The present work reports on the development and validation of a framework for Hybrid-Electric (HE) aircraft preliminary design. The framework is needed to deal with innovative aircraft design, as no general methods are available in the literature yet. It is the combination of two preliminary aircraft sizing tools: the first is Hyperion (HYbrid PERformance SimulatION) for the preliminary sizing of innovative pure electric and hybrid-electric aircraft; the second is Argos (AiRcraft GeOmetry Sizing) for the preliminary aircraft geometrical design. The latter was entirely developed during this work, and implements existing Class I methodologies for aircraft preliminary design. The main purpose of this work consisted on obtaining HE aircraft design solutions for two aircraft category types: commuter (CS23/FAR23) and transport (CS25/FAR25) categories; specifically a 19 and 70-seater aircraft respectively. The power-train architectures considered were the serial hybrid with Internal Combustion Engines (ICE) and that using Fuel Cells (FC). Three technological horizons were assumed for the analysis: 2020, 2035 and 2050. The results show that, under the considered hypotheses (which include the standard airframe manufacturing and materials and a traditional aeropropulsive configuration), the 2020 technology is not yet developed enough to be applied for transport aircraft. On the contrary, for commuter aircraft a ICE-Hybrid solution is established; although, not convenient. Due to the heavy weight of the HE components, the aircraft shows about a 45.0% gross weight increase with respect to a conventional aircraft with the same performance characteristics, which translates into an approximately 25.0% increase in fuel needs. Much better results are obtained when considering reasonable technological advancement for 2035 and 2050. A sensitivity analysis was carried out to observe the behaviour of the design solution depending on technological parameter variations. All this shows that to achieve reliable HE design solutions, a tool the the geometrical aircraft design such as Argos is essential in combination with a preliminary aircraft sizing tool such Hyperion. The latter may produce a solution for the mass breakdown, power-train and wing sizing, but the solution may not be applicable to produce a feasible flying aircraft, as observed in the 2020 horizon design evaluations.
Nel presente lavoro viene presentato lo sviluppo e la validazione di un sistema per il progetto preliminare di un velivolo Ibrido -Elettrico (HE). Questo sistema è necessario per la gestione di progetti di velivoli innovativi, i quali non posseggono ancora in letteratura metodi generali per la loro gestione. Esso si presenta come una combinazione di due strumenti: il primo è Hyperion (HYbrid PERformnace simulatION), per il dimensionamento preliminare di velivoli innovativi con tecnologia "pure electric" e/o ibrida-elettrica; il secondo è Argos (AiRcraft GeOmetry Sizing), per il progetto preliminare della geometria del velivolo. Quest'ultimo strumento è stato sviluppato per il presente lavoro, ed è caratterizzato dall'implemetazione e integrazione di metodologie di Classe I per progetto preliminare di velivoli. L'obiettivo principale del lavoro consiste nell'ottenimento di soluzioni progettuali per velivoli ibridi-elettrici di due diverse categorie: commuter (CS23/FAR23) e velivoli da trasporto civile (CS25/FAR25), specificamente da 19 e 70 posti rispettivamente. Le architetture del sistema propulsivo considerate sono la configurazione ibrida in serie con un Motore a Combustione Interna (ICE) e quella a Celle a Combustibile (FC). Tre orizzonti tecnologici sono stati considerati: 2020, 2035 e 2050. I risultati mostrano, sotto specifiche ipotesi (che includono produzione e materiali standard per la struttura del velivolo e configurazione propulsiva tradizionale), come ad oggi (2020) la tecnologia ibrida-elettrica non è sviluppata abbastanza per essere applicata a velivoli da trasposrto passegeri. Al contrario per i velivoli di tipo commuter una soluzione ICE-Ibrida è ottenibile, ma non conveniente. A causa dell'alto peso delle componenti il velivolo presenta un incremento di circa il 45% sul peso massimo al decollo rispetto alla sua versione convenzionale con le stesse caratteristtiche prestazionali, ciò comporta inoltre un aumento di circa il 25% nella quantità di carburante necessario. Risultati migliori sono ottenuti considerando un ragionevole avanzamento tecnologico per gli anni 2035 e 2050. Uno studio di sensitività è stato effettuato per osservare il comportamento delle soluzioni di progetto alla variazione dei parametri tecnologici. Tutto ciò permette di mostrare come per ottenere valide soluzioni progettuali ibride-elettriche, uno strumento per il progetto geometrico del velivolo come Argos è essenziale insieme ad uno strumento di dimensionamento preliminare come Hyperion. Qest’ultimo può produrre una soluzione per la valutazione dei pesi, il sistema propulsivo e il dimensionamento dell'ala, ma essa non necessariamente risulta applicabile per ottenere un fattibile velivolo, come è possibile osservare nelle valutazioni per l'orizzonte tecnologico del 2020.
A framework for hybrid-electric aircraft preliminary sizing
Estrada Briz, Antonio;Raimo, Isacco
2019/2020
Abstract
The present work reports on the development and validation of a framework for Hybrid-Electric (HE) aircraft preliminary design. The framework is needed to deal with innovative aircraft design, as no general methods are available in the literature yet. It is the combination of two preliminary aircraft sizing tools: the first is Hyperion (HYbrid PERformance SimulatION) for the preliminary sizing of innovative pure electric and hybrid-electric aircraft; the second is Argos (AiRcraft GeOmetry Sizing) for the preliminary aircraft geometrical design. The latter was entirely developed during this work, and implements existing Class I methodologies for aircraft preliminary design. The main purpose of this work consisted on obtaining HE aircraft design solutions for two aircraft category types: commuter (CS23/FAR23) and transport (CS25/FAR25) categories; specifically a 19 and 70-seater aircraft respectively. The power-train architectures considered were the serial hybrid with Internal Combustion Engines (ICE) and that using Fuel Cells (FC). Three technological horizons were assumed for the analysis: 2020, 2035 and 2050. The results show that, under the considered hypotheses (which include the standard airframe manufacturing and materials and a traditional aeropropulsive configuration), the 2020 technology is not yet developed enough to be applied for transport aircraft. On the contrary, for commuter aircraft a ICE-Hybrid solution is established; although, not convenient. Due to the heavy weight of the HE components, the aircraft shows about a 45.0% gross weight increase with respect to a conventional aircraft with the same performance characteristics, which translates into an approximately 25.0% increase in fuel needs. Much better results are obtained when considering reasonable technological advancement for 2035 and 2050. A sensitivity analysis was carried out to observe the behaviour of the design solution depending on technological parameter variations. All this shows that to achieve reliable HE design solutions, a tool the the geometrical aircraft design such as Argos is essential in combination with a preliminary aircraft sizing tool such Hyperion. The latter may produce a solution for the mass breakdown, power-train and wing sizing, but the solution may not be applicable to produce a feasible flying aircraft, as observed in the 2020 horizon design evaluations.| File | Dimensione | Formato | |
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