala di aeroplano, sul quale sarà testata l’efficacia e la validità di un dispositivo atto proprio a ridurre attivamente i carichi generati da raffiche di vento verticali. Tale dispositivo, al quale in questo documento si farà riferimento col generico nome di “wing tip”, derivante dalla sua posizione di installazione, è un’appendice alare dotata di una superficie mobile. Il lavoro qui riportato si compone, essenzialmente, di due parti. Il primo obiettivo è stato quello di dimensionare il longherone dell’ala - suo principale componente strutturale - rispetto a dei criteri di comportamento dinamico. Nella seconda parte della tesi, invece, ci si sofferma sulla progettazione e sulla definizione - principalmente al CAD - di un altro componente essenziale alla realizzazione del modello, qual è il comparto motore. Queste due sezioni non sono da intendersi come indipendenti e infatti l’influenza che l’una ha esercitato sull’altra non è stata mai banale. La caratteristica principale della metodologia necessaria per giungere a dei risultati significativi è stata dunque quella di impostare il lavoro in modo interattivo.