Dynamic modelling of a three-surface aircraft with controlled canard

The three-surface aircraft configuration has historically been regarded as a potential improvement to the classic two-surface aft-tail configuration in terms of performance and manoeuvrability. Indeed, since the very early years of aviation history, different configurations have been designed to try to understand which one would have been the best to guarantee stability and equilibrium requirements. Although the two-surface resulted to be the best solution, mainly due to its simplicity, the three-surface configuration has been retrieved in the 1980s, on one hand to study possible performance improvements in the midst of the 1979 oil crisis which doubled the oil price per barrel, on the other to exploit manoeuvrability characteristics, mainly in experimental military aircraft. Theoretical studies have shown that the three-surface configuration provides better performance due to its lower induced drag, thus possibly allowing a better fuel efficiency. However, the complexity in physical modelling problems and supportability issues have always been a strong deterrent against fully exploiting the advantages of the three-surface configuration in real flying aircraft, with the very limited exception represented by the Piaggio P180 Avanti. To date, no complete treatment regarding mechanical and dynamic modelling is available in literature. In this thesis work, flight mechanics and dynamics modelling problems are addressed for an innovative three-surface aircraft configuration with two moving surfaces, an aft-tail elevator and a canard pitch control surface. Furthermore, manoeuvrability studies have also been developed to prove the inherent advantages. Finally, exploiting the pitch control redundancy, longitudinal flight control system architectures have been proposed to modify the longitudinal flight dynamics and improve the dynamic stability characteristics.

L’aeroplano a tre superfici è stato storicamente visto come un possibile miglioramento rispetto alla classica configurazione a due superfici con piano di coda orizzontale, sia in termini di prestazioni sia di manovrabilità. Infatti, fin dai primissimi anni della storia dell’aviazione, diverse configurazioni sono state progettate per provare a capire quella che sarebbe risultata essere la migliore nel garantire i requisiti di stabilità ed equilibrio. Sebbene la due superfici sia risultata essere la vincitrice, principalmente a causa della sua semplicità, la configurazione a tre superfici è stata rivalutata a partire dagli anni ’80, da un lato per studiarne i possibili miglioramenti in termini di prestazioni nel periodo della crisi energetica del 1979 che ha portato al raddoppio del costo del petrolio al barile, dall’altro per sfruttare le caratteristiche di manovrabilità, prevalentemente in velivoli militari sperimentali. Gli studi teorici hanno mostrato come la configurazione a tre superfici fornisca un miglioramento nelle prestazioni a causa della riduzione della resistenza indotta, permettendo quindi una possibile migliore efficienza nel consumo di combustibile. Tuttavia, le complessità nella modellazione della fisica del problema e nella manutenzione sono sempre state un grande deterrente contro il completo sfruttamento dei vantaggi della configurazione a tre superfici su macchine realmente volanti, con la sola vera eccezione del Piaggio P180 Avanti. Attualmente non sono disponibili trattazioni meccaniche e dinamiche complete in letturatura. In questa tesi, i problemi di modellazione meccanica e dinamica sono affrontati per un’innovativa configurazione di aeromobile a tre superfici dotato di due superfici mobili per il controllo di beccheggio, una posta sul piano di coda orizzantale e l’altra sul canard. Inoltre, sono stati sviluppati studi di manovrabilità per provarne i vantaggi inerenti. Infine, sfruttando la ridondanza nel controllo di beccheggio, sono state proposte architetture di controllo longitudinale per modificare le caratteristiche della dinamica del volo e migliorarne la stabilità dinamica.