Planning and simulation of the flight test campaign for a hydrogen hybrid-electric aircraft

The advent of new technologies in the aeronautic industry has inevitably led to the beginning of a new era for flight testing. New designs and new powertrains, mainly focused towards the green aviation concept, as it is for the aircraft subject of this document, restore a pioneering flavour in the flight test-ing activity. The level of uncertainty and innovation with witch it is necessary to face the new challenges, require indeed to develop estimation methodologies for expected performances shown during the campaign, that take full advantage of the modern computational tools available and are deeply integrated in the planning process of the latter. The activity described in this thesis is about the complete planning of the flight test campaign of an experimental hybrid-electric hydrogen-powered aircraft, from project requirements, to the definition of flight missions that compose the campaign. This activity has been developed as part of an European funded research project, in which, among many partners, a key role is played by Politecnico di Milano and Pipistrel Vertical Solutions, Slovenian aircraft company, known worldwide for the innovation level that characterizes its products: general aviation light aircraft. Therefore, the authors of this work, as part of the company staff, have developed the overmentioned planning of the flight test campaign, developing the mathematical tools in an automated environment, to increase precision and effectiveness of the latter. Despite being foreseen, in addition to planning, to include in the activity the execution of the campaign as well. the outbreak of the pandemic due to the SARS-CoV2 worldwide led to inevitably to delays and scope changes in the project. However, the partners managed to perform anyway at least the tests on-ground and, above all, the first flight, from which it has been possible to tune and validate the simulator developed, proving its effectiveness and validity.

L’avvento di nuove tecnologie nel settore aeronautico ha inevitabilmente portato all’avvio di una nuova era della sperimentazione in volo. Nuove architetture enuovi sistemi di generazione di potenza, per lo più votati alla riduzione delle emissioni nocive, come nel caso del velivolo oggetto di questo scritto, restituiscono all’attività di sperimentazione in volo un sapore pionieristico. Il livello di incertezza e di innovazione con cui si è chiamati a rispondere alle nuove sfide, richiedono infatti di sviluppare metodi di stima delle prestazioni attese durante la campagna, che sfruttino a pieno gli strumenti moderni di calcolo e siano altamente integrati nel processo di pianificazione della stessa.Il lavoro descritto in questa tesi riguarda la pianificazione di una campagna di volo di un velivolo sperimentale ibrido-elettrico a idrogeno nella sua totalità, dai requisiti del progetto, alla definizione delle singole prove. L’aspetto chiave del lavoro svolto risiede nell’aver sviluppato un simulatore Low Fidelity altamente integrato nella procedura di pianificazione, impiegato poi, sulla base dei risultati restituiti, per la definizione delle missioni costituenti lacampagna di volo. Tale attività si è svolta nell’ambito di un progetto di ricerca finanziato dall’UnioneEuropea, in cui, tra i numerosi partner, ricoprono un ruolo chiave il Politecnico di Milano e Pipistrel Vertical Solutions, azienda aeronautica slovena nota nel mondo per l’elevato livello di innovazione che contraddistingue i propri prodotti, ovvero velivoli leggeri per aviazione generale. Pertanto, gli autori di questa tesi, integrati nell’organico aziendale, hanno portato a termine la sopra citata pianificazione della campagna di volo, sviluppando strumenti matematici in ambiente di calcolo per incrementarne precisione ed efficacia. Sebbene fosse previsto, oltre alla pianificazione della campagna, di includere nell’attività anche lo svolgimento della stessa, il diffondersi della pandemia dovuta al virus SARS-CoV2 nel mondo ha inevitabilmente portato a notevoli ritardi e modifiche negli obiettivi del progetto. Essendo tuttavia i partner riusciti ad effettuare ugualmente i test a terra e, soprattutto, il primo volo, è stato possibile calibrare e validare il simulatore sviluppato, confermandone l’efficacia e la validità.