AeroSwitch project : proof of concept of a distributed electric propulsion aircraft enforcing flight symmetry control

Current master’s thesis focuses on the demonstration of the feasibility of single-engine in-flight simulation with a multi-engine electric aircraft, in both normal and emergency operational condition. This work aims to validate the concept developed by Team AeroSwitch in response to AIAA 2020 Graduate Team Aircraft Design Competition and culminated in a recent patent submission. The thesis achieves the goal of developing a scaled demonstrator of the concept introduced above by designing, assembling, and testing a radio-controlled (RC) aircraft model provided with the AeroSwitch technology. Intended for electrically propelled fixed-wing aircraft, it exploits differential thrust of an even number of electric motors placed on the wing leading edges to reproduce propeller effects typical of a single-engine and deal with failures of one or more electric motors, regaining flight symmetry. Beneficial effects on safety and cost of operations are the main drivers of this concept, based on an instance of a Distributed Electric Propulsion (DEP) architecture. Flight test activities have been carried out for all relevant flying modes. Single-engine in-flight simulation reflected the behavior of a real General Aviation aircraft, according to the data collected during a flight test activity carried out on a Cruiser Aircraft PS-28, applying properly conceived flight test techniques to isolate propeller effects. These can be summarized as a generation of sideslip, along with a slight turn rate and a bank angle variation, that require corrective action by the pilot. The condition of One Electric Motor Inoperative (OEMI) can be safely faced as well, imposing a specific setpoint to each of the residual electric motors through the control unit properly conceived, so that overall thrust symmetry is regained. Besides, the in-flight simulation of multi-engine One Engine Inoperative (OEI) condition has also been carried out. This is obtained shutting down one or more electric motors, without applying any throttle remapping contrary to OEMI cases. In an effort to exploit the potential of the current realization, thrust asymmetry was also enforced to verify feasibility of flat turns and coordinated turns with propulsive yaw control. Besides, the scale model flight testing investigates the effects of DEP, highlighting its influence on aerodynamic performance, with a remarkable increase in lift coefficient at high angle of attack.

Il presente lavoro di tesi magistrale è incentrato sulla dimostrazione della fattibilità della simulazione in volo del comportamento di un velivolo monomotore utilizzando un velivolo plurimotore elettrico, sia in condizioni operative normali sia di emergenza. Questo lavoro mira alla validazione del concetto sviluppato dal Team AeroSwitch in risposta alla competizione di progetto di velivolo indetta dalla AIAA nel 2020, culminato nel recente deposito di un brevetto. La tesi raggiunge l’obiettivo di sviluppare un dimostratore in scala dell’idea, progettando, assemblando e testando un velivolo radiocomandato dotato della tecnologia AeroSwitch. Destinata ad aeromobili ad ala fissa e propulsione elettrica, sfrutta la spinta differenziale di un numero pari di motori elettrici posti sul bordo d’attacco dell’ala per riprodurre gli effetti propulsivi tipici di un monomotore e far fronte alle avarie di uno o più motori elettrici, ripristinando il volo simmetrico. Gli effetti benefici sulla sicurezza e sul costo delle operazioni sono i principali motori di questo progetto, basato sulla realizzazione concreta di un’architettura che applica la propulsione elettrica distribuita (DEP). Sono state svolte attività sperimentali in volo per tutte le modalità più rilevanti. La simulazione della modalità di volo monomotore riflette il comportamento di un vero velivolo di Aviazione Generale, secondo i dati raccolti durante l’attività di test svolta su un Cruiser Aircraft PS-28, applicando tecniche opportunamente concepite per isolare gli effetti dell’elica. Questi possono essere riassunti come una generazione di un angolo di derapata, insieme ad una leggera velocità di virata ed una variazione dell’angolo di rollio, che richiedono un’azione correttiva da parte del pilota. Anche la condizione di un motore elettrico inoperativo (OEMI) può essere affrontata in sicurezza, imponendo uno specifico valore di manetta a ciascuno dei motori elettrici ancora operativi attraverso la centralina appositamente realizzata, in modo da garantire la simmetria di spinta complessiva. Inoltre, è stata eseguita anche la simulazione in volo della condizione tipica di un plurimotore con un motore inoperativo (OEI). Quest’ultima si ottiene spegnendo uno o più motori elettrici, senza applicare alcuna legge di controllo differente ai motori, contrariamente ai casi OEMI. Nel tentativo di sfruttare il potenziale dell’attuale realizzazione, è stato anche sfruttato il controllo dell’asimmetria di spinta per verificare la fattibilità di virate piatte e virate coordinate con il controllo dell’imbardata grazie all’uso dei soli motori. Inoltre, la sperimentazione in volo sul modello in scala è servita ad indagare gli effetti della propulsione distribuita, evidenziandone l’influenza sulle prestazioni aerodinamiche con un notevole aumento del coefficiente di portanza ad alto angolo d’attacco.