Aero-servo-elastic optimization in conceptual and preliminary design

The effects of air pollution are there for all to see, aviation plays its role in this and its emission share is increasing outpacing the prediction. The expanding aviation market together with more and more challenging emission reduction plans ask for breakthrough solutions. Composite materials and more reliable control systems open new design spaces for the investigation of new aircraft configurations exploiting the latest technology, the current design tools must adapt to consider these aspects since the conceptual design phases. In this work a meta-model of the wingbox is developed and provides an analytical representation of the structural components, which is used to manage multiple models and analysis results. Active control’s impact on the structural weight is accounted in the sizing procedure since the conceptual design phase by the implementation of an automatic controller tuning in the optimization loop. Improved models and control technologies are encompassed in an aero-servo-elastic optimization framework (NeOPT) for the conceptual design, which sizes an aircraft with aeroelastic constraints obtained with different simulation (trim, gust and flutter). NeOPT is exploited to size a family of twin aisle long haul (TAHL) aircraft focusing on the sensitivity of the fuel burn with respect to the aspect ratio. The result is a trade-off study which shows the balance between induced drag reduction and structural penalty mass achieved by increasing the wing aspect ratio.

L’effetto dell’inquinamento è sotto gli occhi di tutti, l’industria aeronautica occupa un ruolo rilevante in questo scenario e la sua quota di emissioni sta aumentando più velocemente del previsto. L’espansione del mercato aeronautico e le sempre più stringenti richieste per mezzi di trasporto ecosostenibili spingono l’ingegneria ad esplorare soluzioni innovative. Nuovi materiali ad alte prestazioni e sistemi di attuazione sempre più affidabili permettono di esplorare nuove soluzioni progettuali sfruttando le ultime tecnologie, gli strumenti di progettazione devono evolversi per poter considerare e sfruttare questi vantaggi sin dalle prime fasi del progetto. In questo lavoro, un meta-modello del cassone alare è sviluppato con l’intento di fornire una descrizione semi-analitica dell’elemento strutturale, la quale è utilizzata per gestire vari modelli e risultati di analisi differenti. L’impatto del controllo attivo è considerato nel dimensionamento sin dalla fase di progetto concettuale tramite l’implementazione di una suite di auto-regolazione del controllore all’interno della procedura di ottimizzazione. Modelli più fedeli e metodologie di controllo attivo sono impacchettate in un programma di ottimizzazione per il progetto concettuale e preliminare (NeOPT), il quale esegue un dimensionamento aero-servo-elastico del velivolo considerando vari tipi di analisi (trim, raffica, flutter, …) Infine, NeOPT è utilizzato per un esercizio di dimensionamento di un velivolo a lunga tratta dove lo scopo è investigare la sensitività del consumo di carburante rispetto l’allungamento alare. Il risultato è uno studio di trade-off tra la riduzione della resistenza indotta e l’aumento della massa strutturale, dettati dall’aumento dell’allungamento alare.